Система обучения информатике будущих учителей химии и биологии, основанная на использовании технологии графического программирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 13.00.02, кандидат педагогических наук Константинян, Тигран Каренович

• Константинян, Тигран Каренович
• кандидат педагогических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат педагогических наук Константинян, Тигран Каренович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ОБУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИКЕ БУДУЩИХ ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ ХИМИИ И БИОЛОГИИ.

1.1. Современные подходы к обучению информатике будущих учителей химии и биологии.

1.2. Виртуальные лаборатории и возможности их использования в образовании.

1.3. Графическое программирование как технология создания виртуальных лабораторий, ориентированных на обучение информатике будущих учителей химии и биологии.

1.4. Применение технологии графического программирования Lab VIEW в обучении информатике студентов педагогических специальностей вузов.

ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОБУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИКЕ БУДУЩИХ УЧИТЕЛЕЙ ХИМИИ И БИОЛОГИИ.

2.1. Определение целей и принципов подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии.

2.2. Разработка содержания и методов обучения информатике будущих учителей химии и биологии, основанных на использовании технологии графического программирования.

2.3. Программные и технические средства, применяемые в обучении будущих учителей химии и биологии технологии графического программирования Lab VIEW

2.4. Проверка эффективности использования графического программирования при обучении информатике будущих учителей химии и биологии.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система обучения информатике будущих учителей химии и биологии, основанная на использовании технологии графического программирования»

Актуальность исследования. Приоритетным направлением развития современной педагогической науки является совершенствование подготовки студентов педагогических вузов, ведущее к осознанному, эффективному и творческому использованию средств информационных технологий. Возрастающая потребность в специалистах, способных эффективно использовать информационные технологии, ставит новые задачи в организации и модернизации общего и специализированного образования и, как следствие, собственно процесса подготовки преподавателя, способного решать новый класс профессиональных задач.

К настоящему времени уже создан значительный теоретический фундамент, позволяющий в достаточно широком контексте рассматривать проблему информатизации образовательного процесса, выявлены психологические основы использования компьютерной техники в учебном процессе. Вместе с тем ряд вопросов подготовки студентов естественнонаучных факультетов педагогических вузов в области методики обучения и воспитания школьников в условиях информатизации образования проработан в недостаточной мере. В частности, возникает необходимость критического осмысления отечественного и зарубежного опыта подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии.

В настоящее время для подготовки таких педагогов используются достаточно общие по своему характеру системы обучения информатике, предназначенные для педагогических вузов в целом. В числе авторов, посвятивших свои научные труды становлению и развитию курса информатики для педагогических вузов можно отметить Т.А. Бороненко, С.Г. Григорьева [24], В.Е. Жулокалова, A.A. Кузнецова [55], М.П. Лапчика, И.В. Левченко, A.B. Могилева, Н.И. Пака, Е.К. Хеннера и других.

Проблемам возможностей и дидактической целесообразности использования средств информационно-коммуникационных технологий

ИКТ) посвящено значительное количество исследовательских работ, касающиеся задач и методов преподавания естественнонаучных дисциплин, ориентированные на качественно новое, отвечающее современным требованиям обучение будущих учителей химии и биологии по профильному курсу. Концепция применения ИКТ в учебном процессе сформировалась благодаря трудам ряда отечественных и зарубежных ученых, среди которых следует отметить работы Б.Ф. Ломова, О.К. Тихомирова [122], В.В. Рубцова [99, 100], Н.Ф. Талызиной [117-119], Т.В. Габай [18], Е.И. Машбиц [69], И.В. Роберт [94-97], А.Л. Семенова и др. Анализу компонент педагогической деятельности преподавателей, эффективность которых может быть повышена с использованием ИКТ посвящены работы Н.Ф. Талызиной [117-119], И.В. Роберт [94-97], Т.А. Сергеевой, Т.В. Габай [18] и другие.

Работа педагога в школьном классе химии или биологии связана с навыком проведения демонстраций различного рода явлений, например, химических реакций или развития организмов под влиянием факторов роста, а также клеточные превращения, наблюдаемые лишь при наличии соответствующего оборудования. В связи с этим особое место при подготовке педагогов в области химии и биологии занимают информационные технологии, связанные с созданием наглядных виртуальных демонстраций. Существенными возможностями с точки зрения проведения демонстраций обладают виртуальные лаборатории, создание которых может осуществляться с использованием технологии графического программирования. С учетом этого особенности их разработки и использования должны найти соответствующее отражение при подготовке учителей химии и биологии в области информатики.

Графическим (визуальным) программированием называется программирование, предназначенное для написания программ для компьютера или вычислительного устройства, в котором вместо текстового описания алгоритма используется графическое описание. К графическому программированию можно отнести генерацию кода по блок-схемам.

Графическому программированию посвятили свои исследования Е.А. Балыко [7], Д.М. Ксенофонтов, Н.Б. Куншина [89], В.Е. Махов, П.М. Михеев, Р.Г. Насырова, Д.В. Погодин, А.И. Потапов [68], Ф.В. Потёмкин, А.Г. Самойлов, Г.Г. Сергеев, И.А. Степаненко, Д.С. Шантырь и другие.

Виртуальными лабораториями называются программно-аппаратные комплексы, позволяющие проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном отсутствии таковой. Среди авторов, посвятивших свои исследования виртуальным лабораториям, следует отметить Д.А. Бобылёва, O.A. Великосельского, Е.А. Гаджиеву, К.С. Гамбург [20], C.B. Григорьеву [28], В.А. Зелепухину, П.Г. Круга, С.Е. Лозовского, О.И. Ляша, A.B. Меженина, А.Э. Панфилова, П.А. Рахмана, П.Г. Шилова. В то же время проблемы изучения технологии графического программирования с целью последующего создания и применения виртуальных лабораторий до сих пор не решены применительно к курсу информатики для будущих учителей химии и биологии.

Анализ методической системы обучения информатике будущих учителей химии и биологии свидетельствует о: недостаточной подготовке педагогов к использованию информационных технологий и, в частности, виртуальных лабораторий в последующей профессиональной деятельности; отсутствии методов обучения технологии графического программирования, предусматривающих подготовку педагогов к созданию и применению виртуальных лабораторий, соответствующих реальным экспериментам;

- необходимости поиска программных средств и технологий для создания виртуальных лабораторий, использование которых было бы возможно в качестве средств обучения.

Таким образом, имеет место противоречие между необходимостью формирования у будущих учителей химии и биологии в процессе обучения информатике знаний и умений в области создания виртуальных демонстраций химических и биологических экспериментов, с одной стороны, и, с другой стороны, отсутствием методической системы подготовки по информатике студентов химических и биологических специальностей педагогических вузов, предусматривающей обучение графическому программированию как технологии создания виртуальных лабораторий.

Приведенное выше противоречие позволяет сформулировать проблему исследования, заключающуюся в отсутствии методической системы обучения информатике для студентов - будущих учителей химии и биологии, способствующей приобретению знаний и умений в области графического программирования и создания наглядных виртуальных демонстраций, необходимых для последующей профессиональной деятельности.

Целыо исследования является совершенствование методической системы обучения информатике студентов педагогических вузов, обучающихся по специальностям «учитель химии» и «учитель биологии», направленное на формирование знаний и умений в области создания наглядных виртуальных демонстраций химических и биологических экспериментов с использованием технологии графического программирования.

Объект исследования: система обучения информатике будущих учителей химии и биологии в педагогических вузах.

Предмет исследования: содержание, методы и средства обучения технологии графического программирования в рамках курса информатики для студентов педагогических вузов, обучающихся по специальностям «учитель химии» и «учитель биологии».

Гипотеза исследования: если система обучения информатике будет предусматривать знакомство с технологией графического программирования, то это будет способствовать формированию у будущих учителей химии и биологии готовности к созданию и использованию виртуальных лабораторий и наглядных виртуальных демонстраций химических и биологических экспериментов, что, в конечном итоге, будет влиять на повышение эффективности последующей профессиональной деятельности выпускников педагогических вузов.

Цель, объект, предмет и гипотеза исследования обусловили необходимость решения следующих задач:

1. Проанализировать специфику подготовки и выявить особенности обучения информатике будущих учителей химии и биологии в педагогическом вузе;

2. Определить возможности применения технологии графического программирования при создании виртуальных лабораторий по химии и биологии;

3. Определить цели и принципы подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии;

4. Разработать содержание и методы обучения технологии графического программирования в курсе информатики для студентов химических и биологических специальностей педагогических вузов;

5. Выявить программные и технические средства, необходимые для обучения технологии графического программирования в курсе информатики;

6. Экспериментально проверить эффективность системы обучения информатике будущих учителей химии и биологии.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: анализ педагогической литературы по химии, биологии, информатике; изучение литературы в области графического программирования; анализ вузовских стандартов, учебников и учебных пособий по курсу информатики будущих учителей химии и биологии; статей и докладов по тематике работы; изучение и обобщение педагогического опыта; анализ учебного процесса и учебно-познавательной деятельности; экспериментальный метод при апробации курса в учебном процессе.

Теоретико-методологической основой исследования являются научные труды:

- в области философии и психолого-педагогической науки (Ю.К. Бабанского, В.П. Беспалько, Л.С. Выготского, П.Я. Гальперина, В.В. Давыдова, В.В. Краевского, А.Н. Леонтьева, И .Я. Лернера, М.Н. Скаткина, Н.Ф. Талызиной, Л.М. Фридмана, и др.);

- в области информатизации образования (С.Г. Григорьева, В.В. Гриншкуна, Т.Ю. Ильиной, К.К. Колина, В.М. Монахова, C.B. Патоковой, И.В. Роберт, Н.В. Сафроновой, O.K. Филатова, И.А. Щербакова и др.);

- методики обучения информатике (С.А. Бешенкова, Т.А. Бороненко, А.Р. Есаяна, В.Е. Жужжалова, О.Ю. Заславской, Т.Б. Захаровой, A.A. Кузнецова, И.В. Левченко, А.Я. Фридланда);

- в области обучения технологии графического программирования (В.В. Андреева, Е.Т. Володарского, А.Г. Калашникова, В.И. Королькова, A.B. Пеца, Ю.М. Туза, Г.Н Уварова, A.M. Умнова, Д.В. Чупрова, R. Baecker, А. Berztiss, M. Brown, R. Chandhok, С. Christensen, О. Clarisse, R. Grafton, T. Ichikawa, E. Jungert, R. Korfhage, B. A. Myers, A. Sareen, R. Sedgewick, D. Smith, W. Sutherland, M. Zloof, и др.).

Научная новизна исследования состоит в следующем:

1. Обосновано, что графическое программирование является эффективной технологией для создания химических и биологических демонстраций и виртуальных лабораторий, значимых с точки зрения обучения химии и биологии;

2. Выявлено, что знакомство с технологией графического программирования в сочетании с применением виртуальных лабораторий способствует эффективному формированию у педагогов готовности к использованию указанных средств в обучении школьников химии и биологии;

3. Определены принципы обучения технологии графического программирования студентов педагогических вузов, ориентированные на моделирование реальных химических и биологических экспериментов, значимых для профессиональной деятельности учителей химии и биологии.

Теоретическая значимость исследования заключается в том, что обоснована необходимость введения раздела «Технология графического программирования при создании виртуальных лабораторий» в содержание курса информатики для будущих учителей химии и биологии. Определены принципы подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии с использованием технологии графического программирования, в частности, принципа графического представления учебного материала при создании виртуальных лабораторий.

Практическая значимость исследования состоит в том, что отобраны учебные материалы по технологии графического программирования, необходимые будущим учителям химии и биологии, разработаны методы обучения технологии графического программирования для создания виртуальных лабораторий и реальных демонстраций по курсам химии и биологии; в частности, созданы лабораторные работы по информатике по созданию наглядных демонстраций в среде ЬаЬУ1Е\¥, изображающих изменение температуры растений в зависимости от комнатной температуры, зависимость скорости реакции окисления цинка от температуры, а также другие лабораторные работы.

Достоверность результатов исследования обеспечивается опорой на основные положения педагогики и психологии, апробацией материалов исследования в реальном учебном процессе по информатике в рамках подготовки будущих учителей химии и биологии в педагогическом вузе, итогами педагогического эксперимента.

Экспериментальной базой исследования являлась кафедра информатизации образования Института математики и информатики ГОУ ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет» Исследование проводилось с 2007 по 2011 годы в Институте естественных наук ГОУ ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет» и включало в себя три этапа.

На первом этапе (2007-2008 г.г.) было изучено теоретическое и практическое состояние проблемы обучения информатике студентов -будущих учителей химии и биологии, исследованы различные теории обучения путем анализа учебной, философской, психолого-педагогической, методической и специальной литературы, периодических изданий и статей по тематике исследования; выявлены возможные подходы к обучению технологии графического программирования в курсе информатики.

На втором этапе (2008-2009 г.г.), исходя из проделанной работы, были определены цели, задачи, основные методы, объект, предмет исследования, сформулирована гипотеза исследования, выявлены основные компоненты экспериментальной технологии. На этом же этапе подготовлены дидактические и методические материалы и проведена их апробация, структурирован учебный материал, разработано содержание раздела курса информатики «Технология графического программирования при создании виртуальных лабораторий».

На третьем этапе (2009-2011 г.г.) проводились экспериментальное обучение по разработанной методике с целью выявления ее эффективности; обработка полученных данных на основе математической статистики; анализ, систематизация, обобщение, содержательная интерпретация и оформление диссертационного исследования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Внедрение раздела, посвященного технологии графического программирования, в курс информатики для будущих учителей химии и биологии способствует формированию у будущих педагогов готовности к использованию наглядного моделирования химических и биологических экспериментов в виртуальных лабораториях для более качественного обучения школьников химии и биологии;

2. Учет принципа графического представления учебного материала при создании виртуальных лабораторий, а также других выявленных принципов при обучении технологии графического программирования способствует повышению интереса студентов к изучению информатики и, как следствие, способствует формированию у учителей потребности к применению информационных и телекоммуникационных технологий в педагогической деятельности;

3. Использование программной оболочки графического программирования ЬаЬУ1Е\¥ способствует эффективному обучению студентов информатике и влечет за собой развитие у будущих педагогов профессиональных качеств, значимых для визуализации химико-биологических экспериментов.

Апробация и внедрение результатов диссертационного исследования. Основные результаты исследования апробированы на XVI, XVIII и XIX Международных научных конференциях «Информационные технологии в образовании (ИТО)» (Москва, 2006, 2008, 2009), на Международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2009), Первой международной конференции «Образование в сфере нанотехнологий: современные подходы и перспективы» (Москва, 2010), научных семинарах и заседаниях кафедры информатизации образования Института математики и информатики ГОУ ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет» (2007-2011).

Результаты диссертационного исследования внедрены в процесс подготовки студентов - будущих учителей химии и биологии в ГОУ ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет».