Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАЖНЕНИЙ 19
1.1 Понятийный аппарат исследования, относящийся к понятию "информатика" 19
1.1.1. Понятия "информатика", "информационная модель" и "вычислительный эксперимент" 19
1.1.2. Понятие "императивное программирование" и классификация языков императивного программирования 26
1.2. Императивное программирование в фундаментальной подготовке будущих учителей информатики 42
1.3. Понятийный аппарат исследования, относящийся к понятию "система упражнений" 45
1.3.1. Понятия "задача по информатике" и "упражнение по информатике" 45
1.3.2. Понятие "спецификация программ" и "упражнение по программированию" 50
1.4. Понятие "система упражнений по императивному программированию" 60
1.5. Классификация упражнений по императивному программированию 63
1.6. Проектирование системы упражнений 72
Выводы по главе 1 75
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАЖНЕНИЙ ПО ИМПЕРАТИВНОМУ ПРОГРАММИРОВАНИЮ 77
2.1. Цели системы упражнений 77
2.2. Содержание системы упражнений 78
2.2.1. Использование факторного анализа при
отборе содержания систем упражнений 78
2.2.2. Концептуальные линии содержания обучения
языкам императивного программирования 86
2.2.3. Собственно содержание системы упражнений . 98
2.2.4. Конкретизация целей системы упражнений 118
2.3. Методы обучения императивному программированию 120
2.3.1. Метод "обучение через задачи" 121
2.3.2. Метод демонстрационных примеров 122
2.3.3. Программирование как метод обучения 132
2. 4. Организационные формы обучения императивному
. программированию 135
2.5. Средства обучения, используемые при выполнении
упражнений по императивному программированию . 142
Выводы по главе 2 154
ГЛАВА3.РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАЖНЕНИЙ ПО ИМПЕРАТИВНОМУ ПРОГРАММИРОВАНИЮ В КУРСЕ ИНФОРМАТИКИ ПЕДАГОГИ ЧЕСКОГО ВУЗА
3.1. Морфизмы методических систем 157
3.2. Цели системы упражнений по программированию в курсе "Программирование" и ожидаемые результаты обучения 162
3.3. Содержание системы упражнений по программированию 165
3.4. Методы, формы и средства обучения упражнениям по программированию 173
3.5. Технология построения содержания системы упражнений по заданному разделу 174
3.6. Организация и проведение педагогического эксперимента 179
3.6.1. Основные этапы педагогического эксперимента 179
3.6.2. Использование математических методов для обработки результатов педагогического эксперимента 183
Выводы по главе 3 193
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 195
БИБЛИОГРАФИЯ 198
ПРИЛОЖЕНИЯ 210
- Понятийный аппарат исследования, относящийся к понятию "информатика"
- Цели системы упражнений
- Морфизмы методических систем
Введение к работе
Актуальность исследования.
1. Для эффективного использования возможностей вычислительной техники при любой форме взаимодействия с ней необходимо овладеть определенным стилем мышления, определенными навыками. Наиболее существенными из этих навыков являются следующие: умение планировать структуру действий, необходимых для достижения заданной цели, при помощи фиксированного набора средств; умение строить информационные структуры для описания объектов и средств; умение организовывать поиск информации, необходимой для решения поставленной задачи; умение правильно, четко и однозначно выражать мысль в понятной собеседнику форме и правильно понимать текстовое сообщение; привычка своевременного обращения к ЭВМ при решении задач из любой области.
Предметом информатики является построение и изучение свойств алгоритмов на определенных структурах данных и способов реализации с помощью вычислительных систем. Ясно, что любая реализация алгоритмов подразумевает использование программного обеспечения, в частности различных систем программирования. Поэтому становится ясным, что информатика - это не только программирование, но тем не менее, без знания программирования не может обойтись ни один специалист или преподаватель информатики.
Кроме того известно, что что язык программирования выполняет следующие две функции. Он является:
1) средством выражения мыслей программиста. Существует мнение [Лингер,Миллс,Уитт,19823, разделяемое многими специалистами, о том, что самый важный язык, который следует знать программисту, -это его родной язык. Иными словами, самое главное - научиться яс- но и просто излагать мысли на любом языке, а уж потом, имея ясно сформулированную мысль, искать ее воплощение в конструкциях языка программирования;
2) инструментом проектирования. Дд.Буль [Лекции,1993,с.392] утверждает; "Всеми признана истина, что язык является инструментом человеческого мышления, а не только средством выражения готовых мыслей." А К.Йенсен и Е.Вирт [1993,с. 151] пишут: "Мы убеждены, что язык, на котором студент учится выражать свои мысли, оказывает глубокое влияние на его изобретательность и способ мышления.
Известный ученый и педагог Д. Грис [1984] утверждает, что "... хорошее преподавание программирования - важная часть тех задач, которые стоят перед учеными и преподавателями в области информатики".
2. Нам не известны обобщающие работы по обучению языкам одной парадигмы, да и работы по обучению программированию на конкретном языке не позволяют получить достаточно глубоких знаний, безусловно необходимых будущему учителю. Проведем обзор учебных пособий по обучению языку программирования Pascal, как, пожалуй, наиболее популярному при обучении как школьников, так и студентов программированию. Лишь немногие из них позволяют приобрести навыки составления алгоритмов решения задач и получить хотя бы первоначальное понятие о технологиях программирования.
К примеру, книга [Дагене, Григас,Аугутис, 1993] содержит большое количество задач, имеющих сложные и интересные алгоритмы решения, многие из них решены, что бесспорно ценно, но она рассчитана на студентов, уже имеющих навыки программирования на языке Pascal. В решенных задачах поддерживается технология процедурного и структурного программирования.
По словам авторов пособия [Касьянов,Сабельфельд,1986]: "Основ ной задачей является не только и не столько обучение студентов собственно процессу записи известного алгоритма на языке програм - т мирования, а практическое закрепление знаний, полученных в курсе по программированию, овладение общими методами, приемами, навыками по технологии решения задач на ЭВМ. Тематика заданий определяется всеми видами работ, которые должен освоить студент, чтобы научиться создавать качественные и надежные программы." Мало внимания уделяется работе с фундаментальными типами данных, хотя простейшие типы и поток управления рассмотрены довольно подробно. Вводится понятие об абстрактных типах данных, в частности о деревьях и системах дорог, есть первоначальное понятие о графах.
В [Абрамов,Зима,1987] рассмотрен сокращенный вариант языка Ь Pascal. Понятия языка и приемы программирования в нем излагаются таким образом, чтобы с первых же параграфов привлечь читателя к самостоятельному составлению законченных программ. Процедуры и функции расположены также лишь после глав о работе с простейшими и фундаментальными типами данных, т.е. процедурному программированию студенты могут обучаться при работе со ссылочными типами.
Еще одно пособие [Шаньгин, 1988] неплохо освещает работу с простейшими типами данных и на их основе с более сложными типами. В последней главе дается понятие о подпрограммах.
Пособие [Абрамов, Зима, 1989] расширено лишь главой "Простейшие алгоритмы приближенных вычислений, компьютерной графики, символьной обработки". Рассмотрены некоторые алгоритмы поиска.
Пособие [Пильщиков, 1989] наиболее полно представляет набор упражнений по обучению студентов программированию на языке Pascal. Оно содержит большое количество задач, при решении которых применяются известные алгоритмы, а также задач, для решения которых требуется умение составлять собственные алгоритмы.
В практикуме по основам программирования [Васюкова, Тюляе-ва,1991] довольно подробно рассмотрены простейшие и фундаментальные типы данных, есть понятие о динамических структурах данных. Программирование с помощью процедури функций вводится только в конце курса, поэтому в процессе обучения прививаются навыки лишь операторного программирования.
Отметим базовое пособие по программированию на языке Pascal для студентов РГПУ [Баранова, Топорнина.Шнуренко,1997].
В заключении обзора существующих основных, на наш взгляд, пособий и задачников по программированию, можно сделать вывод о том. что до сих пор один из важнейших вопросов методического обеспечения обучения программированию - "задача и упражнение по программированию как метод и как средство обучения" остается нераскрытым. Более того, до сих пор понятия "задача по программированию" и "упражнение по программированию" остаются интуитивными,, нестрого определенными в отличии, например, от понятия "задача по математике" и т.п., хотя обучение решению задач является важной составной частью обучения информатике.
3. Важнейшим видом учебной деятельности, в процессе которой усваивается система знаний, умений и навыков по информатике в школе и педагогическом вузе, является решение задач.
Исследования проблем методики обучения информатике в педагогическом вузе последних лет свидетельствуют о некоторой недооценке проблемы задач (упражнений) по программированию при обучении информатике будущих учителей. Существует ряд исследований на уровне кандидатских диссертаций, в которых авторы показывают как с помощью задач, организованных в группы, может быть изучено определенное понятие или тема курса информатики в педагогическом вузе, относящаяся к программированию. Главное в таких работах - формирование понятия, изучение теоретических знаний темы, а задачи -лишь средство, с помощью которого формируются определенные свойс-тва понятия, вопросы темы. Некоторые работы содержат критерии отбора задач в группы (системы), иногда экспериментально обосновывается эффективность использования таких групп (систем) задач для изучения того или иного вопроса.
Однако ни одно из исследований не ставит целью выяснить, а как ' будут влиять разные группы (системы) задач на эффективность изучения того или иного понятия. Зависит ли эта эффективность от содержания группы задач или она есть результат многих факторов и содержание задач не определяющее среди них.
Нам не известны диссертационные исследования по проблемам за-* дач для обучения программированию в педагогическом вузе, в которых бы решались вопросы определения функций задач по программированию, их типизация, построение системы задач по программированию и т.д.
Проблема задач по программированию в педагогическом вузе имеет много аспектов: это уяснение функций и целей задач в обучении программированию, это определение самого понятия "задача по программированию" и "упражнение по программированию", вопросы типологизации и классификации задач, определение содержания и методов их решения, - совершенствование методики обучения решению задач, - вопросы взаимосвязи задач и теоретических знаний и т.д.
Все эти аспекты находят частичное отражение в психолого-дидактической и методической литературе, однако следует признать, что рассматривались далеко не все вопросы.
В силу этого, актуальной является проблема обучения будущих учителей информатики программированию и языкам программирования, в котором одним из важнейших аспектов являются задачи и упражнения по программированию.
Таким образом, иель исследования состоит в решении вопроса о проектировании, конструировании и реализации системы упражнений для обучения императивному программированию будущих учителей информатики.
Объектом исследования является процесс обучения императивному программированию в фундаментальной подготовке будущих учителей информатики в условиях многоуровневого образования.
Предметом исследования являются вопросы проектирования, конструирования и реализации системы упражнений по императивному программированию.
С учетом сказанного можно сформулировать теми исследования: "Система упражнений по императивному программированию в фундаментальной подготовке будущих учителей информатики".
Гипотеза исследования.
Для построения системы упражнений по императивному программированию достаточно воспользоваться: определенным понятийным аппаратом (понятия: "задача", "упражнение", "информационная модель", "вычислительный эксперимент", гносеологическое и онтологическое определения понятия "информатика"); теоретической моделью системы упражнений; классификацией упражнений по программированию; методической системой обучения программированию императивной парадигмы, в содержании которой выделено пять взаимосвязанных линий обучения: технология программирования, структуры данных, контролирующие структуры, классические алгоритмы и их реализация на изучаемом языке программирования, человеко-машинный интерфейс.
Заметим, что классическими алгоритмами мы будем называть алгоритмы перечисленных ниже классов: алгоритмы теории чисел; поиск и сортировка в массивах; целочисленная арифметика многократной точности; поиск подстроки в строке; алгоритмы сжатия информации; генерация комбинаторных объектов; алгоритмы генерации псевдослучайных чисел; алгоритмы построения графических примитивов.
Поясним термин "контролирующие структури". Как известно, основные объекты языка программирования разделяются на две категории: 1) связанные с представлением данных {информационные структуры); 2) связанные с представлением вычислений {управляющие структуры). В дополнении к ним в монографии [Непомнящий,Ря-кин,1988,с.12-13] выделена еще одна категория - контролирующие структуры, которые составляют избыточную информацию о фрагментах программы или данных (метаинформацию), предназначенную для контроля в процессе разработки, отладки или(и) при выполнении программы. Контролирующие структуры играют важную роль при верификации программы и во многих других процессах (таких, например, как тестирование).
Предложенные выше линии обучения программированию: интересно сравнить по содержанию: а) с теорией Т.Пратта [1979], который предложил обучать языкам программирования в следующей последовательности: данные (логичес кая организация структур данных и представление в памяти); опера ции; управление последовательностью действий; управление данными; операционная среда; синтаксис и трансляция; б) с концепцией обучения студентов программированию, принадле жащей А.Г.Кушниренко (ВМК МГУ) и состоящей из концепции "исполни теля", пошаговой детализации "сверху-вниз", развитых структур данных; в) с "наивным" обучением языку программирования с использова нием трилингв [Очков,Хмелюк, 1990]; г) с методикой обучения программированию, состоящей в преиму щественном обучении семантике языка программирования [Кали нин, Мацкевич, 19913; д) с методикой обучения программированию, состоящей в обучении прагматике языка программирования [Фуксман, 1979].
Для достижения поставленной цели необходимо последовательно решить ряд проблем, поэтому далее перечислим задачи исследования: уточнение понятийного аппарата исследования (понятия: "задача", "упражнение", "информационная модель", "вычислительный эксперимент", гносеологическое и онтологическое определения понятия "информатика"); построение теоретической модели системы упражнений по императивному программированию; построение системы упражнений курса "Императивное программирование" в фундаментальной подготовке будущих учителей информатики; использование математических моделей при построении системы упражнений.
Для решения задач исследования использовались следующие мето-ды: анализ специальной литературы по математике, информатике, вычислительной технике и методике обучения математике и информатике; анализ научной литературы по философским, социальным, психолого-педагогическим проблемам, связанным с информатизацией общества, ее влиянием на личность и систему образования; анализ школьных и вузовских программ, учебников и учебных пособий; изучение и обобщение зарубежного опыта информатизации сферы образования и, в частности, проблем подготовки учителя информатики в условиях информатизации; изучение и обобщение педагогического опыта; анкетирование учителей, студентов, преподавателей педвузов; метод экспертных оценок и обработка результатов методом факторного анализа; констатирующие и формирующие эксперименты по проверке отдельных методических положений работы; моделирование методической системы обучения будущих учителей информатики императивному программированию.
Содержание применяемых методов исследования, конкретные задачи, решаемые с помощью каждого из них, а также экспериментальные материалы описаны в соответствующих разделах диссертации.
Научная новизна проведенного исследования состоит в том, что: сформулированы и обоснованы теоретические положения, на основе которых сформулированы цели и произведен отбор содержания, методов, форм и средств обучения будущих учителей информатики императивному программированию; построена теоретическая модель системы упражнений по императивному программированию; построена система упражнений в курсе "Императивное программирование" в фундаментальной подготовке будущих учителей информатики; использованы математические модели при построении системы упражнений.
Теоретическая значимость исследования определяется: методологией построения и реализации (внедрения) системы упражнений по императивному программированию, которая применима не только при обучении императивному программированию, но и при обучении другим парадигмам программирования; применением этой методологии для построения системы упражнений по императивному программированию в курсе фундаментальной подготовки будущих учителей информатики.
Практическая значимость исследования заключается в создании
Понятийный аппарат исследования, относящийся к понятию "информатика"
В дальнейшем мы будем придерживаться следующего определения информатики как науки.
Информатика [Бороненко, Рыжова,1995, с.38-39] - это фундаментальная естественная наука: (1) ее объектом являются информационные процессы в окружающем мире; (2) ее предметом являются:
(а) формальные системы, моделирующие информационные процессы;
(б) отображение формальных систем на архитектуру вычислительных (компьютерных) систем (моделирование формальных систем) с помощью построения информационных моделей {алгоритмов и структур данных):
(3) ее методологией является вычислительный эксперимент.
По мнению академика А. А. Самарского [1979,5,с.38-49], "вычислительный эксперимент - метод изучения устройств или физических процессов с помощью математического моделирования. Он предполагает, что вслед за построением математической модели проводится ее численное исследование, позволяющее "проиграть" поведение исследуемого объекта в различных условиях или в различных модификациях". Можно изобразить деятельность исследователя в вычислительном эксперименте схематически в виде следующего графа (Рис.1) [Рыжова, 1997,а,б]:
Сокращение ВС обозначает "вычислительная система", которая понимается как взаимосвязанная совокупность аппаратных средств ЭВМ и ее программного обеспечения. В нашем исследовании будем отождествлять понятия "вычислительная система", "компьютер" и "ЭВМ".
Приведем наше понимание некоторых терминов.
Как правило, после возникновения некоторой задачи в той или иной предметной области, начинается ее решение с помощью моделирования, которое включает в себя собственно построение моделей и проведение вычислительного эксперимента. Сначала строится предметная модель, а затем начинается ее исследование с помощью таких наук как математика и информатика.
Считается, что информатика как наука дает методологические основы построения информационной модели объекта, включающую три уровня [Советов, 1994,с.87]:
- верхний уровень - концетапуальный, на котором содержательно записываются основные характеристики объекта, полученные в процессе отражения. На данном уровне должна быть продумана идеология структуризации данных, отражающих информационную модель;
- средний уровень - логический,- наг котором решается задача формализации информационной модели на основе известного математического аппарата. Аппарат формализации должен позволять представлять полученную информацию в виде совокупности отдельных информационных объектов и отношений между ними, а также организовывать информационные массивы из данных, отображающих эту информацию, тем самым подготавливая процедуру хранения ее в документальной форме, либо в памяти ЭВМ;
- нижний уровень - физический, на котором информационные массивы распределяются по физическим носителям.
Но напомним, что информационная модель строится лишь после того, как построена предметная модель.
Под предметной моделью принято понимать "некий объект-заменитель, который в определенных условиях может заменять объект-оригинал, воспроизводя интересующие нас свойства и характеристики оригинала, причем имеет существенные преимущества, удобства (наглядность, обозримость, доступность испытаний, легкость оперирования с ними и пр.)" [Перегудов, 1989, с. 34].
Информационную модель определим как модель, выраженную в виде информации, доступной для использования человеком [Советов,1994].
Исключая физическую (предметную модель), натурную модель, можно считать, что остальные виды моделей имеют информационный характер. Как уже отмечалось, информационная модель имеет несколько уровней: концептуальный, логический и физический; в данном случае, имеется в виду понятие "концептуальная информационная модель".
Цели системы упражнений
В данном пункте с помощью факторного анализа мы сформулируем гипотезу об основных факторах, влияющих на формирование содержания системы упражнений по императивному программированию.
Факторный анализ является таким статистическим методом, с помощью которого можно формировать гипотезы из данных, полученных методом экспертных оценок. Целью данного метода является выявление из большого количества переменных простых показателей (факторов), которые каким-то образом описывали бы объект изучения и помогали "объяснять" внутренние закономерности.
Объектом эмпирических исследований выступают:
1) отбор разделов курса обучения программированию;
2) отбор тем курса обучения программированию на конкретном языке императивного программирования.
Выбор факторного анализа обусловлен многофакторностью процесса отбора содержания учебных дисциплин, а так же тем, что их использования в педагогических исследованиях приносило положительные результаты.
1. Для выделения наиболее значимых факторов, влияющих на отбор содержания обучения императивному программированию, экспертам было предложено ответить на следующий вопрос анкеты: "Укажите значимость перечисленных ниже аспектов для обучения императивному программированию (каждому признаку присвойте весовой коэффициент - целое число из [1,5]):
1) теория алгоритмов;
2) синтаксис языка программирования; 3) операционная семантика языка программирования;
4) структуры данных (прагматический аспект);
5) дедуктивная семантика языка программирования;
6) технология программирования;
7) психология программирования."
Эксперты (14 человек) составили выборку из студентов, программистов, аспирантов и преподавателей информатики педагогических университетов. В результате опроса была получена матрица исходных данных X, элементами которой являются весовые коэффициенты признаков, характеризующие их важность для обучения императивному программированию (т=14 характеризует количество опрашиваемых, а п=7 - количество признаков) (см. Пршюжетше 2, таблица 2).
Полученная матрица обработана с использованием программы, написанной на языке программирования Turbo Pascal (v.7.0) для реализации метода главных компонент (см. Приложение 1, программа 5). Для нахождения собственных чисел и собственных значений QR-мето-дом с использованием преобразования Хаусхолдера потребовалось 8 итераций:
Морфизмы методических систем
Определим термин "интерпретация методической системы обучения" по Т.А.Бороненко [1998]: интерпретацией (реализацией) методической теории (представленной в виде методической системы обучения) является учебный предмет.
Приведем несколько распространенных определений понятия "учебны! предмет".
(1) Учебная дисциплина (тебнш nveдмет) [Гинецинский, 1992, с. 108] - это педагогически адаптированная, телеономно ориентированная и предметно специфицированная система знания. Педагогическая адаптация - отбор из многообразия имеющихся знаний, тех которые соответствуют уровню познавательных возможностей учащихся. Телеономная организация предполагает, что система знаний, образующих учебную дисциплину, направлена на достижение определенных целей. Предметная спецификация познавательной деятельности возможна в том случае, если область изучаемых объектов ограничивается так, что можно дифференцировать объекты, входящие в эту область, и объекты, не входящие в нее, если определяются понятийно-терминологический аппарат, проблематика, методы, обусловливающие четкий познавательный ракурс деятельности.
(1 ) В частности, можно определить инфоуматики (как учебный предмет) как педагогически адаптированную, телеономно ориентированную и предметно специфицированную систему знаний: (а) учебным объектом которой является предмет информатики как научной дисциплины; (б) предметом - результат дидактической переработки научных знаний, относящихся к учебному объекту, в соответствии с целями обучения. При этом дидактическая переработка - это выбор, расположение и концентрация учебного материала, дидактическое упрощение и систематизация, формы представления содержания обучения.
(2) Учебная дисциплина (по В.И.Гинёцинскому [1992, с. 108]) это система видов учебно-познавательной деятельности.
Данное определение основывается на том, что учебная дисциплина как система знаний выступает в качестве предмета учебно-познавательной деятельности. Поэтому если одна и та же система знаний будет изучаться в различных условиях деятельности, мы вправе говорить о разных учебных дисциплинах, хотя их названия будут совпадать.
(3) Учебная дисииплина [Гинецинский, 1992] - это элемент структуры учебного плана.
Приведенное определение основывается на том, что при рассмотрении структуры учебного плана можно говорить об элементах этой структуры как об учебных дисциплинах. Методический смысл такого определения в том, что одна и та же по содержанию учебная дисциплина, выступая в качестве элементов разных учебных планов, будет изменять свои функции.
(4) Учебный предмет [Бороненко,1998] - это система, целью которой является развитие мыслительных способностей ученика, а структура - изоморфна (или гомоморфна) структуре методической системы обучения.
