Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы моделирования содержания общеобразовательного курса «Информатика» 11
1.1. Дидактические основы построения модели содержания образования 11
1.2. Методические основы построения модели общеобразовательного курса «Информатика» 26
1.3.Дидактико-методические особенности различных систем структурирования учебного материала 42
1.4. Методика построения логико-структурных моделей на базе дидактических матриц 52
Глава 2. Методика использования логико-структурных моделей для описания содержания общеобразовательного курса «Информатика» 59
2.1. Логико-структурная модель общеобразовательного курса «Информатика» 59
2.2. Сопоставление учебных элементов различных программ пропедевтического курса информатики 83
2.3. Использование логико-структурной модели для построения методики преподавания раздела «Формализация и моделирование» в начальной школе 101
2.4. Организация, проведение и результаты педагогического эксперимента 106
Заключение 120
Библиографический список 123
Приложения 140
Приложение 1. Логико-структурные модели линий проекта федерального компонента государственного образовательного стандарта 140
Приложение 2. Результаты педагогического эксперимента ... 153
- Дидактические основы построения модели содержания образования
- Методические основы построения модели общеобразовательного курса «Информатика»
- Логико-структурная модель общеобразовательного курса «Информатика»
Введение к работе
Темпы развития и внедрения средств вычислительной техники во всем мире и в нашей стране столь велики, что образование в этой области особенно необходимо сделать опережающим — оно должно подготовить выпускника школы к деятельности в социальной среде, которая насыщена достижениями новой информационной технологии. В этих условиях одной из важнейших проблем методики является поиск такой концепции преподавания информатики, которая бы соответствовала уровню развития науки и техники. Различные аспекты решения этой проблемы рассмотрены в работах А. П. Ершова, Е. П. Велихова, А. Г. Гейна, А. А. Кузнецова, А. Г. Кушнеренко, М. П. Лапчика, В. М. Монахова, И. В. Роберт и др. Стремительное развитие информационных технологий значительно затрудняет решение этой проблемы и обостряет противоречие между поиском инварианта в содержании учебного предмета и развитием науки.
Следует отметить, что в поисках инвариантной части содержания школьного курса информатики традиционно выделяется четыре направления:
Кибернетическое. В 1961/62 учебном году под руководством В. С. Леднева началось преподавание курса кибернетики в одной из московских школ. У истоков этого направления стояли А. И. Берг, М. Г. Гаазе-Раппопорт, В. М. Глушков и др.
Алгоритмическое. Авторами разработок по профильному программированию являются Э. И. Кузнецов, М. П. Лапчик, СИ. Шварцбурд и др.
Системное, связанное с формированием в сознании учащихся системно-информационной картины. Работы здесь ведут С. А. Бешен-ков, С. Г. Григорьев, А. Г. Щеголев и др.
Направление осмысления культурно-технологических инвариантов. Данное направление разрабатывает содержание, базирующееся
на понятии информационной культуры (В. А. Извозчиков, Ю. А. Первин и др.).
Известно, что ранее инвариант содержания учебного предмета фиксировался государственной образовательной программой. Сегодня, согласно Закону РФ «Об образовании», минимальные требования к знаниям учащихся фиксируются на уровне государственных образовательных стандартов [67, статья 7].
Стандартизация школьных предметов широко обсуждается в научной литературе, одной из основных задач при этом является адаптация содержания существующих образовательных программ к содержанию нового стандарта. Решение предлагаемой задачи рассматри- * вается в работах В. С. Леднева, В. М. Березовского, В. П. Беспалько,
A. В. Даринского, Н. Д. Никандрова, М. Н. Лазутова, В. М. Соколова,
B. В. Фирсова и др.
Особенно актуально решение этой задачи для общеобразовательного курса «Информатика». Проект Федерального Компонента Государственного Образовательного Стандарта (ФК ГОС) авторского коллектива под руководством А. А. Кузнецова [147] органично объединил все четыре выше изложенные направления и выработал определенную концепцию относительно целей курса, инвариантной части содержания школьной информатики, места информатики в системе школьных предметов. В этом проекте предлагается существенно изменить концепцию преподавания информатики, внимание уделяется не только алгоритмизации, программированию и информационным технологиям, но и усиливается мировоззренческий аспект — формирование системно-информационной картины мира, формирования четкого понимания общности информационных процессов. Положения проекта не раз обсуждались на научных конференциях, в различных публикациях и получили широкую поддержку у педагогов-практиков. Следует отметить, что данный документ используется в качестве стандарта содержания образования школьной информатики в
диссертационных работах Т. А. Куваддиной [94], А. Ю. Кравцовой [89], И.А.Данилиной [54], О. П. Рябоконь [153], М. Н. Матвеевой [112] и др.
Цель формирования научного мировоззрения, поставленная перед курсом информатики, как существующими нормативными документами, так и наиболее авторитетными специалистами, обостряет перед методической наукой проблему отбора содержания учебного материала. Так как в настоящее время существует много различных вариантов преподавания предмета, решающих задачу формирования системно-информационной картины мира, то возникает и необходимость сравнения содержания учебных программ с инвариантом образовательной области «Информатика». Адаптация учебных программ к стандарту образовательной области при этом сводится не только к оценке их содержания, но и к поиску возможности создания программ соответствующих нормативным требованиям.
Традиционно эта проблема решается экспертными методами, однако попытки придать таким оценкам объективный характер неоднократно предпринимались. Разумеется, формализованные оценки в таких тонких вопросах должны при принятии решений разумным образом сочетаться с экспертными оценками; говоря языком математики, формализованные оценки дают необходимые, но недостаточные основания для принятия решения.
В дидактике показано, что детализация представления дисциплины, выполненная на более формальном уровне, может представить существенный интерес как в теоретическом плане, так и для практического преподавания предмета. Формализованное описание содержания позволяет выделить логическую целостность учебного материала, дать объективную оценку содержанию программы, отобрать материал, а также разработать методику его преподавания. В работах Ю. К. Бабанского, В. А. Байдака, В.П. Беспалько, В. А. Далингера, А. М. Сохора и др. показано, что для этих целей необходимо выделить связи между различными элементами системы «Содержание образование». Для работы с содержанием учебной программы, в част-
* ности, уместно рассматривать систему «Учебный материал» как сово
купность подлежащих усвоению знаний и познавательных задач. Эле
ментами этой системы являются понятия и суждения, между которыми
могут быть установлены логические отношения. Модель представле
ния этих отношений назовем логико-структурной моделью учебного
материала.
Все выше сказанное позволило определить тему исследования и
* утверждать, что данное исследование является актуальным.
Проблема исследования обусловлена наличием противоречий между быстрым развитием науки, с одной стороны, и необходимостью выделения инварианта содержания учебного предмета «Информатика» — с другой; между активной работой учителей, методистов, авторских коллективов по разработке и внедрению в учебный процесс образовательных программ и отсутствием достаточных средств, позволяющих оценить их эффективность.
Цель исследования заключается:
в разработке методов контроля за содержанием учебных программ общеобразовательного курса «Информатика»;
в разработке технологий создания учебных программ соответствующих инварианту образовательной области.
Объект исследования: процесс обучения информатике в общеоб-
разовательной школе.
Предмет исследования: содержание общеобразовательного курса информатики в средней школе, выраженное в различных программах, стандартах, учебниках, учебно-методических пособиях и т.п.
Гипотеза исследования: если использовать логико-структурные модели в виде дидактических матриц и графовых моделей, то на их
* основе удастся разработать эффективную технологию для оценки
учебных программ, отбора материала и построения методики препо
давания различных разделов общеобразовательного курса
«Информатика».
Задачи исследования:
ж 1. Проанализировать методы формализованного описания инва-
рианта образовательной области «Информатика» и показать возмож-
ность формализованного описания учебного материала курса в виде дидактических матриц и графовых моделей.
Проанализировать содержание различных учебных программ по информатике, предложенное в учебно-методических пособиях, на основе формализованного описания.
Построить логико-структурную модель проекта ФК ГОС и ряда версий пропедевтического и базового курса информатики в виде дидактических матриц и графовых моделей.
На основе проведенного анализа и построенных логико-структурных моделей сопоставить степень реализации различных содержательных линий в существующих версиях преподавания информатики и разработать фрагмент курса, в котором наименее реализованная линия представлена в1 достаточном объеме.
Методологическая основа исследования определяется:
общедидактическими принципами (В. П. Беспалько, В. С. Лед-
нев, И. А. Лернер, В. В. Краевский, М. Н. Скаткин и др.);
методами кибернетики и квалиметрии (В. В. Аванесов,
Г. Г. Азгальдов, А. М. Сохор, Л. Т. Трубович, В. С. Черепанов и др.);
основными теоретическими положениями методики преподава
ния информатики (И. Н. Антипов, С. А. Бешенков, Я. А. Ваграменко,
А. Г. Гейн, А. П. Ершов, А. А. Кузнецов, А. Г. Кушнеренко,
М. П. Лапчик, А. С. Лесневский, В. М. Монахов, Ю. А. Первин,
И. В. Роберт, В. Ф. Шолохович и др.).
Для решения поставленных задач использовались:
эмпирические методы: анкетирование, тестирование, метод
групповых экспертных оценок, прямые и косвенные методы наблюде
ния, поисковый и формирующий эксперимент;
теоретические методы:анализ научной литературы по теме ис
следования, классификаци, аналогия, синтез, компьютерное моделиро
вание, методы математической статистики.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
использованы матричные и графовые модели для описания и отбора учебного материала общеобразовательного курса «Информатика»;
проведен анализ содержания различных учебных программ базового и пропедевтического курса информатики на основе логико-структурных моделей;
применен метод логического структурирования для создания программы, соответствующей целям преподавания информатики на современном этапе.
Теоретическая значимость исследования заключается:
в обосновании использования дидактическихматрици графовых моделей для построения модели общебразовательного курса «Информатика»;
в разработке логико-структурных моделей учебных программ курса «Информатика» на основе дидактических матриц и графовых моделей;
в разработке технологии формализованной оценки содержания учебных программ общеобразовательного курса «Информатика»;
в обосновании методов отбора учебного материала для пропедевтического курса информатики на осове матричных и графовых моделей.
Практическая значимость исследования состоит:
в использовании логико-структурной модели для анализа содержания учебных программ общеобразовательного курса «Информатика»;
в разработке учебной программы для преподавания линии «Формализация и моделирование», отвечающей педагогическим требованиям и позволяющей сформировать у учащихся представление об информационном моделировании на основе понятий теории множеств и теории графов.
Достоверность результатов исследования обеспечивалась тем, что на всех этапах обработки и получения педагогической информации использовались научно обоснованные методы, корректно применялся аппарат математической статистики.
і Основные положения, выносимые на защиту:
Аппарат дидактических матриц и графовых моделей позволяет построить адекватную логико-структрную модель общеобразовательного курса «Информатика».
Логико-структурные модели общеобразовательного курса информатики применяются для объективной оценки учебных программ, сравнения содержания различных курсов, определения уровня изложения учебного материала.
Логико-структурная модель является эффективным средством для отбора учебного материала. Разработанная с ее помощью методика преподавания линии «Формализация и моделирование» позволяет сформировать у учащихся начальной школы представления об информационном моделировании на основе понятий «множество» и «граф».
Апробация материалов исследования осуществлялась путем внедрением результатов исследования как в специализированных, так и общеобразовательных школах Удмуртии.
Основные положения диссертации доказывались и обсуждались на международных конференциях: «Информатизация непрерывного образования-97» (Москва, 1997), «Применение новых технологий в образовании» (Троицк, 1998), на региональных и межвузовских конфе-
* ренциях (Бирск, 1995; Глазов, 1995, 1996, 1998; Киров, 1997; Санкт-
Петербург, 1998; Тула, 1998; Пермь, 1999).
Внедрение результатов исследования осуществлялось на различных уровнях:
публикацией и распространением методических рекомендаций
по использованию логического структурирования учебного материа-
ла, на примере изучения основ формализации и моделирования в на
чальной школе;
путем проведения занятий по методике преподавания инфор
матики в педагогическом институте.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух
» глав, заключения, списка литературы и приложений.
Дидактические основы построения модели содержания образования
Отказ от централизованного управления содержанием образования позволил образовательным учреждениям самостоятельно выбирать содержание той или иной учебной дисциплины. Разумная регламентация этого выбора должна осуществляться Государственным образовательным стандартом (ГОС), который определяется Законом РФ как «сумма трех составляющих: обязательный минимум содержания основных образовательных программ., максимальный объем учебной нагрузки и требования к уровню подготовленности учеников» [67, п.1]. Данное положение описывает стандарт на общетеоретическом уровне, однако на более конкретном уровне, уровне учебного предмета, стандарт регламентирует цели преподавания предмета, минимальные знания и умения на основе межпредметных связей и внутрипредметных связей.
Стандарт конкретизируется на уровне учебного предмета, каждый ГОС, его предметный компонент, должен входить в соответствующие ему образовательные программы как часть их содержания и требований к подготовке выпускников. Другими словами, конкретный ГОС «...является общей частью соответствующего ему подмножества образовательных программ их инвариантом., не меняющимся при переходе от одной к другой образовательной программе частью». [86, с.70-75]. Сам термин образовательный стандарт не приобрел еще статуса научного понятия. Стандарт одновременно понимается как: «социально педагогическое явление; междисциплинарная интегрированная категория, являющаяся самостоятельной системой, описывающей педагогический процесс и систему содержания образования в том числе» [15, с.83-89]. В связи с этим утверждать о том, что ГОС является общей частью содержания всех образовательных программ, было бы неверно.
Для решения поставленных перед исследованием задач введем термин «Инвариант образовательной области» — совокупность учебных элементов (знаний и умений по предмету), минимальный объем и уровень изложения которых соответствует целям преподавания предмета. Инвариант образовательной области является частью стандарта и описывает внутрипредметные и межпредметные связи. В идеале инвариант образовательной области должен стать общей частью всех образовательных программ, однако в настоящее время одной из первостепенных задач педагогической науки в области школьного образования является приведение в более полное соответствие содержания и курсов школьных предметов с инвариантом образовательной области.
Успех перехода школ на новые стандарты зависит от объективного пересмотра и сравнения содержания существующих и строящихся методик изучения тем, разделов и целых курсов школьных предметов с содержанием инварианта образовательной области.
Решение задачи адаптации учебной программы к инварианту образовательной области возможно при помощи методов математического моделирования.
В 60-х — 70-х годах нашего столетия в дидактике для описания педагогического процесса, назрела необходимость применения формальных методов. На это указывали Б. В. Бирюков [27], Л. Б. Итель-сон [77], Л. Н. Ланда [101], У. Рейтман [149], развивающие такие методы. Моделированию основ содержания образования в дидактике посвящены исследования С.И.Архангельского [185], В. П. Беспалько [24], В. В. Краевского, И. Я. Лернера [91], В. С. Леднева [106], М. Н. Скаткина [166] и др. Различные варианты решения задачи адаптации учебной программы к инварианту образовательной области рассмотрены в работах В. А. Байдака, В. Ю. Гуревича, В. А. Гусева, В. А. Далингера, Т. И. Ивановой, В. К. Кириллова, Л. В. Кузнецовой, Г. Г. Масловой, В. М. Монахова и др.
При использовании методов математики, кибернетики и системного анализа для решения проблем дидактики содержание образования рассматривается как сложная метасистема. В ней определяется процесс, характеризующийся, «во - первых, усвоением опыта предшествующих поколений, во-вторых, воспитанием, типологических качеств личности, в-третьих, умственным, и физическим развитием, человека. Ведущим видом деятельности при этом является обучение, ибо усвоение опыта — ближайшая непосредственная цель образования» [103, с.54].
Так как «Содержание образования» является системой, созданной в результате целенаправленной деятельности человека, то ее можно отнести к классу антропогенных систем, определяемых как «совокупность искусственно создаваемых и совершенствуемых материальных систем, с определенной функционально-структурной организацией, используемых для удовлетворения потребностей общества» [16, с.8].
В работах В. П. Беспалько [22] и В. С. Леднева [103] отмечается, что создание адекватной модели системы «Содержание образования» при помощи методов моделирования затруднено многочисленными факторами, которые влияют на систему «Педагогический процесс».
Принято использовать следующие типы моделей:
модели, отражающие базисную природу оригинала, — структурные модели;
модели организации системы— формально-логические модели;
модели движения системы — структурно-функциональные модели.
Методические основы построения модели общеобразовательного курса «Информатика»
Далее, говоря о «школьном» курсе информатики, мы будем иметь в виду именно общеобразовательный курс.
Тенденции развития информатики и изменения, происходящие в структуре содержания учебного предмета, определяют существование моделей системы «Содержания школьного курса информатики», которые основываются на описании структуры и связей данной системы.
В связи с этим в данном пункте необходимо рассмотреть не только межпредметные связи школьной информатики, но и тенденции развития науки, повлиявшие на ее развитие.
Работы, исследующие предметную область информатики, появились в нашей стране в начале 60-х годов. Методологические и гносеологические проблемы информатики рассматривали Е. П. Велихов [29], В. М. Глушков [43], А. П. Ершов [63,64], В. С. Михалевич [118] и др.
Анализируя предметные области кибернетики и информатики, А. А. Дородицин отмечает, что с первых дней появления ЭВМ, одного из объектов информатики, возник термин «кибернетика» для иденти фикации науки о преобразовании информации [57]. Исследование свя зи между объектами информатики и кибернетики характерно для на чального этапа. Эти исследования повлияли на содержания школьного курса информатики. Выше мы отмечали, что в это время появился курс «Кибернетика», рассматривающий машинные способы обработ ки информации [42,44].
А. П. Ершов, анализируя термин «информатика», отметил, что до 1976 года данный термин в русском языке существовал в двух значениях: для обозначения научной дисциплины, связанной с системами накопления информации из печатных источников, и для обозначения науки об электронно-вычислительных машинах и их применении. В последнем смысле информатика выступает синонимом англоязычного оборота Computer Science, т.е. науки о компьютерах. Однако после появления в 1976 году русского перевода книги Ф. Л. Бауэра и Г. Гооза «Введение в информатику» содержание термина стало меняться, и в нынешнем понимании он является названием фундаментальной естественной науки, изучающей процессы передачи и обработки информации [63, с.30-40].
Определив информатику как естественную науку, А. П. Ершов отметил, что термин «информация» существует как общенаучная категория. В связи с этим он утверждает, что «информатика как самостоятельная наука вступает в свои права тогда, когда для. изучаемого фрагмента мира построена так называемая информационная модель» [64, с. 30].
Понимая информатику как науку, которая охватывает области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая машины, оборудование, математическое обеспечение, организационные аспекты, а также комплекс промышленного, коммерческого, административного, социального и политического воздействия, Е. П. Велихов строит следующую структуру информатики, которая состоит из трех частей:
технической;
программной;
алгоритмической [29].
Первые попытки внедрения курса информатики, построенного на основе подобной структуры, в отечественную школу были сделаны И. Н. Антиповым, А. А. Кузнецовым, В. С. Ледневым, В. М. Монаховым, С. И. Шварцбурдом в конце 60-х начале 70-х годов. В основном
эти курсы базировались на изучении алгоритмизации, программирования и ЭВМ. В 1985 году было принято решение о введении в учебный план отечественной общеобразовательной школы нового предмета — «Основы информатики и вычислительной техники (ОИВТ)». Структура этого курса отражала понимание информатики как науки периода 70-х — 80-х годов: алгоритмизация, информационное и компьютерное моделирование, вычислительная техника, математические основы информатики.
Логико-структурная модель общеобразовательного курса «Информатика»
Изменение структуры процесса преподавания информатики в средней общеобразовательной школе в большей степени определяется быстрым развитием информационных технологий и усовершенствованием персональных компьютеров. Эти факторы влияют на изменение целей преподавания информатики, содержание курса, форм и методов проведения учебных занятий по данному предмету.
В п. 1.1.2 было показано, что существует три вида целей на различных уровнях конкретизации учебного материала. Цели группы А направлены на формирование знаний, умений и навыков, цели группы В — на формирование отношений к предметам окружающей действительности, цели группы С — на формирование творческой деятельности.
Все эти цели комплексно реализуются в процессе преподавания той или иной дисциплины, тем не менее основными целями являются образовательные цели группы А.
В п. 1.2.1 было показано, что цели групп А, В и С реализуются в процессе преподавания информатики в средней общеобразовательной школе. Цели группы А направлены на формирование знаний о информационных процессах окружающего мира и умений работы с ЭВМ и т.п. Предметом целей группы В является формирование ценностной ориентации учащегося. Следует отметить, что цель формирования «компьютерной грамотности» относится к целям группы В, так как на ее основе учащийся формирует отношение к компьютеру как к универсальному устройству обработки информации. Цель группы С связывает информатику с другими школьными предметами, так как творческая деятельность на ЭВМ предполагает не только работу с объектами информатики, но и с объектами физики, химии, социологии и т.п. Так как алгоритмическое мышление совместно с образным и логическим мышлением определяет основу творческого потенциала, то цель формирования алгоритмического мышления целесообразно отнести к целям группы С.
В настоящее время наблюдается сочетание целей этих групп в различных версиях школьного курса информатики. Авторы этих курсов выдвигают одну или несколько групп целей в качестве основных, а оставшиеся группы целей играют второстепенную роль. В связи с этим предлагается следующая классификация версий курса информатики:
курсы, которые в качестве основных выдвигают цели группы А;
курсы, которые в качестве основных выдвигают цели группы В;
курсы, которые в качестве основных выдвигают цели группы С;
курсы, которые в качестве основных выдвигают цели групп А и В;
курсы, которые в качестве основных выдвигают цели групп А и С;
курсы, которые в качестве основных выдвигают цели групп В и С;
курсы, которые в качестве основных выдвигают цели групп А, В и С.
Следует отметить, что данная классификация весьма условна, авторы программ предполагают решение всех целей в комплексе, однако одну или несколько целей выдвигают в качестве ведущей. Эти ведущие цели, указанные в программе, позволяют нам использовать данную классификацию.
Курсы, в которых группы основных целей совпадают, имеют практически одинаковую структуру. Рассмотрим структуры курсов информатики, используя предложенную классификацию. Программа курса авторского коллектива А. Г. Кушнеренко и др. [132] предполагает основной целью «развитие операционального (алгоритмического) мышления учащихся» [146]. Как отмечалось ранее, эта цель относится к группе С.
В программе курса авторского коллектива А. Г. Гейна [128] основной целью объявлено «обучение школьников решению жизненных задач с помощью ЭВМ» [144]. Поставленная в курсе [144] цель относится к группе А. Следовательно, курс, построенный на основе программы [144] и учебника [128], выдвигает в качестве основных цели группы А.
В программе курса авторского коллектива В. А. Каймина [131] четко не указаны цели изучения предмета; авторы программы отмечают значимость формирования информационной культуры, развитие алгоритмического мышления, что позволяет классифицировать этот курс как курс, который в качестве основных выдвигает цели групп В и С.
«Пермская версия» курса информатики, реализованная в учебниках [154] и в учебно-методических пособиях [133, 148], построена на основе двух целей: общеобразовательной и прагматической. «Общеобразовательная цель заключается в освоении учащимися фундаментальных понятий современной информатики. Прагматическая — в получении практических навыков работы с аппаратными и программными средствами современной ЭВМ» [148, с.5]. Прагматическая цель направлена на формирование творческой деятельности учащихся при помощи ЭВМ. Таким образом, курс «Пермская версия» в качестве основных выдвигает цели групп А и С.
