Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Теоретические аспекты применения информационных технологий при подготовке специалистов в области информационной безопасности 12
1.1 . Психолого-педагогические аспекты функционирования виртуального лабораторного комплекса в среде высшей школы 12
1.2.Философско-методические аспекты использования компьютерных технологий в сфере образования 27
1.3.Дидактические аспекты обучения в условиях виртуального лабораторного комплекса 32
1.4.Принципы и методы компьютерного обучения 43
Выводы к первой главе 56
ГЛАВА II. Проектирование и использование педагогических программных продуктов на основе современных информационных технологий 58
2.1. Инновационное развитие профессионального образования в условиях внедрения информационных технологий 58
2.2. Особенности проектирование виртуального лабораторного комплекса на базе программных эмуляторов 62
2.3.Практические аспекты реализации возможностей виртуального лабораторного комплекса в рамках дисциплин, связанных с программно-аппаратными и техническими средствами защиты информации 78
2.4.Экспериментальное исследование эффективности использования модели виртуального лабораторного комплекса при обучении студентов программно-аппаратным и техническим средствам защиты информации 91
Выводы ко второй главе 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 120
ПРИЛОЖЕНИЯ 135
- Психолого-педагогические аспекты функционирования виртуального лабораторного комплекса в среде высшей школы
- Инновационное развитие профессионального образования в условиях внедрения информационных технологий
- Особенности проектирование виртуального лабораторного комплекса на базе программных эмуляторов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современный уровень высшей школы характеризуется глобальной информатизацией образовательного процесса. В основе этого явления лежит разработка и использование различных средств компьютерной поддержки учебной деятельности.
Постановлением правительства Российской Федерации № 630 от 28 августа 2001 года была утверждена Федеральная целевая программа «Развитие единой образовательной информационной среды (2001-2005 г.)». Среди задач, сформулированных в этой программе, можно выделить следующие: « создание федеральной системы информационного и научно-методического обеспечения развития образования; применение новых информационных и телекоммуникационных технологий в учебном процессе, включая создание и использование в учебном процессе современных электронных учебных материалов наряду с традиционными ...».
Поэтому разработка научно-методических основ проектирования и использования информационных и компьютерных технологий в обучении студентов, как средство достижения задач, поставленных в программных документах развития системы образования, является актуальной проблемой теории и методологии высшего профессионального образования.
Многие проблемы разработки и применения информационных и компьютерных технологий не решены как в теоретическом, так и в практических аспектах. Практика использования информационных и компьютерных технологий в профессиональном образовании свидетельствует о наличии противоречий:
традиционным видам учебно-методического обеспечения и потребностью практики в инновационных формах представления и обработки информационных материалов;
абсолютизацией структур и форм построения учебно-методических материалов для студентов и потребностью практики в их инновационных
4 структурах с расширенными функциональными и информационными возможностями;
- процессом информатизации образования и отсутствием общего под
хода к конструированию новых программных средств обучения, интегри
рующих современных педагогических и информационных технологий;
Указанные противоречия привели к формированию комплекса проблем профессионального образования:
построение и модернизация моделей применения информационных и компьютерных технологий в учебном процессе вуза;
трансформация традиционных педагогических технологий в компьютерные образовательные технологии;
обоснование методик проектирования современных образовательных технологий, синтезирующих в профессиональном образовании современные педагогические инновации и компьютерные технологии.
Проблемы информатизации образования являются предметом психолого-педагогических исследований Асмолова А.Г., Богоявленской Д.Б., Горви-ца Ю.М., Лаптева В.В., Полата Е.С., Сластенина В.А., Машбица Е.И., Ершова А.П., Ваграменко Я.А., Кузнецова А.А., Кузнецова Э.И., Кушниренко А.Г., Монахова В.М., Роберт И.В. Особенностям дифференцированного обучения информатике и формированию информационной культуры и компьютерной грамотности посвящены труды С.А. Бешенкова, Ю.С. Брановского, И.М. Бобко, А.Г. Гейна, С.Г. Григорьева, Б.С. Гершунского, В.А. Каймина, В.Е. Яценко.
Теории и методике использования компьютерных средств и информационных технологий в профессиональной подготовке студентов посвящены докторские диссертации Ю.С. Брановского, М.И. Жалдака, Э.И. Кузнецова, А.Л. Денисовай. Использованию и оценке эффективности использования отдельных информационных технологий в образовании посвящены научные исследования А.В. Соловьева, С.К. Голубевой, Е.А. Локтюшиной, В.П. Бес-
5 палько, Е.В. Кашириной, И.Ю. Морозова, И.Г. Захаровой, В.А. Трайнева,
Г.М. Коджаспировой.
В этих работах рассмотрены аспекты наиболее эффективного использования возможностей компьютерных технологий, наиболее значимые аспекты формирования творческих качеств личности в современной дидактической компьютерной среде, создания электронных учебников и других средств поддержки педагогического процесса. Однако вопросы формирования виртуальных лабораторных комплексов на базе программных эмуляторов изучены еще недостаточно. Поэтому в предлагаемой диссертации исследуются научно-педагогические основы формирования таких лабораторных комплексов. В основу исследуемой в диссертационной работе методики организации учебного процесса приняты потенциальные возможности мультимедиа. Большинством вышеупомянутых авторов именно им отводят значимую роль в современном образовании, небезосновательно подчеркивая перспективные аспекты их использования и одновременно отмечая недостаточную степень изученности методов их продуктивного применения с позиции педагогики, психологии и методики обучения.
По результатам вышеупомянутых исследований и принимая во внимание уровень современного развития педагогических компьютерных систем, можно сделать вывод, что разработка моделей новых методик применения компьютерных образовательных технологий, является перспективным средством создания и развития профессиональных обучающих систем современности, а исследование его научно-педагогических основ - актуальным и малоизученным направлением научной мысли в области педагогики, психологии и методологии.
Проблема исследования состоит в изучении средств, возможностей и условий протекания образовательного процесса в рамках модели виртуального лабораторного комплекса по дисциплинам, связанным с программно-аппаратными и техническими средствами защиты информации, с учетом тре-
бований современной высшей школы и профессиональных потребностей обучающихся.
Значимость и актуальность такого рода исследований определяется в свете реализации положений, определенных в Концепции информатизации высшего образования Российской Федерации:
системной интеграции информационных технологий;
профессиональной направленности;
создания и развития информационных систем и сред.
Цель исследования - теоретическое обоснование и экспериментальная проверка научно-методических основ использования виртуального лабораторного комплекса на базе программных эмуляторов в методике преподавания дисциплин при подготовке специалистов в области информационной безопасности.
Объект исследования - образовательная деятельность в высших учеб
ных заведениях с применением современных информационных технологий и
компьютерных средств обучения. *
Предмет исследования - научно-методические, организационные и технологические основы использования модели виртуального лабораторного комплекса в профессиональном образовании студентов, обучающихся по специальностям в области информационной безопасности.
Гипотеза исследования предполагает, что использование в учебном процессе высшей школы методики применения виртуальных лабораторных комплексов при подготовке специалистов в области информационной безопасности позволит повысить качество преподавания, а также реализовать профессиональную направленность обучения.
В соответствии с целью и гипотезой были определены следующие задачи:
- проведение всестороннего анализа возможностей использования со
временных компьютерных образовательных технологий в профессиональном
образовании;
исследование психолого-педагогических, дидактических, организационных и технологических возможностей использования модели виртуального лабораторного комплекса в обучении студентов по специальностям, связанным с информационной безопасностью;
создание теоретической модели виртуального лабораторного комплекса на основе современных достижений в области информационных образовательных технологий;
практика реализации виртуального лабораторного комплекса на базе программных эмуляторов в методике преподавания программно-аппаратных и технических средств защиты информации;
экспериментальное исследование для определения эффективности организации учебного процесса и повышения качества профессионального образования в рамках виртуального лабораторного комплекса.
В процессе работы использовались следующие методы исследования:
всесторонний и теоретический анализ первоисточников, проектов и концепций по вопросам информатизации образования, специализированной литературы по вопросам образования в высшей школе с целью выявления современных тенденций использования информационных технологий в педагогической деятельности;
анализ различных дидактических материалов, программных продуктов поддержки образовательного процесса, вузовских программ и содержания преподаваемых курсов по информационной безопасности;
разработка теоретической модели виртуального лабораторного комплекса на базе программных эмуляторов основывалась на методах теоретического моделирования образовательных технологий;
для оценки качества учебного процесса в рамках разработанной модели виртуального лабораторного комплекса использовался метод групповых экспертных оценок, обработка данных исследования и эффективность проведенного эксперимента оценивалась с использованием математических методов;
проводилось педагогическое наблюдение, сравнительный анализ результатов учебной деятельности в различных группах обучаемых;
проходило анкетирование и тестирование студентов для оценки результативности проводимого педагогического эксперимента.
Научная новизна. Разработаны научно-методические основы проектирования и использования компьютерных технологий обучения студентов вуза в соответствии с психолого-педагогическими особенностями учебного процесса, спецификой подготовки специалистов по защите информации, методами научного моделирования. Введено и обосновано понятие виртуального лабораторного комплекса на базе программных эмуляторов. Исследованы условия использования модели виртуального лабораторного комплекса как одного из средств повышения качества учебного процесса.
Теоретическая значимость исследования. Сформулированы психолого-педагогические, философско-методологические, дидактические и технологические основы реализации учебного процесса в профессиональном образовании специалистов в области информационной безопасности с использованием современных компьютерных образовательных технологий.
Практическая значимость исследования связана с возможностью использования предложенных технологий организации учебного процесса в рамках виртуального лабораторного комплекса для повышения качества профессиональной подготовки специалистов в области информационной безопасности.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивались использованием различных методов исследования, адекватных предмету, цели, и задачам работы, логике изучаемой дисциплины. Теоретические положения методологически обоснованы и связаны с концептуальными позициями информатизации высшего образования, репрезентативностью экспериментальных данных, использованием математического аппарата для оценки результатов исследования и апробацией результатов исследования в практике преподавания.
9 На защиту выносятся следующие положения:
Научно-педагогические основы формирования теоретической модели виртуального лабораторного комплекса на базе программных эмуляторов - это соответствие дидактических, психолого-педагогических, организационных и технических возможностей парадигме современного образования, основанного на приоритетном отношении к информатизации образования в целом, а высшей школы в особенности.
Теоретическая модель виртуального лабораторного комплекса на базе программных эмуляторов, включающего основополагающие принципы создания, систему целей и задач, условия эффективной организации его функционирования, технологии его динамичного обновления и репродуктивные функции в контексте теорий развивающего обучения и информатизации образования.
Практическая реализация возможностей виртуального лабораторного комплекса в обучении студентов по специальностям в области информационной безопасности способствует повышению качества учебного процесса и выполнению требований профессиональной направленности внедрения информационных технологий в образование.
Апробация и внедрение результатов исследования. Результаты исследования докладывались и обсуждались на научно-методических семинарах кафедры «Организация и технология защиты информации» в период с 2003 по 2005 годы, на ежегодных региональных научно-методических конференциях «Университетская наука региону», на VIII региональной научно-практической конференции «Эвристическое образование», на 1-ой Международной научно-технической конференции «Инфотелекоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании», на 5-той Межвузовской научно-практической конференции «Совершенствование техники, технологии, экономики в сфере сервиса и методике обучения», на П-ой Всероссий-
10 ской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной
деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской Федерации «ИННОВ-2005», на конкурсе СГУ по электронным учебно-методическим комплексам, на Всероссийской конференции «Инфокоммуникационные технологии в системе гуманитарного образования и научных исследованиях». Основные материалы исследования изложены в одиннадцати публикациях и реализованы в шести зарегистрированных электронных учебных комплексах. Результаты исследования внедрены в учебный процесс в Ставропольском государственном университете на кафедре «Организация и технология защиты информации».
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав и заключения.
Во введении раскрывается актуальность темы, определяются объект, предмет, цель задачи, научная новизна, теоретическая и практическая значимость исследования, формулируются гипотеза и положения, выносимые на защиту, характеризуется научная новизна и практическая значимость, представляются данные по апробации и внедрению результатов.
В первой главе «Теоретические аспекты применения информационных технологий при подготовке специалистов в области информационной безопасности» представляются теоретические вопросы аспектов работы, исходные позиции автора, концептуальные основы моделирования, описание психолого-педагогических и дидактических компонентов модели и их функциональное назначение. Глава состоит из четырех пунктов:
- психолого-педагогические аспекты функционирования виртуального
лабораторного комплекса в среде высшей школы;
- философско-методические аспекты использования компьютерных
технологий в сфере образования;
- дидактические аспекты обучения в условиях виртуального
лабораторного комплекса;
- принципы и методы компьютерного обучения.
Во второй главе «Проектирование и использование педагогических программных продуктов на основе современных информационных технологий» описывается реализация разработанной модели виртуального лабораторного комплекса на технологическом уровне, уточняются, конкретизируются и корректируются научные положения и установки, связанные с использованием предложенной модели в учебном процессе, анализируются результаты эксперимента. Глава состоит из четырех пунктов:
инновационное развитие профессионального образования в условиях внедрения информационных технологий;
особенности проектирование виртуального лабораторного комплекса на базе программных эмуляторов;
практические аспекты реализации возможностей виртуального лабораторного комплекса в рамках дисциплин, связанных с программно-аппаратными и техническими средствами защиты информации;
экспериментальное исследование эффективности использования модели виртуального лабораторного комплекса при обучении студентов программно-аппаратным и техническим средствам защиты информации.
В заключении диссертации формулируются основные результаты исследования, теоретические выводы и практические рекомендации по использованию модели виртуального лабораторного комплекса в профессиональном образовании студентов по специальностям, связанным с информационной безопасностью.
Психолого-педагогические аспекты функционирования виртуального лабораторного комплекса в среде высшей школы
С позиции педагогической психологии главным объектом обучения является психика. Исходя из этого, учение определяется как управление познавательной деятельностью учащихся с целью формирования у них определенных знаний, умений и навыков, развития личностных качеств.
Современные компьютерные технологии способны обеспечить передачу знаний и доступ к разнообразной учебной информации наравне, а иногда и гораздо эффективнее, чем традиционные средства обучения. Однако, для их эффективного применения в процессе приобретения знаний и формирования профессиональных умений, необходимо согласованное развитие, как современных компьютерных технологий, так и дидактических и методических составляющих учебного процесса.
Объединение педагогических и информационных технологий образования привели к созданию качественно новых предметных учебных комплексов, каким является виртуальный лабораторный комплекс (ВЛК). Такой виртуальный комплекс можно рассматривать как универсальную дидактическую структуру, интегрирующую свойства, необходимые для различных форм обучения, и синтезирующую продуктивные дидактические и современные информационные технологии. Существенным компонентом в структуре виртуального лабораторного комплекса является дидактическая компьютерная среда.
Общий подход к педагогическим возможностям компьютерной техники был сформулирован в 1988 году в докладе А.П. Ершова [(бб)Ершов А.П. Коїщеіщия информатизации образования //Информатика и образование, №6 1988.] на Международном конгрессе по математическому образованию в Будапеште:
- компьютер является наиболее адекватным техническим средством обучения, способствующим деятельному подходу к учебному процессу;
- будучи в состоянии принять на себя роль активного партнера с динамическим сочетанием вызова и помощи, компьютер тем самым стимулирует активность учащегося;
- программируемость компьютера в сочетании с динамической адаптируемостью содействует индивидуализации учебного процесса, сохраняя его целостность;
- компьютер - идеальное средство для контролирования тренировочных стадий учебного процесса;
- внутренняя формализованное работы компьютера, строгость в соблюдении «правил игры» в сочетании с принципиальной познаваемостью этих правил способствует большей осознанности учебного процесса, повышают его интеллектуальный и логический уровень;
- способность компьютера к построению визуальных и других сложных образов существенно повышает пропускную способность информационных каналов учебного процесса;
- компьютер вносит в учебный процесс принципиально новые познавательные средства, в частности вычислительный эксперимент, решение задач с помощью экспертных систем, конструирование алгоритмов и пополнение баз знаний;
- свойства универсальности и программируемости, способность компьютера к многоцелевому применению позволяют во многих случаях сократить затраты на натурные эксперименты, лабораторные работы и, создав дешевую программную настройку, осуществить переход с одного применения компьютера на другое. С развитием и внедрением современных информационных технологий в образовательный процесс высшей школы, педагогические возможности компьютерной техники значительно расширяются.
Виртуальный лабораторный комплекс является единой программно-информационной средой, состоящей из компьютерных программ, реализующих сценарии учебной деятельности, и специальным образом подготовленных знаний, а именно структурированной информации и систем упражнений для ее осмысливания, осваивания и закрепления.
Инновационное развитие профессионального образования в условиях внедрения информационных технологий
В информационном обществе 21 века определяющим фактором является уровень образованности нации, способность максимально использовать ее интеллектуальный потенциал, развивать прогрессивные технологии. В октябре 2001 года Правительство России одобрило концепцию реформы Российского образования, рассчитанную до 2010 года. У концепции три основных направления: доступность качество и эффективность образования. Все три направления непосредственно связаны с внедрением информационных технологий в образование. Новые программы Министерства образования РФ рассчитаны на использование информационных технологий по всем предметам.
Этап развития, на котором находится сегодня педагогическая теория и практика, характеризуется состоянием вариативности, постоянной динамики, требующей от преподавателя проявления креативности как нормативного профессионального свойства личности.
В последние годы в образовании обозначились несколько линий инновационного развития. Мощный инновационный стимул возник в результате проявления и развития новых научных достижений и технических средств, способных поднять педагогическую деятельность на качественно новую ступень. Такими достижениями являются интерактивные информационные технологии, которые можно рассматривать как способ изменения качества образования. Дальнейшее развитие и повышение уровня профессионального
образования невозможно без использования новых педагогических технологий, в том числе и опирающихся на современные компьютерные технологии.[(155)111апошиикова Т.Д. Научно-методические основы проектирования и использования информационных и компьютерных технологий в обучении студентов вуза. Диссертация на соискание ученой степени доктора педагогических наук: 13.00.08. - Ставрополь, 2001.]
Компьютер рассматривается многими специалистами как мощное средство обучения, позволяющее осуществить серьезные изменения в технологии обучения, так как он:
- значительно расширяет возможности предъявления учебной информации. Может быть воссоздана реальная обстановка благодаря использованию мультимедийных средств;
- позволяет усиливать мотивацию учения. На мотивации учения позитивно сказываются: новизна работы с компьютером, занимательность обучения, возможность регулировать предъявления учебных задач по трудности, оказание помощи в процессе решения задачи;
- активно вовлекает учащихся в учебный процесс;
- расширяет наборы применяемых учебных задач, зачастую поддерживает управление процессом решения задач;
- позволяет качественно изменить контроль за деятельностью учащихся, обеспечивая при этом гибкость управления процессом обучения;
- способствует формированию у учащихся рефлексии своей деятельности, прежде всего, позволяет учащимся наглядно представить результат своих действий.
А.П. Ершов в работе [(61)Ершов А.П. Компьютеризация школы и математическое образование // Математика в школе. - 1989. - № 1] выделил следующие педагогические возможности персонального компьютера:
- компьютер является наиболее адекватным техническим средством обучения, способствующим деятельностному подходу к учебному процессу; - будучи в состоянии принять на себя роль активного партнера с динамическим сочетанием вызова и помощи, компьютер тем самым стимулирует активность учащегося;
- программируемость компьютера в сочетании с динамической адаптируемостью содействует индивидуализации учебного процесса, сохраняя его целостность;
- он является идеальным средством для контролирования тренировочных стадий учебного процесса;
- внутренняя формализованность работы компьютера, строгость в соблюдении «правил игры» в сочетании с принципиальной познаваемостью этих правил способствует большей осознанности учебного процесса, повышают его интеллектуальный и логический уровень;
- способность компьютера к построению визуальных и других сложных образов существенно повышает пропускную способность информационных каналов учебного процесса;
- компьютер вносит в учебный процесс принципиально новые познавательные средства, в частности, вычислительный эксперимент, решение задач с помощью экспертных систем, конструирование алгоритмов и пополнение баз знаний;
- являясь ведущим и массовым инструментом научно технической революции, компьютер самим фактом органического включения в учебный процесс сближает сферу образования с реальным миром;
- наконец, свойства универсальности и программируемое, способность компьютера к многоцелевому применению позволяет во многих случаях сократить стоимость технических средств обучения, исключив затраты на натуральные эксперименты, лабораторные работы и создав дешевую программную настройку с одного применения компьютера на другое.
Особенности проектирование виртуального лабораторного комплекса на базе программных эмуляторов
Говоря о новых, перспективных формах организации образовательного процесса, подразумевают реализацию той или иной учебной программы, ориентированной главным образом на самостоятельную работу обучаемых. В этом случае для получения эффективных результатов педагог должен подготовить целый комплекс разнообразных учебных материалов, составляющих так называемый электронный учебный курс (ЭУК). Виртуальный лабораторный комплекс на базе программных эмуляторов можно рассматривать и как часть ЭУК и как самостоятельный ЭУК.
Реализация основных замыслов педагогов в отношении структуры и способа подачи материала возможна только при их деятельном участии в создании ЭУК. Такая совместная работа преподавателей и разработчиков наиболее эффективна, поскольку позволяет включать отдельные готовые фрагменты в учебный процесс, апробируя их и своевременно внося необходимые коррективы. При работе с такими комплексами от педагога требуется структурировать и подготовить в электронном виде необходимые материалы, а затем в режиме диалога сформировать сценарии для организации самостоятельной работы определенной группы обучаемых. [(70)3ахарова И.Г. Информационные технологии в образовании. - М.: издательский центр «Академия», 2003.]
При определении места ЭУК в учебно-воспитательном процессе, необходимо учитывать особенности современного состояния образовательной системы, в которой соседствуют различные формы обучения, в том числе и комбинированные, а для них очень важно соответствующее методическое обеспечение самостоятельной работы. В соответствии с этим естественно требование, чтобы структура и способ представления учебно-методических материалов в электронном виде не только могли, но и должны были бы легко варьировать в зависимости от конкретной формы их использования. В конечном счете, необходимо обеспечить доступ к большому объему учебно-методических ресурсов для максимально возможного числа пользователей, а также поддержку индивидуального подхода, активных методов обучения и обратной связи.
В практику педагогической деятельности все шире входит использование различных электронных учебных материалов, таких как: учебные и рабочие программы, теоретический материал, методические рекомендации, вопросы и тесты для самопроверки, моделирующие программы для компьютерных экспериментов и деловых игр, программы для проведения контроля качества обучения и развития обучаемых.
Соответствующая методическая и технологическая систематизация электронных материалов по сути дела и обеспечит поэтапное формирование ЭУК.
При проектировании ЭУК необходимо заложить в него технологические характеристики, позволяющие впоследствии сделать учебно-воспитательный процесс максимально эффективным. Выступая в качестве автоматизированной обучающей системы, ЭУК должен выполнять следующие функции:
- эффективно управлять деятельностью обучаемого по изучению дисциплины;
- стимулировать учебно-познавательную деятельность;
- обеспечивать рациональное сочетание различных видов учебно-познавательной деятельности с учетом дидактических особенностей каждой из них и в зависимости от результатов освоения учебного материала;
- рационально сочетать различные технологии представления материала;
- при размещении в сети обеспечивать организацию виртуальных семинаров, деловых игр и других занятий на основе коммуникационных технологий. [(Ю)Захарова И.Г. Информаі{ионньіе технологии в образовании. М.: издательский центр «Академия», 2003.]
