Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Роль компьютерных технологий в повышений эффективности обучения химии 11
1.1. Проблема повышения эффективности обучения химии 11
1.2. Особенности процесса обучения с использованием компьютерных технологий 15
1.3. Характеристика программ учебного назначения 37
1.4. Использование компьютерных технологий в обучении химии..42
Выводы по главе 1 51
Глава 2. Методические основы разработки и применения компьютерных программ для начального этапа обучения химии 53
2.1. Теоретико-методологические основы исследования 53
2.2. Методика разработки ППС по химии в инструментальных средах и программах 67
2.2.1. Методика разработки ППС в инструментальной среде DemoShield 69
2.2.2. Инструментальные среды и программы для разработки компьютерных тестов по химии 2.3. Обоснование выбора тем и описание программ 77
2.4. Методика обучения химии на основе использования компьютерных программ 94
Выводы по главе 2 113
Глава 3. Экспериментальная проверка эффективности разработанной методики компьютерной поддержки обучения химии на начальном этапе
3.1. Основные этапы и задачи экспериментальной работы 115
3.2. Методы проведения эксперимента. Обработка результатов исследования 119
Выводы по главе 3 127
Заключение 128
ЛИТЕРАТУРА 129
Приложение 1 141
Приложение 2 147
- Проблема повышения эффективности обучения химии
- Теоретико-методологические основы исследования
- Основные этапы и задачи экспериментальной работы
Введение к работе
Современный этап развития человечества в качестве приоритетной выдвигает гуманистическую (личностно-ориентированную) парадигму образования, которая исходит из того, что максимальное развитие и в дальнейшем использование индивидуальных качеств человека обеспечит процветание общества в целом. Гуманистическая парадигма лежит в основе системы образования всех индустриально развитых стран. Всестороннее и полное развитие личности выдвигается в качестве главной задачи и в отечественном образовании. В практической плоскости идет поиск путей перестройки учебно-воспитательного процесса, обеспечивающих адаптацию его к каждому конкретному обучаемому, поиск новых организационных схем передачи знаний, которая бы была в максимальной степени комфортна для ученика. Фактически речь идет о повышении уровня индивидуализации обучения. Известно, что одним из путей решения этой задачи является широкое внедрение в школьный образовательный процесс современных информационных, в частности, компьютерных, технологий.
Современным информационным технологиям отводится ведущая роль в оптимизации образовательных систем информационного общества, на пороге которого стоит наша страна. Реформирование образования невозможно без использования новых компьютерных и телекоммуникационных технологий. С информатизацией связывается и изменение содержания образования, применение новых методов обучения.
Значительный вклад в теорию и практику компьютеризации обучения внесли: Б.С.Гершунский, В.П.Беспалько, Е.И.Машбиц, Н.Ф.Талызина, В.А.Извозчиков, А.П.Ершов, И.В.Роберт и другие. В работах этих авторов рассмотрены вопросы психолого-педагогического обоснования использования компьютеров в учебном процессе.
5 Вопросам использования персональных электронно-вычислительных машин (ПЭВМ) в обучении химии посвящены многочисленные труды методистов-химиков: И.Л.Дрижуна, А.Ю.Жегина, Э.Г.Злотникова, Н.Е.Кузнецовой, М.С.Пак, Т.А.Сергеевой, Е.Ю.Зашиваловой и других. Авторы рассматривают применение электронной техники для моделирования химических процессов и явлений (Е.Ю.Раткевич, А.Н. Левкин), компьютеризации химического эксперимента (А.К. Ахлебинин, Э.Е. Нифантьев), для решения задач и проведения количественных расчетов, для формирования обобщенных умений по химии на основе алгоритмизации и компьютеризации обучения (С.А.Герус, Н.Е.Кузнецова, М.С.Пак), для повышения уровня сформированное технологических понятий (А.Ю.Жегин), для формирования компьютерной грамотности учащихся (Р.Г. Андрейчук), осуществления самоконтроля и стандартизированного контроля знаний.
Необходимо отметить, однако, что вследствие бурного прогресса средств компьютерной техники и телекоммуникаций и поддерживающего их работу программного обеспечения за последние 5-6 лет образовательные компьютерные технологии заметно развились и видоизменились. Новые информационные технологии требуют и дают ответ на совершенно новое восприятие концепции учебной программы, поскольку позволяют представить информацию на различных уровнях в рамках динамической системы взаимоотношений с обучающимся. Технологии гипермедиа, мультимедиа, виртуальной реальности предоставляют широкие возможности многообразного и динамического представления информации. В связи с этим не все вопросы применения современных компьютерных технологий в обучении разработаны достаточно детально. В последнее время появляется все большее количество программных средств, предназначенных для изучения химии, но вместе с тем наблюдается ряд противоречий, затрудняющих их широкое внедрение в практику обучения. Данное исследование было направлено на разрешение противоречий:
между традиционной методикой и необходимостью модернизации обучения химии, реализации принципов личностно-ориентированного обучения;
между необходимостью повышения эффективности обучения химии с использованием компьютерной поддержки и весьма бедным ассортиментом педагогических программных средств (ППС) для обучения химии и их низкой педагогической эффективностью;
между необходимостью использования в практике обучения химии компьютерной поддержки начального этапа обучения химии и отсутствием соответствующей методики;
между необходимостью разработки методики компьютерной поддержки обучения химии на начальном этапе и недостаточной разработанностью теоретико-методических основ создания и применения компьютерных программ.
В соответствии с современными образовательными целями и задачами обучение химии должно быть ориентировано на организацию продуктивной, в том числе творческой, деятельности. Творческая деятельность предполагает свободное применение знаний в новых, нестандартных условиях. Однако, в обучении химии это возможно лишь тогда, когда учащиеся владеют прочным запасом базовых знаний - основными химическими понятиями, законами, фактами, которые рассматриваются на первом году изучения химии в средней школе. Первый год обучения химии содержит большой объем теоретического материала, сложного для понимания учащимися, поэтому именно на начальном этапе важно создать положительную мотивацию к изучению химии, сделать доступным содержание предмета для каждого ученика.
Актуальность и неразработанность данного направления компьютерного обучения химии на начальном этапе в средней школе определило выбор темы исследования.
Цель исследования: разработка методики компьютерной поддержки, повышающую эффективность начального этапа обучения химии.
Объект исследования: процесс обучения химии на начальном этапе с использованием компьютерных программ.
Предмет исследования: компьютерные технологии обучения как фактор, повышающий эффективность процесса обучения химии на начальном этапе.
Гипотеза. Компьютерная поддержка начального этапа обучения химии будет обеспечивать повышение качества знаний, умений, навыков, элементов информационной культуры если:
научно обосновать и сформулировать теоретико-методические основы разработки и применения компьютерных программ для начального этапа обучения химии;
разработать эффективную методику использования педагогических программных средств (ППС) для начального этапа обучения химии.
Для достижения цели исследования и проверки гипотезы были поставлены следующие задачи:
на основе анализа литературных источников выявить актуальность проблемы исследования, обосновать, уточнить терминологический аппарат исследования;
сформулировать исходные теоретико-методические основы исследования;
разработать общие требования к обучающим программам и их проектированию и проанализировать компьютерные программы по химии, имеющиеся на рынке ППС, с точки зрения их дидактических возможностей для обучения химии на начальном этапе;
разработать ППС по отдельным темам начального этапа обучения химии и методики их использования;
экспериментально проверить эффективность предложенной методики.
8 В процессе исследования использовались следующие методы:
анализ методической и психолого-педагогической литературы по проблеме исследования;
изучение специальной литературы по способам разработки и структуре ППС;
анализ современных отечественных ППС обучающего и контролирующего типов;
наблюдение за ходом учебного процесса;
анализ качества усвоения нового материала;
анализ результатов компьютерного тестирования, проверочных и контрольных работ учащихся;
анкетирование, беседа;
статистическая обработка результатов исследования.
На первом этапе исследования (1997 - 2000 гг.) проводился анализ учебно-программной документации, психолого-педагогической и методической литературы. Изучались имеющиеся на рынке ППС программы обучающего и контролирующего типа с точки зрения их дидактических возможностей для обучения химии на начальном этапе. Выявлены предъявляемые к ним требования, обобщен опыт работы сотрудников лаборатории «Мультимедийные технологий в обучении» и преподавателей кафедры химии Красноярского государственного педагогического университета по разработке и внедрению в учебный процесс ППС, определены подходы к решению поставленной проблемы. Полученный материал позволил сформулировать гипотезу исследования, определить основные цели и задачи.
На втором этапе (1998 - 2001 гг.) были разработаны общие требования к обучающим и контролирующим программным средствам и их проектированию и сформулированы принципы отбора материала для их разработки. Создан и апробирован программно-методический комплекс (ПМК), охватывающий ряд тем курса химии восьмого и девятого классов средней школы. По результа-
9 там проведенного педагогического эксперимента получена оценка эффективности разработанных ГШС и методик их применения.
На третьем этапе (2001 - 2002 гг.) завершена экспериментальная работа, проведена обработка и анализ полученных результатов, внесены коррективы в разработанные программные средства, произведено уточнение теоретических положений, оформлена диссертация.
Научная новизна заключается в следующем:
Разработаны теоретико-методические основы разработки и применения компьютерных программ для начального этапа обучения химии.
Разработана методика, объединяющая разработку и применение компьютерных программ для начального этапа обучения химии.
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что разработаны методические основы и теоретическая модель компьютерной поддержки начального этапа обучения химии. Показана целесообразность использования специализированных сред для разработки ППС по химии. Уточнены понятия «компьютерная обучающая программа», «компьютерная поддержка» применительно к обучению химии на начальном этапе; обобщены основные требования, предъявляемые к обучающим программам в соответствии с современным уровнем развития технических средств.
Практическая значимость исследования состоит в том, что теоретико-методические основы компьютерной поддержки обучения химии на начальном этапе реализованы в программно-методическом комплексе, включающем обучающие, тестирующие программы и методические рекомендации для организации компьютерной поддержки обучения химии по темам «Строение атома», «Периодический закон», «Химическая связь», «Водород», «Кислород», «Галогены». Программно-методический комплекс внедрен в образовательный процесс ряда школ г. Красноярска и Красноярского края.
10 На защиту выносятся:
методика компьютерной поддержки обучения химии на начальном этапе, объединяющая разработку и применение компьютерных программ;
программно-методический комплекс, включающий обучающие, тестирующие программы по темам «Строение атома», «Периодический закон», «Химическая связь», «Водород», «Кислород», «Галогены» и методические рекомендации для организации компьютерной поддержки обучения химии по этим темам.
Апробация и внедрение результатов исследования
Результаты исследования многократно обсуждались на заседании кафедры Информационных технологий обучения и математики и кафедры химии КГПУ, докладывались на научно-методических конференциях: «Молодежь и химия», (г. Красноярск, 1998г.); "Образование XXI века", (г. Красноярск, 1999, 2000 гг.); "Процессы обновления в естественнонаучном образовании", (г. Красноярск, 1999 г.); Всероссийские Менделеевские чтения (г. Тобольск, 1999 г.); "Актуальные проблемы современного химико-педагогического и химического образования." XLVIII Герценовские чтения (г. Санк-Петербург, 2001 г.); "Современные информационные технологии в обучении естественно-научным дисциплинам. Практический аспект." (г.Красноярск, 2003 г.). Разработанный программно-методический комплекс по химии апробирован и внедрен в образовательный процесс средней школы № 41, лицея № 3 г. Красноярска и средней школы №4 г. Лесосибирска. По результатам исследования опубликовано 12 работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, библиографического списка и приложения.
Проблема повышения эффективности обучения химии
Главной целью химического образования в современной школе является формирование химически грамотной, культурно развитой, духовно творческой, допрофессионально компетентной личности, готовой к жизнедеятельности в меняющейся социально-экономической среде. До сих пор в школах мира преобладающим является традиционное обучение, базирующееся на классно-урочной системе обучения. Как указывает Г.К. Селевко [84], отличительными признаками такой системы обучения являются:
- один учитель работает с большим (25-30 человек) контингентом учащихся приблизительно одного возраста и уровня подготовки, составляющими класс;
- класс работает по единому годовому плану и программе согласно расписанию;
- основной единицей занятий является урок. Он, как правило, посвящен одному учебному предмету, теме, в силу чего учащиеся работают над одним и тем же материалом;
- работой учащихся на уроке руководит учитель, он же оценивает результаты работы.
Такую систему обучения (дидактическую систему) принято называть — "большая группа". В практике обучения можно так же встретить дидактические системы "малая группа" и "репетиторская" дидактическая система. Степень индивидуализации обучения в такого рода дидактических системах достаточно высока, и, как правило, достигается существенно более высокая результативность и эффективность обучения по сравнению с традиционным обучением. В данных системах, в принципе достижим уровень продуктивной, творческой дея- тельности учащихся. Следует отметить, что стоимость такого обучения велика, поэтому репетиторская система имеет ограниченную сферу применения. Но важным является то, что данная система устанавливает уровень максимальной результативности учебного процесса.
Необходимо отметить, однако, что, классно-урочная форма обучения имеет свои положительные стороны. В частности, немаловажным для достижения положительного эффекта является систематический характер обучения, упорядоченная, логически правильная подача учебного материала, организационная четкость и оптимальные затраты ресурсов при массовом обучении.
При всех положительных сторонах классно-урочной формы обучения она имеет ряд существенных недостатков. В качестве основных можно выделить: отсутствие самостоятельности, индивидуального обучения, пассивность или видимая активность учащихся, шаблонное построение урока, однообразие; , слабая обратная связь, усредненный подход. Весьма существенным недостат- / ком является низкая контролируемость результатов деятельности учащихся, / так как единственным проверяющим звеном является учитель. Одноканальная \ обратная связь может обеспечить лишь выборочный контроль при выполнении устных заданий в классе. Широко используемый в современной школе фронтальный опрос не решает проблемы. Фронтальный - значит одновременный, а фактически при фронтальном опросе идет опрос по очереди, только в ускоренном темпе. Границкой А.С. в работе [27] отмечаются такие недостатки фронтальной работы, как дробный характер такой работы, приблизительность учета доли участия в ней каждого ученика, необъективность оценок за случайный удачный или неудачный ответ. Сплошной контроль при выполнении письменных заданий отодвинут во времени, и не дает должных результатов, так как выполняет преимущественно оценочную функцию. При традиционной организации обучения наблюдается слабая мотивация к учению или вообще ее отсутствие у учащихся. То же касается и рефлексии, самооценки, анализа своих действий, ошибок учащимися. Регулярная самостоятельная работа по-прежнему остается атрибутом домашней работы учащихся, причем наблюдается тенденция увеличения объема домашних заданий. Объемы домашних заданий таковы, что даже средний ученик с ними не справляется. Также автор указывает и на негативную сторону воспитательного процесса: бездействие учащихся на уроке порождает не только лень, но и приучает учащихся, которые делают вид что слушают и думают, ко лжи.
Таким образом, при традиционной организации обучения учесть индивидуальные особенности учащихся крайне сложно.
Идея обучения с использованием компьютера родилась в середине 50-х годов. В этот период сформировалось несколько подходов обуче ния с использованием компьютерной техники. Первые концепции предложили английский кибернетик Г. Паск [72] и американские психологи Н.Краудер и Б. Скиннер. Высказанные ими идеи являются актуальными и поныне и во многом совпадают в оценке главных причин низкой эффективности традиционного обучения. Они считали, что учебный процесс должен иметь оперативную (гибкую) адаптацию к индивидуальным особенностям учеников. Так Б.Скинер в работе [ 105] указывает, что одна из основных причин неэффективности современной системы образования состоит в том, что целую группу учеников пытаются обучать с одной и той же скоростью. То, что это задерживает учеников, которые способны продвигаться быстрее, всем очевидно. Менее очевиден тот вред, который такой подход причиняет ученикам, усваивающим материал медленно. Медлительный ученик не обязательно туп, но при традиционной системе он быстро отстает и становится все менее и менее способным продвигаться вперед в избранном учителем темпе. При помощи правильно разработанных программ для компьютеров медлительный ученик, имея возможность работать в свойственном ему темпе, сможет подняться до такого уровня развития, о каком мы до сих пор не могли и мечтать.
Теоретико-методологические основы исследования
В соответствии с главной целью химического образования в современной школе методологическими подходами, с нашей точки зрения, способными адекватно и оптимально реализовывать современные цели и функции химического образования, с нашей точки зрения, являются интегративно-контекстный, лич-ностно-ориентированный и деятельностный подходы.
Вслед за М.С. Пак [70] мы считаем, что интегративно-контекстная методология ориентирует субъектов химического образования на формирование целостности из множества ранее разобщенных однородных и разнородных компонентов с учетом целей не только химического образования, но и приоритетов и специфики достигаемых социально и жизненно значимых образовательных целей и задач. Интегративно-контекстный подход в образовании представляет собой методологический подход, результатирующий системный и комплексный подходы с учетом приоритетов и специфики достигаемых и решаемых образовательных целей (и задач), то есть в контексте интегрируемых, объединяемых, синтезируемых компонентов образования. Он синтезирует в себе и проявляет «лучшие» качества системного подхода (это целостность интегрируемых объектов - инвариантное ядро и вариативное контекстное содержание) и комплексного подхода (это использование комплекса средств при реализации интегрируемых объектов) Необходимыми и достаточными компонентами интегративно-контекстного подхода являются предметно-содержательный компонент (химико-контекстное содержание) и функциональный компонент (химико-образовательные технологии), а важнейшими функциями методологическая, формирующая (обучающая, воспитывающая, развивающая) системообразующая (интегрирующая), аксиологическая (формирование личностных духовных ценностей), инновационная (обращенность в будущее за счет использования инноваций в содержании обучения химии, нововведений в механизмах образовательного процесса и новшеств в средствах химического образования).
При разработке методики компьютерной поддержки преподавания химии на начальном этапе предметно-содержательный компонент реализуется на стадии отбора тем предмета для реализации их в компьютерном варианте. Отбираются основополагающие темы, с учетом разработанных нами принципов из инвариантного содержания химического образования, соответствующего современным образовательным стандартам. В рамках интегративно-контекстного подхода при раскрытии содержания тем - разработке компьютерных обучающих программ в них присутствует обязательная часть, соответствующая образовательному стандарту. Однако материал тем в программах раскрывается несколько шире, то есть создается вариативная часть программ (дополнительные разделы), которую учитель может использовать для расширения, углубления химических знаний учащихся. Таким образом осуществляется адаптация содержания предмета к профилю класса или уровню знаний конкретного ученика.
Функциональный компонент включает интеграцию технологий обучения в контексте решаемой задачи повышения эффективности обучения химии. Достижение главной цели школьного химического образования, по нашему мнению, возможно путем решения задачи всесторонней адаптации процесса обучения химии к ученику и ученика к жизни вне школы. Для решения данной задачи, по нашему мнению, необходима интеграция как межпредметная: химии и информатики, так и интеграция технологий обучения, то есть интеграция традиционных технологий с компьютерными технологиями обучения, а так же другими педагогическими технологиями.
В процессе восприятия нового учебного материала учащиеся решают познавательную задачу, и её решение зависит от уровня мыслительной активности и степени внимания обучаемых. Благодаря сочетанию традиционных методов и компьютерного обучения, ученики попадают в ситуацию, при которой они вынуждены действовать, проявлять активность в момент объяснения, быть внимательными. В процессе обучения учащимся предлагаются задачи, которые становятся поводом для размышления, учение превращается в активный процесс, и чем больше умственных усилий прилагает ученик, тем продуктивнее становится его деятельность. Согласно пониманию деятельностного подхода (Л.С. Выготский, П.Я. Гальперин, Н.Ф. Талызина, Д.Б. Эльконин) основу процесса усвоения составляют практические и умственные действия самого обучаемого. В процессе работы с программами учащийся решает познавательную задачу, поставленную учителем, усваивает способы ее решения. Чем больше ученик совершает разнообразных вариативных действия, тем успешнее проходит процесс усвоения. На основе внешних, практических действий по сравнению, сопоставлению, обобщению создаются благоприятные условия для осознания теории и способов ее применения. При таком подходе осмысление химического содержания происходит как результат выполнения и усвоения определенных познавательных действий.
Наш опыт внедрения компьютерных технологий в процесс обучения химии в ряде школ г. Красноярска показывает, что при методически грамотном включении компьютера в традиционную модель обучения последняя претерпевает изменения в положительную сторону, поскольку посредством использования компьютера в ней реализуется личностно-ориентированный подход. При обучении с использованием компьютера учащийся работает с компьютером индивидуально, в зависимости от формы работы у учащихся проявляется высокая степень самостоятельности. Каждый учащийся активен - включен в учебный процесс. Благодаря интерактивности используемого программного обеспечения осуществляется достаточная обратная связь.
Основные этапы и задачи экспериментальной работы
Цель экспериментальной работы заключалась в проверке эффективности предложенной методики компьютерной поддержки обучения химии на начальном этапе. Экспериментальная работа состояла из двух основных этапов.
Первый этап. Разработка ПМК, включающего компьютерные обучающие и тестирующие программы по некоторым разделам начального этапа обучения химии в средней школы, а так же методические рекомендации по использованию этих программ.
Задачи первого этапа заключались в следующем:
- разработка обучающих и контролирующих программ;
- разработка наиболее эффективных методик использования разработанных нами программ.
Второй этап. Педагогический эксперимент.
Педагогический эксперимент по теме исследования проводился в период с 1999 по 2002 годы на базе средней общеобразовательной школа № 41 (учителя химии Н.Д. Изместьева, Н.В. Кудрявцева) и лицея № 3 (учитель химии Е.В. Реди) г. Красноярска.
В ходе второго этапа экспериментальной работы решались следующие задачи:
- формирование у учащихся навыков использования современного мультимедийного персонального компьютера в процессе обучения химии; - выявление эффективности или неэффективности разработанного нами ПМК на разных стадиях процесса обучения: изучения нового материала, обобщения и систематизации знаний, а так же на стадии контроля знаний;
- выявление эффективности или неэффективности применения разработанных нами обучающих и контролирующих программ из состава ПМК при разных формах организации процесса обучения (в рамках классно-урочной системы и в рамках индивидуальной и самостоятельной работы);
- установление целесообразности использования современных компьютерных технологий при изучении выбранных нами тем;
- проверка функционирования и отладка ПМК.
Для выполнения поставленных задач в процессе экспериментальной работы использовались следующие методы:
- наблюдение за ходом учебного процесса;
- беседы и анкетирование учителей химии;
- анализ проверочных и контрольных работ учащихся, результатов компьютерного тестирования учащихся;
- анализ содержания и структуры созданного программного обеспечения;
- сравнение результатов обучения учащихся экспериментальной и контрольной групп.
Работа в школе была организована следующим образом. Класс делился на две группы, где уровень знаний учащихся приблизительно одинаков. В одной группе (экспериментальной) изучение тем велось с использованием компьютерных технологий, т.е. с применением разработанных нами обучающих и контролирующих программ по разработанной методике, а в другом - традиционным способом. Учитывая результаты исследования авторов работы [80] о
том, что первый сеанс работы с обучающе-контролирующими программами является для большинства учащихся довольно тяжелым, и напряжение первого общения с программой в значительной степени снимается при последующих контактах с ПЭВМ, измерения результативности проводить после второго и последующих контактов с компьютерными программами в этих классах.
Подобная работа проводилась в 8-х классах двух средних школ города Красноярска. Общее количество учащихся, охваченных экспериментом, равнялось 350 человек. Отбор экспериментальной и контрольной групп проводился с учётом следующих требований:
- в экспериментальной и контрольной группах учащиеся не должны отличаться друг от друга возрастом;
- контрольные и экспериментальные классы должны содержать примерно одинаковое количество учащихся, соответствующее количеству учащихся в обычных классах;
- средние результаты обучения в экспериментальной и контрольной группах должны быть примерно одинаковыми.
Для проверки выполнения последнего требования нами было осуществлено сравнение результатов обучения химии в восьмом классе по теме «Первоначальные химические понятия» в экспериментальной и контрольной группах, изучаемой в обоих группах традиционными методами. Сравнение производилось следующим образом. Нами случайным образом было отобрано 25 учащихся экспериментальных классов и 25 учащихся контрольных классов. Затем анализировались оценки (в баллах), полученные ими за выполнение контрольной работы по теме. Результаты выполнения этой контрольной работы, выраженные в числе баллов представлены в таблице 4.
