Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Психолого-педагогические и информационные основы обучения информационным технологиям в школе и в педагогическом вузе 9
1.1 Тенденции в развития программного обеспечения, систем программирования и проектирования 9
1.2 Содержательные линии обучения информационным технологиям в школе и в педагогическом вузе 18
Глава 2, Разработка методики обучения объектно-ориентированному проектированию 26
2.1 Теоретические основы объектно-ориентированного проектирования ..26
2.2 Дидактические основы обучения объектно-ориентированному проектированию 34
23 Методическая система обучения объектно-ориентированному проектированию 43
2.4 Система упражнений как средство обучения объектно-ориентированному проектированию 56
Глава 3. Педагогический эксперимент 67
3.1 Подготовка и планирование педагогического эксперимента 67
3.2 Описание и результаты эксперимента, проведенного со школьниками старших классов 70
3.3 Описание и результаты эксперимента, проведенного со студентами факультета математики РГПУ им А.И. Герцена 78
Заключение 86
Библиография 89
Приложение 1.
- Тенденции в развития программного обеспечения, систем программирования и проектирования
- Теоретические основы объектно-ориентированного проектирования
- Подготовка и планирование педагогического эксперимента
Введение к работе
Информатика - в настоящее время одна из фундаментальных областей научного знания, формирующая системно-информационный подход к анализу окружающего мира, изучающая информационные процессы, методы и средства получения, преобразования, передачи, хранения и использования информации, стремительно развивающаяся и постоянно расширяющаяся область практической деятельности человека, связанная с использованием информационных технологий.
В современных условиях^ когда компьютер стал непременным атрибутом многих профессий, обучение информатике приобретает очень большое значение. [ИЗ] Молодые люди, окончив школу, должны обладать достаточными знаниями и навыками дія использования компьютерных технологий в своей дальнейшей деятельности. Формирование у всех учащихся, независимо от ступени и профиля образования, навыков пользователя компьютерной техники является одной из важнейших задач компьютеризации образования.
Вопросам отбора содержания и разработке Общей концепции преподавания информатики были. посвящены работы Бордовского ГА. [22],[23]Д24], Ершова АЛ. [66],[67], Извозчикова В А. [74]Д75],[76], Кузнецова А.А. [91], Кузнецова Э,И. [92], Лапчика MIL [93],[95], Монахова В,М [110],[111Ц112]Д113] и др. Следует отметить, что основные направления в преподавании курса основ информатики и вычислительной техники, в отборе содержания и форм проведения занятий, первоначально ориентировались на "безмашинный" вариант обучения, поэтому приоритетным было формирование основных понятий информатики и теоретических основ использования компьютера. Формировались не столько навыки применения компьютера для решения практических задач (работа с текстом и графикой, моделирование, и т. п.),
сколько представления о возможности применения компьютера для этих целей.
В настоящее время традиционные подходы в области преподавания информатики и программирования в вузе не способны отследить быстроменяющуюся действительность в области информационных технологий, связанную с бурным развитием вычислительной техники, операционных систем, парадигм программирования, организацией, анализом, представлением информации и обеспечением доступа к ней, в том числе и в сетях.
Возникает необходимость практического обучения современным программным средствам и технологиям их разработки. Для будущей успешной работы в области программирования учащимся становится недостаточно знания одного или нескольких языков, необходимо представление о методологии разработки программных средств. Более того, будущим преподавателям информатики требуется знание не только пользовательских программных средств, но и идеологии их проектирования и разработки.
Таким образом, недостаточная теоретическая и практическая проработанность вопросов, связанных с обучением объектно-ориентированному проектированию* определяет актуальность темы нашего исследования.
Цель исследования: разработка методики обучения объектно-ориентированной методологии разработки программных средств и практических навыков его применения.
Объект исследования: процесс обучения объектно-
ориентированному проектированию и программированию.
Предмет исследования: теоретические основы и практика обучения студентов педагогических вузов объектно-ориентированному проектированию и программированию.
Исходя из поставленной цели, была сформулирована гипотеза исследования:
Если обучать объектно-ориентированному проектированию студентов педагогических вузов, то будет обеспечено:
повышение эффективности формирования навыков разработки программ в современных средах;
улучшение качества знаний в области программирования;
повышение мотивации к изучению сред разработки.
Для реализации поставленной цели и проверки выдвинутой гипотезы необходимо было решить следующие задачи исследования
проанализировать психолого-педагогическую, методическую и научно-техническую литературу, посвяшенную изучению программирования;
провести анализ сред объектного проектирования и программирования на предмет их применения в процессе обучения;
разработать и апробировать в процессе обучения курс "Основы объектно-ориентированного проектирования";
разработать систему лабораторных работ для поддержки вышеуказанного курса;
разработать и провести педагогический эксперимент.
Методы исследования: анализ методической, психолого-педагогической, научно-технической литературы; анализ программного обеспечения; анализ пособий по основам информатики; изучение и анализ педагогического опыта; практическое и экспериментальное преподавание; наблюдение; анализ и обработка письменных работ учащихся; анкетирование; количественная и качественная обработка данных, полученных при проведении педагогического эксперимента.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования
заключаются в следующем:
теоретически обоснована целесообразность обучения объектно-ориентированному проектированию;
разработана и обоснована методика обучения объектно-ориентированному проектированию.
Практическая значимость исследования состоит в следующем:
- разработанная методика обучения объектно-ориентированному
проектированию позволит сформировать у студентов знание
идеологии разработки программного обеспечения и может быть
использована в процессе обучения программированию.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
- базированием на основополагающих теоретических концепциях
обучения программированию;
логикой методов исследования;
результатами экспериментальной проверки. Апробация работы осуществлялась:
на международной научной конференции "Информационные технологии в образовании" (1998, 1999, 2000 г.г,);
на Герценовских чтениях (1998, 1999, 2000 гт.).
Внедрение практических результатов исследования
осуществлялось:
- в школе № 16 Василеостровского района со школьниками IG-llx
классов,
в гимназии № 524 со школьниками 10аэ 106,10в и Юг классов.
в рамках спецкурса "Основы объектно-ориентированного проектирования" для студентов 4 курса математического факультета РПТУ им. А.И. Герцена.
На защиту выносятся:
Теоретическое обоснование использования объектного проектирования в процессе обучения информатике;
Методика обучения объектно-ориентированному проектированию;
Курс "Основы объектно-ориентированного проектирования1' и система упражнений для его поддержки.
Тенденции в развития программного обеспечения, систем программирования и проектирования
За последнее десятилетие произошел качественный скачок возможностей компьютерной техники и телекоммуникационных технологий. Мощность компьютерных систем открывает возможности решения серьезных, профессиональных задач и, хотя программное обеспечение пока не успевает за ростом производительности компьютеров широта возможностей современных приложений растет достаточно быстро. Но вместе с ростом возможностей растет и сложность их разработки, использования и изучения.
В сфере пользовательского программного обеспечения появляется все больше специализированных программ, назначение которых решать конкретные задачи в различных предметных областях. Многие программы пишутся под конкретную задачу и конкретного пользователя, а, следовательно, их использование более удобно, чем работа в соответствующей универсальной программе.
Многие современные программы стали включать встроенные среды программирования для настройки под определенную задачу. Данная тенденция предъявляет более высокие требования к пользователям прикладного программного обеспечения, для профессиональной работы желательным становится знание идеологии разработки программ, принципов проектирования и программирования систем.
Что касается программирования, то практически все современные профессиональные языки основаны на объектно-ориентированном подходе; C++, ОО Cobol, Java, Ada и т. д.
Широкое распространение получили системы визуального проектирования и программирования, основанные на объектно-ориентированной технологии. Данные системы включают в себя как библиотеки готовых компонент, так и программные конструкции объектно-ориентированных языков программирования. Данное сочетание позволяет не только ускорить процесс разработки приложений, но и способствует эффективному изучению данных систем.
Для многих компаний возрастает значение программного обеспечения, растет уровень автоматизации работы предприятия. Современная индустрия решает вопрос поиска методов автоматизации производства программного обеспечения, повышения его качества, а также снижения стоимости и времени выпуска на рынок. Эти методы основаны на компонентных технологиях, визуальном программировании, использовании образцов (pattern) и инструментальных сред (framework).
Указанные процессы стимулировали развитие объектно-ориентированных технологий анализа и проектирования систем. Появилось значительное количество различных методов и реализующих их коммерческих программных продуктов. Именно в связи с указанными потребностями был создан унифицированный язык моделирования (UML). [150]
За последние годы объектно-ориентированная технология стала одной из основных при разработке профессионального программного обеспечения. Разработка любой прикладной программной системы начинается с анализа требований, которым она. должна будет удовлетворять. В процессе данного анализа определяются назначение и
условия эксплуатации системы, а также разрабатывается ее предварительный проект.
При объектно-ориентированном подходе анализ требований к системе сводится к разработке моделей этой системы. Моделью системы считается формальное описание системы, в котором выделены основные объекты, составляющие систему, и отношения между этими объектами. В процессе разработки модели позволяют:
-проверить работоспособность разрабатываемой системы на ранних этапах ее разработки;
-общаться с заказчиком системы, уточняя его требования к системе;
-вносить (в случае необходимости) изменения в проект системы (как в начале ее проектирования, так и на других фазах ее жизненного цикла).
Теоретические основы объектно-ориентированного проектирования
Рост сложности программного обеспечения вызвал большое число прикладных исследований по методологии проектирования, особенно, по декомпозиции, абстрагированию и иерархии. Возникла тенденция перехода от языков, указывающих компьютеру, что делать (императивные языки), к языкам, описывающим ключевые абстракции проблемной области (декларативные языки). [27]
Одно из главных правил, формулируемых Г. Бучем, гласит: "Приступайте к кодированию только тогда, когда откладывать эту работу более невозможно"- "Программирование без программирования" - так называет Буч основную деятельность разработчика, главное содержание которой - кодификация абстракций и механизмов, характерных для конкретной предметной области. Т. о. методология проектирования ставится во главу угла.
Приведем определения понятия метода и методологии по Г. Бучу:
Метод — это последовательный процесс создания моделей, которые описывают вполне определенными средствами различные стороны разрабатываемой программной системы.
Методология — это совокупность методов, применяемых в жизненном цикле разработки программного обеспечения и объединенных одним общим философским подходом. [27]
Предшественником объектно-ориентированйого подхода к проектированию был метод структурного проектирования, основой которого является алгоритмическая декомпозиция - "разделение
алгоритмов, где каждый модуль системы выполняет один их этапов общего процесса" [27], Примером графического представления алгоритмов являются блок-схемы.
Основой объектно-ориентированного проектирования является -объектно-ориентированная декомпозиция, позволяющие. представить мир как совокупность автономных действующих лиц, которые взаимодействуют друг с другом, чтобы обеспечить поведение системы, соответствующее более высокому уровню, [27]
Объектная декомпозиция имеет ряд преимуществ над алгоритмической: уменьшает размер программной системы "за счет повторного использования общих механизмов4 [27].
Приведем определения основных понятии объектно-ориентированного проектирования, данные Г. Бучем [27]:
Обьектно-ориептирреанпое -программирование - это методология программирования, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного класса, а классы образуют иерархию наследования.
Объектно-ориентированное проектирование - это методология проектирования, соединяющая в себе процесс объектной декомпозиции и приемы представления логической и физической, а также статической и динамической моделей проектируемой системы. [27]
Объектно-ориентированный анализ - это методология, при которой требования к системе воспринимаются с точки зрения классов и объектов, выявленных в предметной области.
Г. Буч приводит пять преимуществ объектной модели:
1. Объектная модель позволяет в полной мере использовать выразительные возможности объектных и объектно-ориентированных языков программирования.
2. Использование объектного подхода существенно повышает уровень унификации разработки и пригодность дня повторного использования не только программ, но и проектов, что, в конце концов, ведет к созданию среды разработки. Объектно-ориентированные системы часто получаются более компактными, чем их не объектно-ориентированные эквиваленты.
Подготовка и планирование педагогического эксперимента
Приступая к эксперименту, мы ставили перед собой следующие цели:
1) Изучить состояние рассматриваемой проблемы в практике обучения программированию,
2) Скорректировать и реализовать разработанную методику обучения объектно-ориентированному проектированию в систематическом курсе информатики в старших классах (10-11 класс) и в педагогическом вузе.
3) Проверить выдвинутую гипотезу.
В соответствии с указанными целями в ходе эксперимента необходимо было решить следующие задачи:
1) Выбрать методику проведения эксперимента.
2) Определить сроки проведения эксперимента,
3) Провести эксперимент в соответствии с выбранной методикой.
4) Провести количественную обработку результатов эксперимента.
5) Произвести качественную интерпретацию результатов эксперимента.
Экспериментальное исследование включало констатирующий и обучающий эксперименты и обработку их результатов.
Констатирующий эксперимент проводился в школе № 16 Василеостровского района г. Санкт-Петербурга, в гимназии № 524
Московского района г. Санкт-Петербурга и на математическом факультете РГПУ им. А.И. Герцена.
Целью данного эксперимента являлось;
1) определение уровня знаний учащихся и студентов в области программирования;
2) определение интересов учащихся и студентов в области информатики;
3) определение характера и уровня компьютерной грамотности учащихся и студентов.
Использовались следующие методы: тестирование и анкетирование, беседы с читателями Примеры тестов приведены в Приложении.
На этом этапе были получены данные, позволяющие сделать следующие выводы:
1. Большинство студентов и школьников имеют дома компьютеры, что позволяет давать упражнения для выполнения дома, то особенно важно в рамках ограниченного учебного времени.
2. Абсолютное большинство имеет пользовательские навыки работы скомпьютером.
3. Все студенты и многие школьники имеют1 представлении о программировании вообще и о структурном программировании в частности, однако за исключением нескольких человек представления и тем более навыков работы в объектно-ориентированных средах не имеет никто.
4. Многие интересуются программированием, что облегчает преподавателю задачу обеспечения мотивации изучения новых сред разработки.
Обучающий эксперимент проводился в гимназии № 524 Московского района г. Санкт-Петербурга и со школьниками старших классов и в РГПУ им А.И. Герцена со студентами 4 курса факультета математики.
Цели обучающего эксперимента:
1) проверка эффективности разработанной методики обучения объектно-ориентированному проектированию.
Для количественной проверки выдвинутой гипотезы на этом этапе педагогического эксперимента были определены основные критерии проверки эффективности разработанной методики изучения объектного проектирования, по которым в дальнейшем приводилось сравнение качества знаний учащихся до Й после обучения. Подробно критерии приведены ниже.
В качестве показателей, позволяющих судить об уровне знаний учащихся, мы будем использовать:
- правильность выполнения задания;
- осознанность выполнения задания.
