Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Технология обучения и моделирование учебных планов 17
1.1. Понятие технологии 19
1.2. Технология обучения 22
1.2.1. Понятия технологии обучения. 23
1.2.2. Составляющие технологии обучения 26
1.3. Организация педагогического и дидактического процессов 34
1.4. Моделирование учебных планов 38
1.4.1. Учебный план как система 39
1.4.2. Модель описания учебного плана 42
1.4.3. Информационный поток и модель его обработки обучаемым 50
1.5. Моделирование взаимосвязей учебных дисциплин 52
Выводы по главе 1 57
Глава 2 Методологические вопросы структуризации информации 59
2.1. Понятие структуры 61
2.1.1. Характеристики структуры 62
2.1.2. Виды структур 63
2.1.3. Структуры в различных предметных областях 65
2.2. Структуризация текстовой информации 67
2.2.1. Структуризация последовательности символов 68
2.2.2. Структуризация совокупностей последовательности символов 68
2.2.3. Представление и восприятие структурированного материала 70
2.2.4. Метаязык отображения структуры учебного материала 73
2.2.5. Идентификация элементов структуры 80
2.2.6. Методы проектирования структуры 84
2.3. Метаязык семантических сетей 85
Выводы по главе 2 97
Глава 3. Педагогическая практика использования семантических сетей в обучении 100
3.1. Принципы организации педагогической учебной информации 103
3.2. Реализация системы педагогической учебной информации 105
3.3. Виды учебно - методической деятельности 107
3.3.1. Лекция 107
3.3.2. Экзаменационные вопросы 108
3.3.3. Практические и лабораторные занятия 108
3.3.4. Самостоятельная работа студентов 110
3.3.5. Задачи 111
3.4. Семантическая сеть - инструмент реализации учебно-методической деятельности 112
3.4.1. Структура и семантические сети по курсу «Компьютерные технологии обработки информации» 112
3.4.2. Результаты внедрения семантических сетей в практику педагогической работы по курсу «Компьютерные технологии» 114
3.4.3. Структура и семантические сети по курсу «Логистика» 115
3.4.4. Семантические сети по курсу "Молекулярная физика и термоди намика" 120
3.4.5. Результаты внедрения семантических сетей в практику педагоги ческой работы по курсу «Молекулярная физика и термодинамика» 122
3.4.6. Семантические сети спецкурса «Инфраструктура понятия экспе римента» 123
3.4.7. Семантические сети по учебному материалу курса физики 7 клас- 129 са
3.4.8. Педагогический эксперимент по физике в седьмом классе 132
3.4.9. Семантические сети по теме "Программное обеспечение ПЭВМ" 134
3.4.10. Использование семантических сетей для отражения учебно- методической деятельности учебного заведения 135
Выводы по главе 3 140
Глава 4. Использование семантических сетей в лекционном курсе «Язык программирования Паскаль» 141
4.1. Понятие задачи 143
** Постановка задачи 151
** Структура языка и структура программы 160
** Раздел данных 168
** Раздел переменных, процедур, функций 175
** Раздел описания типов данных 182
** Раздел операторов 190
** Выражение 200
** Операторы , реализующие разветвляющиеся процессы 204
4.2. Машинная графика в языке Паскаль 212
** Графический режим работы дисплея 222
Выводы по главе 4 230
Заключение 232
Литература 234
Приложение 1 244
Приложение 2 244
Приложение 3 245
Приложение 4 254
Приложение 5 255
Приложение 6 256
Приложение 7 258
Приложение 8 258
Введение к работе
Актуальность исследования
Проблемы образования имеют многовековую историю. На современном этапе идет поиск новых систем образования; выдвинуты новые требования к уровню научной грамотности и образованности специалистов.
В нашей стране на фоне глубоких социальных перемен система образования также находится в стадии реформирования. Поиск новых путей совершенствования естественнонаучного образования привел к новой концепции, ключевыми словами которой являются фундаментальность, целостность образования, ориентация на развитие личности и информатизация образования. О фундаментальности в науке написано много, тем не менее "мы не знаем однозначно, что такое фундаментальная наука, фундаментальные исследования. Одни пытаются отождествить их с чисто теоретическими и считают главным отличительным признаком отсутствие практической направленности, другие главным признаком полагают масштабность (объем работ), третьи - существенные сдвиги в системе знаний...Одно незнание тянет за собой другое. Отсутствуют критерии, с помощью которых можно было бы сравнить, например, уровень фундаментальной науки у нас и за рубежом. Это скрывает масштабы нашего отставания" [55]. Обычно фундаментальность понимают как некоторое свойство систем знаний, связываемое с задачами и направлениями в науке, так и со способами их решения и реализации. Таким образом, стоящие перед наукой задачи и цели разбиты на два больших класса- познавательный и практический. Смысл задач первого класса - прирост знаний о внешнем мире. Смысл задач второго класса - это практика использование данного знания. В работе [17] понятие фундаментальности рассмотрено как релятивное понятие, т.е. в его объем входят не свойства систем знаний сами по себе, а определенные отношения между системами знаний. Поэтому это понятие определено относительно системы теорий той или иной научной области. Например, в физике твердого тела квантовая механика интуитивно представлена более фундаментальной, чем квантовая теория. В теории чисел теория натуральных чисел более фундаментальна, чем теория рациональных чисел. Фундаментальность образования проявляется тогда, когда она ориентирована на выявление глубоких связей между разнообразными естественными и искусственными процессами. В работе [113] фундаментальность образования рассмотрена как проти-
воречивая тенденция расширения и углубления фундаментальной подготовки при одновременном сокращении объема общих и обязательных дисциплин за счет более строгого отбора материала, системного анализа содержания и выделения его основных инвариант. В работе [121] отмечена важность выделения фундаментального инвариантного знания, позволяющего сократить объем учебного материала в два - три раза. Будучи усвоено на нескольких частных явлениях, фундаментальное знание позволит вывести все другие частные случаи с помощью простых логических процедур. С позиции совершенствования естественнонаучного образования требование фундаментальности является необходимым, но не достаточным условием. С позиции целостности образования следует, что изучаемые дисциплины образуют единые технологические процессы, отражающие логику и структуру связей передаваемых знаний, но не просто набор традиционных дисциплин. Идеальным конечным результатом ориентации на развитие личности является наличие такого инструмента, с помощью которого сам обучаемый мог реализовать принцип фундаментальности и целостности. В работе [40] отмечено, что научить студентов учиться важнее, чем вооружить их конкретными предметными знаниями: самая большая трудность состоит в самостоятельном отборе учебного материала. Это возможно при наличии знания об основных характеристиках учебного материала. Некоторые авторы (Грачев И.И., Далингер В.А., Пилипенко А.И.) отмечают у большинства обучаемых существование познавательных барьеров, которые объяснимы слабой степенью детализации учебного материала и отсутствием четких представлений о месте отдельных элементов в системе знаний. Классификацию познавательных барьеров на информационные, методологические, методические и аксиологические произвел Макареня А.А. По мнению автора диссертации, за счет структуризации предметной области знаний познавательные барьеры могут быть преодолены.
Анализ методик преподавания различных дисциплин показывает, что значительный акцент сделан на логическое и силлогистическое представление учебной информации, что не позволяет задействовать в нужной степени все потенциальные возможности обучаемого. При таком одностороннем подходе остаются в стороне от учебно - познавательной деятельности такие ее виды и логические приемы как наблюдения, аналогия, обобщения, опыт, системати-
зация. Поэтому актуальной проблемой современной методики является разработка таких средств обучения, с помощью которых возможно:
преодоление мыслительных трудностей, познавательных барьеров;
самостоятельное познание как естественного, так и искусственного мира;
осуществление разнообразных видов самостоятельной деятельности;
формирование устойчивого понятийного аппарата в данной предметной области для исключения путаницы понятий [38,84].
В связи с вышеизложенным можно сформулировать проблему диссертационного исследования как современное научно-педагогическое обоснование теоретических подходов к разработке структуры и содержанию учебного материала, обоснование условий и путей достижения фундаментальности и целостности учебного процесса. Организация учебного процесса должна быть правильно организованной, увязанной с логикой принципов фундаментальности и целостности образования, безызбыточной. Необходима адаптация выходного интерфейса учебного процесса к требованиям государственного стандарта образования, а входного - к знаниям абитуриентов. Аспектами проблемы являются гносеологический, теоретический и методологический, направленные на преодоление имеющих место познавательных барьеров у большинства обучаемых. Указанные проблемы актуальны и в связи с наметившейся тенденцией уменьшения часов, отводимых на чтение лекций и изучение всей дисциплины.
Информатизация образования [107] - это методология разработки и использования современных информационных технологий. Среди прочих проблем в информатизации образования акцент сделан на формирование у обучаемого умений самостоятельно приобретать знания и на совершенствование метода отбора учебного материала. Вопросу отбора содержания учебного посвящены работы Овчинникова А.А., Пугинского B.C., Петрова Г.Ф. Отбор учебного материала производят путем тщательного анализа каждой темы всех учебных дисциплин по содержанию и выявления связей с темами других дисциплин. В результате отбора исключают разделы дисциплин, не имеющие связей, т.е решают задачу отбора учебного материала по критерию отсутствия висячих вершин в схеме взаимосвязей. С моделью такого анализа можно и не согласиться по причине того, что такая висячая вершина (не востребованная другими дисциплинами) может обеспечивать информационную совместимость внутри дан-
ной темы и ее исключение должен решать сам «предметник», а не кто-то другой.
Для отображения взаимосвязей между предметами, дисциплинами, темами, страницами, понятиями и суждениями применяли логические диаграммы [69], графы [65], матрицу - шахматку [123]. Использование матрицы - шахматки позволяет проверить правильность выдвинутой гипотезы последовательности изложения учебного материала.
В работе Логвинова И.И. выделены пять объектов, взаимодействие которых порождает процесс обучения: обучаемый, преподаватель, учебный материал, критерий эффективности процесса обучения, технология обучения (методы и формы обучения). Обучаемого можно описать, используя модель «черного ящика», обладающего достаточным многообразием реакций на ответы обучаемого об изучаемом объекте (принцип Эшби). В работе не приведена мощность этого многообразия. В приложении 8 диссертационной работы дано многообразие учебного материала по теме «эксперимент». Показана частота использования каждого узла сети (декомпозируемая часть темы) и наибольшая частота для логически связанных частей темы (для 13 частей частота равна 14129).
Преподавателя можно представить моделью «белого ящика», которому ясна структура ответов на все варианты вопросов (последовательности изложения темы), т.е. он знает «устройство» «черного ящика». Такой «ящик», обладая огромным комбинаторным разнообразием, способен генерировать различные варианты последовательностей изложения темы, состоящие из наперед заданного числа единиц учебного материала. При добавлении новой единицы учебного материала (другой вариант изложения) вся предыдущая последовательность должна быть повторена обучаемым. В работах Беспалько В.П., Маркова А.К., Шаповаленко С.Г., Моргунова И.Б. и др. показано, что деление учебного материала на отдельные учебные задачи не решает вопроса однозначной последовательности его изложения. За счет многообразия связей между учебными задачами возможно построение нескольких различных по структуре учебных программ.
Таким образом, в работах (В.П. Беспалько, С.Г. Шаповаленко, И.Б. Моргунова, А.А. Овчинникова, B.C. Пучинского, И.И. Логвинова и др.) решают вопросы оптимизации составляющих технологического процесса подготовки специалиста с использованием логических диаграмм, сетевых моделей, графов. Пока-
# зано, что каждому закону функционирования педагогической системы соответ-
ствует множество алгоритмов реализации. В работе И.И. Логвинова создано аналитическое средство (машинные программы), позволяющее исследователям в области дидактики, педагогической психологии и частных методик осуществлять выбор наилучших структур учебных программ (алгоритмов реализации закона функционирования педагогической системы). Однако, в работах авторы не раскрывают способа получения множества тем для учебного материала, считая, что они заданы специалистами - предметниками. Применяя модель «черного ящика» к учебному материалу авторы не приводят количественного выражения его возможного многообразия.
Итак, актуальность разработки темы исследования определена требованиями современной педагогики по формированию путей достижения фундаментальности и целостности содержания образования за счет использования соответствующего инструмента (способа) его описания, обеспечивающего сопряжение дисциплин и их разделов между собой, отражающее их востребованность, представление отношений результатов декомпозиции тем учебных дисциплин, сопряжение дисциплин учебного процесса с требованиями стандарта образования и знаниями абитуриента.
Объект исследования. Объектом исследования является учебный процесс в условиях применения средств формализации и информационного моделирования, реализованных на базе информационных технологий. Оредме^исследрвания. Теория и практика использования средств формализации содержания и структуры дисциплин учебного плана. Цель исследования. Разработка структуры учебного материала на базе
_ средств формализации и информационного моделирования. Данная цель раз-
бита на следующие подцели.
Создание единого терминологического и идентификационного пространств, на которых происходит передача знаний обучаемым.
Оптимизацию содержания учебных дисциплин по критерию требований Госстандарта образования.
Повышение информативности учебного материала.
Поставленные цели реализованы следующими средствами. 1. Системой взаимосвязанных матриц, обеспечивающих отображение связей между пунктами стандарта образования с дисциплинами учебного плана и ме-
жду дисциплинами; связи между дисциплинами и разделами других дисциплин, непосредственно с ними связанных; связи между разделами дисциплин и комплексом лабораторных, практических работ и семинарскими занятиями.
Вложенными семантическими сетями с ограниченной иерархией;
Лексикографическими моделями. Под лексикографической моделью понимаем набор символов, с помощью которых отображено местоположение фрагмента текста учебного материала среди других.
Гипотеза. Применение формализации для информационного моделирования позволит существенным образом использовать информационные технологии за счет:
представления в наглядной форме логико-следственные связей в изучаемом материале,
выявления терминологического и идентификационного пространства в целом по подготавливаемой специальности,
представления вариативности изложения учебного материала с различной степенью детализации для различных специальностей, выявление связей между требованиями стандарта и дисциплинами учебного плана каждой специальности.
выявления связей между требованиями стандарта и дисциплинами учебного плана каждой специальности.
Сформулированная гипотеза и поставленные цели определили следующие задачи исследования.
Провести анализ предшествующих работ в области использования средств формализации учебных материалов.
Разработать принципы формализации матричного моделирования учебного материала, обеспечивающие:
выявление связей между содержанием разделов учебных дисциплин;
определение терминологического и идентификационного пространств, на которых будут изложены учебные материалы,
совместимость учебных материалов с требованиями стандарта образования и знаниями абитуриента.
3. Разработать принципы формализации результатов декомпозиции учебного
материала, обеспечивающие:
отображение результатов декомпозиции учебных текстов для использования современных информационных технологий,
обеспечение «фундаментального инвариантного знания» (Н.Ф. Талызина)
Разработать информационные модели в соответствии с принципами формализации по различным вузовским дисциплинам (информатика, язык программирования Паскаль, логистика, физика) и спецкурсу «Инфраструктура понятия эксперимента».
Проверить эффективность используемых моделей.
Методологические основы исследования. Научно-педагогическое исследование автор проводил в соответствии с идеями, заложенными в трудах отечественных и зарубежных ученых и педагогов, которые явились методологической основой данного исследования. Опирался на фундаментальные работы в области: педагогики и психологии (Ю.К. Бабанский, В.В. Краевский, И.Я. Лер-нер, В.В. Рубцов, Н.Ф. Талызина, 3. Фрейд, К, Юнг), теоретических основ создания и использования средств обучения (Л.С. Зазнобина, B.C. Леднев, Т.С. Назарова, СТ. Шаповаленко), информатизации образования (Я.А. Ваграменко, Е.П. Велихов, А.Г. Гейн, А.П. Ершов, А.А. Кузнецов, Э.И. Кузнецов, И.В. Роберт), методов системного исследования (В.П. Беспалько, Н.П. Бусленко, В.В. Дружинин, Д.С. Конторов, Н.Н. Моисеев), искусственного интеллекта (В.Е. Кузнецов, А. Нариньяни, Д.А. Поспелов), теории сетей и передачи информации (К. Берж, Г.А. Емельянов, Л. Форд). Ими раскрыты большие возможности информационных технологий для активизации процесса обучения за счет современного уровня развития программного обеспечения (мультимедиа, гипермедиа и
ДР.)-
Таблица.
Средства информатизации образования (И.В. Роберт) Нормативная информация (И.В. Роберт) I Стандарт образования (B.C. Леднев, А.А. Кузнецов, Рыжаков , А.В. Са-лихов)
Дисциплины рабочего плана (ДРП) I Проблемы дисциплин рабочего плана
1 .Система целей от модели специалиста до частных целей отдельных учебных тем (Н.Ф. Талызина)
2.Перечень разделов дисциплин, необходимых для поддержки других дисциплин (Н.Ф. Талызина)
З.Выделение фундаментального инвариантного знания (Н.Ф. Талызина)
4.Формализация последовательности изложения (В.П. Беспалько, И.И. Логвинов, И.Б. Моргунов и др.)
Средства новых информационных технологий (И.В. Роберт)
Средства формализации информационных процессов
СйЩ ограни
иных матриц, вложенные семантические сети: Иерархией, лексико-графичёская модель
Результаты обработки нормативной информации системой взаимосвязанных матриц
р**|Дррс СО^СоотвЖЦё1 перечня дисцЩА^ебного
тландетандарту образования)! і ! :
і ' " ' "" ; * ' *
{Перечень разделов дисциплин непосредственно связанных с Пунктами СО (ПСО). Разделы дисциплин = f(nCO) j
Фундаментальный инвариант содержания. Разделы дисциплин *= f(CO,flPn)
Создание единого терминологического и идентификационного пространств
Перечень практических, лабораторных и семинарских занятий (ПЛСЗ) ПЛСЗ = ^разделы дисциплин)
Результат использования вложенных семантических сетей
Шйзуализация результатов декЩпфзиции разделов дисциплин рабочего плана (последовательность изложения).
Результат использования лексико-графической модели
ІСЬздание электр^Жого учебного мітеїриала, создание мета-базй
іучебного заведения. | ! і і
Между тем широкое использование уникальных возможностей современных информационных технологий для целей обучения затруднено по причине отсутствия должной информационной проработки учебного материала. В этой связи автор считает целесообразным показать местоположение результатов использования средств формализации для информационного моделиро-
вания учебного материала в системе средств информатизации образования
(таблица). Планируемые результаты затемнены.
Методы исследования. В исследовании использованы следующие методы:
теоретический анализ и синтез при изучении литературных источников, учебных материалов в формулировании гипотезы исследования;
методы проектирования и моделирования систем в процессе разработки учебных планов и семантических сетей ;
теория графов и сетей;
теория алгоритмов;
молекулярно - кинетическая теория вещества, термодинамика;
информатика.
Научная новизна и теоретическая значимость проведенного исследования заключена в следующем.
Разработан принцип системно-структурного анализа и моделирования области знания, с помощью которого реализован учебный процесс подготовки специалиста, обеспечивающий информационную совместимость пунктов принятого стандарта образования с дисциплинами учебного плана, разделов дисциплин между собой, выделение инварианта фундаментального содержания обучения.
Обоснована необходимость проведения декомпозиции и обоснован принцип отображения декомпозиции учебного материала, позволяющий выделить инвариантную и вариативную компоненты знания по каждой дисциплине учебного плана для данного направления подготовки специалиста.
Разработана лексикографическая модель, обеспечивающая связь фрагментов декомпозируемых частей учебного материала с вершинами вложенных семантических сетей в соответствии с логической подчиненностью, использование компьютерных средств визуализации составных частей учебного материала.
Практическая значимость исследования заключена в создании конкретных моделей представления учебных тем по дисциплинам информатики и физики и др.. Создано учебное пособие по физике седьмого класса, создан структурированный курс лекций по языку Паскаль; подготовлены структурированные курсы: «Компьютерные технологии обработки информации», «Информационные тех-
нологии управления», «Логистика» используемые автором в практической работе в Омском институте Московского университета коммерции (ОИ МГУК). Апробация работы . Концептуальные положения, а также отдельные результаты работы доложены на: международных конференциях (Омск, 1995г., 1998г.); республиканской конференции (Омск, 1991г.); Всероссийской конференции (Иркутск, 1995г.); научно - практической конференции (Омск, 1998г.).
Теоретические положения работы успешно использованы в научно - исследовательских работах и в практической деятельности по информатике, логистики, физике как вузовскими преподавателями, так и учителями средних школ.
Результаты работы доложены слушателям ОмИПКРО 1995 - 1997гг. Концептуальные основы работы были поддержаны преподавателями кафедры общей физики ОмГПУ, кафедры математики и информатики ОИ МГУК и учителями физики. Апробация основного содержания работы ведется на протяжении нескольких лет под руководством автора в смежной предметной области, в физике. В течение нескольких лет автор внедряет свои идеи в систематических курсах лекций для студентов ОмГПУ (курс ИВТ) и для студентов Омского института МГУК (курсы «компьютерные технологии обработки информации» и «информационные технологии управления»), а также на семинарских и практических занятиях.
Внедрение. Результаты моделирования учебных дисциплин учетно - финансового факультета ОИ МГУК использованы при составлении учебных планов. Предложенный инструмент представления декомпозируемого учебного материала внедрен на кафедре «Общая физика» Омского государственного педагогического университета, на кафедре «Математика и информатика» ОИ МГУК и в седьмых классах средних школ N146, 18 г. Омска.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложения. На защиту вынесены следующие положения: 1. Взаимосвязанные матрицы, отражающие связи между содержанием учебных
дисциплин и требованиями стандарта позволяют: выявить связи между содержанием разделов учебных дисциплин; определить понятийный и идентификационный аппарат, являющийся единым полем, на котором излагают учебный материал;
обеспечить информационную совместимость разделов дисциплин с требованиями стандарта.
2. Использование вложенных семантических сетей с ограниченной иерархией
позволяет наглядно отобразить результаты декомпозиции конкретных разде
лов учебных дисциплин и связи между ними.
3. Использование лексикографической модели позволяет:
формализовать взаимосвязь фрагмента текста декомпозируемого раздела учебной дисциплины с вершинами семантической сети;
применить средства информационной технологии представления знаний.
4. Принцип организации процедур сведений декларативного характера об изу
чаемом объекте, включающий семантическую сеть, блок идентификаторов и
блок фрагментов текстов, записанных в терминах лексикографической моде
ли, позволяет:
отразить состав элементов учебной темы и их взаимосвязи;
реализовать вариативность изложения темы для различной аудитории и ее взаимосвязь с другими (внешними) процедурами;
производить проектирование спецкурса, путем синтеза процедур.
Публикации. По теме исследования опубликовано 33 научных работы, объем
которых составляет 30 п.л. Наиболее значимыми, по мнению автора, являются
учебные пособия: Инфраструктура понятия эксперимента; Формализация опи
сания содержания учебного материала по курсу логистика; Структуризация
учебного материал физика - 7; Структура курсовых работ.
Понятие технологии
Название главы содержит ключевые слова: технология, моделирование, учебные планы и производные из них технология обучения и моделирование учебных планов. Термин "технология" ассоциирует с процессами промышленного производства. Технология промышленного производства изменяет состояние, форму, свойства сырья, полуфабрикатов при изготовлении какой- либо продукции. Основная задача технологии как науки - создание эффективных производственных процессов. Специалист - технолог содержит эти процессы в надлежащем порядке, производит их разработку и модификацию. Существует большое разнообразие технологий в различных предметных областях: технология металлов, технология пассажирских или грузовых перевозок, технология перевозок опасных грузов, технология производства электроэнергии, технология сельского хозяйства, технология образования и другие. Понятие технологии образования возникло недавно. Поэтому технологию чаще связывают с техническими процессами, а не с обучением и образованием.
При реализации технологии в промышленности возникают различные производственные ситуации, порождаемые непосредственно ею, либо эти ситуации возникают под влиянием внешней среды. Каждая производственная ситуация имеет экономическую характеристику со знаком плюс или минус, последняя свидетельствует о потерях производственного процесса, которые могут быть и необратимыми. Поэтому для управления современными процессами применяют различные математические методы, такие как вычислительный эксперимент; системный анализ, базирующийся на исследовании операций, теории управления, на имитации; генерация и оценка вариантов; оптимальное планирование и прогноз. Деловые игры, позволяющие "проиграть" производственный процесс с учетом сложившейся на данный момент ситуации и допущением, что она не изменится в течение прогнозируемого времени, актуальны и в технологии образования при формировании творческих начал обучаемых (учеников и студентов). Целью деловой игры является выявление "узких мест", которые могут возникнуть при данной сложившейся производственной ситуации (наличие материальных, трудовых ресурсов, состоянии оборудования и многих других).
Технология обучения связана с интеллектуальной деятельностью как педагога, так и обучаемого. В технологии образования начинают использоваться математические методы обработки неформализованной информации и связанных с ней процессов. Технология обучения связана с учебными планами, она вытекает из них. Например, в средней школе и в педагогическом вузе рассматривается одна и та же тема «молекулярно - кинетическая теория идеального газа (МКТ)», но технология представления этой темы в вузе шире и глубже. В средней школе закладываются основы понятия идеального газа, о связи между микро и макро параметрами, идея которого заложена в уравнении теории, даваемого без вывода. В вузовской технологии изложения этой темы использует школьное представление о модели идеального газа, производит вывод этого уравнения и рассмотрение его использования в различных условиях. Технология изложения этой темы для студентов вуза приведена в работе [9].
Понятие моделирования является гносеологической категорией, характеризующей один из путей познания действительности. Моделирование всегда применяют вместе с другими общенаучными и специальными методами, особенно оно тесно связано с экспериментом.
Под моделированием понимают исследование объекта моделирования путем построения его модели и изучение ее свойств с целью определения оптимальных режимов функционирования объекта.
В основе моделирования лежит теория подобия, утверждающая, что абсолютное подобие имеет место лишь при замене одного объекта другим, точно таким же. При моделировании абсолютное подобие не имеет места, но необходимо, чтобы модель достаточно хорошо отражала исследуемую сторону функционирования объекта. Наиболее удобно математическое моделирование, представляющее собой процесс построения математических моделей. Для этого выбирают подходящие средства: алгебраические, дифференциальные или интегральные уравнения, средства, используемые в теории множеств, вероятностей, случайных процессов и т.д. Достоинством такой модели является широкий диапазон ее применения. Так уравнение с, = а,х, + а2х2 может отражать зависимость напряжений и величины тока в электрической цепи с активным резистором, загрузку станков в цехе и т.п. Все зависит от того, что понимают под коэффициентами уравнения.
Для моделирования разрабатываемых (существующих) объектов как в технике, так и в образовании, необходимо:
1. Установить количество элементов и связи между элементами объекта с помощью, например, матрицы связей. Обычно выделяют информационные, энергетические и вещественные связи, отражающие соответственно перенос информации, энергии, материалов и изменение их свойств. В результате такого описания возникает структура как совокупность элементов и связей между ними.
2. Изучить статистические и вероятностные свойства элементов объекта -математическое ожидание случайной величины, дисперсию, среднее квадра-тическое отклонение. Иначе, задать законы распределения величин элементов.
3. Определить значения констант; диапазон значений, принимаемых переменными. В результате возникает модель функционирования элементов системы, с помощью которой можно предсказывать их изменения во времени. После чего можно приступать к составлению модели функционирования объекта в целом.
Понятие структуры
Структура (расположение) - совокупность устойчивых связей между частями объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе.
Структура это каркас объекта, системы. Другой важной составляющей структуры является ее функция, она проявляет динамику ее свойств. Как отмечено в [122] «существование правил или, иначе говоря, структуры ситуаций - единственное, что дает нам какую - то надежду объяснить сложное явление, пользуясь отношениями, которые на одну ступень более элементарны. Так как структура является почти синонимом потери свободы, то можно сказать, что лишь потеря свободы позволяет нам избежать громадного числа возможных комбинаций элементарных отношений. Не будь структуры в окружающих нас вещах, наука на макроскопическом уровне вообще была бы невозможна».
Структура - это важнейшая характеристика всякой системы; она отражает связи, функции и цели между ее компонентами и особенности взаимодействия с внешней средой. Структура - это метод понимания устройства объектов, его способности действовать с другими объектами, одним из которых может быть внешняя среда.
Термин "структура" употребляется в сочетании с другими терминами, такими как, система, иерархия, управление, образуя другие термины с более глубоким смысловым содержанием (структура системы, структура управления, иерархия системы).
Понятие структура было впервые использовано основоположниками коммунизма в середине 19 века к изучению такого объекта, как общество. Плодотворность структурного метода была продемонстрирована К. Марксом в анализе экономических явлений капиталлистического общества задолго до его применения в других областях знаний. Исходя из анализа внутренних структур и стабильного функционирования системы капиталлистической экономики, К. Маркс доказал, что асимптотической моделью капиталлистического общества является социалистическое общество.
Таким образом, структура - это общенаучное понятие, применяемое в различных областях знаний, в технике, лингвистике и педагогике. 2.1.1. Характеристики структуры
Структура может быть представлена графически или с помощью матрицы. Характеристики любой структуры представляют такими ее показателями как связность, структурная избыточность и структурная компактность [31].
Размер матрицы определен произведением п п, где п - число вершин графа. Таким образом, структура показывает конструкцию какого - либо объекта: из какого количества элементов он состоит, вид и количество связей между ее элементами. Характеристика связности позволяет выявить наличие обрывов, висящих вершин.
Структурная избыточность показывает превышение общего числа связей над минимально необходимым. Структура, показанная на рисунке 2.3., имеет избыточность равную трем. Этот показатель характеризует экономичность структуры и ее надежность. Показатель структурная компактность определяет степень близости элементов структуры между собой. Близость можно задать через минимальную длину пути или близость элементов по их смыслу. 2.1.2. Виды структур.
Различают централизованную (веерную структуру) и децентрализованную (радиально - узловую) структуру. В централизованной структуре основная задача заключена в нахождении местоположения центра относительно исходного множества объектов. Существует много алгоритмов решения задачи "телефонного центра", один из которых изложен в работе [82].
Радиально узловая иерархическая структура. В такой структуре выделен единый центр обработки информации и принятия решений. Такой центр связан с оборудованием, производящим первичную обработку информации, и управление подчиненными объектами на тактическом уровне в соответствии в выбранным в центре стратегией. В такой структуре все множество объектов управления представлено в виде М непересекающихся подмножеств. Критерием оптимизации такой структуры может быть минимальная стоимость каналов связи и время принятия решения.
В работе [83] найдено решение оптимизации радиально-узловой структуры по критерию минимума единовременных затрат и критерию соответствия пропускной способности каналов связи модели возникновения информации в них. Радиально узловую структуру целесообразно применять при больших объемах перерабатываемой информации; для нее характерна сложность алгоритма управления.
Иерархия структуры. Под иерархией понимают расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему. Термин употребляют: в общей теории систем; в теории управления; в лингвистике и других предметных областях. Иерархия в любой системе есть подчинение одних элементов другим элементам, т.е. налицо определенное "неравноправие" одних перед другими.
При этом возникает вопрос количества элементов, которые можно подчинить другому элементу, чтобы последний мог выполнить задачу управления ими. Если под элементом подразумевают человека, то эффективно он может управлять от 3 до 7 другими людьми данной специальности . В технических системах это соотношение может составлять несколько тысяч. Термин "иерархия" часто употребляют в сочетании с термином «система» и "управление", образуя новый термин «иерархическая система управления". При этом возникает задача распределения функций между элементами системы.
Иерархия в теории управления. В теории управления выделяют объект управления и управляющую систему. Многие объекты управления имеют свою собственную иерархию, например, производственные системы. Иерархическая организация производственных систем (производственная система = объекты + связи между ними) возникла под влиянием объективных тенденций прогресса - концентрации и специализации производства. Эти факторы являются определяющими в создании иерархических производственных объектов управления. Часто бывает так, что иерархия управляющей системы не совпадает с иерархией объекта управления. Эффективность работы предприятия в значительной степени определена сложившейся структурой управления - числом уровней управления, структурой материальных и информационных потоков. Поэтому оптимизация структуры управления предприятием имеет первостепенное значение.
Принципы организации педагогической учебной информации
Образование станет целостным, когда оно представлено не просто совокупностью отдельных учебных дисциплин, а совокупностью дисциплин, объединенных общей целевой функцией. В качестве целевой функции могут быть использованы требования Госстандарта образования. В связи с этим остро стоит вопрос реализации этих требований совокупностью учебных дисциплин, определение веса каждой дисциплины в реализации этих требований.
Различают следующие виды учебно-методической деятельности: лекции, лабораторные и практические занятия, учебно-производственная практика, курсовое и дипломное проектирование, семинарские занятия, контрольные вопросы к экзаменам, зачетам и семинарским занятиям. Рассмотрим более подробно каждый из перечисленных видов. 3.3.1. Лекция
Цель лекции - это отражение современного состояния изучаемой науки, систематизация знаний как в содержательном, так и в методическом плане. Связующим информационным элементом лекции с другими является терминологический словарь - справочник с современным изложением используемых терминов. Важнейшим методическим и методологическим моментом является иллюстрация связи данной дисциплины не только с уже изученными ранее, но и с будущими дисциплинами (ретроспектива и перспектива учебного материала), иллюстрация общности в подходах изучения дисциплин. При написании лекции желательно найти разумное соотношение научного и учебного начала, что позволит сохранить научную строгость и выдержать достаточный методический уровень.
Автор на протяжении ряда лет читал курс «Язык программирования Паскаль», представляя каждый фрагмент лекции семантической сетью. В этих фрагментах автор показывал связь с элементами математики. Так, начало курса было посвящено понятию задачи, формализации задачи, методам ее решения. В процедурах «Графика» автор приводил уравнения фигур, являющиеся примитивами в языке Паскаль. Этим самым в текущем курсе устанавливалась связь с ретроспективными разделами других дисциплин [98].
Экзаменационные вопросы
Формулировка и содержание вопросов имеет важное фундаментальное значение. Вопрос как особый объект сам по себе подлежит изучению и требует размышления. В экзаменационных билетах обычно даны задача и два теоретических вопроса, один из которых бывает большим по объему и сложным по составу. Получив вопросы к экзаменам , студенты традиционно начинают искать и заучивать ответы на них. Часто найденные ответы студентам бывают и непонятны, и неинтересны, особенно для тех, кто по разным причинам не систематически занимался этой дисциплиной.
Из-за сложности и объемности вопроса, наверное, имеет смысл говорить о структуризации сложных вопросов в экзаменационных билетах. Под структуризацией понимаем декомпозицию сложного вопроса на ряд подвопросов, находящихся на разных уровнях иерархии. Процесс декомпозиции прекращается, если очередной подвопрос имеет краткий ответ. Например, какова температура кипения воды при нормальном давлении, формулировка закона Госсета, понятие информации, единица измерения количества информации. В случае отсутствия зачета по дисциплине в учебном плане нами практикуется проведение допуска к экзаменам в виде предварительной проверки знаний. Допуском к экзамену является знания идентификационного и терминологического (понятийного аппарата) пространства по дисциплине. В приложении 4 приведена структура части экзаменационных вопросов по дисциплине «Компьютерные технологии обработки информации» в терминах лексикографической модели.
Практические и лабораторные занятия
Лабораторная работа призвана, с одной стороны, закрепить изучаемый теоретический материал на практике, а с другой стороны, стать средством контроля за ходом самостоятельной работы студента и средством индивидуальной работы преподавателя со студентом. Эффективное решение такого широкого круга задач возможно только при применении единых требований со стороны всех преподавателей данной дисциплины.
Правильная организация проведения лабораторных работ требует от преподавателя совершенного методического подхода. Одним из таких подходов является внедрение компьютерных технологий в организацию занятий. Приложения компьютерной технологии служат для численного и графического представления результатов наблюдений на объекте, для проведение эксперимента на модели объекта. При проведении эксперимента на модели объекта определяют цель эксперимента, описывают средства и методики проведения эксперимента, методы обработки данных, формы отчета. Приложениями могут быть тренажеры, контролирующие профаммы, справочные системы, компьютерные игры и предметно ориентированные среды Excel, Access и другие.
Предметно-ориентированная среда - это учебный пакет программ, позволяющих оперировать с объектами определенного класса. Среда реализует отношения между объектами, операции над объектами и отношениями, соответствующие их определению, а также обеспечивает наглядное представление объектов и их свойств. Студент оперирует объектами среды, руководствуясь методическими указаниями в целях достижения поставленной дидактической задачи, и производит исследование.
