Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СПЕЦИФИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИКЕ 11
1.1 Роль моделирования в исследовании учебного процесса 11
1.2 Обучение информатике как информационное взаимодействие, сопровождающееся управлением со стороны учителя 24
1.3 Общий анализ методов, используемых для построения модели "ученик" 33
1.4 Основные подходы при рассмотрении модели предметной области педагогической системы 42
Выводы 48
ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ, ОТРАЖАЮЩЕЙ ПРОЦЕСС ОБУЧЕНИЯ ШКОЛЬНОМУ КУРСУ ИНФОРМАТИКИ 50
2.1 Модель предметной области 50
2.1.1. Этап получения исходного описания предметной области 52
2.1,2.Этап построения признакового пространства предметной области 56
2.1.3. Этап построения структуры предметной области 57
2.2. Обобщенная структура модели процесса обучения информатике 62
2.2.1. Постановка задачи об управлении ученика как стохастической системы 62
2.2.2. Методика построения модели 65
2.2.3. Показатель эффективности 70
2.3. Математическое описание управляющего воздействия со стороны учителя 71
Выводы 81
ГЛАВА 3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛИ С ПОМОЩЬЮ ЭВМ. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА аз
3.1. Методика сбора и обработки экспериментальных данных 83
3.1.1. Этап нахождения критериев, характеризующих модель предметной области по базовому курсу информатики в школе 84
3.1.2. Формирование показателей управляющего воздействия со стороны учителя на основе экспертных оценок 95
3.2. Вычислительный эксперимент 102
3.3.Результаты статистического моделирования из
3.4. Методика проведения анализа педагогической системы с помощью сформированной модели оценки 117
Выводы 120
Заключение 122
Литератур* 124
Приложение 139
- Роль моделирования в исследовании учебного процесса
- Модель предметной области
- Методика сбора и обработки экспериментальных данных
Введение к работе
Ключевым моментом современного этапа развития образования является реорганизация школьной системы обучения. В первую очередь, это привело к созданию учебных заведений различных типов: гимназий, лицеев, колледжей и т.д., требующих образовательных программ по информатике различного уровня. Поэтому большое внимание в педагогических исследованиях последних лет отводится созданию разнотипных методических систем обучения информатике, внедрению новых учебных программ и образовательных проектов по информатике в учебный процесс. Многообразие подходов и методов исследования, проведение трудоемких и долговременных педагогических экспериментов характеризуют этап создания и апробации образовательных программ по основам информатики и вычислительной техники в общеобразовательных заведениях. Являясь наиболее динамичной из учебных дисциплин, информатика оставляет мало шансов исследователям на получение качественного результата. Ситуация осложняется разногласиями в вопросе о сущности информатики, как науки, ее целях, задачах, а тем более о содержании и методах преподавания информатики в школе. В результате, затруднена диагностика и контроль процесса обучения предмету. Ощущается потребность в качественных методах оценки новых образовательных программ, степени их пригодности и применимости к реальному учебному процессу.
Проблема установления качества образования с учетом изменившейся ситуации должна решаться через поиск новых механизмов контроля образовательных программ и педагогических технологий.
Таким образом, проблема исследования определяется выявленным и зафиксированным противоречием, определенным: с одной стороны активной работой, проводимой в системе образования, по разработке и внедрению в учебный процесс образовательных программ, методических разработок, курсов и педагогических технологий, с целью изучения курса информатики на основе новейших информационных технологий, внедряемых в общество; с другой - отсутствием доступных средств, позволяющих оценить эффективность образовательных программ с учетом имеющихся технических средств, компьютерного и программного обеспечения.
Пути разрешения данных противоречий лежат, прежде всего, в разработке технологии и методов контроля систем обучения информатике, разработке проектов, направленных на выявление качественных образовательных программ по информатике, и внедрение этих программ в учебный процесс.
Это достаточно сложная проблема. В отечественной и зарубежной педагогической науке еще не разработан достаточно точный, объективный и производительный аппарат оценки качества учебных пособий и образовательных программ по предмету. Основные исследования в этой области направлены на формирование моделей систем обучения, разработанных с помощью педагогических методов исследования и требующих проведения основательного педагогического эксперимента на практике с целью выявления степени их эффективности. Тем не менее, в настоящее время предпринимаются попытки построения моделей, аналитически оценивающих процесс обучения. Большой вклад в построение формальных моделей, изучающих и оптимизирующих процесс обучения, внесли Л.Б. Ительсон, Р. Аткинсон, В.П. Беспалько, Р. Буш, Ф. Мостел-лер, В.П. Мизинцев, СИ. Архангельский, Л.Т. Турбович, Д.А. Поспелов, Г. Эббингауз, МЛ. Робертсон, А.П. Свиридов, Дж. Брунер, У. Рейтман, A.M. Матюшкин, В.И. Михеев, Ю.Н. Кулюткин и т.д. Они направлены на описание общих принципов построения модели, путем исследования педагогической системы в целом, локальное исследование различных компонентов системы. Многие из них не пригодны для использования в качестве оценивающих моделей реального учебного процесса.
С целью решения этой проблемы возникает необходимость в создании проектов, направленных на установление качества образовательных программ по информатике формальными методами. Оценочная модель должна быть достаточно простой и эффективной, а главное, применимой к исследованию реальных учебных программ по информатике.
Данное диссертационное исследование посвящено решению этой проблемы - разработке принципов построения моделей, оценивающих эффективность образовательных программ по информатике в процессе обучения.
Актуальность темы обуславливается недостаточной разработанностью проблемы оценки новых образовательных программ и педагогических технологий при обучении информатике и отсутствием качественных проектов, направленных на выявление уровня образовательных систем.
Цель исследования: Разработать модель, оценивающую эффективность обучения информатике при использовании новых образовательных программ и педагогических технологий путем нахождения факторов и условий, влияющих на эффективность преподавания информатики с учетом специфики учебного предмета.
Цель исследования предусматривает решение следующих задач: изучить фактическое состояние дел в области внедрения образовательных программ, методических разработок и курсов по информатике; исследовать основные компоненты обучающей системы, рассмотрение которых необходимо включить в структуру модели; разработать и обосновать теоретическую модель учебного процесса с учетом конкретных условий преподавания информатики в школе; раскрыть показатели; критерии и уровни эффективного обучения; выявить на основе анализа модели пути и условия повышения эффективности обучения; провести апробацию построенной модели на базе действующего курса информатики.
Успешное решение поставленных задач в ходе диссертационное исследования возможно лишь при условии: их соответствия реальной практике обучения предмету, конкретному педагогическому опыту по обучению; выявления и учета специфики и особенностей информатики.
В качестве объекта исследования выступает процесс обучения, построенный в соответствии с некоторой программой обучения.
Предмет исследования: - модель процесса обучения информатике с выявлением показателей эффективности изучаемой модели, условий оптимизации конкретной педагогической системы.
В качестве рабочей гипотезы нами выдвинуто следующее предположение:
Если использовать статистическую модель учебного процесса, описывающую взаимодействие «учитель - методическая система -ученик», как многоуровневую структуру адаптации ученика в обучающей системе, то на ее основе удастся разработать основные принципы построения моделей, оценивающих эффективность современных педагогических технологий, образовательных программ и курсов по информатике.
В работе использовалась совокупность методов и приемов, ориентированных на достижение цели и решение задач исследования: анализ литературы по педагогике, психологии, теории информации, Ф искусственному интеллекту, распознаванию образов и специальной литературы, связанной с проблемой диссертационного исследования; исследование учебных программ и стандартов по преподаванию информатики в школе и специализированных учебных заведениях; обобщение опыта учителей информатики с целью выявления трудностей в преподавании информатики на основе бесед и наблюдений, а так же путем проведения анкетирования и нахождения экспертных ш оценок; обсуждение результатов исследования со специалистами данной области; стохастические методы исследования процесса обучения как сложной системы; методы вычислительного эксперимента для обработки информации на ЭВМ.
Последовательность применения этих методов осуществляется через ряд этапов: анализ теории создания и практики внедрения моделей обучающей деятельности в учебный процесс; построение аналитической модели, отражающей взаимодействие в системе «ученик - методическая система- учитель»; проведение экспертного оценивания с целью получения необходимых данных; практическая апробация построенной модели применительно к существующему курсу информатики; вариативный анализ модели с помощью проведения вычислительного эксперимента на ЭВМ и выявление условий, повышающих эффективность обучения.
В содержании диссертационной работы можно выделить ряд положений, отражающих научную новизну и теоретическую значимость исследования:
Создание теоретической модели, оценивающей качество образовательных программ по информатике, прогнозирующей результаты их внедрения в учебный процесс.
Использование аппарата статистического моделирования при разработке модели в виде «учитель - методическая система - ученик».
Разработка основных принципов построения оценочных моделей, отражающих эффективность современных педагогических технологий, которая завершается построением одного из вариантов оценочных моделей.
Теоретические выводы, полученные в ходе проведенного исследования, могут послужить основой для дальнейших исследований в этой области.
Практическая значимость проведенного исследования состоит в разработке оценочных моделей обучения, направленных на выявление уровня эффективности применяемых педагогических технологий и образовательных программ при обучении информатике. Статистическая модель апробирована на практике применительно к базовому курсу по информатике. Получены конкретные показатели, повышающие эффективность обучения предмету.
Результаты диссертационного исследования могут применяться с целью корректирования внедряемых в процесс обучения программ и курсов по информатике и формирования факторов, повышающих эффективность их применения на практике. При разработке индивидуальных программ обучения.
Достоверность полученных нами результатов обеспечивается научной методологией исследования.
На защиту выносятся следующие положения:
Повышение качества образования информатике как учебному предмету не возможно без создания эффективных оценочных механизмов, описывающих результат внедрения образовательных программ и курсов по основам информатики в реальную обучающую систему.
Основные принципы построения моделей, оценивающих качество образовательных программ по информатике в реальных педагогических системах.
Статистическая модель обучения, описывающая вероятностный подход при многоуровневой адаптации ученика в процессе обучения к содержанию предмета, влиянию внешней среды и управляющему воздействию со стороны учителя в виде методов и приемов, направленных на организацию его деятельности.
Модель оценки эффективности образовательного процесса на основе действующего курса информатики.
Апробация и внедрение, Основные положения и результаты исследования были представлены в виде докладов и сообщений на заседаниях кафедры прикладной математики РГПУ им. А.И. Герцена. Аспекты исследуемой проблемы были изложены автором на Герценовских чтениях (С-Петербург, 1996-1997гг.); на научном семинаре физиков и математиков (г. Мурманск, 1997).
Основные результаты исследования изложены автором в трех работах.
Роль моделирования в исследовании учебного процесса
В педагогике, под исследованиями подразумевается процесс и результат научной деятельности, направленный на получение новых знаний о закономерностях, механизме, теории и методике организации учебно-воспитательного процесса, его содержании, принципах, организационных методах и приемах. Помимо педагогических методов исследования (наблюдение, тестирование, измерение, педагогический эксперимент и др.) в педагогике нашли применение методы, заимствованные из других научных областей (методы оценивания (рейтинг), метод самооценки, парное сравнение, анализ взаимодействия). Наибольшее проникновение в методологию имеют математические приемы. Период проникновения математических методов связан с появлением кибернетики. Он характеризуется, как период создания количественной теории в педагогике. Это позволило подойти к рассмотрению процесса обучения как системы с применением системных методов исследования. Педагогическая система (с кибернетической точки зрения) рассматривается как сложное, комплексное образование, в котором можно выделить составные элементы; учитель, ученик, методическая система и т.д., требующие системного рассмотрения. Решение данной задачи возможно только в результате использования моделирования как универсального метода познания, позволяющего как комплексное так и локальное исследование всей педагогической системы и ее составных элементов.
Моделирование является мощным средством изучения действительности. Сущность этого метода состоит в замене исходного объекта или системы изучения его «образом» - моделью. Под моделью понимается изоморфное отображение инвариантных отношений элементов одной системы материальных объектов на отношение элементов другой системы, которая, воспроизводя объект исследования, способна его замещать таким образом, что ее изучение дает новую информацию об объекте [71]. Подобная замена позволяет относительно быстро и полно исследовать свойства системы в различных состояниях, а так же рассмотреть взаимосвязь между ее компонентами. Мощность и универсальность метода моделирования очевидна, что подтверждается постоянным расширением сферы его применимости.
Применение моделирования как способа изучения действительности к исследованию процесса обучения в первую очередь вызвано основными функциями этого метода познания: 1) гносеологическая функция обуславливает выявление связей между количественной и качественной сторонами явления за счет использования модели в качестве некоторого промежуточного объекта в процессе познания; 2) использование модели вместо оригинала позволяет находить новые сведения об изучаемом объекте, которые не удается выявить при непосредственном исследовании действительности; 3) прогнозирование на основе статистических данных с учетом вероятностного характера протекания процесса обучения обуславливает нахождение общих закономерностей; 4) аналитические и графические способы описания модели позволяют определить структуру изучаемого явления и основных его частей.
Процесс обучения - это очень сложный и плохо изученный с системной точки зрения процесс. Глейзер был одним из первых, кто провел анализ учебного процесса как системы. Среди основных компонентов педагогической системы, он выделил: цель обучения, исходное состояние (поведение) ученика, операции обучения, оценка достигнутого уровня действий обучаемого, обработка данных и планирование дальнейшего развития процесса обучения. Своим анализом Глейзер стремился выяснить связи между достижениями в теории обучения и учебной практикой.
Применение метода моделирования в настоящее время к исследованию закономерностей обучения отличается формальным подходом к построению модели и значительным абстрагированием от моделируемой действительности. Основная цель, которая преследуется при этом, заключается в обобщении представлений об учебном процессе как системе с выявлением некоторых закономерностей. Среди основных методов построения моделей, которые могут и должны использоваться в психолого -педагогических исследованиях, хотелось бы отметить формальные методы: модельно-статистический, позволяющий конструировать модель определенных сторон педагогической и учебной деятельности с учетом вероятностного характера поведения ученика; аналитический, для которого характерно формально - математическое описание определенных сторон педагогической системы, основанное на соответствующих количественных характеристиках; модельно структурный, отражающий связи в учебно-педагогической информации.
Моделирование как способ познания применяется в различных разделах педагогики: дидактике, школоведении, методологии, частной методике, специальной методике и др. Можно привести следующую классификацию основных видов моделей в зависимости от объекта изучения и методов исследования [174].
1) Функциональные модели обучения (Архангельский СИ., Цеглин М.Л., Робертсон Т, Фуко М., Эббингауз Г., Авчухова Р.Э.) - характеризуют описание объекта обучения в виде функции системы, имеющей входные и выходные данные. Соотношение всех характеристик системы зависит от времени t, и определяет состояние обучающей системы [2,9,10,173].
Несомненный интерес вызывают работы, посвященные математическим вопросам теории целесообразного поведения одного индивида или коллектива. Так в работах М.Л. Цетлина не наблюдается моделирование какого-либо конкретного поведения, а решается задача выяснения общих закономерностей целесообразного поведения, в частности целесообразного поведения коллективов. Целесообразное поведение рассматривается в качестве приспособления к внешнему миру, при котором индивид в состоянии совершить одно из конечного числа действий и тем самым выиграть или проиграть. Внешний мир моделируется с позиции стационарной случайной среды, оказывающей ответное действие на каждое действие индивидуума с некоторой вероятностью, и представляется при обучении как конечный вероятностный автомат [173]. В функциональной модели М.Л. Цетлина обучающая система рассматривается как детерминированная система в виде конечного автомата. Обучение - это умение автомата распознавать реакции внешней среды. Оно зависит от структуры автомата и характера внешней среды.
Модель предметной области
Главная задача, стоящая перед нами, заключается в построении модели, оптимизирующей временные и пространственные параметры модели образовательной области школьного курса информатики путем количественной увязки степени усвоения с требуемым для его достижения временем обучения и объемом материала. Среди требований, предъявляемых к модели, выделим: а) условие непротиворечивости и полноты знаний; б) возможность решения с ее помощью проблемы наиболее оптимального, качественного приобретения и накопления знаний учениками.
Для решения задачи по формированию модели предметной области необходимо выработать некоторый формальный язык, опирающийся на систему определений. В данном случае, примем за основу следующую систему описаний: 1. Объект изучения - реальный элемент из курса информатики, наблюдаемый учеником, либо описываемый учителем через систему абстрактных понятий. Множество всех объектов составляет пространство описания.
2, Описание объекта - указание статуса объекта определяемое соответствующими характеристиками (образом). Образ объекта создается на основе основополагающих признаков, рассматриваемых в качестве координат пространства описания. 3. Пространство описания - множество всех возможных представлений объектов (образов). Полное описание каждого объекта изучения определяется степенью свободы его качественных различий.
С учетом определений, построение модели предметной области разобьем на ряд этапов: 1) получение исходного описания предметной области; 2) построение признакового пространства, необходимого для описания элементов предметной области; 3) описание структуры образовательной области, путем нахождения конструктивной функции (правила). Основной вопрос, который необходимо решить при таком подходе, заключается в нахождении оптимального соотношения размерности признакового пространства, степени усвоения его элементов и времени, предусмотренного для изучения предметной области. Очевидно, что построение признакового пространства должно, в первую очередь, осуществляться в соответствии с набором тех свойств и признаков, которые являются основополагающими для построения образа объекта и наиболее важными для его усвоения учениками в соответствии с целями обучения. С другой стороны, следует учесть тот факт, что от размерности признакового пространства зависит вычислительная сложность модели и затраты на измерение необходимых характеристик. Это является основной трудностью, которую следует преодолеть при построении модели ПО. Поэтому появляется необходимость в сокращении размерности пространства исходного описания предметной области, что влечет за собой коррекцию решающего правила. На этом этапе, как отмечает И. Т. Турбович, следует сочетать минимальное число опознавательных признаков, а, следовательно, и понятий, в описании которых они используются, с наиболее простым решающим правилом при заданной надежности усвоения [156]. При уменьшении количества признаков снижается время, необходимое для изучения понятий ПО, что может привести к снижению коэффициента усвоения. Следовательно, необходимо реализовать способы максимального упорядочивания пространства признаков и получения решающего правила.
С учетом того, что время обучения ограничено, повышение размерности признакового пространства может оказаться единственным средством повышения эффективности обучения до требуемого уровня. Таким образом, с практической точки зрения, сочетание требований: минимума размерности пространства описания объектов образовательной области и максимума их степени усвоения, оказывается противоречивым. Это еще раз подтверждает важность этапа формирования признакового пространства. Но следует заметить, что сам этап является достаточно сложным из-за отсутствия формализованных методов отбора и определения признаков. На данный момент используются априорные знания, интуиция, метод проб и ошибок, эвристические методы обработки элементов предметной области.
Методика сбора и обработки экспериментальных данных
Целью нашего исследования является не только теоретическое построение модели, но и ее апробация применительно к базовому курсу информатики. Учитывая, что построение модели (гл. 2) предусматривает наличие дополнительной информации, появляется необходимость в получении экспериментальных данных. Исследовательская работа в этом направлении проводилась с целью решения следующих задач:
1. определить условия, обеспечивающие возможность формирования прочных знаний под воздействием управления со стороны учителя;
2. осуществить отбор материала по предмету и провести его анализ;
3. проверить эффективность базового курса информатики, изучаемого в школе с помощью вычислительного эксперимента.
В связи с этим, экспериментальное исследование проводилось по двум направлениям: нахождение критериев, характеризующих предметную область курса информатики, формирование функции управляющего воздействия в соответствии с целями и задачами изучения информатики в школе.
Этим объясняется построение данной главы диссертации. Согласно проведенному исследованию осуществим изложение материала данной главы.
