Методика обучения основам компьютерного моделирования в педагогическом вузе и школе

Приближающееся новое тысячелетие отмечено кардинальными изменениями во многих областях, располагающими к попыткам осмысления пройденного пути и поиску адекватных решений. Система образования не является в этом смысле исключением и находится в состоянии перманентного реформирования. Педагогические вузы должны ориентироваться на такой ход событий. При этом важно, чтобы учитель не приходил в школу с уже «устаревшими» знаниями, а мог бы «подстраиваться» под изменения в учебной программе.

Прошло 15 лет с тех пор, как информатика была включена в курс общеобразовательной школы. За это время преподавание информатики претерпело множество изменений, как в отношении содержания курса, так и в отношении преподавательского состава. Если раньше уроки по информатике проводили, в основном, бывшие программисты или математики, получившие навыки работы с компьютером и изучившие программирование, то в настоящее время в школах все больше учителей, имеющих педагогическое образование по специальности «информатика».

Большой вклад в развитие содержания и методики преподавания информатики внесли С. Пейперт, А. П. Ершов, СЛ. Бешенков, И. М. Бобко, А. Г. Гейн, Г. А. Звенигородский, В. А. Каймин, А. А. Кузнецов, А. Г. Кушниренко, М. П. Лапчик, B.C. Леднев, Н. В. Макарова, В. М. Монахов, Ю. А. Первин, А. Л. Семенов, Е. К. Хеннер и ряд других исследователей.

К настоящему времени написано много учебников информатики, сильно различающихся по содержанию и методическим подходам. К тому же большинство из них не учитывает возраст, с которого учащиеся начинают изучение информатики. Но, если школьный курс как-то методически обеспечен (кроме того, что написано несколько общероссийских учебников, существуют региональные программы информатизации), то с пособиями для педагогических вузов ситуация проблематичнее. Хотя от того, как будет поставлен курс информатики в педагогическом вузе, зависит будущее этого предмета в школе. Ведь, в основном, будущим учителям придется решать проблемы обучения школьников информатике и решать вопросы, связанные с применением новых информационных технологий в образовании. В то же время, учебников по информатике для педвузов очень мало. Очевидно также, что многие существующие учебные пособия быстро устаревают в связи с тем, что меняется техника, уточняются концепции преподавания информатики.

Ведущими разделами курса информатики, как в школе, так и в педагогическом вузе, несмотря на все изменения, остаются моделирование и алгоритмизация.

Н. Винер, характеризуя возможности компьютеров, сказал, что любая машина полезна настолько, насколько глубокие и продуманные задачи мы перед ней ставим. Человек должен иметь идеи, и тогда машина ускорит их проверку и воплощение, т. е. основой всего является хорошая модель исследуемого явления.

В статье «О предмете информатики» А. П. Ершов пишет: «Как самостоятельная наука информатика вступает в права тогда, когда в рамках соответствующей частной науки строится информационная модель того или иного фрагмента действительности — в информатике рассматриваются методологические принципы построения таких моделей и манипулирования ими».

Математическое, а в последнее время и компьютерное моделирование широко используются во многих областях знаний и в народном хозяйстве, что позволяет значительно экономить ресурсы.

На необходимость и важность применения моделирования в процессе обучения математике указывают В. И. Арнольд, Н. Н. Красовский, В. В. Давыдов, В. А. Далингер, А. Ж. Жафяров, В. М. Монахов, А. Г. Мордкович, Л. М. Фридман, А .Я. Цукарь и др. Вопросы методики обучения моделированию и алгоритмизации к школьном курсе математики рассматривались в ряде диссертационных работ, в том числе М. В. Крутихиной, А. А. Михно, А. А. Шрайнера и др. Более широкое внедрение такого подхода в курс математики средней школы способствовало бы лучшему пониманию и усвоению его и на уроках информатики.

Вопросам методики преподавания алгоритмизации и моделирования в курсе информатики большое внимание уделяется в работах А. И. Бочкина, А. Г. Гейна, Н. Н. Красовского, А. Г. Кушниренко, М. П. Лапчика, Н. В. Макаровой, Е. М. Островской, Н. И. Пака, В. Л. Селиванова, Е. К. Хеннера и др.

Анализ программы школьного курса информатики показывает, что на моделирование и алгоритмизацию отведено малое число учебных часов (в том случае, когда изучение информатики начинается с 10 класса, на моделирование отведено 8 или 12 часов при общем числе часов на весь курс соответственно 68 и 136, на алгоритмизацию — 16 и 26). Кроме того, психолого-педагогический аспект этого курса, на наш взгляд, мало разработан. В большинстве учебников используются подходы, слабо стимулирующие творчество учащихся.

В настоящее время ощущается недостаток квалифицированных учителей, которые могли бы проводить занятия по моделированию на должном уровне. Таким образом, получили противоречие: с одной стороны, компьютерное моделирование является одним из важнейших разделов как школьного, так и вузовского курсов информатики, а, с другой стороны, его методическая и психолого-педагогическая проработанность недостаточна, ощущается недостаток учебных пособий. Этим определяется актуальность проблемы нашего исследования, состоящей в устранении указанного противоречия.

Целью настоящей работы является повышение уровня подготовки студентов педагогических вузов и школьников в области компьютерного моделирования.

Объектом исследования является процесс обучения информатике студентов педагогических вузов и школьников.

Предметом исследования является методика обучения компьютерному моделированию в курсе информатики педагогического вуза и школы.

Гипотеза исследования состоит в том, что обучение студентов и школьников основам компьютерного моделирования по предлагаемой методике, основанной на интегрирующей роли моделирования, методе проектов и активном использовании компьютерной графики, будет способствовать повышению качества знаний по таким разделам информатики, как моделирование, алгоритмизация, языки программирования.

Для достижения поставленной цели и проверки гипотезы необходимо было решить следующие задачи: изучить современное состояние методйки преподавания компьютерного моделирования в педагогическом вузе и школепровести психолого-педагогический и методологический анализ научной разработанности данной тематики для выявления недостатков и слабых мест в существующих подходах к преподаванию компьютерного моделированияразработать содержание курса компьютерного моделирования и методику его преподавания с учетом различного уровня математической подготовки студентов и школьников и количества времени, выделяемого на данный раздел информатикисформулировать методические рекомендации по выбору программной среды моделированияразработать модули и библиотеки программ, упрощающие реализацию рассматриваемых компьютерных моделейразработать учебные мини-проекты по компьютерному моделированиюсоставить типовые блоки и фрагменты программпровести анализ педагогического эксперимента. При работе над диссертацией применялись следующие методы: анализ философской, психолого-педагогической и методической литературы, публикаций научного характера в периодической печатианализ учебных пособий по информатике для педагогических вузов и общеобразовательной школынаблюдение, анкетирование, тестирование, беседы с педагогами, студентами и школьникамианализ личного опыта автора, а также опыта работы преподавателей вузов и школьных учителей.

Теоретическую и методологическую основу исследования составили основные положения работ, связанных с математическим и компьютерным моделированием (Х.-О. Пайтгена и П. Х. Рихтера, У. Бекка, В. Вольтерра, П. Прусинкевича и А. Линденмайера, В. М. Монахова и др.), с педагогикой, психологией и физиологией (С.

Пейперта, Ю. К. Бабанского, П. И. Пидкасистого, Е. Я. Голанта, М. Н. Скаткина, И .Я. Лернера, Е. С. Полат, Ж. Пиаже, B.C. Ротенберга, Л. Я. Балонова и В. Л. Деглина, В. Л. Деглина, A.M. Иваницкого, В. Б. Стрельца и др.), с информатикой и методикой ее преподавания (А.П. Ершова, А. И. Бочкина, А. Г. Гейна, Н. В. Макаровой, Е. К. Хеннера, В. Л. Селиванова, Л. Г. Алсынбаевой и др.).

Научная новизна исследования заключается в следующем: сформулированы условия применения мини-проектов по компьютерному моделированию в курсе информатики педагогического вуза и школыразработана авторская методика обучения основам компьютерного моделирования в педагогическом вузе и школе.

Теоретическая значимость исследования состоит в следующем: сформулированы методические рекомендации по выбору программной среды компьютерного моделированиясформулированы различные варианты построения курса компьютерного моделирования в зависимости от учебной программы.

Практическая значимость работы состоит в том, что: произведен отбор моделей для изучения в курсе информатики педагогического вуза и школыразработаны сценарии мини-проектов по моделированию для педагогических вузов и школыразработаны модули и библиотеки программ, упрощающие реализацию важного класса рассматриваемых компьютерных моделей.

На защиту выносятся: разработанный автором дидактический и программный материал для проведения занятий по компьютерному моделированиюметодика проведения занятий по компьютерному моделированию в педагогическом вузе и школе.

Достоверность и обоснованность проведенного исследования обеспечиваются опорой на теоретические разработки в областях психологии, физиологии, педагогики, теории и методики обучения информатикеиспользованием методов, адекватных поставленным задачам, а также результатами педагогического эксперимента.

Апробация и внедрение результатов исследования.

Основные теоретические и практические положения исследования докладывались на следующих конференциях:

Международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Новосибирск, 1996; Новосибирск, 1998; Томск, 2000), II Международной конференции «Развитие личности в системе непрерывного образования» (Новосибирск, 1997), региональной конференции ЮНЕСКО «Экология человека: взаимодействие культуры и образования в современных условиях» (Новосибирск, 1998), Международного конгресса ИНПРИМ (Новосибирск, 1998), конференции «Проблемы развития образования в Новосибирске и области» (Новосибирск, 1998), на научных семинарах кафедры информатики и дискретной математики НГПУ.

Апробация результатов и внедрение их в практику осуществлялось в учебном процессе школы № 98 г. Новосибирска и математического факультета Новосибирского государственного педагогического университета. Элементы данной методики использовались дипломниками автора в некоторых школах Новосибирской области и г. Братска.

Исследование проводилось с 1995 по 2000 год как часть комплексной научной темы «Информатизация образования в педагогическом вузе и школе», разрабатываемой в НГПУ под руководством доктора физико-математических наук, профессора B. J1. Селиванова.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

В заключение изложим основные выводы и результаты исследования.

С учетом анализа психолого-педагогической и методической литературы определено, что моделирование является ядром, интегрирующей частью курса информатики, мотивирующей изучение алгоритмизации и программирования. При этом выявлено, что в имеющейся методической литературе существуют различные подходы к изучению моделирования, не сформулированы принципы отбора моделей, не учитывается психолого-педагогический аспект при обучении компьютерному моделированию.

В ходе изучения опыта практической работы в вузе и школе выявлено, что традиционная методика обучения компьютерному моделированию недостаточно стимулирует интерес и творчество студентов и школьников. Теоретически и экспериментально установлено, что мотивирующим и стимулирующим творческую работу средством для обучения моделированию является метод проектов. Разработана методика обучения основам компьютерного моделирования в курсе информатики педагогического вуза и школы с использованием мини-проектов. Существует ряд факторов, влияющих на возможность применения проектов и мини-проектов в учебном процессе. С учетом этих факторов были сформулированы условия применения мини-проектов по компьютерному моделированию в курсе информатики:

1) наличие соответствующего аппаратного и программного обеспечения;

2) наличие дидактических материалов: литературы, разработанных сценариев, необходимых фрагментов программ и т. д.;

3) соответствующая квалификация преподавателя: он должен понимать суть каждой программы и, при необходимости сориентировать учащихся на усовершенствование программы;

4) задания для мини-проектов должны быть дифференцированы по сложности;

5) проекты должны быть сформированы в нескольких, последовательно усложняющихся вариантах.

Работа над мини-проектом занимает обычно 6−10 часов (в зависимости от учебного плана и уровня учащихся).

Проекты можно рассматривать также как связующее звено между курсами информатики в педагогическом вузе и школе. Так, проекты, написанные студентами, применялись при работе со школьниками, а проекты, написанные школьниками, обсуждались на занятиях со студентами.

Работа над проектом ведется по разработанному сценарию. Обучаемые могут как сами создавать сценарии, так и писать проекты по уже готовым сценариям. Нами предлагается алгоритм работы по написанию сценария. Кроме того, нами разработаны сценарии мини-проектов, модули и библиотеки программ, упрощающие реализацию важного класса компьютерных моделей.

На основе анализа научной и методической литературы по моделированию и программному обеспечению сформулированы принципы и требования отбора моделей, которые целесообразно использовать в курсе информатики педагогического вуза и школы. Сформулируем основные принципы, по которым подбираются модели:

1) возможность графической иллюстрации;

2) при простоте построения — сложность поведения;

3) влияние параметров на качественные свойства моделей;

4) наличие межпредметных связей;

5) возможность реализации в различных средах;

6) должны отражать современные научные направления;

7) должны представлять различные области знаний.

Нами также сформулированы рекомендации по выбору среды компьютерного моделирования. На основе предложенных рекомендаций и принципов осуществлен отбор моделей для изучения компьютерного моделирования и сред для их реализации.

Таким образом, при предложенном в диссертационном исследовании подходе изучение моделирования служит одновременно средством для обучения основам программирования. Такой подход, на наш взгляд, может оказаться особенно актуальным в том случае, когда изучение информатики начинается с 10 класса и на моделирование отведено 8 или 12 часов при общем числе часов соответственно 68 и 136. На алгоритмизацию — 16 или 26 соответственно.

Резюмируя, характерные основные черты разработанной методики можно описать следующим образом:

1) моделирование рассматривается как интегрирующее звено всего курса информатики;

2) принципы подбора моделей и сред моделирования способствуют установлению межпредметных и внутрипредметных связей;

3) используемый вариант метода проектов и гибкость предлагаемой методики стимулирует индивидуальное и коллективное творчество студентов (школьников).

Проведенный педагогический эксперимент подтвердил эффективность разработанной методики. Было установлено, что применение разработанной методики оказалось доступным для большинства студентов и школьников и позволило повысить уровень обучения.

Нами сформулированы различные варианты построения курса компьютерного моделирования в зависимости от учебного плана. Разработанные в диссертации практические рекомендации могут быть использованы как школьными учителями, так и преподавателями вузов в их практической деятельности для повышения эффективности обучения. Результаты исследования могут быть использованы для разработки программ, учебников и учебных пособий по информатике.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Составление обучающих программ как средство обучения информатике. //Материалы Международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании». -Новосибирск: НИИ МИОО НГУ, 1996,-с. 122.

2. Индивидуальное творчество школьников на уроке информатики. //Тезисы докладов II Международной конференции «Развитие личности в системе непрерывного образования». -Новосибирск: НГПУ, 1997,-с. 166−167.

3. Компьютерное моделирование в школьном курсе информатики. //Материалы Международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании». -Новосибирск: НИИ МИОО НГУ, 1998, -с. 128.

4. Информатизация образования: Эволюция, проблемы, перспективы. //Международная региональная конференция ЮНЕСКО «Экология человека: взаимодействие культуры и образования в современных условиях». -Новосибирск: 1998, т.2,ч.1, -с. 170−177 (в соавторстве, 50%).

5. Математическое моделирование в курсе информатики. //Материалы Международного конгресса ИНПРИМ. -Новосибирск: Институт математики СО РАН, 1998, -с. 153−154.

6. Компьютерное моделирование: от ЛОГО к ПАСКАЛЮ и БЕЙСИКУ. //Материалы конференции «Проблемы развития образования в Новосибирске и области». -Новосибирск, НГПУ, 1998,-с. 78−79.

7. Метод мини-проектов в обучении основам математического и компьютерного моделирования. //Материалы Международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании». -Томск: ТГТУ, 2000, -с.112−113.

8. О различных подходах к изучению моделирования в курсе информатики. //Аспирантский сборник НГПУ, под редакцией А. Ж. Жафярова. -Новосибирск: НГПУ, 2000, 13с.

9. Компьютерное моделирование некоторых геометрических объектов. -Новосибирск: НГПУ, 2000, 58с.(в соавторстве, 50%).