Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БАЗОВОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ БУДУЩИХ УЧИТЕЛЕЙ ФИЗИКИ.
1.1. Этапы развития информатизации образования 14
1.2. Особенности системы информационной подготовки учителей физики 19
1.3. Базовая информационная подготовка учителя физики 27
1.3.1. Принципы и методы отбора содержания базового курса информатики 28
1.3.2. Математическая информатика как средство анализа структуры и содержания базового курса информатики 34
1.4. Возможности информационного моделирования при решении учебных задач с использованием компьютера 44
1.5 Информационная модель учебной задачи и её анализ средствами математической информатики 48
1.6 Психолого-педагогические основы базовой информационной подготовки учителей физики 52
Выводы по 1 главе 64
ГЛАВА 2. ОСНОВЫ БАЗОВОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ БУДУЩИХ УЧИТЕЛЕЙ ФИЗИКИ
2.1. Содержание базового курса информатики 66
2.2 Возможности использования информационной модели задачи при обучении информатике 75
2.3 Методика применения информационной модели задачи в изучении базового курса информатики 83
2.4 Учебные задачи базового курса информатики 88
2.5. Ход и результаты педагогического эксперимента 94
Выводы по 2 главе , 101
Заключение 102
Литература 104
- Этапы развития информатизации образования
- Особенности системы информационной подготовки учителей физики
- Содержание базового курса информатики
Введение к работе
Процесс информатизации представляет собой одну из закономерностей социального и научно-технического прогресса, открывая перед обществом новые перспективы развития всех общественных структур и отношений каждой страны и всего мирового сообщества.
Информатизация, как известно, базируется на широком внедрении компьютеров, информационно-коммуникационных средств, глобальных информационных сетей во все сферы человеческой деятельности. Это создает не просто новые условия труда, но и информационную среду обитания человека, новый тип его отношений с миром.
Образование, как одна из фундаментальных систем деятельности человека, не должно оказаться вне сферы влияния информационных процессов.
Новая политика в области информатизации образования провидится в связи с пересмотром планов и результатов десятилетнего практического опыта массового внедрения курса информатики на всех уровнях образования, с необходимостью решения задач стандартизации образования и значительным прогрессом в области информационных и коммуникационных технологий.
Основные положения государственной политики в области информатизации образования были сфомулированы в Национальном докладе РФ "Политика в области образования и новые инфомационные технологии" на втором Международном конгрессе ЮНЕСКО "Образование и информатика", который состоялся 1-5 июля 1996 г. в Москве [115.1].
Среди многообразия вопросов отмечался вопрос о необходимости выполнения широкомасштабного проекта по совершенствованию системы подготовки и переподготовки преподавательских кадров в области новых информационных технологий. Предлагались направления подготовки специалистов по информатике: от школы до вуза и курсов переподготовки.
Важная роль в этом процессе принадлежит учителю-предметнику, который несет ответственность за формирование культуры труда, навыков использования современных средств производства, творческого подхода к решению проблем, что невозможно без применения информационных технологий.
Следовательно, основная задача информационной подготовки учителя - формирование у него знаний, умений и навыков использования информационных методов в своей предметной области.
Вопросам информатизации образования в нашей стране и за рубежом уделяют большое внимание не только специалисты по информатике, но и педагоги, дидакты, психологи, методисты.
В 60-е годы в содержание общего образования был включен раздел "Основы программирования и ВТ", выпущены первые учебники по программированию и разработана методика обучения (Э .И.Кузнецов [97], В.М.Монахов [118], Р.С.Гутер [46], А.Л.Брудно [23], Г.А.Звенигородский [70, 71] и др). Проанализированы возможности изучения программирования в школе. (АЛТЕршов [53, 54, 56]).
Психолого-педагогические основы информатизации образования исследованы Г.А.Баллом [11], Е.И.Машбицем [116], П.А.Гальпериным [34], М.Ф.Талызиной [154] и др.).
Теоретические и практические изыскания, проводимые с 60-х годов учеными различных городов СССР (Москвы, Ленинграда,
Новосибирска и др.), позволили к середине 80-х годов разработать содержание и методику преподавания основ информатики и ВТ (Г.А.Бордовский [21, 22], АЛ.Ершов [58], В.Г.Житомирский [66], В.А.Извозчиков [21, 22], А.А.Кузнецов [92], Э.И.Кузнецов [94], МЛ.Лапчик [108], В.В.Щенников [172] и др.). Это дало возможность ввести курс "Основы информатики и вычислительной техники" в систему образования на разных уровнях: в школах, в вузах, институтах повышения квалификации.
Анализируется роль информатизации в социальной сфере, проблемы искусственного интеллекта, гуманитарные проблемы информатизации (Б.И.Велихов [28], А.А.Дороницын [50] и др.).
Обоснована возможность применения компьютера для интенсификации учебного процесса (А.А.Абдукадыров [1], Б.С.Гершунский [38], А.А.Кузнецов [90] и др.). Исследуются вопросы возрастного уровня изучения информатики (Ю.А.Первин, Я.3ейдельман и А.А.Дуванов [131] и др.). Предлагаются классификации педагогических программных средств и дидактические требования к ним (Б.С.Гершунский [38], Е.И.Машбиц [117], И.В.Роберт [144], А.С.Лесневский [113] и др.). Разрабатывается система теоретической и методической подготовки учителей информатики (Э.И.Кузнецов [94], МЛ.Лапчик [109], М.В.Шведский [170] и др.).
Выпущены новые учебники и учебные пособия (Я.А.Ваграменко [26], А.ГГейн [36, 37], С.Г.Григорьев [44], ЭЛКузнецов [99, 100, 161], А.Г.Кушниренко [101,102] и др.).
Интенсивно проводятся исследования по вопросам внедрения информационных технологий в учебный процесс (МЛЖалдак [59], С.А.Жданов [95, 96], И.В.Роберт [144] и др.).
Исследуются возможности применения информационных технологий: при обучении физики (А.Атабаев [9], ЛВ.Дерягин [48.1], Д.В.Жуков [67], З.А.Лапитов [104], В.В.Лаптев [106], АЗ.Смирнов [150] др.); для создания дидактических условий в подготовке учителей (Г.В.Абрамян [2], И.В.Алехин [3], В.Ф. Горбенко [41], Р.А.Жаренкова [61], Г.А.Кручинина [89] и др.).
Проблемы использования информационного моделирования при обучении информатике затрагиваются в работах В.К.Белошапко [13, 14], Т.Б.Захаровой [69], А.С.Лесневского [14,15], Е.А.Васениной [26.1]. В последнее время появились исследования по проблеме формирования информационной подготовки учителей-предметников (В.А.Ковтун [85], И.В.Симонова [148], М.В.Когут [86], И.М.Шмаков [168]).
Большинство специалистов, практически реализующих информационную подготовку будущих учителей физики, в своих исследованиях отмечают целесообразность применения информационных технологий на всех этапах его подготовки, а также при любых формах преподавания (лекции, семинарские, лабораторные, практические занятия, физический практикум, эксперимент, внеклассная работа и т.д.).
Немногочисленны исследования, которые рассматривают процесс базовой информационной подготовки будущих учителей физики во взаимосвязи с остальными компонентами их подготовки. Поэтому проблема приведения информационной подготовки учителя физики в соответствие с требованиями современного развития образования актуальна.
В начальный период информатизации образования первыми проводниками этих идей в школах, вузах и на ФПК были в основном учителя физики и математики. В тот период незначительное внимание уделялось информационной подготовке учителей различных специальностей, так как стояла задача ликвидировать компьютерную безграмотность. Традиции практически равнозначного подхода к информационной подготовке учителей различных специальностей сохранились.
В докторской диссертации Кузнецова Э.И. разработана теоретическая модель и методическая система подготовки студентов педагогического института в сфере информатики и вычислительной техники, которая может послужить основой для разработки системы информационной подготовки учителей различных специальностей.
С.А.Жданов, Э.И.Кузнецов отмечают необходимость пересмотра содержания информационной общеобразовательной и профессиональной подготовки студентов в связи с современными тенденциями развития информатики, отражающими переход к новой парадигме программирования и построение на ее основе информационных технологий. Предлагается концепция построения системы курсов но информатике, базирующихся на едином теоретическом подходе, в основу которого положено понятие информационной модели.
Информационную подготовку, которую получает будущий учитель физики на 1-ом и 2-ом курсах обучения в вузе, мы назвали в своем исследовании базовой информационной подготовкой учителя физики.
В рамках нашего исследования сделана попытка теоретически обосновать и практически показать возможность приобретения будущими учителями физики базовых информационных навыков (разработка алгоритмов, моделей, программ и т.п.), с использованием методов математической информатики.
Структуру и содержание базового курса информатики определяет информационная поддержка задач (ИПЗ) этого курса, реализующая часть этой подготовки. Синтезируя вокруг данного типа задач практические и теоретические знания в области информатики и ВТ, определим это как информационную поддержку этого типа задач, что позволяит нам представить знания в более структурированной форме, как знания, которые необходимо сформировать у студента, чтобы он мог решать задачи предлагаемого типа.
Для анализа и эффективной реализации этой подготовки использовалась теория математической информатики (МИ), разработанная А.В.Чечкиным. Предметом исследования МИ являются интеллектуальные системы (ИС) различного назначения. Одним из базовых элементов ИС является ультрасистема, которая отражает феномен интеллекта и рассматривается как преобразователь семантической информации. Для математического описания такого преобразователя вводится понятие ульраоператора. Теория ультраоператора и является основой математической информатики, где ультраоператор понимается как система ультрарадикалов, терминальных и опорных радикалов.
Любая ИС имеет предметную, терминальную и информационную область. В исследуемой предметной области выделяются опорные множества и отношения между этими множествами. В совокупности они образуют опорный радикал (см.рис.1.). Соответственно, каждому опорному радикалу в информационной области строится ультрарадикал (см.рис.2.) (ЛБД—ЛБЗ—ЛБД), а терминальный радикал является является посредником между ультрарадикалом и опорным радикалом. X С Y ЛЕД ЛБЗ ЛБД сн^о онхэ
Рис.1. Рис.2.
Обращение к теме исследования продиктовано стремлением приблизить содержание преподавания базового курса информатики для студентов-физиков к современному состоянию науки и найти пути наиболее эффективного введения новых методов информатики в процесс подготовки будущих учителей-предметников естественнонаучного цикла.
Все сказанное выше обусловило актуальность данного исследования, посвященного обоснованию и разработке содержания и методики базовой информационной подготовки будущих учителей физики.
Проблема исследования состоит в необходимости ликвидировать определенное несоответствие между уровнем развития современных методов и технологий информатики и степенью их интегрированости в базовую информационную подготовку учителя физики.
Целью исследования является разработка, теоретическое обоснование и практическая проверка эффективности структуры базового курса информатики для будущих учителей физики, определение содержания и описание методики обучения информатике.
Гипотеза исследования заключается в том, что использование информационных моделей задач на этапе моделирования при решении учебных задач, анализируемых методами математической информатики, позволяет повысить уровень базовой информационной подготовки будущего учителя физики.
Объект исследования - информационная подготовка учителей.
Предмет исследования - базовая информационная подготовка будущего учителя физики, для анализа структуры и содержания которой используются методы математической информатики.
Для реализации поставленных целей потребовалось решить следующие задачи: проанализировать особенности современного этапа информатизации образования и информационной подготовки учителя физики; - определить содержание базовой информационной подготовки будущего учителя физики как ядро его информационной подготовки и исследовать возможности применения методов математической информатики для анализа данной системы; исследовать целесообразность использования методов математической информатики для описания информационной модели задач в рамках базового курса информатики; описать методику применения информационных моделей задач и произвести отбор системы учебных задач; экспериментально проверить предлагаемую методику.
При решении задач исследования использовались следующие методы: изучение и анализ методической, психолого-педагогической, дидактической литературы по проблеме исследования; а также учебно-программной документации, регламентирующей объем и содержание базовой информационной подготовки учителя физики.
Научная новизна исследования состоит в том, что: - показаны возможности применения методов математической информатики для анализа структуры и содержания базовой информационной подготовки учителя физики, а также структуры и содержания информационных моделей задач.
Теоретическая значимость исследования состоит в обосновании целесообразности использования методов математической информатики для анализа информационной модели задач на этапе моделирования при решении учебных задач с использованием компьютера.
Практическая значимость определяется тем, что предложена методика обучения информатике будущих учителей физики с использованием информационных моделей задач анализируемых методами математической информатики.
На защиту выносятся:
1. Обоснование содержания и структуры базового курса информатики для студентов физических и физико-математических факультетов педуниверситетов.
2. Методика обучения информатике будущих учителей физики, основанная на использовании информационных моделей задач, анализируемых методами математической информатики.
Апробация результатов исследования. Основные результаты исследования обсуждались на научно-методическом семинаре "Применение информационных технологий в педагогических исследованиях" при кафедре информатики и ДМ МПГУ (1994-1998). Основные теоретические положения исследования были заслушаны на региональной студенческой научно-методической конференции "Применение ЭВМ в учебном процессе" в г. Махачкале 11-13 мая 1989г., на семинаре "Практическая направленность дисциплин физико-математического цикла при подготовке учителя физики" Махачкала-Таганрог 25-28 сентября 1989г., на международной конференции "Подготовка преподавателя математики и информатики для высшей и средней школы" г. Москва МПГУ 24-26 мая 1994г. в Орехово-Зуево, на международной конференции в сентябре 1994г, апрельских научных чтениях в МПГУ в 1996-1998 годах.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы и приложений.
Этапы развития информатизации образования
Современный этап развития общества характеризуется как информационный. Информатизация объективный процесс, связанный с повышением влияния интеллектуальных видов деятельности на все стороны общественной жизни и ориентированный на использование большего объема информации.
Сегодня информатизация представляет собой одну из закономерностей социального и научно-технического прогресса, открывая перед обществом новые пути успешного развития. Усиливается значимость информации и информационных процессов, как факторов социально-экономического и устойчивого развития общества. Овладение методами и средствами обработки, хранения и переработки информации с помощью новых информационных технологий превращается в широкомасштабный процесс информатизации общества.
Информатизация, как известно, базируется на широком внедрении компьютеров, информационно-коммуникативных средств, глобальных информационных сетей во все сферы человеческой деятельности, что создает не просто новые условия труда, но и новую среду обитания человека, новый тип его отношения с миром. Интенсификация научно-технического прогресса, связанная с информатизацией, приводит к сокращению периода обновления производственных процессов, требует от специалистов совершенствования их знаний и умении для освоения новых альтернативных технологий. Среди приоритетных направлений информационного развития общества: организация экономической информации, система информационных услуг для населения, решение проблем здравоохранения и социального обеспечения, информатизация образования и науки [44].
Сфера образования имеет особое значение, так как без нее отставание экономики, социальной сферы и науки будет заранее предопределено уже на уровне подготовки молодых специалистов. Чтобы решить задачу перехода к устойчивому развитию общества, необходимо заложить прочный фундамент качественной подготовки молодых специалистов, которые займут ключевые позиции во всех сферах жизни общества в начале следующего (XXI) века.
Решающее значение в осознании значения информатизации образования сыграло принятое в 80-е годы педагогической общественностью решение об обеспечении компьютерной грамотности, ознаменовавшее переход к фронтальному внедрению основ информатики в систему образования [58]. Это потребовало создания содержательных аспектов компьютерной грамотности и разработки соответствующей концепции.
Обеспечение компьютерной грамотности является начальным этапом информатизации образования, позволяющим в перспективе формировать информационную культуру всех граждан общества. Концепция компьютерной грамотности, оставаясь открытой для изменения, корректировалась под влиянием дальнейшего прогресса информатики и вычислительной техники. Обоснованный прогноз совершенствования этой концепции возможен на основе сравнительного анализа существующих и перспективных концепций в нашей стране и зарубежом.
Существуют и внутренние потребности системы образования, предопределяющие необходимость ее информатизации. Эти потребности связаны с необходимостью существенного повышения качества учебно-воспитательного процесса, оптимизации управления и совершенствования научно-педагогических исследований [38].
Подсчитано, например, что информационная загруженность выпускника инженерного вуза сейчас имеет втрое больший объем знаний, чем 20-30 лет назад. Аналогичные оценки справедливы не только в отношении выпускников высших учебных заведений, но и в отношении выпускников средних учебных заведений. Учащиеся и студенты должны усваивать знания в большем объеме и в ускоренном темпе; а также получать новые сведения о механизмах хранения и передачи информации.
Внутренние потребности информатизации образования связаны с уровнем развития педагогической науки и практики, который определяет возможность внедрения новых информационных технологий в сферу образования. Эти потребности важны не только сами по себе, они способствуют решению главной задачи - обеспечению определенного уровня информационной культуры выпускников учебных заведений.
В информационном обществе должны произойти и качественные сдвиги в общем и профессиональном образовании, что связано с изменением характера труда. Уже сейчас время обновления производственных технологий сокращается, а в будущем эта тенденция будет более ощутима. Это приведет к тому, что участникам производства придется в течение жизни неоднократно переучиваться, чтобы осваивать новые технологии. Такую задачу невозможно решить без улучшения технологии образовательного процесса, без его информатизации.
Информатизация сферы образования длительный процесс, детальное прогнозирование которого вряд ли возможно. Тем не менее можно выделить основные этапы этого процесса. Первый этап, который ограничен началом 90-годов нашего столетия, имеет основными целями обеспечение информационной осведом лености выпускников всех учебных заведений; широкомасштабное развертывание профориентации учащихся, связанное с созданием и использованием средств вычислительной техники; ознакомление всех педагогов с возможностями современных информационных технологий, центральное место в котором занимает компьютер; создание научной и методической основы по использованию этих технологий в учебном процессе; выяснение вопросов, связанных с созданием педагогических программных средств.
Второй этап до середины 90-х годов предполагает процесс формирования информационной грамотности.
Третий этап до 2000 года должен сопровождаться массовым переходом к изучению общеобразовательных и специальных дисциплин с использованием информационных технологий на всех ступенях образования на этой основе информационной культуры учащихся; завершением процесса информатизации в системе высшей и средней профессиональной школы и развертыванием систем электронной связи; завершением работ, связанных с решением задач управления системой образования.
Перспективный этап первое десятилетие XXI в. предусматривает широкое использование новых информационных технологий и создание устойчивой и адаптивной систем в образовании, с включением их в глобальные информационные сети.
Особенности системы информационной подготовки учителей физики
Традиционная система подготовки учителей включает в себя ряд подсистем: специальная подготовка, методическая подготовка, психолого-педагогическая, информационная и др.
По мнению Э.И.Кузнецова, для успешного функционирования системы информационной подготовки необходимо гибкое управление, обеспечивающее единую политику и согласованный подход к информационной подготовке всех учителей; учет специфики учебного предмета и науки, основы которой этот предметник должен преподнести обучаемым; принятие во внимание форм деятельности, с которыми имеет дело учитель в своей работе; предоставление равных возможностей всем учителям в достижении определенного уровня информационной подготовки; координацию усилий в проведении научно-педагогических исследований и внедрение их результатов в педагогическую практику [94].
В.А.Сластенин отмечает, что процесс подготовки высококвалифицированных педагогов, отвечающий требованиям мирового стандарта, сдерживается рядом принципиальных обстоятельств. Перечислим некоторые из них:
- неразработанность проблем образования в связи с его информатизацией и компьютеризацией, отсутствием новых информационных технологий обучения;
- отсутствие преемственности довузовского, вузовского и послевузовского этапов формирования личности учителя и т.п. [149].
Система информационной подготовки предметников представляется в виде следующей схемы:
1. Довузовская информационная подготовка.
2. Вузовская информационная подготовка.
3. Послевузовская информационная подготовка.
Система информационной подготовки учителя включает в себя уровень среднего образования, уровень высшего педагогического образования и уровень повышения квалификации.
Каждый уровень вносит определенный вклад в информационную подготовку учителя. На уровне среднего образования формируются основы информационной грамотности.
Получая высшее педагогическое образование, студенты овладевают основными профессиональными знаниями, умениями и навыками, необходимыми будущему учителю для успешного использования новых информационных технологий в учебно-воспитательном процессе.
Повышение квалификации обеспечивает учителям постоянную информационную осведомленность о новшествах в области информатизации образования; возможность освоения ими современных информационных технологий и программно-методического обеспечение своей предметной области.
Каждый уровень должен не только обеспечить определенную совокупность знаний, умений и навыков, но и подготовить к-дальнейшему их совершенствованию, что невозможно без самообразования, являющегося необходимым компонентом системы информационной подготовки учителя.
Эту систему необходимо рассматривать как целостный процесс в форме сложной, открытой системы. Открытость является необходимым условием для достижения эффективных результатов.
Содержание базового курса информатики
На основе анализа существующих программ по информатике на физико-математических факультетах педуниверситетов и пединститутов, учитывая результаты анкетирования учителей физики, экспертов в области информатики, и, опираясь на исследовательский опыт передовых преподавателей информатики, разработана программа базового курса информатики для будущих учителей физики.
В процессе разработки программы, куда были включены основные базовые разделы информатики; учитывалась специфика специальности учителя физики; использовались возможности применения математических и информационных моделей в физике.
Таким образом, программа базового курса информатики для будущих учителей физики включает в себя следующие разделы.
1. Введение.
2. Информатика и ВТ. Данные и их структуры:
3. Основы алгоритмизации.
4. Основы информационного моделирование. Вычисления на МК. Погрешность.
5. Основы программирования.
6. Информационные технологии.
Раздел "Введение" включает в себя исторический обзор развития средств ВТ и информационных технологий, где отмечается роль информационных, коммуникационных и сетевых технологий в науке, технике, образовании и н/х, В процессе изучения этого раздела студент получает " представление об основных этапах развития ВТ, эволюции элементной базы ЭВМ, краткую характеристику различных поколений ЭВМ, о сферах возможного применения информационных технологий.
В разделе "Информатика и ВТ. Данные и их структуры" вводятся центральные понятия информатики - информация, "передача информации", "обработка информации", "хранение информации". Значимость раздела определяется тем, что информация, являясь одним из фундаментальных качеств реального мира, характеризующим его единство, позволяет формировать у студентов правильное представление об информационной картине мира. Информатика рассматривается как научная дисциплина и учебный предмет, а информация на практике проявляется в виде данных, требующих преобразования. В связи с этим вводятся понятия "данные" (числовые, символьные, графический), "структуры данных" (простые переменные, одномерный и двумерный массив, список, дерево и др.) и методы их обработки. Дается определение структуры ЭВМ и анализ ее логической и физической основ.
Раздел "Основы алгоритмизации" является центральным в базовом курсе информатики. В рамках этого раздела подробно рассматривается понятие "алгоритм", включающий в себя язык описания и метод решения задачи обработки данных.
Студенты знакомятся с определением алгоритма, его свойствами и различными способами записи, а также с понятием "исполнитель ал т горитма" и основными базовыми структурами алгоритма (следование,
ветвление, цикл). Осваиваются навыки конструирования алгоритмов, решения задач с применением компьютера и информационных технологий, реализуются возможности корректировки классической триады "модель - алгоритм - программа" (на этапе моделирования строить информационную модель задачи).
Раздел "Основы информационного моделирования" обычно не включается в базовый курс информатики, но в данной методике базовым элементом является информационная модель учебной задачи. Поэтому мы считаем целесообразным включить этот раздел в данный курс.
Кроме изложения принципов и методов информационного моделирования и рассмотрения различных видов моделей, излагаются основные теоретические положения математической информатики, необходимые студентам для разработки информационных моделей. Учитывая, что курс рассчитан на физиков, отмечается значимость моделирования как метода познания физических закономерностей. Тему "Вычисления М и ПМК. Погрешность" считаем необязательным разделом, хотя ознакомить студентов с отработанными методиками и эффективными алгоритмами реализации некоторых моделей было бы неплохо.
Что касается раздела "Основы программирования", то он является традиционным в рамках данного курса. Но на сегодняшний день возникают споры по поводу изучения этого раздела. Это связано с тем, что развитие новых технологий позволяет решать задачи, которые раньше решались только через язык программирования. На наш взгляд, надо включить этот раздел в базовый курс, так как, во-первых, не все задачи целесообразно решать, используя информационные технологии; во-вторых, программирование-это один из основных методов обучения ин Т форматике; в-третьих, программирование - это совокупность продуктив ной, репродуктивной и исследовательской деятельности обучаемых.
