Методика визуализированного обучения педагогов-бакалавров профиля «Информатика» дисциплинам предметной подготовки

Актуальность исследования. Процессы глобализации экономики и становления информационного общества выдвигают новые требования к специалистам, которые должны быть готовы адаптироваться к быстро меняющимся условиям труда, способны ориентироваться в нарастающих потоках информации, а также находить и применять новые технологии для их обработки. Подобные компетенции формируются со школьной скамьи, значительную роль в их формировании играют уроки информатики. В этой связи появляется необходимость в обновлении системы подготовки учителя информатики для современной школы, отвечающей требованиям, предъявляемым обществом. Профессиональная подготовка будущего учителя информатики осуществляется в педагогических вузах на факультетах информатики, математики и физики. В учебных планах подготовки учителя информатики особое место занимают дисциплины фундаментальной предметной подготовки, поскольку именно они обеспечивают педагога-бакалавра твердым научным, фундаментом, базисом I 1 <ч. '. 1 > ' ' • ч 4 I -1' ,.

Г 1 м ^ информационной научной картины мира и необходимым профессиональным инструментарием, рассчитанным на длительное применение в изменчивых условиях.

Анализируя результаты обучения педагогов-бакалавров профиля «Информатика», можно заметить снижение показателей результатов обучения фундаментальным дисциплинам предметной подготовки, таким как «Теоретические основы информатики», «Элементы абстрактной и компьютерной алгебры», «Теория алгоритмов», «Математическая физика», «Дискретная математика», «Исследование операций» и т. д. Этот факт обусловлен следующими причинами:

1) усложнение учебного материала, адекватного современному состоянию математики и информатики и снижение уровня знаний выпускников средних школ по дисциплинам естественнонаучного профиля приводят к понижению требований к абитуриентам при поступлении в педагогический вуз;

2) высокая степень формализации и абстрактности фундаментальных дисциплин требует от будущего учителя информатики глубокого понимания математического аппарата и математических методов обработки информации.

Несомненно, от уровня понимания фундаментальных дисциплин зависит качество предметной подготовки педагога-бакалавра, обучающегося по профилю «Информатика». В этой связи, низкий уровень понимания студентами фундаментальных понятий, объектов и методов предметной подготовки представляет актуальную проблему для теории и методики обучения фундаментальным дисциплинам. По мнению В. А. Тестова, конечный смысл образования — не знание, а именно понимание [99]. Только понятая учебная информация может в итоге стать личностным знанием, пригодным для дальнейшей учебной и профессиональной деятельности человека. г Проблема понимания в, процессе обучения рассмотрена1,''-в, исследованиях П. С. Гуревича, И. М. Ильинского, Т. Е. Коробова, A.A. Смирнова, В. А. Тестова и др. Однако в педагогической и методической литературе проблема понимания фундаментальных дисциплин остается слабо проработанной.

В процессе обучения будущих учителей информатики необходимо учитывать ряд их психологических особенностей когнитивного характера. Педагоги-бакалавры профиля «Информатика», как правило, обладают повышенным уровнем образного (экранного) восприятия, доминирующим алгоритмическим, визуально-образным мышлением. Как отмечает Е. В. Яковлева, такие студенты должны обладать высокоразвитым логическим и абстрактным мышлением, способностью управлять мыслительными процессами, при этом у них должна быть безупречной логика суждений [105].

Также отметим, что будущие учителя информатики отдают большее предпочтение электронным средствам обучения и требуют от них максимальной наглядности. Проблемам разработки электронных средств обучения посвящены работы О. В. Зиминой, А. И. Кириллова, Г. М. Коджаспировой, К. В. Петрова, И. В. Роберт и др., а также В. Н. Бодрова, В. В. Магалашвили, Г. В. Лаврентьева, Н. Б. Лаврентьевой, H.A. Неудахиной, H.A. Резник, А. Г. Барышкина, S. Tergan, Т. Keller и др. В отмеченных работах показан высокий дидактический потенциал методов визуализации информации и знаний для целей обучения.

Представляет интерес использование компьютерных средств визуализации в электронных учебных материалах по фундаментальным информационным и математическим дисциплинам подготовки будущего учителя информатики. Электронные учебники, разработанные с учетом специфики учебной информации фундаментальных дисциплин предметной подготовки и особенностей когнитивных характеристик будущего учителя информатики, могут помочь в организации визуализированного обучения, нацеленного на понимание сложных абстрактных понятий и объектов. ^.

Под визуализированным обучением мы пониманием обучение с применением визуализированных дидактических материалов, представленных с помощью информационно-коммуникационных технологий (ИКТ), а также деятельность студентов, направленную на визуализацию полученных знаний, обеспечивающую активизацию его познавательных процессов. В данном контексте визуализация может выступать в двух значениях. С одной стороны, она является методом реализации принципа наглядности, в части представления информации в виде оптического изображения (например, в виде рисунков, графиков, диаграмм, структурных схем, таблиц, карт и т. д.), с другой — средством передачи информации, наиболее полно отвечающем особенностям восприятия, понимания информации и формирования на её основе знаний. Так, A.A. Вербицкий под процессом визуализации понимает свертывание мыслительных содержаний в наглядный образбудучи воспринятым, образ может быть развернут и служить опорой адекватных мыслительных и практических действий [9].

Изучение педагогического опыта в процессе предметной подготовки педагогов-бакалавров, обучающихся по профилю «Информатика», с применением средств ИКТ, позволило сделать вывод о слабой разработанности методической базы визуализированного обучения фундаментальным дисциплинам, ориентированного на понимание.

Таким образом, актуальность исследования определяет группа противоречий: между современными требованиями к качеству предметной подготовки педагога-бакалавра профиля «Информатика» и сложившимися методическими системами обучения, не в полной мере обеспечивающими глубокое и полное понимание учебного материаламежду необходимостью повышения уровня понимания информации по фундаментальным дисциплинам в процессе учебной деятельности и отсутствием развитой методической базой, позволяющей обеспечить и измерить это повышениеI .: V ?" «, • «и • • между потребностью в реализации дидактических возможностей средств ИКТ, методов визуализации знаний и информации в процессе предметной подготовки будущих учителей информатики, и отсутствием методики визуализированного обучения, нацеленной на высокий уровень понимания фундаментальных дисциплин.

Противоречия актуализируют проблему исследования — какой должна быть методика визуализированного обучения будущих учителей информатики фундаментальным дисциплинам предметной подготовки, позволяющая повысить уровень понимания учебного материала в условиях использования средств ИКТ?

Объект исследования — процесс предметной подготовки педагогов-бакалавров профиля «Информатика».

Предмет исследования — методика визуализированного обучения педагогов-бакалавров профиля «Информатика» фундаментальным дисциплинам.

Цель исследования — теоретически обосновать и разработать методику визуализированного обучения педагогов-бакалавров профиля «Информатика» фундаментальным дисциплинам предметной подготовки в условиях использования средств ИКТ, обеспечивающую повышение уровня понимания учебной информации.

В соответствии с выделенными проблемой, объектом, предметом и поставленной целью исследования выдвинута следующая гипотеза исследования.

Повышение уровня понимания учебной информации фундаментальных дисциплин предметной подготовки с использованием средств ИКТ у педагогов-бакалавров профиля «Информатика» будет обеспечено, если:

1) на основе информационной модели восприятия и понимания учебной информации будет уточнено понятие «понимание, учебного материала фундаментальных дисциплин предметной подготовки бакалавров профиля «Информатика», выбраны измерители и разработаны диагностики уровня понимания;

2) в процессе предметной подготовки студентов будут применяться электронные средства обучения, использующие методы визуализации информации и знаний, а также программные средства для моделирования и анализа решаемых задач;

3) информационное взаимодействие преподавателя и студента изменится с «субъект-объектного» на «субъект-субъектное» отношение (преподаватель не только обучает студента фундаментальным дисциплинам, но совместно с ним разрабатывает визуализированные средства обучения).

Цель, предмет, гипотеза исследования определили его ведущие задачи:

1. Выявить современные требования к профессиональной подготовке педагогов-бакалавров профиля «Информатика».

2. Провести анализ проблемы понимания учебной информации.

3. Определить особенности восприятия и понимания учебной информации педагогами-бакалаврами профиля «Информатика».

4. Разработать информационную модель и методику диагностики понимания учебного материала фундаментальных дисциплин.

5. Сформировать комплекс методов и средств визуализации учебной информации фундаментальных дисциплин.

6. Определить требования к представлению учебного материала с помощью методов визуализации информации и знаний, отвечающие целям обучения, ориентированных на понимание.

7. Разработать методику визуализированного обучения педагогов-бакалавров профиля «Информатика» на примере курса «Математическая физика».

8. Провести педагогический эксперимент по апробации методики визуализированного обучения бакалавров. < 1' ' i • «, 1V,.

Теоретико-методологические основания исследования: положения в области информатизации образования и профессиональной подготовки учителей информатики в педагогическом вузе (A.A. Абдукадыров, М. М. Абдуразаков, С. Г. Григорьев, В. В. Гриншкун, A.JI. Денисова, М. И. Жалдак, С. Д. Каракозов, К. К. Колин, Э. И. Кузнецов, М. П. Лапчик, И. В. Марусева, Д. Ш. Матрос, A.B. Могилев, Н. И. Пак, И. В. Роберт, Э. Г. Скибицкий, М. В. Швецкий, Е. К. Хеннер и др.) — концепции фундаментализации предметной подготовки студентов (В.В. Лаптев, Н. И. Рыжова, С. А. Бешенков, М. В. Швецкий, E.H. Самойлик и др.) — исследования процессов понимания, как психолого-педагогической проблемы (В.В. Знаков, Т. Е. Коробов, Н. И. Пак, A.A. Смирнов, В. А. Тестов, R.L. Solso и др.) — исследования, посвященные использованию методов визуализации информации и знаний в учебном процессе (В.Н. Бодров, В.В.

Магалашвили, Г. В. Лаврентьев, Н. Б. Лаврентьева, H.A. Неудахина, H.A. Резник, А. Г. Барышкин, S. Tergan, Т. Keller и др.).

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: 1) теоретические (анализ теоретических и эмпирических данных, изучение и обобщение педагогического опыта, сравнительный анализ, классификация) — 2) эмпирические (наблюдение, опрос, беседа, тестирование, педагогический эксперимент) — 3) методы математической статистики (количественный и качественный анализ данных, графическое представление результатов).

Достоверность результатов исследования обусловлена методологической обоснованностью исходных теоретических положений, применением разнообразных методов исследования, адекватных поставленным задачам, последовательным проведением педагогического эксперимента, опытно-экспериментальной работой и личным участием в ней автора, использованием статистических методов обработки результатов.

Научная новизна исследования состоит в том, что.

— теоретически обоснована и разработана тезауруснаямодель, <1 восприятия и понимания учебной информации фундаментальных дисциплин с позиции информационного подходаопределены условия информационного взаимодействия преподавателя и студента в рамках учебной деятельности по визуализации содержания учебной информации фундаментальных дисциплин, обеспечивающие повышение уровня их понимания;

— разработана методика визуализированного обучения педагогов-бакалавров профиля «Информатика» фундаментальным информационным и математическим дисциплинам профессионального цикла, которая позволяет повысить уровень понимания учебного материала при обучении студентов с применением средств ИКТ и методов компьютерной визуализации информации и знаний.

Теоретическая значимость исследования заключается: в уточнении понятия «понимание учебного материала фундаментальных дисциплин предметной подготовки бакалавров профиля «Информатика" — в уточнении понятий «визуализация учебной информации» и «визуализация знаний», а также классификации методов визуализации учебной информации и знанийв определении требований к представлению учебного материала с помощью методов визуализации информации и знаний, а также к учебной деятельности студентов по визуализации полученных знанийв определении и обосновании показателей и критериев (полноты, глубины и степени покрытия) понимания учебной информации.

Практическая значимость исследования: Разработанная методика визуализированного обучения с комплексом дидактических средств: учебное пособие, учебно-методический комплекс, лабораторный практикум в среде Мар1е, электронный учебник с применением методов визуализации, диагностические материалы уровня понимания курса «Математическая физика" — может быть использована в учебном процессе педагогических вузов «при подготовки бакалавров педагогического образования по профилям «Физика», «Математика» и «Информатика» в соответствии с ФГОС ВПО третьего поколения, а также в системе повышения квалификации учителей.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Обновление методики обучения фундаментальным дисциплинам предметной подготовки бакалавров профиля «Информатика», удовлетворяющей современным требованиям к качеству их предметной подготовки обеспечивается за счет повышения уровня понимания учебного материала с помощью средств и методов визуализации информации и знаний, адекватных когнитивным характеристикам студентов;

2. Тезаурусная модель восприятия и понимания учебной информации фундаментальных дисциплин предметной подготовки бакалавров, основанная на двух свойствах чувственного образа (полноте, глубине) и степени покрытия тезаурусом приемника источника информации, позволяет разработать измерители и диагностики уровня понимания, а электронные способы представления учебных материалов: ментальные карты, логико-графические структуры, трехмерный текст, иллюстрации, математические пакеты решения прикладных задач в условиях компьютерного обучения обеспечивают визуализацию информации и знаний, нацеленную на повышение уровня понимания изучаемых фундаментальных дисциплин;

3. Методика визуализированного обучения бакалавров курсу «Математическая физика», использующая электронные средства обучения, программные средства для моделирования и анализа решаемых задач, «субъект-субъектные» отношения информационного взаимодействия преподавателя и студента повышает качество усвоения этого курса.

Апробация и внедрение результатов осуществлялись в соответствии с основными этапами исследования в ходе теоретической и экспериментальной работы. Основные теоретические положения и результаты' диссертационного исследования обсуждались V назаседаниях кафедры информатики и вычислительной техники (ИВТ) института математики, физики и информатики (ИМФИ) КГПУ им. В. П. Астафьева (Красноярск, 2007;2011 гг.), на межвузовских научно-методических семинарах отделения информатики ИМФИ КГПУ им. В. П. Астафьева (Красноярск, 2007;2011), были представлены в докладах на международных (Новосибирск, 2011), всероссийских (Красноярск, 2007;2011, Новосибирск, 2007, Елец, 2007) конференциях.

Результаты исследования апробировались в период проведения учебных занятий среди бакалавров физико-математического образования отделения информатики ИМФИ КГПУ им. В. П. Астафьева, обучающихся по профилю «Информатика», а также в филиалах ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный педагогический университет им. В.П. Астафьева» в г. Ачинск и г. Канск. В настоящее время методика визуализированного обучения успешно используется там же в процессе предметной подготовки будущих учителей информатики.

Имеются 14 публикаций по теме исследования [70−83], включая две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, а также учебное пособие по курсу «Математическая физика». Разработан электронный учебник по данному курсу с элементами визуализации информации и знаний.

Структура диссертации определена логикой научного исследования. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и четырех приложений. Текст диссертации содержит 6 таблиц, 29 схем и рисунков.

Выводы по третьей главе.

Организация обучения педагогов-бакалавров профиля «Информатика» фундаментальным дисциплинам предметной подготовки должна базироваться на понимании фундаментальных основ предметной области информатики, т.к. именно этот компонент является одним из наиболее важных требований к подготовке будущего учителя информатики, выражающихся в сформированных компетенциях.

Разработанная нами методика визуализированного обучения, ориентированная на понимание учебного материала, и проведенный педагогический эксперимент по апробации методики в процессе обучения педагогов-бакалавров профиля «Информатика» фундаментальным дисциплинам предметной подготовки позволяют сделать следующие выводы:

1. Использование методики визуализированного обучения в процессе подготовки будущего учителя информатики позволяет повысить уровень понимания фундаментальных основ предметной области информатики за.

I ' ' 4 * ' | счет применения методов визуализации информации и знаний' в 4 -представлении учебного материала.

2. В проектной деятельности студентов в условиях визуализированного обучения видоизменяется характер информационного взаимодействия между преподавателем и студентом, которое сменяется с «субъект-объектного» на «субъект-субъектное». Такая форма взаимодействия вызвана необходимостью организации активной деятельности обучаемого, где студенты самостоятельно визуализируют изучаемый материал в рамках проектно-исследовательской деятельности. Активная деятельность в процессе обучения является обязательным условием понимания учебного материала.

3. Проектно-исследовательская деятельность в рамках визуализированного обучения позволяет:

— отобразить в наглядной форме структуру знаний студента;

— углубить и расширить знания обучаемого в изучаемой предметной области;

— научить основным методам сбора, обработки и систематизации информации по исследуемой проблеме в предметной области информатики;

— обучить методам визуализации информации и знаний по представлению учебных материалов.

4. В связи с тем, что визуализированное обучение ориентировано на понимание учебной информации, его результаты должны описываться в достигнутом уровне понимания. Таким образом, на начальном этапе реализации методики диагностируется уровень понимания опорных знаний изучаемой дисциплины, на основе чего строится дальнейший процесс обучения. По завершению курса также проводится диагностика уровня понимания уже пройденного материала дисциплины.

5. Основные итоги педагогического эксперимента подтверждают эффективность разработанной методики визуализированного обучения будущих учителей информатики фундаментальным дисциплинам предметной подготовки.

Заключение

.

В ходе решения поставленных в исследовании задач были получены следующие результаты.

1. Анализ современной системы высшего профессионального образования позволил выделить в качестве важнейшей составляющей обучения педагога-бакалавра профиля «Информатика» фундаментальную подготовку, а также определить основные требования к профессиональной подготовке (а, соответственно, к фундаментальной, как ее части), которые выражаются не только в виде полученных знаний, умений и навыков, но и в виде сформированных компетенций, неотъемлемым компонентом которых является процесс понимания.

Понимание фундаментальных основ предметной области информатика является обязательным условием качественной профессиональной подготовки будущего учителя информатики. Именно процессы понимания учебного материала обеспечивают студента твердым запасом знаний, рассчитанным на длительную перспективу, а также пригодного для учебной и профессиональной деятельности. ' 1 *.

2. Анализ понимания учебного материала как дидактической проблемы, существующих подходов к ее решению, а также особенностей когнитивных процессов будущих учителей информатики показал, что обучение педагогов-бакалавров профиля «Информатика» фундаментальным дисциплинам, ориентированное на понимание, может реализоваться с помощью методики визуализированного обучения. Основой такого обучения должны служить методы наглядного представления учебного материала, адаптации информации под тезаурус обучаемого, практического применения знаний и активной деятельности учащихся.

3. Построенная тезаурусная модель понимания учебного материала на основе процессов его восприятия, запоминания и воображения позволила выделить основные измерители понимания: полнота понимания, связанная с содержанием образа в тезаурусе человека, глубина, описывающая структуру тезауруса и связи между образами, а также степень покрытия сообщения тезаурусом приемника, описывающая связь между внутренними образами и их отражением в реальном мире.

Выделенные измерители позволили нам построить диагностику уровня понимания, в показателях которой могут быть описаны результаты визуализированного обучения фундаментальным дисциплинам предметной подготовки будущего учителя информатики.

4. Анализ существующих подходов к визуализации учебного материала позволил сформировать комплекс методов визуализации информации и знаний применительно к учебному материалу фундаментальных дисциплин. Использование данных методов в представлении учебной информации позволят не только структурировать, наглядно представить ее и поддержать мышление студентов на наглядно-образном и абстрактном уровнях, но также адаптировать тексты под тезаурус и нужды обучаемого.

5. Исходя из специфики тезаурусной модели восприятия и понимания учебного материала, нами были определены требования к его представлению ' с помощью методов визуализации информации и знаний, отвечающие целям обучения, ориентированных на понимание. В зависимости от смысла, вкладываемого в формируемые образы, планируемой структуры знаний, а также возможностей наглядного представления передаваемой информации, в изображении каждой конструкции учебного текста необходимо применять определенные методы визуализации.

6. Разработанная методика визуализированного обучения фундаментальным дисциплинам предметной подготовки педагогов-бакалавров профиля «Информатика» обеспечивает понимание учебного материала за счет применения в процессе обучения студентов электронных средств обучения, использующие методы визуализации информации и знаний, программных средств для моделирования и анализа решаемых задач, а также смены информационного взаимодействия преподавателя и студента с «субъект-объектного» на «субъект-субъектное» отношение.

Субъект-субъектные" отношения между преподавателем и студентом реализуются в рамках проектно-исследовательской деятельности, что связано с необходимостью организации активной деятельности обучаемого, как неотъемлемого условия формирования понимания учебного материала.

7. Эффективность предлагаемой методики была доказана в ходе педагогического эксперимента с помощью разработанных диагностических материалов определения уровня понимания содержания фундаментальных дисциплин.

Все вышеперечисленное подтвердило достижение основной цели исследования, верность его гипотезы.