Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические и методологические основы применения ИСО математике 11
1.1. Актуальность и предпосылки возникновения ИСО 11
1.2. Когнитивно-визуальный подход в обучении математике 15
1.3. Когнитивно-визуальный подход в интерфейсе обучающей программы 22
1.4. Анализ сложившейся практики внедрения электронных средств обучения 27
1.4.1. Классификация ЭСО 27
1.4.2. Классификация средств разработки ЭСО и сравнительный анализ их качественного использования 31
1.5. ИСО и тесты 36
1.6. Методологические особенности ИСО 43
1.6.1. Функциональные отличия ИСО 43
1.6.2. Применение ИСО на уроке 46
1.6.3. Принципы формирования ИСО 50
Глава 2. Педагогическая технология разработки ИСО математике 53
2.1. Описание технологии разработки ИСО математике 53
2.1.1. Компоненты технологии разработки ИСО математике 53
2.1.2. Системный анализ дидактической системы с использованием ИСО 54
2.1.3. Реализация программированного обучения с помощью ИСО 65
2.1.4. Реализация компьютерного обучения с помощью ИСО 70
2.2. Методика разработки интерфейса ИСО математике 72
2.2.1. Требования, предъявляемые к ИСО 72
2.2.2. Границы применимости ИСО математике 77
2.2.3. Этапы разработки ИСО 81
2.2.4. Интерфейс программной среды и его оптимизация 84
2.2.5. Специфика ИСО математике 86
2.3. Технология конструирования ИСО 89
2.3.1. Компоненты технологии конструирования ИСО 89
2.3.2. Разработка интерактивных практикумов 90
2.3.3. Разработка интерактивных тренажёров 92
2.4 Методика использования ИСО математике на примере геометрии 95
2.4.1 Методика внедрения ИСО 95
2.4.2 Методика проведения занятий с использованием ИСО 98
2.5. Методика внедрения технологии создания ИСО 100
2.5.1 Обучение технологии разработки ИСО математике 100
2.5.2 Содержание спецкурса 104
2.5.3 Результаты проведения спецкурсов 105
Глава 3. Оценка эффективности технологии разработки и методики внедрения ИСО математике 107
3.1. Оценка эффективности использования ИСО математике 107
3.1.1 Организация и проведение констатирующего эксперимента 107
3.1.2 Организация и проведение поискового эксперимента 109
3.1.3 Организация и проведение обучающего эксперимента 112
3.1.4 Результаты обучающего эксперимента 113
3.2. Оценка эффективности технологии разработки ИСО математике 127
3.2.1. Этапы развития технологии конструирования ИСО 127
3.2.2. Альтернативная оценка эффективности технологии разработки ИСО математике 127
Заключение 130
- Актуальность и предпосылки возникновения ИСО
- Описание технологии разработки ИСО математике
- Оценка эффективности использования ИСО математике
Введение к работе
Теория программированного обучения была разработана более 30 лет назад на заре развития информационных технологий. Массовое внедрение технологий программированного обучения было невозможно по технологическим и экономическим причинам.
С лавинообразным ростом количества персональных компьютеров появилась возможность использовать ЭВМ как средство обучения. При разработке многочисленных обучающих программ не учитывались открытия и достижения теории программированного обучения, так как в большинстве случаев разработчиками являлись программисты, а не методисты. Программист определял функциональность электронного средства обучения, а методист, педагог составлял содержание. Это рассогласование определило низкое качество существующих обучающих программ, и недостаточную эффективность их внедрения.
Для исключения многозначности, целесообразно определиться в современной неустоявшейся терминологии.
Под компьютерными средствами обучения (КСО) понимают программные средства (программный комплекс) или программно-технический комплекс, предназначенный для решения определенных педагогических задач, имеющий предметное содержание и ориентированный на взаимодействие с учеником. Таким образом, в это определение попадают и аппаратное и программное обеспечение персонального компьютера.
В нашей работе целесообразно ограничить рассмотрение только программным обеспечением персонального компьютера - программной составляющей КСО, так называемыми электронными средствами обучения. Электронные средства обучения (ЭСО) - это программные средства, предназначенные для решения определенных педагогических задач, имеющие предметное содержание и ориентированные на взаимодействие с учеником.
Однако в исследовании нам потребуется в классе ЭСО выделить те специфические средства обучения, которые способны управлять учебной деятельностью. Интерактивные средства обучения (ИСО) - электронные средства обучения, ориентированные на взаимодействие с учащимся и реализующие управление учебной деятельностью.
Актуальность исследования обусловлена недостаточным качеством обучающих и контролирующих программ по математике для средней школы и отсутствием на рынке таких программ для вузов. Вызвано это, в первую очередь, отсутствием эффективных инструментов и технологии создания интерфейсов обучающих и контролирующих программ по математике. Следствием этого является недостаточно быстрое распространение практики внедрения ЭСО и низкая эффективность такого внедрения. Актуальность исследования также продиктована отсутствием специализированного подхода к созданию ЭСО математике: при разработке средств обучения для разных учебных предметов программистами используются одни и те же интерфейсы, не учитывая специфики содержания предмета, что также ограничивает качество обучающей программы.
Проблема исследования заключается в повышении эффективности использования обучающих и контролирующих программ в процессе обучения. В частности, существует проблема методики использования таких программ в процессе обучения. С другой стороны, существует проблема создания обучающих и контролирующих программ, обладающих возможностями влиять на учебную деятельность. Возможности таких программ во многом определяются возможностями их интерфейса. Качественное решение проблемы создания оптимального интерфейса обучающей программы возможно посредством создания технологии разработки ИСО математике.
Цель исследования заключается в создании технологии разработки ИСО математике, включающей методику их использования, позволяющей:
повысить эффективность применения ИСО в процессе обучения геометрии;
проверять не только результат решения задачи, но и правильность рассуждений и вычислений в ходе решения задачи;
-предоставить дополнительные возможности для индивидуализации учебной деятельности студентов за счёт использования интерактивных обучающих и контролирующих программ по математике;
- повысить качество математического образования.
Объект исследования — процесс обучения геометрии студентов педвузов с использованием интерактивных обучающих и контролирующих программ.
Предмет исследования - методика использования ИСО в курсе геометрии педвузов.
Гипотеза исследования: использование интерактивных средств обучения геометрии, разработанных на основе когнитивно-визуального подхода к обучению математике, позволит повысить качество обучения геометрии.
Задачи исследования:
анализ сложившейся практики внедрения электронных средств обучения математике и геометрии в частности;
выявление ключевых противоречий в проблеме создания интерфейса обучающей программы;
поиск наиболее эффективной среды разработки средств обучения геометрии;
-реализация когнитивно-визуального подхода к обучению математике в интерфейсе обучающей программы;
- определение основных принципов разработки ИСО;
-разработка ИСО геометрии и использование их для проведения контрольных работ;
-экспериментальное подтверждение эффективности использования разработанных ИСО.
Теоретическую и методологическую основу исследования составляют основные положения теории программированного обучения (Б. Скиннер, Н. Краудер, В. П. Беспалько), психолого-педагогических основ обучения (И. Я. Лернер, А. Р. Лурия, В. П. Зинченко), когнитивно-визуального подхода к обучению математике (В. А. Далингер, Н. А. Резник, М. И. Башмаков, С. Н. Поздняков), методики преподавания математики (А. Ж. Жафяров, В. А. Далингер, Г. И. Саранцев, В. Г. Болтянский, В. М. Монахов, А. Д. Александров, А. В. Погорелов).
Для решения задач исследования использовались следующие методы:
анализ психолого-педагогической и методической литературы, посвященной методике обучения математике, литературы по информационным технологиям;
системный анализ;
наблюдение и анкетирование;
математическое и компьютерное моделирование;
педагогический эксперимент по внедрению разработанной технологии;
обработка результатов педагогического эксперимента методами математической статистики.
Этапы исследования. На первом этапе исследования (2003 год) был проведён анализ психолого-педагогической, методической литературы, посвященной методике обучения математике, литературы по информационным технологиям, сложившейся практики внедрения электронных средств обучения, классификация средств разработки ИСО и анкетирование студентов МФ НГПУ.
На втором этапе исследования (2004 год) был создан опытный набор интерфейсов для контролирующих программ по математике и контролирующий модуль по теме «Прямая на плоскости». На его основе проведены контрольные работы. Затем проведён анализ результатов
использования контролирующего модуля «Прямая на плоскости», модификация разработанных интерфейсов и создание новых.
На третьем этапе исследования (2005 - 2006 год) были созданы контролирующие модули по темам «Прямая и плоскость в пространстве», «Построение сечений многогранников», «Преобразование плоскости», «Кривые второго порядка», «Поверхности второго порядка».
На втором и третьем этапах исследования проведены контрольные работы с использованием контролирующих модулей, проведён эксперимент и сформулированы выводы проведённого исследования.
На защиту выносится следующее положение: разработанная технология создания ИСО математике на основе когнитивно-визуального подхода к обучению математике, включающая методику их использования, позволяет эффективно создавать ИСО математике, а использование ИСО -повысить качество обучения.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов исследования подтверждается результатами обучающего эксперимента, обработанными с использованием методов математической статистики.
Апробация и внедрение результатов. Основные теоретические и практические положения исследования докладывались автором на следующих конференциях:
Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы качества педагогического образования» (2005, 2006 гг.);
пятой Всероссийской научно-практической конференции-выставке "Единая образовательная информационная среда: проблемы и пути развития" (г, Томск, 2006 г.)
Международной научно-практической конференции «Педагогический профессионализм в современном образовании» (2006 г.);
Международной научно-практической конференции «Национальные и этнические приоритеты в решении социально-экономических проблем мировой культуры и цивилизации» (2006 г.).
Разработан и проводится, начиная с 2004 года спецкурс «Разработка интерактивных средств обучения с помощью Macromedia Flash MX 2004» на математическом факультете НГПУ для студентов старших курсов, по содержанию которого в 2005 году в соавторстве с А.И. Петровым подготовлены и опубликованы методические рекомендации «Разработка интерактивных средств обучения с помощью Macromedia Flash MX 2004».
В 2005 году спецкурс адаптирован и проведён с учащимися школы № 185 г. Новосибирска. В 2006 году спецкурс адаптирован и проведён с учителями лицея № 113 г. Новосибирска.
В 2005-2006 учебном году в Институте молодёжной политики и социальной работы (ИМПИСР) НГПУ проводились лекции, практические и самостоятельные работы по информатике с использованием мультимедийных лекций, интерактивных практикумов и электронных тестов со студентами первого курса (группы П-11, СР-12 и ОРМ-13) с использованием интерактивной доски (SmartBoard) и локальной сети.
В апреле 2006 года технология конструирования интерфейса обучающей программы была представлена для участия в открытом конкурсе на грант Администрации Новосибирской области и НГПУ, Грант присужден на поддержку проекта «Технология создания электронных текстовых тестов для педагогического вуза».
30 октября 2006 года два контролирующих модуля по геометрии по темам «Прямая на плоскости» и «Прямая и плоскость в пространстве» зарегистрированы в ФГУП НТЦ «Информрегистр» (практикум «Прямая на плоскости» №0320601498, свидетельство №8794 от 30 октября 2006 г.; практикум «Прямая и плоскость в пространстве» №0320601500, свидетельство №8796 от 30 октября 2006 г,)
Научная новизна исследования заключается в том, что:
-предложена технология создания ИСО, включающая методику их использования;
-экспериментально подтверждена эффективность данной технологии при создании ИСО геометрии;
- экспериментально подтверждена эффективность использования
разработанных ИСО.
Теоретическая значимость исследования заключается
в формировании нового подхода к созданию обучающих программ. Этот подход заключается в расстановке приоритетов между участниками создания ИСО в пользу методиста, как заказчика, определяющего работу программиста. Это значит, что содержание обучающей программы мы считаем первичным относительно формы обучающей программы. Для реализации этого положения на основе расширения когнитивно-визуального подхода нами созданы основные виды интерфейсов, позволяющие повысить уровень интерактивности обучающей или контролирующей программы. Практическая значимость исследования заключается в следующем: -разработанные ИСО геометрии внедрены в учебный процесс на математическом факультете НГПУ;
использование ИСО даёт положительный эффект при обучении студентов геометрии;
разработанные ИСО являются в значительной мере адаптируемыми к школьному курсу математики;
студенты математического факультета, обучавшиеся на спецкурсе, смогли разработать и применить на педагогической практике интерактивные средства обучения математике по различным темам школьного курса геометрии.
Актуальность и предпосылки возникновения ИСО
Последние достижения в области современных психологических и педагогических технологий открыли новые возможности для методики обучения математики, использование которых существенно влияет и на процесс, и на результат обучения.
Достижения педагогической технологии, построенные на основе визуально-познавательного подхода в преподавании математики (в современной литературе используется термин когнитивно-визуальный подход) [27], с опорой на сбалансированную, гармоничную работу образного и логического мышления учащегося, позволяют активизировать мышление и память, а также способствуют развитию мотивации к дальнейшему обучению.
Информационные технологии, в свою очередь, дают возможность быстрого, надёжного создания интерактивных средств обучения, которые добавляют к содержательной составляющей электронного средства обучения элементы консультации [18,22,34,43, 50].
Такие инструктирующие и консультирующие интерактивные средства обучения математике, разработанные на основе когнитивно-визуального подхода, являются актуальными инструментами для всех форм обучения и могут быть внедрены как на базе вузов, так и в средних школах [28, 48, 76, 78, 80].
В нашей работе мы будем использовать два общеизвестных определения педагогической технологии В.М. Монахова и А.Ж. Жафярова. В соответствии с концепцией В.М. Монахова, педагогическая технология включает:
1) приоритетные цели, определяющие содержание и средства обучения, а также условия педагогического взаимодействия субъектов; 2) логическую структуру учебного процесса;
3) диагностику;
4) дозирование внеаудиторной самостоятельной деятельности;
5) коррекцию образовательного процесса.
В рамках данной работы используются элементы данного подхода. Определение педагогической технологии А.Ж. Жафярова включает:
1) концепцию (идею с описанием цели и особенностей субъектов воздействия)
2) нормативную документацию (учебные планы, программы, стандарты);
3) обновлённые содержание, методику, процессуальный аспект;
4) экспертизу.
Как видим, эти определения лежат в одном концептуальном русле. В нашей работе не ставится цель формирования и обоснования новых понятий в педагогической технологии, поэтому инструментально эти определения подходят одинаково. Оставаясь в рамках традиционной концепции педагогической технологии, мы формируем новые технологические элементы содержания и экспертизы.
С начала 90-х годов мы можем наблюдать два внешне независимых процесса: стихийное создание электронных учебников энтузиастами-одиночками для личного использования в преподавании и разработка коммерческих электронных средств обучения издательскими компаниями. Если первые для распространения своих продуктов используют бесплатные домены в сети Интернет, то вторые реализуют свою продукцию на многочисленных торговых площадках. Однако в большинстве школ и вузов эти пособия используют в процессе обучения крайне редко, либо не используют вообще. Такая ситуация складывается по причине того, что коммерческие электронные средства обучения создаются издательскими компаниями без учёта особенностей процесса обучения в рамках классно-урочной системы. С другой стороны, энтузиасты-разработчики в своих обучающих программах реализуют личные педагогические идеи. Применение в учебном процессе таких программ другими педагогами затруднено отсутствием методических рекомендаций, узкой направленностью и специфическим содержанием.
Описанная картина соответствует ситуации, предваряющей «переход от количества к качеству» электронных средств обучения. Очевидно, существует ряд проблем, препятствующих массовому внедрению ЭСО. Одна из важнейших - это проблема интерфейса обучающей программы. Под проблемой интерфейса понимается ряд несоответствий между содержанием изучаемого предмета, формой его представления и способами контроля, оценки знаний учащихся. В частности, существуют серьёзные трудности в создании интерфейса контролирующей программы, который бы содержал инструмент решения задачи, повторяющий обычные действия учащегося во время решения примера. Для снятия многозначности, отметим, что уже на этапе постановки проблемы были отделены обучающие программы от учебных тестов. Тест, по определению, не содержит инструмента решения задачи.
Описание технологии разработки ИСО математике
Главной идеей предлагаемой педагогической технологии является создание технологии, повышающей эффективность обучения за счёт использования ИСО. Эффективность применения ИСО обеспечивается следующими факторами:
- интерактивность позволяет ИСО выполнять некоторые интеллектуальные функции учителя и в процессе обучения выступает в роли
субъекта воздействия;
- учёт специфики учебного предмета при разработке ИСО;
-построение интерфейса ИСО на основе когнитивно-визуального
подхода к обучению математике;
-управление учебной деятельностью согласно принципам теории программированного обучения;
-использование системы автоматизированной проверки и обработки результатов контроля;
- универсализация ИСО относительно формы обучения (очная, заочная);
- аппаратная и программная независимость ИСО.
Содержание ИСО структурировано согласно принятым учебным планам и соответствует государственному стандарту.
Предлагаемая педагогическая технология включает:
- разработанную нами технологию конструирования интерфейса ИСО математике;
- методику обучения с помощью ИСО математике;
- методику обучения конструированию ИСО математике.
Экспертиза технологии проводится по следующим параметрам: - оценка эффективности конструирования ИСО математике;
- оценка качества обучения с помощью ИСО математике;
- оценка результатов обучения конструированию ИСО математике.
Системный анализ дидактической системы с использованием ИСО
Продолжительное время отчетливо проявляется тенденция рассматривать компьютеризацию обучения с точки зрения тех функций деятельности, которые передаются компьютеру [48]. В системе обучения естественно различать два вида деятельности — обучающую и учебную, и поэтому представляется целесообразным рассмотрение компьютера как средства учебной деятельности и как средства обучающей деятельности. Правомерность такого подхода обусловлена тем, что, во-первых, каждый из указанных видов деятельности развивается по своим законам, во-вторых, тем, что на достаточно большом временном отрезке обучения всегда можно выделить период, в который учебная деятельность осуществляется учащимися самостоятельно.
В ряде случаев довольно трудно определить: используется компьютер как средство обучающей или учебной деятельности. Компьютер лишь тогда осуществляет дидактические функции, когда в его управляющих воздействиях учитываются как задача, решаемая учащимся, так и определенные учебные цели. Последнее имеет принципиальное значение для понимания сущности обучающих систем. Возьмем, к примеру, экспертные системы. В них управляющие воздействия направлены на решение соответствующей предметной задачи и учебные цели не учитываются. В этом случае нет оснований утверждать, что компьютер является средством обучения, хотя такое впечатление может и создаться [48].
Если компьютер используется только как средство учебной деятельности, то его функции мало чем отличаются от тех, которые он выполняет в других видах деятельности — научной, производственной, и взаимодействие учащегося с компьютером полностью укладывается в более общую схему взаимодействия «пользователь — ЭВМ». Это становится особенно очевидным при анализе деятельности человека, решающего задачи в экспертной системе. Хотя возможности применения компьютера в таких системах значительны — от справочного средства до средства моделирования ситуаций и конструирования механизмов - и они нередко дают существенный образовательный эффект, однако компьютер в таких системах не является средством обучения.
Оценка эффективности использования ИСО математике
При внедрении в дидактическую систему нового средства обучения (ИСО) требования к обучающему субъекту повышаются. Педагог должен, как минимум, уметь пользоваться компьютером на уровне квалифицированного пользователя. Но на вопрос: «должен ли преподаватель сам писать компьютерную программу?» в последнее время многие исследователи отвечают негативно. Дело в том, что для преподавателя-предметника получать квалификацию программиста - задача трудновыполнимая, долгая, дорогостоящая. Выходит, что навстречу должны пойти программисты. Но программист-профессионал, как правило, имеет очень узкую специализацию. Предлагаемое (и апробированное) решение данного противоречия заключается в создании творческой группы из преподавателей, программистов и методистов.
Потенциальными заказчиками ИСО, аналогичных разработанным, по большинству преподаваемых предметов являются кафедры алгебры, математического анализа и геометрии и МПМ. К внедрению таких ИСО на всём факультете есть два подхода. Первый заключается в создании творческих групп на каждой кафедре, второй - в оформлении сложившегося творческого коллектива в самостоятельную структуру при факультете. Такая организация могла бы привлекать сотрудников любых кафедр к составлению обучающих и контролирующих ИСО и отвечать за систематичное использование этих программных продуктов студентами, организовывать занятия в терминальных классах, осуществлять консультацию пользователей, продолжать разработку и усовершенствование ИСО. Таким образом, повышение квалификации всех преподавателей не является жёсткой необходимостью.
При использовании ИСО функции и место обучающего субъекта в дидактической системе не претерпят существенных изменений. Меньше времени преподавателю потребуется для проведения контрольных работ, для обработки результатов. Соответственно, освободится время для творчества и работы со способными учениками,
При включении новых средств обучения в дидактическую систему важно рассмотреть, как эти средства взаимодействуют (взаимосвязаны) с другими компонентами дидактической системы.
Взаимосвязь цели обучения и ИСО. В дидактической системе главную роль играет цель обучения, относительно которой выбираются те или иные средства, формы и методы обучения. Поэтому можно говорить, что от выбора цели обучения зависит выбор тех или иных ИСО на определённых стадиях обучения.
Взаимосвязь формы обучения и ИСО. При разных формах обучения эффективность использования ИСО различна. Например, интерактивную лекцию можно использовать и при индивидуальном обучении, и на уроке, демонстрируя её на проекторе. Во втором случае эффективность использования ИСО выше, так как учитель может выделять особо важные моменты, ориентироваться на учащихся, поддерживать диалог с учащимися.
Некоторые дидакты (Е.И. Перовский, Е.Я. Голант, Д.О. Лордкипанидзе и др.) считали, что при классификации методов обучения необходимо учитывать те источники, из которых черпают знания учащиеся [7]. На этой основе они выделяли три группы методов: словесные, наглядные и практические. И действительно, слово, наглядные пособия и практические работы широко используются в учебном процессе.
И.Я. Лернером и М.Н. Скаткиным разработаны методы обучения, исходя из характера учебно-познавательной деятельности учащихся по овладению изучаемым материалом. С этой точки зрения они выделяли следующие методы:
а) объяснительно-иллюстративный, или информационно-рецептивный (рецепция — восприятие): рассказ, лекция, объяснение, работа с учебником, демонстрация картин, кино- и диафильмов и т.д.;
б) репродуктивный: воспроизведение действий по применению знаний на практике, деятельность по алгоритму, программирование;
в) проблемное изложение изучаемого материала;
г) частично-поисковый, или эвристический, метод;
д) исследовательский метод, когда учащимся дается познавательная
задача, которую они решают самостоятельно, подбирая для этого
необходимые методы и пользуясь помощью учителя.
