Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Систематизация понятий информатики в процессе анализа и проектирования учебного курса: постановка и анализ проблемы 23
1.1. Систематизация понятий учебного курса как основа проектирования образовательной технологии 26
1.1.1. Обзор параллельных исследований 27
1.1.2. Постановка проблемы систематизации понятий курса информатики 36
1.2. О необходимости применения формальных методов для анализа и проектирования учебных курсов 38
1.3. Анализ идеи систематизации понятий в других предметных методиках (на уровне общеобразовательных курсов) 43
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 44
ГЛАВА 2. Методы искусственного интеллекта как основа систематизации и структурирования понятий учебного курса 46
2.1. Обоснование применения тезаурусного метода и сетевого моделирования для анализа и проектирования тезаурусов учебных дисциплин 48
2.1.1. О тезаурусном методе 54
2.1.2. Краткий обзор современных программных средств информационно-аналитического характера 59
2.1.3. Обзор и анализ методов представления знаний 66
2.2. Тезаурусный метод и сетевое моделирование: определение оптимального сочетания в рамках логико-семантического подхода 70
2.3. Разработка логико-семантического подхода к систематизации и структурированию понятий учебного курса 76
2.3.1. О системе понятий учебного курса 76
2.3.2. Принципы построения системы понятий учебного курса. Формальные и содержательные требования к системе понятий учебного курса 78
2.3.3. Технологическая база систематизации понятий учебного курса: этапы составления тезауруса 81
2.3.3.1. О предварительной систематизации понятий учебного курса 84
2.3.3.2. Тезаурус как дидактическое средство систематизации понятий 87
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 91
ГЛАВА 3. Применение методов искусственного интеллекта для анализа и проектирования учебных курсов 94
3.1. Применение методов искусственного интеллекта для информатизации образования 96
3.2. Система понятий общеобразовательного курса информатики: методический анализ100
3.2.1. Описание формально-логических схем понятий в аспектах методического анализа 101
3.2.2. О выделении групп и типов понятий информатики 130
3.2.3. Систематизация понятий курса информатики в контексте информатизации образования 136
3.3. Проектирование и внедрение учебных курсов методического характера на основе систематизации понятий предметной области 141
3.3.1. Информационные технологии в обучении: основные понятия учебного курса 143
3.3.2. Образовательные Интернет-ресурсы: систематизация понятий в рамках курса "ИКТО"
(обзор, анализ и обобщение материалов) 150
3.4. Примеры тезаурусов других дисциплин 152
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 169
ГЛАВА 4. Внедрение результатов исследования в учебный процесс (анализ и проектирование учебных курсов и систем тестовых заданий по информатике) 172
4.1. Обзор и анализ литературы по проблеме предметного тестирования и таксономиям уровней обученности 173
4.2. Сравнительный анализ систем тестовых заданий по информатике на основе тезаурусного метода 196
4.3. Формирование системы знаний по информатике у студентов
педагогического вуза на основе применения учебного тезауруса 203
4.3.1. Опыт внедрения учебного тезауруса в практику работы со студентами 205
4.3.2. Учебный тезаурус по информатике: результаты внедрения 213
4.3.3. Электронная версия учебного тезауруса: разработка демонстраций, редактирование, самообучение 226
4.4. Методика обучения студентов педагогического вуза разработке тестовых заданий по информатике 230
4.4.1. Разработка системы тестовых заданий по информатике: принципы, технология 230
4.4.2. Разработка тестовых заданий по информатике на основе систематизации понятий учебного курса 236
4.4.3. Оценка качества подготовки студентов по информатике на основе сравнительного анализа систем тестовых заданий 239
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 243
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 244
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 246
ПРИЛОЖЕНИЯ 276
- Систематизация понятий учебного курса как основа проектирования образовательной технологии
- Обоснование применения тезаурусного метода и сетевого моделирования для анализа и проектирования тезаурусов учебных дисциплин
- Применение методов искусственного интеллекта для информатизации образования
Введение к работе
Актуальность темы исследования вызвана недостаточной теоретической разработкой проблемы отбора и проектирования содержания образования. В современной педагогике развиваются различные подходы к определению содержания образования, наряду с традиционными знаниевым, деятельностным и личностным приобретают влияние компетентностный и культурологический подходы. В настоящее время наиболее важным с методологической точки зрения представляется подход, предложенный B.C. Ледневым . В основу этого подхода положены три базовые, или "сквозные", структуры: опыта личности, видов деятельности и содержания образования. Взаимодействие этих структур рассматривается с позиций кибернетики как науки об информационных процессах в сложных системах. Реализация данного подхода в области образовательных стандартов позволяет говорить о возможности и необходимости дальнейшей разработки проблемы проектирования содержания образования.
Отметим, что содержание общего образования стабильно в своей основе и развивается эволюционным путем. Как показано B.C. Ледневым, структура содержания общего образования детерминируется структурой объекта изучения, в качестве которого в этом случае выступает структура окружающей человека действительности, отраженная в предметной структуре научного знания. При этом решающее влияние на структуру содержания образования (в ее обязательной для всех учащихся части) имеет инвариантная базисная структура деятельности и соответствующая структура опыта личности.
Таким образом, предметная структура научного знания представляется приоритетной по отношению к структурам деятельности
1 Леднев B.C. Содержание образования: сущность, структура, перспективы. 2-е перераб. изд. М.: Высш. шк., 1991. 223 с.
6 и опыта личности, поскольку любая деятельность предметна, и ее первичное выражение в содержании образования — это и есть структура, система знаний об окружающей действительности.
С другой стороны, актуальность темы обусловлена потребностями
практики обучения. В связи с глубокими изменениями, происходящими в
системе образования и отражающимися в методической системе обучения в
рамках каждой образовательной области, насущной необходимостью
становится решение задачи составления адекватных требований к уровню
подготовки учащихся, а также определения объективных критериев оценки
качества знаний (в общем смысле). В отечественной дидактике эта задача
разрабатывалась в основном в рамках предметных методик, ее
общедидактическое решение наиболее полно представлено в монографии
"Требования к знаниям и умениям школьников: дидактико-методический
анализ" под ред. А.А. Кузнецова (1987). Задача собственно методического
обоснования общедидактических требований к результатам обучения по-
прежнему остается в числе актуальных. Одним из путей решения этого
вопроса нам представляется определение системы основных понятий в
процессе анализа и проектирования учебного курса и, в частности,
формирование содержательных определений основных понятий учебного
курса. При этом в качестве «технологии» реализации обратной связи
должно выступать предметное тестирование — формализованная процедура проверки и оценки качества подготовки учащихся.
В предметном тестировании осуществляются проектирование и анализ системы знаний учащихся, сформированной в процессе обучения по окончании того или иного курса. Важной задачей, решаемой при помощи разработки системы тестовых заданий, является определение уровня или качества формирования научного мировоззрения учащихся.
В качестве основного подхода к систематизации и структурированию понятий в рамках анализа и проектирования учебных курсов и, в частности,
тезаурусов учебных дисциплин мы выделяем составление формализованных описаний отдельных компонентов методической системы обучения: целей, содержания и требований к уровню подготовки. При этом должна возрасти наглядность представления информации о результатах обучения, в том числе за счет организации более эффективной процедуры проверки и оценки качества знаний учащихся.
Таким образом, заявленная тема исследования является одним из этапов решения общей проблемы поиска путей и подходов к анализу и проектированию учебных курсов.
Проблема исследования. В настоящее время существует много
различных вариантов (версий) преподавания информатики, в процессе
проектирования и реализации которых вырабатывается язык информатики,
выявляются основные понятия школьного курса, определяются содержание
и структура обучения. В связи с введением общеобразовательного стандарта
обучения информатике (1995, 2000), а также большим количеством учебных
и методических пособий отбор содержания обучения представляет собой
достаточно сложную и, несомненно, актуальную проблему для учителей и
преподавателей информатики. На важность вопроса формализации основных
понятий информатики указывал А.П. Ершов (1979), а также другие ученые,
стоящие у истоков школьной информатики: И.Н. Антипов, Г.А.
Звенигородский, А.А. Кузнецов, Э.И. Кузнецов, В.М. Монахов, Ю.А.
Первин. Одним из эффективных путей решения этого вопроса
представляется определение системы основных понятий в процессе
разработки модели знаний по информатике выпускника
общеобразовательной школы (Т.А. Кувалдина, 1997).
За прошедшие годы информатика как наука и учебный курс значительно изменилась. И эти изменения связаны не только и даже не столько с новой компьютерной и другой информационной техникой, сколько обусловлены изменениями, которые произошли в обществе и в
общественном сознании. Такие совсем недавно отвлеченные понятия, как "информационное общество", "информационная среда обитания" (коллективная, групповая или индивидуальная), входят в нашу жизнь и изменяют ее.
Новая наука информатика, ее система понятий становятся зеркалом, в котором отражаются все новые "веяния": методы, средства, формы организации тех или иных процессов, происходящих в общественных и производственных структурах. Так, само определение информатики в настоящее время (в очередной раз) пересматривается: по предложению ученых Института проблем информатики РАН информатика определяется как фундаментальная наука об информации и информационных процессах не только в технических системах, но также в природе и обществе. Это определение совпадает с определением кибернетики. Такое совпадение не случайно и означает, что первоначальная идея о необходимости преподавания в общеобразовательной школе нового предмета — именно основ кибернетики, а не программирования и вычислительной техники — является верной и сейчас начинает претворяться в жизнь.
В 2000 г. опубликованы обновленные стандарты и программы высшего профессионального и общего образования. Наряду с этим для информатики на ближайшие пять лет предлагается обсуждение и принятие решений по введению нового самостоятельного раздела "Социальная информатика" (К.К. Колин, "О структуре и содержании образовательной области "Информатика"" // ИНФО. 2000. № 10). В структуру учебного курса информатики данным автором предложено включить четыре раздела: теоретическая информатика, средства информатизации, информационные технологии и социальная информатика.
В связи с изменениями системы целей образования по информатике, введением новых тем и вопросов (например, элементов формальной логики), уточнением содержания основных разделов возникает необходимость более
четкого структурирования и систематизации понятий в процессе анализа и проектирования учебных курсов. При этом прикладными задачами, которые должны быть решены в процессе отбора содержания образования и отражены в системе подготовки учителей информатики, являются:
структурирование имеющихся знаний, т. е. их упорядочение и формализация, — то, что сейчас можно делать при помощи специальных программных средств — информационно-аналитических систем (экспертных систем);
выделение связей между понятиями (элементами знаний) с учетом принципа наглядности, с применением математического аппарата сетевого моделирования и построением на его основе концептуальных и логических моделей;
определение и описание моделей и методик обучения, то есть
проектирование образовательной технологии на основе выявленной
структуры знаний, разработанных моделей знаний — тезаурусов.
Эффективное решение этой задачи возможно лишь при условии
изменения методической системы обучения в целом, с учетом
образовательных целей и организационных форм обучения.
Такая постановка задач предварительной систематизации понятий соответствует дидактическим требованиям и составлена нами на основе теории искусственного интеллекта и, в частности, теории математической информатики (А.Л. Семенов, А.В. Чечкин). Если говорить о "новейшей" истории научных исследований в области методики преподавания информатики, то можно назвать около десяти работ, в которых действительно решаются, а не только упоминаются задачи и проблемы систематизации понятий информатики. Это докторские диссертации С.А. Бешенкова (1994), А.С. Лесневского (1996), Е.Ы. Бидайбекова (1999), А.Г. Гейна (2000), Е.А. Ракитиной (2002), кандидатские диссертации М.М. Абдуразакова (1993), Т.Р. Азларова (1993), Т.А. Кувалдиной (1997);
докторские диссертации, в которых для решения задач систематизации понятий применялись графовые модели, Н.В. Апатовой (1994), И.В. Марусевой (1993), М.В. Швецкого (1994).
На сегодняшний день сама проблема систематизации понятий информатики как учебного курса решена только на уровне построения общей естественно-логической структуры. Хотя есть и довольно удачные попытки выделения связей между понятиями. Что касается третьей задачи — описания моделей и методик обучения, — здесь намечается переход от методологии программирования и программированного обучения к методологии экспертных систем.
Обозначим проблемы, непосредственно связанные с систематизацией понятий информатики. Их поэтапное решение и приведет нас к поставленной цели. Проблемы следующие:
определение статуса информатики и определение самой информатики как науки;
необходимость применения формальных методов для анализа и синтеза систем понятий учебных курсов, применение специальных программных средств для автоматизации этого процесса;
построение системы понятий информатики как учебного курса с учетом дидактических, психологических (и лингводидактических) требований;
адекватное внедрение построенной системы понятий в учебный процесс школы и вуза;
систематизация понятий в процессе обучения: выявление связей внутри и между темами, разделами; здесь вырисовывается еще одна нерешенная проблема: межпредметные связи курса информатики, имеются в виду содержательные связи с математикой, физикой, языками, технологией, т. е. "пересечение" систем понятий различных школьных курсов;
11 построение на основе всего вышеперечисленного адекватной системы проверки и оценки качества знаний учащихся, а также "наглядной отчетности" по проверке и оценке качества знаний.
Таким образом, проблема исследования связана с разрешением противоречия между необходимостью разработки подходов к анализу и проектированию учебных курсов (в том числе в области информатики) и отсутствием всестороннего анализа сущности и путей реализации таких подходов.
Цель исследования заключается в разработке технологической базы систематизации понятий на примере курса информатики.
Объект исследования — анализ и проектирование учебных курсов и, в частности, тезаурусов учебных дисциплин как технологическая проблема.
Предмет исследования — моделирование понятийной структуры учебного курса в виде тезауруса.
Гипотеза исследования: методика отбора понятий учебного курса, разработанная на основе методов искусственного интеллекта, составляет технологическую базу систематизации понятий и позволяет эффективно и объективно определить качественные характеристики инвариантной логической структуры учебного курса, в том числе типологию понятий и связей между ними.
В соответствии с целью и рабочей гипотезой определяются следующие задачи исследования:
а) обосновать логико-семантический подход к решению проблемы
систематизации и структурирования понятий учебного курса;
б) выявить принципы отбора понятий и требования к системе понятий
учебного курса;
в) проверить эффективность применения логико-семантического
подхода на примере разработки фрагментов тезаурусов учебных дисциплин
естественнонаучного и гуманитарного циклов (информатика, физика, психология);
г) провести выборочный анализ школьных и вузовских
образовательных стандартов и программ, учебников, учебных и
методических пособий по информатике и другим дисциплинам;
д) разработать общую методику применения тезауруса в качестве
дидактического средства и на ее основе — методику обучения студентов
отбору содержания тестовых заданий по информатике.
Теоретико-методологическую основу исследования составили:
логико-методологические аспекты теории содержания непрерывного образования (B.C. Леднев): соотношение деятельности и становления личности, принципы структурирования содержания образования, определение целей общего образования и детерминант его структуры, взаимосвязи учебных предметов и проблема генерализации структуры содержания общего образования;
психологические теории формирования интеллектуальных структур, в том числе логико-психологические аспекты построения учебных предметов, теории формирования понятий в процессе обучения, а также психолого-педагогические основы проектирования компьютерных учебных средств (Л.С. Выготский, В.В. Давыдов, П.Я. Гальперин, Л.Н. Ланда, В.В. Рубцов, Н.Ф. Талызина, Л.М. Фридман);
теория моделирования, в частности, методы представления знаний в интеллектуальных и обучающих системах (А.В. Чечкин);
теория и методика информационного моделирования в дидактических исследованиях, в частности, с применением графовых моделей (С.А. Бешенков, В.Ф. Волгина, М.И. Денисова, И.И. Логвинов, И.А. Мешкова, В.П. Мизинцев, И.Б. Моргунов, А.В. Нетушил, А.П. Никитин, A.M. Сохор, А.Ю. Уваров);
педагогические теории уровней усвоения учебного материала, а также обобщение и анализ опыта их применения в виде педагогических технологий (В.П. Беспалько, Б. Блум);
положение о функционально-морфологическом анализе учебного материала (А.А. Кузнецов) — иерархии объектов изучения и видов учебной деятельности школьников в содержании учебного предмета;
теория учебника: дидактический аспект (В.П. Беспалько, Д.Д. Зуев, Б.Т. Лихачев, В. Оконь);
проблемы систематизации понятий школьных и вузовских курсов и формирования содержательных определений понятий в различных предметных методиках, в том числе с позиций лингводидактики (Н.М. Верзилин, Н.Д. Гальскова, И.А. Зимняя, В.М. Корсунская, Ю.В. Рождественский);
основы теории семантической информации (Ю.А. Шрейдер), тезаурусный метод и его применение в психологии и информатике (М.С. Мириманова, Л.Т. Турбович, А.И. Черный);
основные содержательные линии общеобразовательного стандарта обучения информатике (А.А. Кузнецов, С.А. Бешенков, С.Г. Григорьев, А.С. Лесневский), тенденции развития школьной и вузовской информатики (А.П. Ершов, К.К. Колин, Э.И. Кузнецов, Я.А. Ваграменко, М.П. Лапчик, Н.В. Апатова, В.К. Белошапка, Т.А. Бороненко, А.И. Бочкин, А.Г. Гейн, Т.Б. Захарова, И.В. Марусева, Е.А. Ракитина, И.В. Роберт, М.В. Швецкий и др.).
Для решения поставленных задач и проверки выдвинутой гипотезы применялись следующие методы исследования:
теоретические — сравнительно-исторический анализ философской,
педагогической, психологической, научно-технической и математической
литературы по теме исследования; историко-генетический анализ систем
основных понятий учебных курсов; тезаурусный метод выявления
системы понятий; моделирование представления знаний с использованием элементов теории сетей Петри; анализ и обобщение опыта преподавания информатики с применением формально-логических схем в школе и вузе; практические — наблюдение, беседа, анкетирование, экспертная оценка; педагогический эксперимент: констатирующий, формирующий, основной (рабочий) этапы с целью проверки компонентов гипотезы.
Организация и этапы исследования. Исследование проводилось в три этапа. Особенностью исследования явилось четкое соответствие методов и этапов, их постоянное соотнесение с задачами и целью исследования.
На п е р в о м этапе (1992-1996) изучено состояние проблемы отбора содержания обучения информатике в теории и методике, освоены методы представления знаний в обучающих системах, разработана методика отбора понятий учебного курса (на основе тезаурусного метода и сетевого моделирования с использованием анализа литературных источников и экспертной оценки). Применение данной методики позволило построить концептуальную модель знаний по информатике выпускника общеобразовательной школы с учетом перспективных связей с вузовским курсом. Проведен анализ различных вариантов систем понятий общеобразовательного курса информатики, предложенных в учебных и методических пособиях для школ и педагогических вузов, а также в учебных программах и стандартах. Результаты данного этапа исследования оформлены автором в виде кандидатской диссертации.
На в т о р о м этапе (1996-1998) выполнен анализ психолого-педагогической и научно-методической литературы с целью определения перспективных направлений исследования проблемы анализа и проектирования учебных курсов. Разрабатывалось и внедрялось содержание учебных курсов по информатике, методике преподавания информатики и информационным технологиям в образовании для студентов отделения
«Физика-информатика» физического факультета ВШУ, соответствующее разработанной концептуальной модели знаний по информатике. Прочитаны лекции, проведены семинары и беседы с учителями информатики, посвященные вопросам моделирования структуры понятий школьного курса информатики. В ходе констатирующего (1996-1997) и формирующего (1996-1998) этапов эксперимента проводились наблюдения особенностей учебной деятельности студентов, в частности, влияния предъявления структурированной учебной информации, представленной в виде текстов (описаний и определений понятий), дескрипторных статей и формальнологических схем, на трудность и успешность усвоения учебного материала студентами разных уровней подготовки. Для выявления результатов обучения с применением указанных средств организовывались беседы, проводилось анкетирование.
На третьем этапе (1999-2003) осуществлено внедрение результатов первого этапа исследования, а именно разработанной методики отбора понятий учебного курса в процесс проектирования содержания обучения в рамках школьного и вузовского курсов по дисциплинам гуманитарного и естественнонаучного профилей. Составлены модели систем понятий курсов физики и психологии в виде фрагментов тезаурусов учебных дисциплин. Продолжена опытно-экспериментальная работа в рамках основного эксперимента по применению тезауруса в обучении студентов — будущих учителей информатики. Уточнены системы понятий курсов информатики, методики преподавания информатики и информационных технологий в образовании. Разработаны проекты электронной версии учебного тезауруса на примере курса информатики, универсального конструктора тестовых заданий. Наряду с этим проведен сравнительный анализ новых публикаций по проблеме тестирования. Результаты анализа позволили уточнить гипотезу и задачи исследования, переосмыслить состояние проблем отбора содержания образования, анализа и проектирования учебных курсов,
16 систематизации понятий в процессе обучения и предварительной систематизации, необходимой для разработки содержания новых и традиционных учебных курсов в условиях допустимого многообразия видов образовательных учреждений. Сделано обобщение результатов, полученных в ходе опытно-экспериментальной работы и в процессе анализа и проектирования тезаурусов учебных дисциплин. Выработаны методические рекомендации по анализу и проектированию систем понятий учебных курсов в виде тезаурусов. Сформулированы выводы, завершено оформление работы. Научная новизна и теоретическая значимость исследования состоят в:
эффективном решении проблемы объективного отбора содержания образования на основе автоматизации представления знаний;
определении логико-семантического подхода к решению проблемы систематизации и структурирования понятий учебного курса, в частности, при разработке тезаурусов учебных дисциплин;
уточнении дидактической основы систематизации и структурирования понятий учебного курса: а) выявлении совокупности принципов построения и требований к системе понятий учебного курса; б) определении принципов и общей методики отбора содержания тестовых заданий;
разработке технологической базы систематизации и структурирования понятий учебного курса, позволяющей автоматизировать процедуру отбора и проектирования содержания образования при помощи тезаурусов учебных дисциплин, а в перспективе — систем тестовых заданий;
применении технологической базы систематизации и структурирования понятий учебного курса для анализа и проектирования логической структуры тезаурусов учебных дисциплин гуманитарного и естественнонаучного профилей, а также автоматизированного
формирования систем понятий образовательного профиля (методических курсов, сайтов учебных заведений);
разработке проекта системы дидактических электронных средств
информационно-аналитического характера, в частности, таких
компонентов, как электронная версия учебного тезауруса и
универсальный конструктор тестовых заданий.
Практическая значимость исследования заключается в:
обосновании корректности применения методов искусственного интеллекта для решения дидактических задач отбора и систематизации основных понятий учебного курса с учетом особенностей их формирования в процессе обучения;
доказательстве эффективности применения разработанного логико-семантического подхода к решению проблемы систематизации и структурирования понятий учебного курса;
доказательстве возможности выявления типовой логической структуры учебного курса на примере фрагментов тезаурусов по информатике, физике и психологии — дисциплинам, системы понятий которых слабо формализованы и не систематизированы;
уточнении взаимовлияния специфики предметной и образовательной областей в плане определения типичных отношений понятий учебного курса;
разработке типовой логической структуры тезаурусов учебных дисциплин в рамках школьного и вузовского обучения, что дает возможность унификации разработки систем требований к уровню подготовки выпускников общеобразовательных и профессиональных учебных заведений, а в перспективе — и систем тестовых заданий;
выявлении возможности установления межпредметных связей (круга понятий, принадлежащих одновременно двум и более образовательным областям) на примерах систематизации понятий;
уточнении логической структуры и основных функций перспективных дидактических электронных средств — электронной версии учебного тезауруса и универсального конструктора тестовых заданий;
выборе основных понятий предметного тестирования и уточнении круга понятий, подлежащих внедрению в учебный процесс педагогического вуза в рамках учебных курсов методического характера;
применении технологической базы систематизации и структурирования понятий учебного курса для подготовки дидактических материалов по информатике для самостоятельной работы учащихся и студентов, а также для самоподготовки и научно-исследовательской работы методистов, преподавателей и учителей информатики.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обусловлены рациональным сочетанием теоретических и практических методов исследования, оптимизированной структурой исследования, наличием комбинированных этапов (аналитических, проектировочных и экспериментальных), соответствующих цели и задачам исследования; качественным и количественным анализом дидактических и психологических положений, теорий, корректной реализацией на их основе отдельных элементов эффективной технологической базы систематизации и структурирования понятий учебного курса и достаточной широтой апробации основных теоретических выводов, полученных в ходе исследования.
На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Методы искусственного интеллекта позволяют представить теорию формирования понятий в виде определенной технологии, или "схемотехники понятий", т. е. отразить как формально-логический, так и содержательный аспекты представления знаний в учебных текстах и других материалах (средствах, носителях). Именно эта возможность является основой разработки системы дидактических электронных средств
нового типа, которые в совокупности адекватно представляют учебную информацию в виде модели знаний, поддерживают эффективное формирование системы знаний и должное качество подготовки выпускников образовательных учреждений.
Логико-семантический подход к решению проблемы систематизации и структурирования понятий учебного курса (на основе тезаурусного метода и сетевого моделирования) позволяет осуществить анализ и синтез понятийно-типовой структуры учебного курса в виде тезауруса.
Применение логико-семантического подхода к решению проблемы систематизации и структурирования понятий курса информатики позволяет построить полную, логически непротиворечивую и обозримую систему понятий учебного курса с учетом особенностей формирования понятий в процессе обучения, в соответствии с целями обучения и требованиями к уровню подготовки учащихся.
Дидактическую основу систематизации и структурирования понятий учебного курса на основе методов искусственного интеллекта составляют: а) совокупность принципов построения и требований к системе понятий учебного курса; б) принципы и общая методика отбора содержания тестовых заданий.
Уточненную нами дидактическую основу целесообразно использовать в сочетании с технологической базой систематизации и структурирования понятий учебного курса.
Разработанная нами технологическая база и уточненная дидактическая основа систематизации и структурирования понятий учебного курса позволяют осуществить: а) автоматизированное построение тезаурусов учебных дисциплин; б) анализ и проектирование учебных курсов различных уровней и профилей подготовки; в) эффективную процедуру анализа и синтеза определений понятий и объективного отбора содержания образования на формально-логической основе; г)
эффективную реализацию электронных и традиционных дидактических средств, которые (в комплексе) представляют перспективную систему и технологию обучения студентов и учителей информатики на основе применения тезаурусов; д) автоматизированное формирование систем понятий образовательного профиля (методических курсов, сайтов учебных заведений и их подразделений и т. п.). 7. Проект системы дидактических электронных средств информационно-аналитического характера — электронная версия учебного тезауруса (в том числе электронный справочник «Основные понятия курса информатики», учебная информационно-справочная система), информационно-аналитическая система «Анализ учебных курсов», универсальный конструктор тестовых заданий — охватывает все виды деятельности, а также учебной и профессиональной работы студента/учителя информатики, являясь компьютерной поддержкой предметно-методической подготовки.
Апробация результатов исследования. Материалы, основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались в течение 1994-2003 гг. на конференциях, научно-практических, научно-методических и методологических семинарах, научных сессиях, в том числе на международных конференциях: "Подготовка преподавателей математики и информатики для высшей и средней школы" (Москва, 1994), "Образовательные стандарты: проблемы и перспективы" (Москва, 1997), "Современная логика: Проблемы теории, истории и применения в науке" (Санкт-Петербург, 2000), "Информационные технологии в образовании" (Москва, 2002), "Применение новых технологий в образовании" (Троицк, 2002, 2003); на всероссийских конференциях: "Информатизация образования-98" (Курск, 1998), "Региональные проблемы информатизации образования-99" (Пермь, 1999), "Информатизация образования-2003" (Волгоград, 12-15 мая 2003 г.); на научных сессиях МГОПУ (Москва, 1997,
1998); на семинарах Российской школы молодых ученых "Научный поиск в педагогике" (Волгоград, 1995); на научно-методическом семинаре кафедры информатики и дискретной математики МПГУ им. В.И. Ленина (Москва, 1995); на методологическом семинаре памяти проф. B.C. Ильина (Волгоград, 1997); на заседаниях отдела теории и методики обучения информатике ИОСО РАО (Москва, 1998-2003); на областной научно-практической конференции учителей и преподавателей информатики "Информационные технологии образования" (Волгоград, 1999-2003); на научных и научно-методических конференциях ВГПУ (1997, 1999-2001, 2003); на научно-методическом семинаре кафедры теории и методики обучения физике и информатике ВГПУ (1998, 2001, 2003).
Внедрение научных результатов исследования осуществлялось в процессе публикации учебных, учебно-теоретических и методических изданий, статей, научно-методических материалов общим объемом 23,4 п. л. (без монографии), а также при подготовке и проведении опытно-экспериментальной и методической работы на базе Волгоградского государственного педагогического университета, Волгоградского областного института повышения квалификации работников образования, общеобразовательных школ г. Волгограда, при чтении лекций и проведении семинаров на курсах повышения квалификации учителей информатики при ВИПКРО, в процессе проведения занятий по информационным технологиям в образовании с магистрантами физического факультета ВГПУ, занятий по информатике, методике преподавания информатики и информационным технологиям в образовании со студентами физического факультета ВГПУ, подготовке дипломных и курсовых работ по информатике и методике преподавания информатики; при участии в разработке сайта учебного заведения в центре телекоммуникаций Финансовой академии при Правительстве РФ, при проведении консультаций и семинаров для
сотрудников аналитического отдела НИИ обучающих программ и продуктов Современного гуманитарного университета (Москва).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений.
Систематизация понятий учебного курса как основа проектирования образовательной технологии
В связи с изменениями системы целей образования по информатике, введением новых тем и вопросов (например, элементов формальной логики), уточнением содержания основных разделов возникает необходимость более четкого структурирования и систематизации понятий в процессе анализа и проектирования учебных курсов. При этом прикладными задачами, которые должны быть решены в процессе отбора содержания образования и отражены в системе подготовки учителей информатики, являются:
структурирование имеющихся знаний, т. е. их упорядочение и формализация, — то, что сейчас можно делать при помощи специальных программных средств — информационно-аналитических систем (экспертных систем);
выделение связей между понятиями (элементами знаний) с учетом принципа наглядности, с применением математического аппарата сетевого моделирования и построением на его основе концептуальных и логических моделей;
определение и описание моделей и методик обучения, т. е. проектирование образовательной технологии на основе выявленной структуры знаний, разработанных моделей знаний — тезаурусов. Эффективное решение этой задачи возможно лишь при условии изменения методической системы обучения в целом, с учетом образовательных целей и организационных форм обучения.
Такая постановка задач предварительной систематизации понятий соответствует дидактическим требованиям и составлена нами на основе теории искусственного интеллекта и, в частности, теории математической информатики (А.Л. Семенов, А.В. Чечкин). Если говорить о "новейшей" истории научных исследований в области методики преподавания информатики, то можно назвать не более десяти работ, в которых действительно решаются, а не только упоминаются задачи и проблемы систематизации понятий информатики.
В теории и методике обучения информатике и в других предметных методиках нам не известны научные исследования, в которых методы искусственного интеллекта применялись бы для решения задач структурирования и систематизации понятий учебного курса в целом (или в более общем виде — предметной или образовательной области). Можно сказать, что предыстория нашего обращения к методам искусственного интеллекта состоит в том, что мы изучили проблематику исследований, посвященных применению математического аппарата теории графов для моделирования как процесса обучения в целом (аспект программированного обучения), так и отдельных компонентов методической системы обучения, в частности, содержания обучения (образования). Фундаментальными в этой области в общедидактическом плане явились работы В.П. Мизинцева, А.Ю. Уварова и И.И. Логвинова (70-е гг.). Если говорить о методических исследованиях, следует отметить работы С.А. Бешенкова, В.Ф. Волгиной и И.А. Мешковой по методике преподавания математики (70-80-е гг.), где графовые модели фактически использованы для представления знаний (термин теории и методологии искусственного интеллекта) [214]: моделирования понятий, моделирования структур учебных текстов. Есть также работы, посвященные систематизации учебного материала и расчету количественных характеристик его свойств на основе графовых моделей (В.П. Беспалько, М.И. Денисова, В.П. Мизинцев, A.M. Сохор). В свое время И.И. Логвиновым (1980) была отмечена недостаточность попыток построения сетевых моделей, отражающих логическую структуру содержания обучения. И к настоящему времени сетевое моделирование еще не нашло широкого применения в теории обучения. Наряду с этим все большее распространение получают так называемые сетевые структуры управления, в которых трудно, а иногда и невозможно выделить уровни или иерархические компоненты системы управления. Переплетение и смешение ветвей власти на уровне государства, "командные" методы организации управления на уровне отдельной фирмы — все это примеры сетевых структур. Поэтому представляется, что следующим (после относительно полного и систематического исследования иерархических многоуровневых систем) перспективным предметом исследований в области моделирования механизмов функционирования организационных систем, в том числе и образовательных, должны стать именно сетевые структуры управления [203]. В то же время методологической основой таких исследований по-прежнему является системный подход [3, 25, 33, 58, 280, 284].
Обоснование применения тезаурусного метода и сетевого моделирования для анализа и проектирования тезаурусов учебных дисциплин
В информатике для описания отношений между понятиями наряду с сетевым моделированием находит применение тезаурусный метод, впервые предложенный Ю.А. Шрейдером (1963). Понятие тезауруса как системы знаний, отраженных языком, связано с общей концепцией семантической информации. Под тезаурусом понимается взаимосвязанное описание отношений между понятиями, а также способ описания системы понятий [317-319]. Тезаурус является основой построения информационно-поисковых систем. Вопросам разработки концепции тезауруса в информатике, а также методики составления тезаурусов и тезаурусной деятельности посвящены работы А.И. Черного (1968), М.С. Миримановой (1984), Л.Ю. Монаховой (1997), А.Г. Шмелева (1997) и др. Тезаурусный метод традиционно применяется при составлении квалификационных характеристик обучаемых. Так, в исследовании В. Димовой, В. Чалыкова, Д. Маламова (1978) указано, что метод составления в эксплицитной форме квалификационной характеристики является эквивалентным по своим результатам методу выбора содержания образования, овладение которым "автоматически" ведет обучаемого к удовлетворительной квалификационной характеристике. Необходимость введения дополнительных дескрипторов в содержание образования, без которых невозможно построение его системы, обусловливает различие между объемами понятий "содержание образования" и "тезаурус специальности". Отличительная особенность тезаурусного метода состоит в том, что с его помощью можно не только определить содержание (выделить систему понятий той или иной предметной области, задать "логический каркас" будущей модели знаний выпускника — свойство эксплицитности. выраженности связей между понятиями), но и метод его обработки, то есть соотнести логику науки с логикой учебного предмета.
В качестве примера применения тезаурусного метода и анализа его результатов приведем сравнительные и типологические исследования по содержанию образования, проведенные для обоснования структуры многоуровневого учебного плана (научный коллектив под руководством проф. Ю.В. Рождественского, 1993). Сравнительные исторические исследования учли объем содержания и типы предметов в школах древности, греко-римской античности, средневековья и нового времени, а типологические исследования осветили содержание современного общего среднего образования в СССР, Японии, ФРГ, США, Франции и отчасти в КНР. Сравнения проводились на базе унифицированной единицы сравнения — термина и отвечающего ему понятия или представления. Например, треугольник, историческая личность, категория грамматики или лексики, фигура танца и т. п.
Оказалось, что во все времена двенадцатилетний цикл образования включал примерно одинаковое число единиц — до 20 000 терминов, а содержание понятий совершенствовалось путем расширения и углубления на основе новых знаний путем систематизации (фактически применялся метод системного анализа и логического вывода) при сохранении количества понятий и терминов.
Названным научным коллективом был составлен тезаурус общемировой компоненты содержания образования объемом в 10 000 терминов. Тезаурус отражает историю развития общего образования, сохраняет его основные разделы: физическая культура, филологические науки, математические науки, мусические искусства (танец, музыка, живопись и скульптура), практические искусства (домоводство, право, домашняя медицина, основные общетехнические термины), естественные науки (физика, химия, биология), гуманитарные науки (география, история, социология), этика (мораль, нравственные суждения, этические теории).
Систематизация терминов и содержание понятий данного тезауруса построены так, что позволяют без дублирования добавить любые национальные и профессиональные компоненты в каждой конкретной школе. Схема, конкретизирующая этот принцип дополнения, приведена, например, в [307, с. 115-118], отметим лишь, что в ней присутствует и информатика с такой профессионально-ориентированной компонентой, как программирование. В соответствии с результатами проведенных исследований предложено отвести до половины всего содержания образования (приблизительно 10 000 терминов) на национальную и профессионально ориентированную компоненты.
Как известно, содержание школьного образования должно давать общую ориентацию ученикам в основных направлениях культуры. В учебных планах различных школ, стран и эпох можно выделить достаточно инвариантные циклы учебных предметов, отражающих культуру. По классификации проф. Ю.В. Рождественского выделяются восемь циклов: физическая культура, филология (языки, письмо, письменность, литература, устная литературная речь, теория языка), математика (арифметика, алгебра, геометрия, тригонометрия, элементы теории вероятностей и математической статистики), мусические искусства (изобразительное искусство, музыка, танец), практические искусства (домоводство, труд, право, медицина, военное дело), естественные науки (физика, химия, биология), гуманитарные науки (география, история, обществоведение), этика (правила морали, нравственные суждения, этико-философские учения).
Применение методов искусственного интеллекта для информатизации образования
В настоящее время в России ведется разработка основ будущего проекта информатизации системы образования. Цель проекта — создание учебных материалов нового поколения, в том числе электронных образовательных ресурсов, которые бы способствовали развитию творчества учащихся, подготовке их к жизни в новом информационном обществе.
В связи с изменениями, происходящими в обществе, образование приобретает новые черты, становится открытым и непрерывным. Современный специалист должен уметь искать нужную информацию, уметь ее проанализировать, систематизировать и преобразовать применительно к разнообразным целям своей деятельности.
Для модернизации и повышения эффективности обучения и качества подготовки молодых педагогов в парадигме новых образовательных технологий —- нами в течение ряда лет проводятся исследование, разработка и внедрение в практику обучения сетевого моделирования и тезаурусного метода как элементов методики построения системы понятий учебного курса. Результаты эксперимента показывают, что эти методы могут быть широко использованы для решения ряда вопросов, касающихся сферы информатизации образования, таких как:
совершенствование механизмов управления системой образования, в частности, нами исследована проблема "стыковки" школьных и вузовских стандартов обучения информатике;
систематизация понятий учебного курса как основа проектирования образовательной технологии, а также информатизации образовательных областей;
анализ и проектирование учебных курсов, в том числе их электронных версий и вариантов;
разработка электронных средств образовательного назначения, в частности, разработка электронного тезауруса (системы понятий учебного курса в виде формально-логической модели) и его содержательное наполнение;
разработка и внедрение методики использования Интернет-ресурсов для формирования базы знаний на основе заранее разработанной формализованной системы понятий. Это придает поиску и методике формирования определений понятий и терминов целенаправленный характер, может повысить эффективность обучения за счет применения систематизированной информации;
внедрение новых и модернизация традиционных форм организации обучения на основе формально-логических методов: выполнение заданий по составлению словарей, систем понятий — тезаурусов — по определенным темам, вопросам учебного курса;
разработка и внедрение новых методик, в частности, информационной технологии разработки тестовых заданий, в обучение студентов — будущих учителей информатики — на основе применения учебного тезауруса и систем тестовых заданий; создание и использование средств автоматизации для психолого-педагогического тестирования и разработки методик контроля и оценки качества подготовки обучаемых [131].
Укажем "точки включения" — темы и вопросы курсов методического характера, где нами использованы элементы сетевого моделирования и тезаурусного метода для анализа и синтеза информации.
Курс теории и методики обучения информатике: тема "Система целей и задач обучения информатике в школе. Педагогические функции курса информатики", вопрос "Информационная культура, информационная и компьютерная грамотность как основные компоненты системы образовательных целей и задач" (работа студентов на семинарском занятии: анализ понятий и реализация целей в аспекте воспитательной работы на уроках информатики); тема "Анализ учебных программ, учебных и методических пособий по информатике" (работа студентов на практическом занятии); тема "Организация проверки и оценки результатов обучения. Функции, виды контроля и оценки результатов обучения, критерии оценки знаний и умений школьников на основе структуры требований в условиях внедрения образовательных стандартов", вопрос "Методика разработки тестовых заданий на основе уровневой и профильной дифференциации обучения. Корректировка методики по результатам проверки" (работа студентов над групповыми проектами в рамках компьютерного практикума) [122, 129, 141, 142].
