Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Применение новых информационных технологий в процессе обучения различным математическим дисциплинам. 13
1.1. Теоретические основы создания и использование средств информатизации образования . 13
1.2. Опыт применения в изучении математики обучающих и контролирующих программ. 31
1.3. Опыт применения в обучении математике программных предметно - ориентированных систем. 34
1.4. Опыт применения дистанционного обучения. 42
1.5. Проблемы компьютеризации обучения. 46
1.6. Краткие выводы к главе 1. 50
Глава 2. Учебная компьютерная программа как средство НИТ в изучении теории функций комплексной переменной. 51
2.1. Учебная компьютерная программа - информационная среда предметного обучения. 51
2.2. Конструирование информационной среды предметного обучения. 56
2.3. Основные функции учебной компьютерной программы и требования к ним. 57
2.4. Общая характеристика структурных единиц учебной компьютерной программы. 59
2.5. Характеристика структурных единиц учебной компьютерной программы.
2.6. Дидактические требования к учебной компьютерной программе.
2.7. Краткие выводы к главе 2.
Глава 3. Экспериментальная проверка учебной компьютерной программы по теории функций комплексной переменной. 91
1. Организация и проведение занятий с использованием учебной компьютерной программы. 91
2. Экспериментальная проверка учебной компьютерной программы.101
3. Краткие выводы к главе 3.
Заключение.
Список литературы.
Приложения.
- Теоретические основы создания и использование средств информатизации образования
- Учебная компьютерная программа - информационная среда предметного обучения.
- Организация и проведение занятий с использованием учебной компьютерной программы.
Введение к работе
Актуальность исследования. Современный период развития цивилизованного общества характеризуется процессом информатизации, одним из приоритетных направлений которого является информатизация образования. Организация процесса обучения на основе использования возможностей новых информационных технологий (НИТ) позволяет на более высоком уровне решать задачи развивающего обучения, интенсифицировать все уровни учебно-воспитательного процесса [3].
Вопросам применения ИТ в процессе обучения математике посвящены ряд исследований Гужвенко Е.А., Якобсон Л.Л., Кравцова С.С. и др., в которых показана целесообразность использования как прикладных, так и инструментальных программных средств.
Применение НИТ в процессе обучения различным учебным дисциплинам в вузах требует от преподавателя знаний как в области подготовки сценария обучающей программы (курса) с учетом возможностей средств программирования и инструментальных средств разработки прикладных программ, так и знаний в области методики преподавания конкретной дисциплины. Этот аспект должен учитываться и при подготовке учителя информатики и математики, который призван не только, обучать информатике и математике, но и быть проводником использования НИТ в преподавании других дисциплин.
Применение информационных технологий при изучении конкретных дисциплин (в нашем случае - математики, раздела теории функций комплексной переменной) задает эффективную своеобразную логику изучения предмета, и обучение становится более
профессионально ориентированным. Это приводит к усилению мотивации обучения и выявляет особенности средств ИТ, которые могут быть раскрыты достаточно только в приложениях.
Необходимость использования возможностей новых информационных технологий в изучении математики связано также с тем, что требования, предъявляемые обществом к уровню математической подготовки студентов, неуклонно растут. Это объясняется идейным богатством математики, широкими возможностями ее практического применения в физике, технике, социологии и других естественных и гуманитарных науках [23].
Из всего блока вопросов математической подготовки учителя математики в педагогических университетах в диссертации выбран курс теории функций комплексной переменной (ТФКП). Этот выбор объясняется следующими обстоятельствами.
ТФКП занимает одно из главных мест в курсе математики высшей школы. Ее изучение приходится на старшие курсы и, в известной мере, завершает курс математического анализа. Несмотря на свою кажущуюся абстрактность, ТФКП нашла обширнейшие практические приложения [51. С ее помощью решаются многие вопросы картографии, теории упругости, гидро-, аэро- и электродинамики и т.д. Аналитические функции применяются для решения проблем квантовой теории, при изучении движения естественных, искусственных небесных тел и во многих иных областях науки и техники [165,166]. Наряду с практическими приложениями теория аналитических функций используется при решении теоретических проблем математики, в частности, в теории чисел. С помощью таких функций вычисляют сложные интегралы, решают дифференциальные уравнения и т.д.
Традиционно сложилось так, что исследователи, занимающиеся проблемами профессионально-ориентированной постановки курса математического анализа в педвузах, уделяют внимание лишь начальным разделам анализа: функция, предел, производная, интеграл. Мало работ, оценивающих значение теории аналитических функций для становления учителя математики, мало исследований, связанных с применением НИТ в изучении ТФКП. ТФКП важна для школьного учителя по целому ряду причин. Во-первых, в школе предусмотрено изучение комплексных чисел. Во-вторых, понимание многих вопросов, связанных с изучением показательной и логарифмической функций, тригонометрических и обратных тригонометрических функций, требует рассмотрения этих функций в комплексной области. Наконец, ТФКП тесно связана с геометрическими преобразованиями плоскости, знание которых необходимо для учителя математики.
В обучении ТФКП в нашей стране уже накоплен значительный опыт. В разработке основ принимали участие такие видные методисты, как Маркушевич А.И., Гончаров В.Л., Привалов И.И., Цыркин М.Я., Макаров И.П., Балк М.Б., Виленкин Н.Я., Петров В.А., Полухин А.А. и другие.
Вместе с тем в последнее время появился ряд факторов, свидетельствующих о целесообразности пересмотра методических основ обучения студентов ТФКП и математике в целом. Наиболее острой проблемой преподавания является преодоление формализма в знаниях. В связи с этим целесообразно формировать у учащихся графические и численные представления об изучаемых понятиях и закономерностях, что невозможно при использовании только традиционных средств обучения, так как они требуют слишком больших затрат учебного времени. Новые возможности в этом отноше-
/
ний дает бурно развивающийся процесс информатизации образования - процесс обеспечения сферы образования теорией и практикой разработки и оптимального использования НИТ, ориентированных на реализацию психолого-педагогических целей обучения и воспитания [43].
Главный путь преодоления проблем, возникающих при обучении ТФКП, - содержательное раскрытие основных понятий в процессе практической деятельности. Новые информационные технологии дают возможность организовать эту деятельность.
Развитие НИТ существенно расширяют возможности подачи учебного материала, в том числе за счет включения анимации, звука и видео. Помимо новых форм представления информации, программы, разработанные на базе технологии мультимедиа, обладают еще и интерактивностью, что позволяет более совершенно реализовать обратную связь и обучающий эффект этих средств обучения [13].
Для ТФКП новые информационные технологии представляют особую ценность, так как:
задача систематической графической интерпретации положений ТФКП становится осуществимой;
НИТ позволяют увеличить объем сведений, сообщаемых обучаемому в рамках некоторой единицы времени;
доступ к знаниям может осуществляться с разных учебных мест, даже удаленных друг от друга (дистанционное обучение);
обучение начинает носить активный характер в связи с возможностями интерактивного диалога, компьютерной визуализации изучаемых объектов;
появляется возможность индивидуализации обучения;
реализуется обратная связь и «разумные» реакции на те или иные шаги обучаемых.
Вышеизложенное делает возможным создание комфортной среды обучения, позволяющей обучаемому самому определять темп изучения материала и сосредоточиться на содержательной стороне решаемых задач и наиболее эффективно реализовать такие дидактические принципы как научность, наглядность, сознательность и др.
Поэтому, создание учебных компьютерных программ (УКП) является перспективным направлением в области организации самостоятельной работы студентов по изучению ТФКП. Этого мнения придерживаются многие исследователи (Панюкова СВ., Роберт И.В., Сергеева Т.А. и др.)-
Установлено, что существует противоречие между высоким уровнем развития компьютерных технологий, постоянно возрастающими потребностями их использования в процессе изучения, с одной стороны, и неразработанной методической концепцией такого использования, с другой. Причиной этого в большинстве случаев является отставание компьютерной педагогики от стремительно развивающихся технологий и, как следствие, попытки механически использовать дидактические свойства современной техники. При этом не реализуются разработанные в методике эффективные концепции обучения математике, опирающиеся на достижения психологии и теории обучения.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что необходимым условием создания эффективной УКП по курсу ТФКП является наличие методической концепции, учитывающей особенности обучаемых, логику овладения изучаемым предметом, а также возможности наиболее полной реализации функций преподавателя.
Несмотря на то, что ряд российских и большое количество зарубежных исследователей уделяют внимание в своих работах применению НИТ в обучении в целом и в математике в частности, во всем множестве созданных компьютерных обучающих программ явно отсутствует предназначенная для самостоятельной работы система обучения ТФКП.
Все сказанное свидетельствует о том, что исследование проблемы выявления возможностей и методической целесообразности использования НИТ в обучении ТФКП, а также определение и разработка методических основ, обеспечивающих эффективное обучение студентов ТФКП средствами НИТ, является актуальной.
Цель исследования:
теоретическое обоснование целесообразности и разработка методических основ обучения студентов ТФКП средствами учебной компьютерной программы, ориентированной на развитие интеллектуального потенциала обучающегося, на формирование умения самостоятельно приобретать знания, осуществлять экспериментально - исследовательскую деятельность;
разработка методических основ построения УКП, как средства, использующего возможности НИТ на примере курса ТФКП.
Объектом исследования является процесс обучения студентов теории функций комплексной переменной средствами созданной учебной компьютерной программы.
Предметом исследования является методика отбора содержания и принципы построения учебной компьютерной программы, и ее использование при обучении студентов ТФКП.
Гипотеза исследования - изучение теории функций комплексной переменной с использованием учебной компьютерной программы обеспечивает самостоятельность студентов при изуче-
ний нового материала, способствует осознанию студентами взаимосвязей между изучаемыми понятиями и повышает качество знаний, умений и навыков при условии реализации принципов построения учебных компьютерных программ в методических, дизайнерских и технологических аспектах.
Исследование поставленной проблемы потребовало решения следующих частных задач:
На основе имеющегося опыта построения и использования компьютерных обучающих программ определить возможности НИТ при изучении элементов ТФКП и сформулировать требования к построению УКП.
Разработать методические основы построения УКП на примере курса ТФКП.
Определить содержательную и функциональную структуру УКП -на примере курса ТФКП.
Разработать методику обучения ТФКП с использованием УКП.
Экспериментально проверить эффективность разработанной методики.
Решение поставленных задач осуществлялось с использованием следующих методов исследования:
анализ учебно-педагогической, философской и методической литературы по проблеме исследования;
анализ программ, учебников и методических пособий по ТФКП в различных учебных заведениях;
экспертное оценивание, анкетирование, интервьюирование с целью выявления приоритетных направлений внедрения СНИТ в образование;
изучение существующих современных компьютерных обучающих программ по математике в высшей школе и изучение опыта
применения НИТ при обучении мате+матике в различных учебных заведениях; проведение педагогического эксперимента.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования заключается в том, что
Разработаны принципы построения УКП как средства НИТ на примере курса ТФКП.
Разработана методика использования УКП в процессе обучения ТФКП, ориентированная на систематическое и целенаправленное формирование у студента графических и численных представлений об изучаемых понятиях; формирование умений и навыков практической деятельности и обеспечения необходимого уровня усвоения, устанавливаемого обратной связью.
Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы при совершенствовании учебно-методического обеспечения процесса обучения в практике работы в высшей школе как при самостоятельной работе студента вне вуза, так и преподавателем на занятиях. Кроме того, результаты исследования могут быть использованы при построении УКП по другим разделам математики.
Обоснованность и достоверность результатов исследования обеспечивается проверкой методики обучения элементам ТФКП с использованием УКП в Курском государственном педагогическом университете.
Методологической основой исследования явились фундаментальные работы в области философии образования и методологии психолого-педагогической науки (Бабанский Ю.К. [135], Давыдов В.В. [40], Данилов М.А., Краевский В.В. [78,79], Лернер И.Я. [96,97], Скаткин М.Н., Рубцов В.В., Шахмаев Н.М.), создания
и использования средств обучения и учебно-материальной базы (Зазнобина Л.С, Леднев B.C. [94,95], Назарова Т.С, Полат Е.С. [140,141,46], Прессман Л.П., Шаповаленко С.Г.), теории и методики математики (Глейзер Г.Д., Монахов В.М., Луканкин Г. Л., Мордкович А.Г.), теории, методологии и практики информатизации образования (Борк А., Ваграменко Я.А.[18,19,20], Велихов Е.П. [22], Ершов А.П. [53], Кузнецов А.А. [82-84], Кузнецов Э.И. [85-87], Кларк М., Лапчик М.П. [90,91], Монахов В.М. [112-114], Роберт И.В. [152-156], Тинкер Р.Ф., Филдман Т.).
На защиту выносятся следующие результаты:
Методика использования УКП в процессе обучения ТФКП, повышает самостоятельность студентов при изучении нового материала; качество знаний, умений и навыков и способствует осознанию студентами взаимосвязей между изучаемыми понятиями.
Принципы построения УКП, предполагающие решение методической, дизайнерской и технологической задач реализуют методику использования УКП в процессе обучения ТФКП.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры математического анализа и кафедры информатики и ТСО Курского Государственного педагогического университета, конференциях профессорско-преподавательского состава КГПУ (1997-2000 г.), на 6-ой Всероссийской конференции «Информатизация образования -98» (Курск, октябрь 1998 г.).
Основные результаты отражены в трех публикациях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии и приложений.
Теоретические основы создания и использование средств информатизации образования
Современный период развития цивилизованного общества характеризует процесс информатизации.
Одним из приоритетных направлений процесса информатизации современного общества является информатизация образования, в связи с чем возникает серьезная многоаспектная проблема выбора стратегии внедрения компьютера в обучение, которая позволила бы использовать все его преимущества и избежать потерь, ибо они неизбежно отрицательно скажутся на качестве учебно-воспитательного процесса, который не только обогащает человека знаниями и практическими умениями, но и формирует его нравственный облик [75].
Вывод, который делают исследователи в тех странах, где накоплен опыт компьютеризации, прежде всего в развитых странах Запада, состоит в том, что реальные достижения в этой области не дают оснований полагать, что применение ЭВМ кардинально изменит традиционную систему обучения к лучшему. Нельзя просто встроить компьютер в привычный учебный процесс и надеяться, что он осуществит революцию в образовании. Ведь, используя современные обучающие средства и инструментальные среды, можно создать прекрасно оформленные программные продукты, не вносящие ничего нового в развитие теории обучения. Поэтому можно говорить только об автоматизации тех или иных сторон обучения, о переносе информации с бумажных носителей в компьютер. Нужно менять саму концепцию учебного процесса, в который компьютер органично вписывался бы как новое, мощное средство обучения [24].
Достаточно глубокие на наш взгляд исследования в разработке теоретических основ создания и использования средств информатизации образования (в научном обосновании педагогической целесообразности их применения) изложены в докторской диссертации Роберт И.В.
В настоящее время уже ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что в условиях информатизации образования меняется парадигма педагогической науки, изменяется структура и содержание образования. Новые методы обучения, основанные на активных, самостоятельных формах приобретения знаний и работе с информацией, вытесняют демонстрационные и иллюстративно-объяснительные методы, широко используемые традиционной методикой обучения, ориентированной в основном на коллективное восприятие информации [76]. Параллельно этому идет процесс использования программных средств и систем учебного назначения (пакетов программных средств учебного назначения) для поддержки традиционных методов обучения. При этом программным средствам (системам), используемым в учебных целях, передаются в какой-то мере обучающие функции и, следовательно, каждая программа должна строиться сообразно дидактическим принципам обучения, определяющим дидактические требования к педагогическим программным средствам (ППС). Вместе с тем методика преподавания каждого учебного предмета в свою очередь учитывает своеобразие и особенности соответствующей науки, поэтому правомерно говорить о методических требованиях к ППС, которые предусматривают специфику и своеобразие каждой конкретной науки и соответствующего ей учебного предмета. Определяя педагогические требования, предъявляемые к ППС, необходимо учитывать также обоснование выбора темы для ППС, аргументированное определенными методическими целями, и обеспечивать проверку педагогической эффективности использования ППС.
Помимо этого при разработке ППС необходимо учитывать еще и ряд других факторов: возрастные и индивидуальные особенности обучаемого, обеспечение доброжелательной и тактичной формы обращения к обучаемому, возможность повторных обращений к программе в случае неудачной попытки. Большое значение при разработке необходимо уделять удобствам пользователя программой, обеспечивая процесс ее применения необходимым сервисом, простотой использования, гарантией устойчивости от несанкционированного нажатия клавиш, возможностью легкого возврата на исходные позиции. Все это определяет технические требования к ППС.
Извозчиков В.А. определяет новую информационную технологию обучения (НИТО) как новую методологию и технологию учебно-воспитательного процесса с использованием новейших электронных средств обучения [61].
Учебная компьютерная программа - информационная среда предметного обучения
Использование термина «информационная среда предметного обучения» стало актуальным в связи с качественными изменениями в характере использования обществом учебной информации. Появление компьютера породило новое информационное поле - поле программных продуктов. Они отличаются от книг или лекций своим деятельностным, операциональным характером.
Характерным признаком обучения в информационной среде является то, что деятельность студента происходит в рамках этой среды. Существенным и новым является то, что среда явно или неявно определяет «правила игры». В рамках конкретной среды можно делать только то, для чего она предназначена, правильно или неправильно, целесообразно или спонтанно, под руководством преподавателя или самостоятельно. Но выйти за рамки этой среды невозможно.
Работа с информационной средой является новой проблемой методики преподавания. «Правила игры» для обучаемого, имеющего дело с содержательной компонентой информационной среды - УКП по курсу ТФКП, представляются в форме средств общения с компьютером (которые носят название интерфейса) и в форме целевых предметных установок. Последние сообщаются преподавателем или содержатся в сопровождающих материалах (рис.1). Основой работы студента с УКП является его относительная
Студент является инициатором обмена информацией, он может совершать произвольные (для данной УКП) действия, гарантированно оставаясь в рамках нужного информационного пространства. По отношению к среде (УКП) и преподаватель имеет относительную свободу:
он остается выразителем общественной значимости обучения;
он может рассматривать среду как носитель информации и менять дидактические подходы в рамках одной информационной среды.
Иными словами, информационная среда (в частности УКП) является операционной моделью предметной области, и деятельность студента в ней регламентируется закономерностями предмета, но не ограничивается каким-либо педагогическими или методическими теориями (рис.2).
Дидактическая компонента информационной среды (в нашем случае УКП) представляется компьютерными моделями приемов обучения. В этом случае появляется возможность формализовать, а значит изучить, сохранить и передать педагогическую теорию и дидактические находки. Иными словами, действия педагога в рамках данной теории могут моделироваться посредством создания адекватной среды взаимодействия студента с преподавателем. Тогда сама среда определит характер их взаимодействия - среда не даст возможности преподавателю «забыть» свою педагогическую платформу (рис.3).
С понятием информационной среды обучения тесно связано понятие интерактивности, а именно возможности для среды поддерживать содержательный диалог. Обучение в интерактивном режиме подразумевает продолжительное взаимодействие обучаемого со средой (в нашем случае, УКП) без вмешательства преподавателя. Хорошо организованные среды с удобным интерфейсом характеризуются многообразием возможных диалогов и обеспечивают индивидуальный подход к обучаемым.
Конструирование информационной среды (в частности, УКП) - новая задача методики преподавания. Новизна задачи заключается в том, что разрабатываются, прежде всего, не методы обучения, а «правила игры», определяющие эти методы обучения. Методики обучения получают конструктивное воплощение в программных оболочках.
Приступая к созданию УКП - информационной среды предметного обучения, мы сталкиваемся с широким кругом тесно связанных друг с другом вопросов:
1. отбора содержания, последовательности и доступности изложения;
2. структурного построения, выделения смысловых опорных сигналов;
3. реализации принципов экономии учебного времени и оптимальной учебной нагрузки каждого студента;
4. обеспечения возможности продвижения студентом по индивидуальной учебной траектории;
5. использование данного текста при различных формах обучения, разными по опыту и способам деятельности студентами и преподавателями;
6. возможности варьирования и дополнения данного текста другими средствами обучения [6].
Организация и проведение занятий с использованием учебной компьютерной программы
Важной для успешного внедрения гипермедиа обучающих программ является организация гипермедиа в существующих компьютерных классах, оснащенных сетевым оборудованием. На возможность эффективного использования такого метода указывает тенденция падения стоимости мультимедиа оборудования и сетевого программного обеспечения. Во многих вузах существуют информационные компьютерные сети с достаточно мощным сервером, в этом случае можно ограничиться созданием классов, оборудованных только портами для подключения к общей сети; при этом любой студент, имеющий оборудованный высокоскоростным модемом портативный компьютер, сможет пользоваться возможностями этой сети для доступа к обучающим системам. Аналогично такую возможность могут получить и студенты, имеющие удаленный доступ с домашних компьютеров. При таком подходе может быть достигнута и экономия средств на обучение.
В разработанной версии технологии обучения для экспериментальной группы сохраняется число часов по предмету. Сохраняются и внешние формы организации учебных занятий: лекции, практические занятия, консультации, зачеты, экзамены проводятся по общему расписанию для всего курса.
Экспериментальной группе предлагается для самостоятельного изучения с использованием УКП:
раздел «элементарные функции и соответствующие им конформные отображения» (лекционные занятия);
раздел «Основные типы задач по ТФКП» (практические занятия);
контрольная работа.
Специфика работы преподавателя с использованием УКП привела к необходимости введения для них термина «тьютор», который соединяет в себе качества преподавателя, консультанта, менеджера [55].
Как преподаватель он рассказывает студенту о нашей системе преподавания, подчеркивает отличие форм занятий от привычных им классно-урочных. Разъясняет, что часть учебных занятий будет построена таким образом, чтобы в процессе изучения курса ТФКП студенты овладевали способами будущей профессиональной деятельности; что формы их учебной деятельности должны быть адекватны форме профессиональной деятельности учителя. Подробно разъясняет, что руководство их учебной деятельностью со стороны преподавателя, главным образом, будет направлено на формирование готовности к самообразованию, развитию навыков самообучения и самоконтроля. Как преподаватель он проводит вводное и заключительное занятия, обеспечивает правильное и эффективное использование учебно-методического сопровождения курса.
В качестве консультанта тьютор координирует познавательный процесс студентов, проводит групповые консультационные и коммуникативные занятия, индивидуально консультирует студентов по различным вопросам изучаемого курса.
В качестве менеджеров тьюторы осуществляют формирование групп студентов, составляют график учебного процесса, управляют проведением групповых занятий, контролируют выполнение студентами графика учебного процесса (промежуточные зачеты, экзамен).
Процесс обучения начинается вводной лекцией. Она предполагает введение в курс, уточнение тьютором тех разделов и вопросов курса, которые будут отведены самостоятельному изучению с использованием УКП. Очные встречи с преподавателем происходят согласно расписанию консультаций (1 раз в неделю).
По окончанию семестра студент должен выполнить контрольную работу (состоит из 10 заданий и соответствует минимальному стандарту знаний по курсу ТФКП) и сдать экзамен в письменной или устной форме.
Для проведения лекций и практических занятий по ТФКП с использованием УКП необходима соответствующая подготовка.
Методика чтения лекций, проведения практических занятий направлена на то, чтобы ввести студента в состояние «вопроса», стимулировать его мышление. Разъясняем также систему требований, подчеркивая их открытость.
В представленной технологии функции лекции меняются. Уходит на второй план ее информационная функция, а на первый выдвигается ориентирующая, развивающая, стимулирующая функции [50].
В работе [15] сформулированы основные принципы использования компьютера при проведении лекции.
На мотивационном этапе лекции применение компьютера заключается в общей ориентировке в содержании и структуре темы, обеспечении на этой основе целеполагания и мотивации: постановке ключевых вопросов изучаемой темы, демонстрации ситуаций, обосновывающих проблематику, лекции, показе связи с материалом, на котором базируется изучаемая тема.
