Методика обучения функциональному программированию будущих учителей информатики: На базе языка LOGO

Актуальность темы

исследования.

Одним из направлений фундаментальной подготовки в области информатики будущих учителей информатики является обучение функциональному программированию [Государственный, 1995]. Однако в настоящее время фундаментальная подготовка учителей информатики в педагогических вузах практически не включает обучение данной парадигме программирования. Языки императивной парадигмы достаточно широко представлены в курсе информатики, языки же декларативной парадигмы, к которым относятся и языки функционального программирования, обычно не рассматриваются. Приведем конкретные данные, подтверждающие этот факт. В учебных пособиях для студентов педагогических институтов [Заварыкин, Житомирский, Лапчик, 1989; Фролов, Кузнецов, 1989; Информатика, 1991] рассматриваются BASIC, FORTRAN, Pascal и только вскользь упоминается язык LISP. Изложение алгоритмов в учебном пособии [Кушниренко, Лебедев, 1988] ведется на школьном алгоритмическом языке, рассматриваются также вопросы программирования на ассемблере микропроцессора компьютера PDP-11 и на языке FORTRAN. В справочном пособии [Верлань, Апатова, Донской, 1989] кратко рассмотрены вопросы обучения программированию на языках BASIC, FORTRAN, Pascal. Таким образом, вопросы методики обучения студентов педагогических вузов языкам логического (резолюционного, функционального, продукционного) программирования остаются пока открытыми. Анализ литературы по программированию и учебных пособий на языке LOGO [Машбиц, Каптелинин, Маргулис, 1989; Николов, Сендова, 1989; Дьяконов, 1991; Сопрунов, 1995; ЛогоМиры, 1995; Сопрунов, Щеглова, 1995; Со-прунов, Яковлева, 1995; Добудько, Пугач, 1996; Добудько, 1997; Юдина, 1997; Максимовская, 1998,7,8- 1999,1] показывает, что до сих пор еще не разработано ни одно учебное пособие для обучения студентов педагогического вуза программированию на этом языке. И в связи с этим несомненный интеpec представляет построение методики обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на языке LOGO.

По нашему мнению, выбор языков программирования, которые должны изучаться в педагогическом вузе при подготовке учителя информатики, базируется на следующих принципах:

1) требованиях государственного стандарта высшего профессионального образования [Государственный, 1995];

2) определении понятия информатика как научной дисциплины, приведенное в работе [Бороненко, Лебедева, Рыжова, Швецкий, 1993];

3) квалификационной характеристике учителя информатики [Кузнецов, 1990];

4) принципах профессионально-педагогической направленности обучения информатике (ППНО) [Мордкович, 1986] и.

5) установленной классификации парадигм программирования.

В работе [Пратт, 1979, с. 12−16,96−98] приводятся следующие причины необходимости изучения нескольких парадигм программирования: улучшается понимание конкретного языка, расширяется активный запас полезных конструкций, появляется возможность более обоснованно выбрать язык для решения конкретной задачи, облегчается освоение нового языка.

Кроме того, главной задачей обучения в педагогическом вузе является подготовка студентов для их дальнейшей работы в школе. Исходя из этого, отбор содержания курса информатики в педагогическом вузе должен производиться с учетом концепции школьного курса информатики и его целей.

И хотя, одним из разделов фундаментальной подготовки в области информатики будущих учителей информатики является функциональное программирование, однако, как мы уже отметили, подготовка учителей информатики в педагогических вузах в настоящее время не включает обучение функциональному программированию. Таким образом, первое противоречие — это противоречие между многообразием парадигм программирования и однобокостью в обучении языка одной парадигмы программирования.

Второе противоречие состоит в недостаточной математической подготовке будущих учителей информатики (в аспекте изучения математических оснований парадигм программирования и состоянием практики обучения этому разделу в педагогическом вузе). Методическая система фундаментальной подготовки в области информатики будущих учителей информатики, базируется, прежде всего, на достаточно серьезном внимании не только к алгоритмическим методам решения задач, но и изучению обоснования этих методов — теории рассматриваемого вопроса. Успешная реализация методической системы фундаментальной подготовки будущих учителей информатики невозможна без серьезной математической подготовки, так как большинство теоретических разделов курса информатики должны излагаться с применением формального математического аппарата.

Третье противоречие — противоречие, между укоренившимся представлением об «игрушечности» языка LOGO и его ценностью, заключающейся в том, что он содержит средства функционального и императивного программирования, и как язык функционального программирования, позволяет решать широкий класс задач обработки списковых структур данных. «Фактически LOGO — это LISP, адаптированный для обучения» [Зайдельман, Само-вольнова, Лебедев, 1993, с. 14].

И четвертое противоречие — наличие профессиональной литературы по функциональному программированию, и почти полное отсутствие таковой для педагогического вуза.

Все это приводит к основной проблеме, корни которой лежат в противоречии между необходимостью повышения уровня профессиональной подготовки учителей информатики (в аспекте формирования знаний о функциональном программировании) и состоянием развития теории и практики обучения этому разделу в курсе информатики педагогического вуза. Таким образом, можно говорить о необходимости специального исследования, направленного на ее устранение.

Объектом исследования является процесс обучения будущих учителей информатики функциональному программированию на базе языка LOGO.

Предметом исследования является методическая система обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на базе языка LOGO.

Гипотеза исследования заключается в том, что методика обучения функциональному программированию (на базе языка LOGO), в основу которой положен фундаментальный подход к обучению, может быть построена, если.

— включить в содержание обучения математические основания функционального программирования,.

— выявить возможности используемого средства для реализации содержательных линий алгоритмов, структур данных, технологий программирования, контролирующих структур.

В связи со сказанным, цель исследования заключается в построении методики обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на базе языка LOGO.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Первая группа (задачи теоретического характера):

1. Выбрать модель методической системы обучения, определить этапы методического исследования;

2. Рассмотреть классификацию языков функционального программирования;

3. Обосновать возможность использования языка LOGO в качестве средства обучения функциональному программированию на пропедевтическом уровне подготовки будущих учителей информатики;

4. Определить основные линии в обучении функциональному программированию и их содержание.

Вторая группа (конструктивного характера) — собственно отбор содержания методической системы обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на базе языка ЬОСЮ, в основу которой положена концепция смены парадигм программирования.

Частные задачи, возникшие здесь, относятся к исследованию отдельных элементов методической системы обучения функциональному программированию будущих учителей информатики: 1) сформулировать цели обучения- 2) отобрать содержание обучения- 3) отобрать методы, формы и средства обучения.

Третья группа (практического характера) — проверить экспериментально эффективность разработанной методики.

Для решения задач исследования использовались следующие методы: анализ специальной литературы по математике, информатике, вычислительной технике и методике обучения математике и информатикеанализ научной литературы по философским, социальным, психолого-педагогическим проблемам, связанным с информатизацией общества, ее влиянием на личность и систему образованияанализ школьных и вузовских программ, учебников и учебных пособийизучение и обобщение отечественного и зарубежного опыта информатизации сферы образования и, в частности, проблем подготовки учителя информатики в условиях информатизацииизучение и обобщение педагогического опытаметод экспертных оценок и обработка результатов методом факторного анализаконстатирующие и формирующие эксперименты по проверке отдельных методических положений работы.

Содержание применяемых методов исследования, конкретные задачи, решаемые с помощью каждого из них, а также экспериментальные материалы описаны в соответствующих разделах диссертации.

Научная новизна исследования состоит в том, что обоснована возможность использования языка ЬОСЮ в качестве средства обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на пропедевтическом уровне подготовки.

Теоретическое значимость исследования состоит в том, что выделены основные содержательные линии в обучении функциональному программированию и обоснована возможность реализации этих линий средствами языка LOGO.

Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что разработана система лабораторных работ по программированию на языке LOGO для педагогического вуза, которая отражает предложенную методику.

Структура построения диссертации и логика ее изложения отражает последовательность решения основных задач исследования.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии и приложения.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом.

В первой главе, используя известные концепции (профессионально-педагогической направленности обучения в педагогическом вузе, концепцию построения методической системы школьной информатики, концепцию подготовки учителя информатики в многоуровневой структуре высшего педагогического образования) рассмотрены следующие вопросы:

1) классификация языков функциональной парадигмы и место языка LOGO в системе других языков функционального программирования, поскольку классификация языков программирования помогает выбрать язык программирования для обучения в зависимости от целей обучения;

2) обосновали выбор языка LOGO в качестве средства обучения функциональному программированию на пропедевтическом уровне подготовки в педагогическом вузе;

3) определили и рассмотрели содержание следующих основных линий в обучении функциональному программированию: математические основания функционального программирования (^.-исчисление и исчисление комбинаторов), алгоритмы, структуры данных языков функционального программирования, технологии программирования, доказательство правильности программ.

Рассмотренный в первой главе методологический «инструмент» (модель методической системы обучения и этапы методического исследования) и выделенные содержательные линии обучения функциональному программированию используются во второй главе для построения методической системы обучения функциональному программированию на базе языка LOGO.

Во второй главе:

1) сформулированы цели обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на пропедевтическом уровне подготовки на базе языка LOGO и выделены знания и умения, которые студенты должны получить в результате изучения предлагаемого материала;

2) на основе выделенных в первой главе содержательных линий в обучении функциональному программированию отобрано содержание обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на базе языка LOGO (представленное в виде системы лабораторных работ, опирающейся на использование учебного программного средства);

3) установлена последовательность обучения функциональному программированию на базе языка LOGO на пропедевтическом уровне подготовки, в основе которой лежит концепция смены парадигм программирования и которая выглядит следующим образом: Черепашья графика (императивное программирование) —> Слова и списки (функциональное программирование) —> Числа (императивное программирование);

4) обоснована и практически подтверждена целесообразность применения для обучения функциональному программированию метода демонстрационных примеров;

5) поскольку основная форма, используемая при обучении программированию лабораторная работа, мы предлагаем использовать для обучения комбинированную лабораторную работу. В структуре такой лабораторной работы мы выделяем следующие блоки: цель (основные понятия), теоретические сведения, демонстрационные примеры и задания для самостоятельно выполнения;

6) в § 2.3 проведена систематизация наиболее популярных программных средств LOGO, которая позволяет выбирать ту систему программирования, которая наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым к решению тех или иных поставленных педагогом конкретных учебных целей и возможностям, имеющейся компьютерной техники;

7) проекция методической системы обучения функциональному программированию на языке LOGO в педагогическом вузе на школьный курс информатики, сделанная в § 2.4, указывает взаимосвязи содержания школьного и педвузовского курсов информатики.

В третьей главе для проверки той части гипотезы исследования, которая связана с отбором содержания методики обучения функциональному программированию будущего учителя информатики на базе языка LOGO, использованы аналитические математические модели. В главе показано применение методов математической статистики (факторный анализ и метод главных компонент) для уточнения факторов, влияющих на формирование содержания обучения, и теории графов для оптимизации его по содержанию и по времени.

Разработанная модель методической системы представляет собой «открытую» систему, доступную для корректировки с учетом развития информатики и динамики социального заказа общества. Эта «окрытость» модели дает возможность построить на ее основе вариативные учебные планы в педагогических вузах с учетом местных условий и доступных ресурсов.

В рамках поставленных задач выполненное диссертационное исследование можно считать законченным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенное теоретическое исследование показало необходимость включения в фундаментальную подготовку учителя информатики обучения функциональному программированию.