Программно-методический комплекс как средство повышения качества обучения в области математического моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 13.00.02, кандидат педагогических наук Бубенщикова, Ирина Александровна

• Бубенщикова, Ирина Александровна
• кандидат педагогических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат педагогических наук Бубенщикова, Ирина Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ПМК И МЕТОДИКИ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ОБУЧЕНИИ МАТЕМАТИЧЕСКОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ.

1.1 Место и роль информационно-коммуникационных технологий в современном образовательном процессе.

1.2 Роль математического моделирования в математическом образовании.

1.3 Теоретические основы методической системы обучения математическому моделированию с использованием программнометодического комплекса.

Выводы.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРИ ИЗУЧЕНИИ РАЗДЕЛА «МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК»

2.1 Реализация разработанной методической системы обучения на основе использования программно-методического комплекса.

2.2 Организация учебного процесса на основе использования программно-методического комплекса.

2.3 Организация педагогического эксперимента и анализ его результатов.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Программно-методический комплекс как средство повышения качества обучения в области математического моделирования»

Актуальность исследования

Развитие информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) касается практически всех сфер жизнедеятельности человека. Не составляет исключение и образование — одна из важнейших составляющих развития современного общества.

На основе анализа перечисленных ниже документов и материалов следует отметить, что в последние годы в России складываются благоприятные условия для дальнейшего развития информационного образовательного пространства.

- Государственная программа «Обоснование и развитие инновационной экономики: внедрение современной модели образования в 2009-2012 годы»;

- Федеральная целевая программа развития образования на 2006-2010 годы (далее — ФЦПРО) утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 23 декабря 2005 г. № 803;

- «Стратегия развития направления информатизации образования ФЦПРО на 2008-2010 годы», одобренная решением Научно-координационного совета Минобрнауки (протокол №7 от 30 июля 2007 г.);

- результаты, полученные в течение 2006-2007 гг. в рамках проектов ПНПО, ФЦПРО, ФЦП «Электронная Россия» и «Информатизация системы образования» [127].

Внедрение и широкое использование ИКТ в образовании (в частности в математическом образовании) является уже неоспоримым фактом. Методика использование средств ИКТ в математическом образовании становится предметом обсуждения многочисленных публикаций, форумов, конференций. Примером могут служить регулярно проводимые российские и международные конференции:

- Всероссийская- научно-практическая конференция «Информационные1 технологии в образовании и науке»;

- ежегодная Всероссийская конференция «Информатизация образования»;

- Международная научно-практическая конференция «Современные достижения в науке и образовании: математика и информатика»;

- ежегодная International Conference on Information Communication Technologies in Education (Международная конференция по ИКТ в образовании).

Однако, несмотря на огромное количество научных мероприятий и публикаций по применению ИКТ в математическом образовании, следует отметить, что этот процесс еще находится только в начале пути, еще только формируется представление о том, какие формы применения ИКТ в образовании наиболее эффективны и оправданы [120]. Методические аспекты применения ИКТ в процессе обучения математическим дисциплинам еще далеко не совершенны и не полностью разработаны.

Вопросами информатизации математического образования занимаются многие исследователи — А.П. Ершов, JÏ.X. Зайнутдинова, М.П. Лапчик, Г.Г. Левитас, Л.П. Мартиросян, Н.И. Пак, М.И. Рагулина, И.В. Роберт, и др. В качестве основной идеи исследований рассматривается необходимость внедрения средств ИКТ в процесс обучения математическим дисциплинам с целью совершенствования методической системы обучения, формирования у обучаемых навыков осуществления самостоятельной исследовательской деятельности.

Образовательный процесс с применением современных информационных технологий становится в передовых учебных заведениях новым стандартом образования. Внедрение ИКТ в образовательный процесс является одним из действительно результативных способов повышения качества обучения. Достижение результативности становится возможным благодаря интерактивности, мощным возможностям ветвления учебного процесса, что* позволяет обучаемому субъекту прямо включиться в интересующую его тему.

Широкое внедрение информационных технологий в образовательный процесс заставляет ставить и решать все более усложняющиеся задачи образования на новом уровне. Современная система образования предъявляет новые требования к использованию ИКТ — недостаточно просто внедрить их в образовательный процесс и ждать, что произойдут революционные изменения. ИКТ необходимо рассматривать в совокупности с другими звеньями учебного процесса: целями, содержанием, формами и методами, деятельностью преподавателя и студента. Все эти звенья взаимосвязаны, и изменения в одном из них влечет изменения во всех других.

Средства ИКТ настолько стремительно врываются в сферу образования, что возникает необходимость модернизации устоявшихся методов обучения. Наиболее актуальны изменения в средствах и технологиях обучения. Особое внимание при этом уделяется активному внедрению новых форм и средств обучения, основанных на применении ИКТ. Система современного российского образования находится на пути существенных преобразований, о чем свидетельствуют правительственные документы в области образования (такие, например, как «Концепция модернизации российского образования»», «Программа информатизации образования», «Федеральная целевая программа развития образования»). Одной из главных целей этих программ является создание условий для поэтапного перехода к новому уровню образования на основе информационных технологий.

Анализируя исследования отечественных (В.П. Беспалько, Е.С. Полат, Е.И. Машбиц, И.В. Роберт, Н.Л. Дашниц, Н.Д. Угринович и др.) и зарубежных (С. Пейперт, Ф. Майор и др.) авторов приходим к тем же выводам — о необходимости информатизации образования и широкого повсеместного внедрения информационных технологий в процесс преподавания различных дисциплин, в том числе и математических.

Принято рассматривать два основных направления в использовании ИКТ в образовательном процессе. Первое — обеспечение всеобщей компьютерной грамотности, второе— использование ИКТ для создания электронных средств учебного назначения (ЭСУН). Первому направлению на сегодняшний день посвящено множество разработок, книг, учебных пособий, поэтому его касаться не будем. Второе направление является действенным инструментом в арсенале преподавателей.

Использование ЭСУН позволяет усилить эффективность обучения за счет сокращения времени овладения материалом и, следовательно, расширить круг изучаемых вопросов, существенно раскрыть интеллектуальный потенциал студентов, развивать их познавательный интерес, что дает стимул для последующей активной самостоятельной работы.

Таким образом, как один из эффективных путей модернизации образовательного процесса можно выделить разработку и внедрение в учебный процесс ЭСУН в дополнение к уже имеющемуся учебно-методическому обеспечению. В частности, к таким средствам можно отнести программно-методические комплексы.

Разработка и использование ПМК в учебном процессе позволяет успешно решать новые задачи образования. В соответствии с концепцией ком-петентностного подхода смещается акцент с получения обучаемыми определенной суммы знаний на развитие у них умений и навыков самостоятельного приобретения этих знаний. Опыт использования ПМК в процессе обучения математическим дисциплинам показывает, что у студентов, активно работающих с компьютером, формируется более высокий уровень навыков самообразования: умение ориентироваться в бурном потоке информации, умение выделять главное, сравнивать, делать выводы [60].

Очевидно, что с появлением и совершенствованием ПМК должны принципиально измениться учебные программы, планы лекций и практических занятий, а также роль преподавателя в учебном процессе.

В контексте данного диссертационного исследования рассмотрена одна из сторон процесса информатизации образования — использование комплекса информационно-коммуникационных технологий для создания и использования в учебном процессе новых форм педагогических программных продуктов — программно-методических комплексов. Также рассмотрена методика организации обучения и особенности учебной деятельности студентов с применением ПМК (на примере изучения раздела математического моделирования «Математические модели естественных наук»).

В сфере профессионального образования математическое моделирование является обязательным разделом подготовки современных специалистов, в основе обучения которых лежит математика, так как его целями и задачами являются формирование основ научного мировоззрения, развитие у студентов модельного мышления, умения делать оценки, выделять главное и так далее [120]. Привлечение математического моделирования используется как в базовом школьном курсе математики, так и в системе высшей школы. Следует отметить, что ряд дисциплин, изучаемых в вузах, содержат в своем название термин «моделирование» или использует элементы моделирования в содержании. Это совершенно естественно, поскольку моделирование систематизирует мышление, позволяет выявить закономерности в материалах исследования, которые на первый взгляд не всегда очевидны.

Таким образом, математическое моделирование в современном информационном обществе становится регулярной, обязательной частью содержания математического образования. Вопросам методики преподавания моделирования уделяется внимание в работах А.Т. Кушниренко, M.J1. Лапчика, Н.В. Макаровой, К.И. Пака, Е.К. Хеннера и др. Анализ этих и других работ убеждает в том, что использования средств ИКТ в процессе обучения является эпизодическим, зачастую ЭСУН используются для изучения отдельных тем, для решения локальных задач.

Использованию специализированных математических пакетов (Mathcad, MATLAB, Mathematica, Maple и др.) при изучении дисциплин, связанных с математическим моделированием уделяют внимание ряд авторов — В.Н. Говорухин, В.П. Дьяконов, JI.A. Мироновский, C.B. Поршнев, В.Г. Рубан, Ю.Ю. Тарасевич, В.Г. Цибулин. Однако использование- перечисленных программных продуктов в учебном процессе не всегда оправдано, так как необходимо приобретение довольно-дорогостоящих лицензий на их использование. Кроме того необходимо обучить студентов основам работы с программным продуктом, что достаточно трудоемко, особенно если учитывать временные ограничения.

Некоторые вопросы, касающиеся методики преподавания дисциплин, связанных с математическим моделированием, рассмотрены в диссертационных исследованиях Е.В. Бугайко, О.В. Оськиной, А.О. Прокубовской, A.B. Рябых, Э.Т. Селивановой, H.A. Тарасовой, Ю.Ф. Титовой.

Следует отметить основные направления этих исследований:

- математическое моделирование рассматривается как раздел базового курса информатики [109, 126];

- математическое моделирование выступает как средство обучения [95, 124];

- методика обучения математическому моделированию рассмотрена узконаправленно (например, для учителей физики или для учителей информатики) [81, 25].

Кроме того в исследованиях недостаточно внимания уделяется особенностям использования средств ИКТ в процессе обучения, не учитывается специфика специальностей, на которых изучается дисциплина, не рассмотрено влияние использования средств ИКТ на качество обучения. Следует отметить, что часть работ выполнены до 2005 года, а как известно за последние время образование претерпело множество изменений как в отношении содержания курса, так и в отношении средств организации учебного процесса.

Методическая система обучения математическому моделированию на основе использования специализированных программных продуктов до сих пор не определена. Вопросы организации учебного процессах использованием ПМК по дисциплинам, связанным с математическим моделированием, до сих пор остаются открытыми. Об этом свидетельствуют следующие факты:

1) математическое моделирование представлено небольшим количеством программных комплексов вообще и в частности тех, содержание которых соответствует ГОСу;

2) математическое моделирование это относительно новый раздел, поэтому разработки методик преподавания с использованием компьютерных моделирующих программ еще не завершены окончательно;

3) на сегодняшний день количество учебных пособий незначительно. Большинство из них являются узкоспециализированными, например: [32, 82, 116]. Лишь несколько учебников охватывают общий курс [51,73, 113, 121], некоторые из них малочисленны и труднодоступны.

С учетом вышеизложенного, получаем противоречие: с одной стороны, математическое моделирование является одним из важнейших разделов вузовского курса математики, а, с другой стороны, наблюдается недостаточная методическая проработанность содержания, организационных форм и методов обучения данному разделу математики, остро ощущается недостаток учебных и методических пособий. Это определяет актуальность исследования, состоящую в устранении данного противоречия.

Одна из возможностей устранения данного противоречия — использование ИКТ для создания ПМК, применяемого в организации образовательного процесса в вузе по дисциплинам, связанным с математическим моделированием.

Выбор темы исследования определен необходимостью модернизации учебного процесса в условиях современного образования, что становится актуально в связи с тем, что ГОСом вводятся определенные ограничения времени на теоретическое обучение по сравнению с практическим. Это обстоятельство вынуждает искать новые технологии обучения и совершенствования существующих методик.

В рамках диссертационного исследования рассмотрено комплексное использование ИКТ для создания ПМК на примере раздела математики «Математические модели естественных наук». Выбор раздела «Математические модели естественных наук» обусловлено следующими обстоятельствами:

1) математическое моделирование — достаточно развернутый раздел математики, материалы которого варьируются в зависимости от факультета и специальности. Так, математическое моделирование для экономистов и программистов имеет просто разительные отличия [118]. Однако имеются и общие разделы. Таким является раздел «Математические модели естественных наук», который входит в ряд учебных дисциплин различных специальностей. В частности это следующие дисциплины: «Математические модели в естествознании и методы их исследования» специальность 010501.65 и направление 010500.62 «Прикладная математика и информатика»; «Концепции современного естествознания», направления 010200 «Математика. Прикладная математика», 010500 «Прикладная математика и информатика»; «Компьютерные модели популяционной динамики» для специальностей 010101 «Математика», 010300 «Математика. Компьютерные науки»; «Компьютерное моделирование» специальность 050202.65 «Информатика»; «Математические методы в биологии» для специальности 020201 «Биология»; «Информатика и математические методы в биологии» для специальности 020207 «Биофизика» и др.

2) раздел «Математические модели естественных наук» отличается широтой, возможностью максимальной реализации межпредметных связей математики, с одной стороны, и физики, биологии, экономики, информатики и других наук, с другой стороны;

3) модели, рассматриваемые в рамках данного раздела, наиболее наглядны и удобны для компьютерной реализации.

Широкое внедрение такого ПМК в учебный процесс будет способствовать лучшему пониманию и усвоению материала и позволит значительно расширить круг рассматриваемых вопросов. Такой комплекс может быть размещен в локальной сети вуза или в глобальной общедоступной сети Интернет, что. позволит использовать его в различных формах обучения -—дистанционной, очной, заочной.

Цель исследования: повышение: качества обучения в области математического моделирования путем использования в образовательном процессе программно-методического комплекса (на примере изучения раздела «Математические модели естественных наук»).

Объект исследования — процесс обучения разделу «Математические модели естественных наук» с использованием ПМК.

Предметом исследования является методика использования ПМК в образовательном процессе при изучении раздела «Математические модели естественных наук».

В основу исследования была положена следующая гипотеза: изучение раздела математического моделирования «Математические модели естественных наук» будет более эффективным, если:

1) в процессе обучения использовать ПМК;

2) разработать методическую систему обучения, основанную на применение ПМК;

3) при построении методики обучения сформировать системы заданий таким образом, чтобы:

- в заданиях были представлены разные предметные области;

- при подборе заданий использовались различные классы моделей.

Для достижения поставленной цели и проверки гипотезы в работе ставились следующие задачи:

1) изучить и проанализировать существующие подходы и методики использования средств ИКТ (в частности ПМК) в математическом образовании вуза;

2) определить методические пути, которые будут способствовать качественному изучению раздела математического моделирования «Математические модели естественных наук»;

3) разработать структуру ПМК, предназначенного для изучения обозначенного раздела математического моделирования;

4) практическая реализация ПМК и внедрение его в учебный процесс;

5) провести педагогический эксперимент с целью проверки эффективности применения разработанных материалов и оценить результаты;

В процессе работы использовались следующие методы исследования:

- теоретические: изучение, анализ и обобщение результатов по исследуемой проблеме изложенных в психолого—педагогической и методической литературе, диссертациях, публикациях научного характера; анализ государственных образовательных стандартов профессионального образования, содержания учебников и учебных пособий, учебно-методических изданий по рассматриваемому разделу и смежным дисциплинам; анализ компьютерных обучающих, тренировочных, контролирующих и комбинированных программных продуктов по смежным дисциплинам;

- эмпирические: анкетирование, беседа, интервьюирование, обобщение педагогического опыта, наблюдение за деятельностью преподавателей и студентов, педагогический эксперимент;

- практические: разработка и эксплуатация программных средств информационной образовательной среды, организация и проведение педагогического эксперимента; количественная и качественная обработка статистических данных, полученных в результате исследований.

Методологическую и теоретическую основу исследования составили фундаментальные работы в области педагогики и психологии, теории и методики информатизации образования, математического моделирования. К ним можно отнести:

- исследования в области педагогики, психологии, педагогической психологии (Ю.К. Бабанский, В.П. Беспалько, П.Я. Гальперин, В.И. Загвязинский, ч JI.B. Занков, Я.А. Коменский, И.Я. Лернер, М.М. Поташник и др.);

- психолого-педагогические основы компьютеризации обучения (Е.И. Машбиц, В.В. Рубцов);

- работы, связанные с математическим и компьютерным моделированием (У. Бекк, A.A. Богуславский, В. Вольтерра, В.А. Охорзина, B.C. Симанков, И.Ю. Щеглова и др.);

- теоретические исследования вопросов использования информационной технологии обучения (A.A. Андреев, С.А. Бешенков, Е.П. Велихов, А.Л. Денисов, A.A. Кузнецов, В.М. Монахов, В.Г. Разумовский, И.В. Роберт, О.Г. Смолянинова, В.И. Солдаткин, А.Ю. Уваров и др.)

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- разработан ПМК, предназначенный для изучения раздела математического моделирования «Математические модели естественных наук»;

- определены подходы к отбору содержания ПМК, позволяющие реализовать межпредметные связи;

- разработана методика использования ПМК, направленная на повышение качества обучения в области математического моделирования.

Теоретическая значимость: выявлены методические пути использования ПМК в области математического моделирования; разработана и обоснована методика обучения математическому моделированию (на примере раздела «Математические модели естественных наук») основанная на применении ПМК, что позволяет сосредоточиться на содержательной части изучаемых систем, изучать качественные особенности их поведения, не отвлека-ясь.на техническую реализацию.

Практическая значимость:

- отобран учебный материал для изучения раздела математического • моделирования «Математические модели естественных наук»;

- разработаны:

• программный комплекс «Виртуальная лаборатория сложных систем», размещенный в сети Интернет;

• программный комплекс «Виртуальная лаборатория математического моделирования в естественных науках», работающий в локальном режиме;

• программный комплекс «Живые системы», представленный в локальной версии и Интернет-версии;

• программный комплекс «Физика и химия материалов и покрытий», размещенный в сети Интернет;

- разработана методика проведения занятий с использованием ПМК, состоящая из следующих компонентов: целевого, содержательного, процес-суально-деятельностного, организационно-управленческого, контрольно-регулировочного;

- разработана система контроля знаний, включающая следующие компоненты: задания и вопросы по каждой модели; контрольные работы; индивидуальные задания; система многоуровневого тестирования.

Внедрение результатов исследования

Результаты исследования используются в учебном процессе Астраханского государственного университета (факультет математики и информационных технологий, кафедра прикладной математики и информатики), Московского государственного университета (биологический факультет, кафедры биофизики), Московского государственного университета печати (кафедра материаловедения), Южного федерального университета (факультет физики), на очной, заочной и дистанционной формах обучения, что подтверждается актами о внедрении, приведенными в Приложении:

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов обеспечиваются:

- опорой на фундаментальные методологические и теоретические положения исследования;

- использованием методов, адекватных поставленным задачам;

- положительным результатом педагогического эксперимента, подтверждающим достоверность выдвинутой гипотезы.

Этапы исследования

Исследование проводилось с 2003 г. по 2010 г. в несколько этапов.

На первом этапе (2003-2004 гг.) анализировалась педагогическая и психологическая литература с целью выявления теоретических основ разработки и использования компьютерных моделей в процессе обучения, проводился анализ учебников, учебных пособий, сборников задач для вузов, наблюдение за ходом учебного процесса по обучению математическому моделированию. На данном этапе была определена проблема, сформулированы цели, задачи и рабочая гипотеза исследования.

Второй этап (2004-2008 гг.). На этом этапе был проведен отбор моделей для исследования. Разработан комплекс заданий и контрольных работ, способствующих качественному и осознанному усвоению студентами основных понятий. Разрабатывалась модель ПМК, реализовывались его отдельные компоненты, совершенствовалось его инструментальное наполнение.

Разрабатывалась методика применения программного комплекса в учебном процессе. Определялись эффективные формы, методы и средства организации учебно-познавательной деятельности студентов, проводились срезовые контрольные работы и пробные лекционные и практические занятия интеграционного характера. Уточнялась формулировка гипотезы.

На третьем этапе исследования- (2009-2010 гг.) проводился обучающий эксперимент: апробирована разработанная методика обучения; разделу математического моделирования; обеспечивающая интеграцию курсов математики ш других наук; проводился: количественный и качественный анализ результатов эксперимента. А также на данном этапе были обобщены.и систематизированы материалы исследования; оформлен текст диссертационного исследования.

На защиту выносятся:

1. авторский ПМК, являющийся средством поддержки процесса преподавания раздела математического моделирования «Математические модели естественных наук»;

2. модель методики обучения разделу математического моделирования «Математические модели естественных наук», основанная на использовании ПМК;

3. система заданий, ориентированная на реализацию межпредметных связей;

Апробация диссертационного исследования

Апробация диссертационного исследования осуществлялся посредством выступлений и публикаций тезисов на различных научно-практических конференциях, в числе которых:

- Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ в области технологий электронного обучения в образовательном процессе, Белгород, 2010;

- Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ в области технологий электронного обучения в образовательном процессе, Белгород, 2010;

- XIV и XVI! ежегодные международные конференции «Математика. Компьютер. Образование» (Пущино 2006 г, 2008 г.);

- III и IV Всероссийские научные конференции «Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB» (Санкт-Петербург 2007 г, Астрахань 2009 г.);

- Всероссийская научно-практическая конференция «Информационные технологии в образовании и науке», Москва, 2006;

- Математическое моделирование, вычислительная механика и геофизика. V Школа-семинар, Ростов-на-Дону, 2007;

- XIV Международная конференция «Математика. Экономика. Образование», Ростов-на-Дону, 2006;

- ежегодные научные конференции АГУ «Неделя науки» (Астрахань. 2006-2010 гг.).

Работа «Научно-образовательный портал по математическому и компьютерному моделированию сложных систем», являющаяся составной частью диссертационного исследования, была поддержана грантом Губернатора Астраханской области в совместном конкурсе молодежных инновационных проектов Министерства промышленности, транспорта и связи Астраханской области и Астраханского государственного университета.

Работа «Разработка и использование программно-методического комплекса в процессе обучения в области математического моделирования», являющаяся составной частью диссертационного исследования, стала победителем Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ в области технологий электронного обучения в образовательном процессе по тематическому направлению «Разработка и использование электронных образовательных ресурсов в учебном процессе».

Диссертационное исследование было частично поддержано грантом РФФИ 07-07-00128 «Интернет-ориентированная кроссплатформенная интерактивная система визуализации математических моделей для сопряжения с пакетами научного программного обеспечения и специализированными научными базами данных».

Основное содержание диссертационного исследования отражено в восьми публикациях автора [17—24].

Личное участие автора в полученных результатах:

Все результаты, выносимые на защиту, получены соискателем лично. Тарасевичу Ю.Ю. принадлежит постановка задач. Пономарева И.С. принимала участие в разработке программного комплекса «Виртуальная лаборатория сложных систем» на начальной стадии его развития и в проведении педагогического эксперимента. Никульчеву Е.В., Кондратову А.П., Югано-ву A.B. принадлежит постановка задачи по разработке виртуальной лаборатории для решения расчетных задач полиграфического материаловедения и предоставление учебного материала по данной теме. Прочие соавторы принимали участие в разработке отдельных моделей.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 176 страниц.