Разработка системы разноуровневых дополнительных вопросов и заданий к элективному курсу по моделированию для повышения эффективности обучения информатике

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Программирование


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

Современный период общественного развития характеризуется интенсивным становлением новой образовательной парадигмы, основывающейся на изменении фундаментальных представлений о человеке и его развитии через образование. Требование освоения учащимися всех знаний, накопленных человечеством, уже давно не ставится перед современной общеобразовательной школой. Современный человек должен не только обладать неким объемом знаний, но и уметь учиться, то есть уметь решать проблемы в сфере учебной деятельности, а именно: определять цели познавательной деятельности, находить оптимальные способы реализации поставленных целей, использовать разнообразные информационные источники, искать и находить необходимую информацию, оценивать полученные результаты, организовывать свою деятельность, сотрудничать с другими учащимися.

Согласно Концепции профильного обучения на старшей ступени общего образования дифференциация образования на этом этапе осуществляется путем сочетания общеобразовательных курсов трех типов: базовых, профильных, элективных.

Базовые общеобразовательные курсы отражают общую для них инвариантную часть образования и направлены на завершение общеобразовательной подготовки учащихся. Профильные курсы обеспечивают углубленное изучение отдельных предметов и ориентированы в первую очередь на подготовку выпускников школы к последующему профессиональному образованию [3]. Именно за счет сочетания курсов этих двух типов реализуется первый, уровневый, подход к дифференциации содержания образования. Элективные же курсы призваны удовлетворить индивидуальные образовательные потребности и склонности каждого школьника. Именно они, по существу, являются важнейшим средством построения индивидуальных образовательных программ, так как в наибольшей степени связаны с выбором каждым школьником содержания образования в зависимости от его собственных интересов, способностей, последующих жизненных планов, с формированием умений и способов деятельности для решения практически важных задач. На сегодняшний день именно в системе элективных курсов легче реализовать второй, профильный, подход к дифференциации образования. Такая роль элективных курсов в системе профильного обучения определяет широкий спектр их функций и задач.

В настоящее время исследования в этой области направлены в основном на определение теоретических и методических основ построения базовых и профильных курсов, а также разработку отдельных программ элективных курсов, зачастую даже не учитывающих функции элективных курсов в системе профильного обучения. Вопросы, относящиеся к построению системы элективных курсов, охватывающей весь круг их функций и задач, рассматриваются в меньшей степени. С этих позиций мы приходим к тому, что полностью в рамках одной школы, одного класса практически неосуществима заявленная цель иидивидуализации обучения, так как при отсутствии системы, реализующей все функции элективных курсов, мы не сможем в достаточной мере учесть все потребности школьников в обучении.

Важным элементом модернизации школьного образования является реализация профильного обучения в старших классах. Согласно действующим положениям, профильность реализуется через две категории учебных предметов: общеобразовательных (профильного уровня) и элективных. Общеобразовательные дисциплины профиля входят в обязательный набор школьных предметов, определяемых профилем; элективные курсы относятся к вариативной компоненте, и их тематика может быть самой разнообразной. Элективные курсы по своему месту в учебном процессе школы в известной степени аналогичны вузовским спецкурсам, связанным с профессиональной специализацией студентов.

Введение элективного курса в учебный план школы может преследовать две цели. Первая — углубление профессиональной ориентации учащихся. В таком случае элективный курс является продолжением какого-то общеобразовательного курса профильного уровня по отдельным его темам (содержательным линиям). Вторая цель — удовлетворение интересов учащихся в областях знаний, не имеющих непосредственного отношения к профилю класса. Например, в классе физико-математического или технического профиля может преподаваться элективный курс гуманитарного содержания: история, искусство, языки и т. п.

Количество различных элективных курсов и их тематика теоретически неограниченны. Реальные ограничения вызваны, прежде всего, той же причиной, что и ограничения на выбор спецкурсов в вузе: с квалификацией преподавательского состава. Тематика спецкурсов, читаемых в вузе, чаще всего связана с научными интересами преподавателей. Вузовский преподаватель — это ученый, ведущий научную работу; спецкурс в вузе — это способ приобщения студентов к научно-исследовательской работе. С тематикой спецкурсов связывается и тематика курсовых и дипломных работ студентов, а это уже приближение к профессиональной деятельности.

Современное образование требует преодоления разрозненности учебных предметов. Каждой научной дисциплине свойственно свое особое сочетание формализованных и неформализованных методов моделирования явлений, процедур доказательства и объяснения, и лишь информатика легко преодолевает межпредметные границы, обогащает все области научного познания.

Проблема взаимосвязи школьных дисциплин -- математики, информатики, физики, биологии и других -- является одной из актуальных проблем современной дидактики, психологии и методики преподавания. Решение задач -- построение конкретных моделей явлений -- на уроках информатики является одним из мощных способов реализации межпредметных связей информатики и других наук.

Человек издавна использует моделирование для исследования объектов, процессов, явлений в различных областях. Результаты этих исследований служат для определения и улучшения характеристик реальных объектов и процессов; для понимания сути явлений и выработки умения приспосабливаться или управлять ими; для конструирования новых объектов или модернизации старых. Моделирование помогает человеку принимать обоснованные и продуманные решения, предвидеть последствия своей деятельности.

По мнению ведущих отечественных специалистов (А.А. Кузнецов, С. А. Бешенков, Е. А. Ракитина, Ю. А. Первин, А. Л. Семенов, А. В. Горячев, Н. В. Матвеева и др.) в настоящее время сложились все условия для внедрения в школу непрерывного курса информатики.

Исходя из вышеперечисленных фактов, мы сформулировали тему нашего исследования: «Система дополнительных заданий к элективному курсу по моделированию».

Цель работы: разработка системы разноуровневых дополнительных вопросов и заданий к элективному курсу по моделированию для повышения эффективности обучения информатике и информационным технологиям в условиях средней школы.

Проблема исследования состоит в разрешении противоречия между потребностью использования в педагогических целях новых программируемых технических средств и ограниченными возможностями учителя в условиях реально существующих средств методического обеспечения элективного курса информатики.

Объект исследования — процесс обучения учащихся общеобразовательной школы элективному курсу информатики.

Предмет исследования — система разноуровневых дополнительных вопросов и заданий к элективному курсу по моделированию.

Гипотеза исследования: если в процессе обучения школьников элективному курсу информатики использовать систему разноуровневых дополнительных вопросов и заданий, то это позволит:

повысить эффективность обучения элективному курсу информатики;

повысить познавательный интерес в области информатики и современной цифровой техники.

В соответствии с поставленной целью исследования можно выделить следующие задачи:

Проанализировать литературу по теме исследования;

Определить место предполагаемого содержания в элективном курсе информатики, его соотношение с существующим содержанием.

Разработать систему разноуровневых дополнительных вопросов и заданий к элективному курсу по моделированию;

Провести педагогический эксперимент по апробации измененного содержания и методики;

Проанализировать результаты.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованной литературы и источников, приложений.

Предполагаемая область применения — средние общеобразовательные учебные заведения.

Глава I. Теоретические основы изучения темы «Компьютерное моделирование»

1.1 Основные принципы преподавания информатики в общеобразовательной школе

Система обучения учителя зависит от педагогической позиции, которую он занимает. Любая позиция имеет свою методологическую основу. Под методологией обычно понимают совокупность принципов, форм и методов организации образовательной деятельности. В зависимости от уровня целеполагания и учета закономерностей обучения различают развивающее, проблемное и эвристическое обучение.

Под развивающим обучением понимают активно-деятельностный способ обучения. Целью же проблемного обучения является организация проблемных ситуаций, разрешение которых осуществляется за счет активной, самостоятельной деятельности учащихся. Эвристическое обучение расширяет возможности как развивающего, так и проблемного обучения, потому что ориентировано не на внешне задаваемый образовательный продукт, чаще всего отвергаемый учащимися, а на процесс организации деятельности по конструированию учеником собственного смысла, цели и содержания образования.

Все выше сказанное реализуется в школе с использованием конкретного предметного содержания и определенных организационных форм деятельности учителя и ученика, где системообразующим элементом деятельности является цель — развитие ученика, а средством выступает непосредственное содержание курса школьной информатики. Стоит подчеркнуть, что не всякое содержание обладает развивающим эффектом, и только рассмотрение определенной темы под заданным углом зрения способно решать как учебные, так и развивающие и воспитательные задачи курса.

В последние годы наметился интерес к феномену информации, характеризующейся не только как совокупные сведения, накопленные человечеством, но и как особое явление, отражающее семантическое свойство материи. Природа, человеческое общество наделены определенным смыслом, постижение которого позволит строить качественно новые взаимоотношения человека и природы, человека и общества, человека и человека. Информация, являясь объективной частью природы, проявляет себя лишь через информационные процессы, чем и объясняется сложность постижения природы информации и информационных процессов.

Научные открытия последних лет в области информатики и сопутствующих областей других наук показали, что проблема феномена информации затрагивает интересы не только узко прикладных наук, но и требует абсолютно иного подхода к построению любой общественной коммуникации. Нас, в первую очередь, должны интересовать проблемы построения учебного процесса, как целостной единицы информационной системы, где ученики выступают не в роли объектов воздействия со стороны учителя, а как полноценные субъекты коммуникационного взаимодействия.

Рассмотрим первоначально, какие основные подходы к рассмотрению учебного процесса предлагаются в педагогике. Обучение, как целенаправленный процесс взаимодействия учителя и ученика, предполагает получение знаний, умений и навыков на основе специально организованной деятельности. Наиболее полное определение обучения предлагает П. И. Пидкасистый: «Обучение — это общение, в процессе которого происходит управляемое познание, усвоение общественно-исторического опыта, воспроизведение, овладение той или другой конкретной деятельностью, лежащей в основе формирования личности».

Обучение включает в себя три основные функции: общеобразовательную, развивающую, воспитательную. Решение первой функции предполагает формирование знаний, умений и навыков, опыта учебной, творческой и трудовой деятельности. Основным критерием освоения являются знания, характеризующиеся полнотой, осознанностью, системностью и действенностью. Знания включают в себя понимание, сохранение в памяти и воспроизведение фактов науки, понятий, правил, законов, теорий.

Развивающая функция учебного процесса предполагает развитие всех сфер обучаемого посредством обучения: речевой, волевой, эмоциональной и т. д. Не любое обучение является развивающим, на это обращал внимание еще Л. С. Выготский, необходимо грамотно выстраивать процесс обучения, чтобы «обучение вело за собой развитие», т. е. правильно отбирать содержание образования и соответственно выстраивать учебный процесс. Воспитательная функция обучения состоит собственно в том, что в процессе обучения должны сформироваться нравственные и эстетические представления, определенная система взглядов на мир, способность следовать заданным нормам поведения в обществе, исполнять принятые в нем законы. Кроме этого предполагается формирование потребности личности, мотивы социального поведения, ценностных ориентации, мировоззрения.

Основной целью школьного образования является решение триединой задачи — это усвоение опыта, развитие и воспитание. При решении учебных задач, вопросы воспитания должны проходить через весь курс в качестве сквозных линий. Это актуально для информатики еще с тех позиций, что данный предмет предполагает знание способов обработки, хранения информации не только техническими средствами, но и самим человеком.

Не любое знание несет в себе воспитывающий эффект. Целостная включенность в образовательный процесс возможна только при эмоциональной реакции субъекта обучения. Постижение компьютера должно идти через постижение самого себя, собственной уникальности в частности, и уникальности человека, в общем. А то есть опасность скатывания на развитие технократического мышления, для которого не существуют абсолютных категорий нравственности, совести, человеческого достоинства и переживания.

Решение всех выше названных проблем возможно с развитием творческого потенциала личности. Творчество необходимо рассматривать как процесс, а не как продукт. Необходимо быть постоянно изменяющимся в изменяющемся мире. Невозможно дать всю сумму знаний, которые будут необходимы в дальнейшей жизни. И становится актуальным развитие таких качеств личности как гибкость, адаптивность, восприимчивость, что возможно с развитием дивергентного мышления, мышления идущего в разных направлениях, в отличие от конвергентного, однонаправленного, логического мышления.

Традиционным считается такой способ решения задач: постановка задачи, выделение исходных данных, применение готовых изложенных законов и формул, получение результата. Достаточно выучить сносно правила, формулы и обозначения, чтобы быть хорошим учеником. К сожалению, жизнь перед выпускниками не ставит готовых задач, и такой подход не позволяет адаптироваться ребенку в этом сложном мире. И необходимо формирование внутреннего плана действий, первоначально на практическом материале, впоследствии в процессе интериоризации будет происходить проецирование данного способа на решение любых жизненных задач.

При постановке задачи исключаются прямые указания на исходные данные, способы решения и ожидаемый результат. Ученики выделяют необходимые данные, прогнозируют результат и в зависимости от желаемого результата выбирают способы решения. Такой способ обучения предполагает дифференциацию предлагаемого материала, чтобы ученики имели возможность выбора посильного материала.

Налицо проблемное обучение, способствующее формированию внутреннего плана действий, что содействует интеллектуальному развитию личности. На уроках программирования формируются навыки умственного труда, когда интересен сам процесс, а не результат. Воспитывающий эффект заключается в том, что каждый выбирает для себя посильную задачу, предполагая что для решения простой задачи необходимо потратить меньшее количество усилий и поощрение будет соответствующим. Каждый выбирает для себя вершину сам и это его собственная вершина, на которой нет конкурентов, не надо никого толкать и никто тебя не толкает.

Более подробно использование рассмотренной технологии опишем ниже. Теперь же рассмотрим общедидактические вопросы, которые необходимо знать при организации учебной деятельности. При этом учтем, что дидактика и психология позаимствовали много понятий из информатики, например: «информационный компонент», «информационная деятельность», «информационный подход», «модель урока», и т. д. Но при этом, содержание понятий достаточно сильно отличаются и нам придется каждый раз объяснять, в каком смысле употребляется тот или иной термин.

Обучение — это сложный, многогранный процесс, проходящий в динамике. И необходимо его рассматривать как систему, то есть упорядоченную совокупность взаимосвязанных элементов целостного образования. Элементами учебного процесса выступают: содержание, методы, средства, формы организации, среда, результат.

Только в совокупности эти элементы придают системе те свойства, которыми каждый из них не обладает в отдельности. Цель является системообразующим элементом. При выстраивании учебного процесса каждый элемент должен быть продуман относительно цели, то есть планируемого результата обучения. Внесение изменений в какой-либо элемент влечет необходимость согласованного изменения остальных элементов. Именно с данных позиций будем рассматривать организацию учебной деятельности на уроках информатики.

В качестве подсистемы учебного процесса выступает процесс обучения, отражающий характер взаимодействия субъектов обучения, учителя и ученика, который включает взаимосвязанные и взаимодополняемые формы деятельности обучающего и обучаемого. Основными факторами взаимодействия являются умелая организация и стимулирование учебно-познавательной деятельности ученика.

Учебные цели должны ставиться на каждый конкретный урок, и они должны затрагивать вопросы освоения знаний, умений и навыков. Развивающие и воспитательные цели, затрагивающие формирование мышления и духовной сферы ребенка имеют долгосрочный характер, поэтому учитель должен четко представлять какие качества необходимо формировать сегодня, чтобы завтра получить ожидаемый результат. Подобный подход реализован в педагогических технологиях, когда последовательное решение краткосрочных, задач приводит к выполнению долгосрочной цели.

Содержание обучения информатике и ИКТ, обязательное для всех школ Российской Федерации, определяется федеральным компонентом государственного образовательного стандарта. Этот документ включает в себя следующие разделы:

перечень основных целей изучения предмета;

обязательный минимум содержания основных образовательных программ;

требования к уровню подготовки выпускников.

Приведем полностью содержание первой части.

Изучение информатики и информационно-коммуникационных технологий на ступени основного общего образования направлено на достижение следующих целей:

освоение знаний, составляющих основу научных представлений об информации, информационных процессах, системах, технологиях и моделях;

овладение умениями работать с различными видами информации с помощью компьютера и других средств информационных и коммуникационных технологий (ИКТ), организовывать собственную информационную деятельность и планировать ее результаты;

развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей средствами ИКТ;

воспитание ответственного отношения к информации с учетом правовых и этических аспектов ее распространения; избирательного отношения к полученной информации;

выработка навыков применения средств ИКТ в повседневной жизни, при выполнении индивидуальных и коллективных проектов, в учебной деятельности, при дальнейшем освоении профессий, востребованных на рынке труда.

Методическое мастерство учителя информатики должно быть направлено на то, чтобы за суетой рутинной работы на уроках, решением сиюминутных организационных и технических проблем не потерять главные цели изучения предмета: общеобразовательные, развивающие и прагматические. Решению этой задачи должны помочь сформулированные ниже рекомендации.

Информация -- центральное понятие курса. Понятие информации -- стержень всего курса. Учитель не должен упускать это из вида при изложении любой темы. Каждый раздел -- это разговор об информации и информационных процессах (компьютер -- это универсальное средство для работы с информацией; алгоритм -- это управляющая информация).

Принцип системности. В процессе изучения курса в сознании учеников строится взаимосвязанная система знаний. Логика курса в целом должна просматриваться как в его структуре, так и в содержании отдельных разделов. Учащиеся должны понять необходимость каждого раздела и его место в общей структуре курса, увидеть за «деревьями» отдельных тем весь «лес» системы знаний предмета. Помочь ученикам в системном восприятии курса предназначены структурно-логические схемы, присутствующие в учебниках.

Принцип параллельности в освоении фундаментальной и прагматической составляющих курса. Фундаментальный (общеобразовательный) компонент курса и прагматический (технологический) должны изучаться параллельно. В разных разделах их соотношение различно. Но и в разделах, связанных с ИКТ, обязательно присутствует фундаментальный компонент. Для базового курса он первичен.

Принцип исполнителя. Во всех темах, касающихся приложений компьютера, проводится методическая концепция: «компьютер + прикладное ПО = исполнитель для определенного вида работ с информацией». Здесь молено говорить об архитектуре исполнителя, которая описывается следующими компонентами: среда, режимы работы, система команд, данные (обрабатываемая информация).

Принцип освоения методики самообучения. Информатика и компьютерные технологии -- быстро развивающиеся области. Поэтому человеку, деятельность которого связана с компьютерами, постоянно приходится обучаться. Методическая последовательность изложения материала должна быть такой (прежде всего в разделах, посвященных ИКТ), чтобы давать учащимся схему организации самообразования в этом предмете. Необходимо приучать учеников к самостоятельному использованию дополнительной справочной литературы, а также справочных разделов используемых программных продуктов.

1.2 Общие положения по элективному курсу «Моделирование» Угриновича Н. Д. 10−11 класс

В настоящее время компьютерное моделирование в научных и практических исследованиях является одним из основных инструментов познания. Технология моделирования требует от исследователя умения ставить корректно проблемы и задачи, прогнозировать результаты исследования, проводить разумные оценки, выделять главные и второстепенные факторы для построения моделей, выбирать аналогии и математические формулировки, решать задачи с использованием компьютерных систем, проводить анализ компьютерных экспериментов. Для успешной работы исследователю необходимо проявлять активный творческий поиск, любознательность и обладать максимумом терпения и трудолюбия. При этом сам исследователь не только достигает целей исследования, но и развивает в себе все перечисленные качества, приобретая навыки, умения и знания в большом спектре фундаментальных и прикладных наук.

Навыки моделирования очень важны человеку в жизни. Они помогут разумно планировать свой распорядок дня, учебу, труд, выбирать оптимальные варианты при наличии выбора, разрешать удачно различные жизненные ситуации.

Компьютерное моделирование — это новый и довольно сложный курс в цикле информационных дисциплин.

Этот курс предназначен для всех, кто желает освоить технологию компьютерного моделирования и приобрести знания и навыки работы с компьютером.

В конце каждой из глав приведены учебные проекты для самостоятельной работы. Опыт преподавания подобного курса в вузе и школах показал целесообразность и высокую эффективность обучения учащихся методикой проектов. Суть метода заключается в выполнении учеником учебного проекта (одного или нескольких) от начала и до конца в течение всего срока обучения самостоятельно либо под руководством преподавателя. Другие темы, не охваченные проектом, изучаются поверхностно, но в завершающей стадии обучения проходит анализ и защита всех проектов с участием всего контингента обучаемых.

Цели обучения

Образовательные цели

Познакомить учащихся с элементами компьютерного моделирования;

Раскрыть назначение моделирования. Познакомить учащихся с классификацией. Структура моделирования. Основные действия над моделями;

Научить компьютерному моделированию.

Познакомить с компонентами компьтерного моделирования. Для чего нужно моделирование;

Познакомиться с различными программы. Освоить работу с элементами компьютерного моделирования;

Показать разницу между математической и геометрической моделями;

Научить создавать модели;

Познакомить с основными приёмами моделирования;

Научить видеть разницу между моделью и моделированием;

Создавать модель;

Научить создавать математическую модель.

Воспитательные цели

Формирование умственного труда

Умение излагать свои мысли

Умение работать в группе и индивидуально

Работать эффективно в соответствии с располагаемым временем

Воспитание инициативы у учащихся

Воспитание самостоятельности, чувства ответственности.

Развивающие цели

Работа по умственному труду: сравнение и применение полученных знаний;

Развитие внимания, восприятия, развитие способности к анализу;

Развитие познавательных интересов к данному виду работы;

Развитие логического мышления, критического мышления.

Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере: описательная информационная модель -> формализованная модель -> компьютерная модель -> компьютерный эксперимент -> анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели.

Два способа построения компьютерных моделей:

§ построение алгоритма решения задачи и его кодирование на одном из языков программирования;

§ построение компьютерной модели с использованием электронных таблиц.

Построение и исследование физических и астрономических моделей. Компьютерный эксперимент. Использование анимации для имитации движения.

Исследование математических моделей. Построение графиков функций. Приближенное решение уравнений (графическое и с использованием числовых методов).

Требования к уровню подготовки:

Учащиеся должны:

· уметь создавать информационные модели объектов и процессов из различных предметных областей (математики, физики, химии, биологии, экономики и др.);

· уметь создавать компьютерные модели с использованием языков объектно-ориентированного программирования Visual Basic и электронных таблиц Microsoft Excel;

· уметь проводить виртуальные эксперименты с использованием компьютерных моделей и анализировать полученные результаты.

Основным методом обучения в данном курсе является метод проектов. Проектная деятельность учащихся широко используется в процессе преподавания курса «Информатика и ИКТ», но особенно целесообразно ее использовать в процессе построения и исследования моделей.

В качестве основной формы организации учебных занятий рекомендуется использовать выполнение учащимися практических работ на компьютере (компьютерный практикум). Разработка каждого проекта должна быть реализована в форме выполнения такой практической работы, при этом роль учителя будет состоять в небольшом по времени объяснении нового материала и постановке задачи, а затем консультировании учащихся в процессе выполнения ими практической работы.

Кроме разработки проектов под руководством учителя учащимся предлагаются практические задания для самостоятельного выполнения.

Текущий контроль уровня усвоения материала можно осуществлять по результатам выполнения учащимися этих практических заданий.

Итоговый контроль рекомендуется осуществлять в форме защиты итоговых проектов, перечень которых содержится в программе элективного курса. В начале курса каждому учащемуся будет предложено самостоятельно в течение всего времени изучения данного курса разработать проект, реализующий компьютерную модель конкретного объекта, явления или процесса из некоторой предметной области, например, физическую модель «Бросание тела под углом к горизонту», биологическую модель «Развитие популяции при заданных условиях» и т. д. В процессе защиты учащийся должен будет представить не только проект на языке объектно-ориентированного программирования или в электронных таблицах, но и полученные с его помощью результаты компьютерного эксперимента по исследованию модели.

1.3 Место темы «Компьютерное моделирование» в школьном курсе информатики

Всякое описание реального объекта, процесса, явления всегда происходит приближенно. Приближенное описание называется информационной моделью. Такие модельные описания закладываются в память компьютера и на их основе производятся расчеты, прогнозирующие поведение объекта, управление объектом или процессом и пр. Все это называется компьютерным моделированием. Наиболее сложные информационные модели это модели знаний человека в различных областях. На их основе создаются компьютерные системы искусственного интеллекта. Искусство оперирования моделями выступает инструментом структурирования смыслового поля информации. Как известно, овладение рациональными приемами работы с информацией, заключенной в знаниях, облегчает восприятие ее нарастающих потоков, поиск эффективных форм отбора, усвоения и выражения в языковых конструкциях. Важность проблемы формирования умений информационного моделирования подтверждает проведенный В. П. Зуевым и Е. С. Кощеевой [39] анализ большого числа профессиограмм специалистов разных направлений, в каждую из которых обязательно включены умения формулировки и решения проблем, системного анализа, абстрагирования, формализации, так как информационное моделирование является компонентом познавательной деятельности. Вот почему необходимо научить учащихся использовать информационное моделирование в ходе обучения и в последующей деятельности. Сегодня на практике широкое распространение получает информационное моделирование, которое, как считают В. Б. Гисин и С. А. Бешенков [6], будет более успешным, если учащиеся овладеют познавательными (стержневыми) умениями информационного моделирования: ориентировочной основой деятельности, целеполагания, системного анализа, формализации, то есть способами построения теоретической информационной модели. С развитием информатики как научной дисциплины метод информационного моделирования стал получать все более широкое распространение при изучении окружающей действительности. Практически во всех естественных науках понятийный аппарат, метод информационного моделирования широко и эффективно применяется при решении многих задач. В современном образовании возрастает роль информационного моделирования. Исследователи Л. А. Бахвалов, С. А. Бешенков, В. Ю. Лыскова, Е. А. Ракитина, С. И. Шумов и др. [9] определяют моделирование как один из методов приобретения знаний. Информационное моделирование способствует развитию у школьника формально-логического мышления, творческого подхода к решению задач из различных областей знаний (математика, биология, экономика и др.) с применением информационных технологий. Основными проблемами для разработчиков базового курса являются, во-первых, выделение из обширной научной области информационного моделирования тех базовых знаний и понятий, которые должны войти в общеобразовательный школьный предмет; во-вторых разработка содержательно-методической базы преподавания этих вопросов. Не следует считать, что тема моделирования носит чисто теоретический характер и автономна от других тем. Большинство предыдущих разделов базового курса имеют прямое отношение к моделированию, в том числе и темы, относящиеся к технологической линии курса. Текстовые и графические редакторы, программное обеспечение телекоммуникаций можно отнести к средствам, предназначенным для рутинной работы с информацией: позволяющим набрать текст.

Одна из задач педагогической науки — обобщение и систематизация знаний в определенных областях деятельности человека. Не менее важной представляется задача обучения ученика способам и технологиям добывания знаний, методам познания.

Компьютерное моделирование становится одним из главных методов формирования системного мировоззрения обучаемого. Как было отмечено выше, оно является наиболее адекватной педагогической технологией для личностно-ориентированной системы, предоставляющей учащимся способы и методы приобретения и добывания знаний, умений и навыков. Технология компьютерного моделирования в образовании выступает как способ создания ситуации деятельности, отработки методов организации и самоорганизации, научного познания.

В настоящее время компьютерное моделирование в научных и практических исследованиях является основным методом познания окружающей действительности.

Использование подобных технологий в образовательных целях оказывает существенное влияние на развитие аналитических школ практикующих развивающие, исследовательские формы обучения, ориентирующиеся не на передачу готовых знаний ученику, а на его познавательную деятельность.

Однако внедрение подобных технологий в систему педагогического образования наталкивается на определенные трудности, связанные с отсутствием учебно-методических материалов, с неподготовленностью учащихся к использованию технологии компьютерного моделирования.

Для применения технологии компьютерного моделирования на предметных уроках необходимы проблемная ориентация изучаемых разделов, соответствующие формулировки задач, требующих для их решения использование методов моделирования.

В этой связи представляется важным развитие теории и практики компьютерного моделирования (КМ), разработка учебников и учебно-методических материалов, пересмотр традиционных методик обучения. Актуальным становится концепция использования технологии КМ в учебном процессе педагогических учреждений.

Особую значимость приобретает проблема формирования структуры и содержания дисциплины «Компьютерное моделирование», определения ее места в системе школьного и педвузовского образования.

Модели и моделирование используются человечеством с незапамятных времен. С помощью моделей и модельных отношений развились разговорные языки, письменность, графика. Наскальные изображения наших предков, затем картины и книги — это модельные, информационные формы передачи знаний об окружающем мире последующим поколениям.

Замещение объекта О1 с помощью объекта-модели О2 с целью изучения или передачи информации о свойствах О1 называется моделированием объекта 01 объектом О2.

Замещаемый объект О1 называется оригиналом, замещающий объект О2 — моделью.

Модель- это, как правило, искусственно созданный объект, воспроизводящий строение и свойства исследуемого объекта.

Другими словами, моделирование — это процесс изучения строения и свойств оригинала с помощью модели.

Процесс моделирования схематично выглядит в следующем виде:

Объект — Модель — Изучение модели — Знания об объекте

Основной задачей процесса моделирования является выбор наиболее адекватной к оригиналу модели и перенос результатов исследования на оригинал. Существуют достаточно общие методы и способы (технологии) моделирования. В настоящее время весьма эффективным и значимым является метод компьютерного моделирования.

Компьютерное моделирование начинается как обычно с объекта изучения, в качестве которого могут выступать: явления, процесс, предметная область, жизненные ситуации, задачи. После определения объекта изучения строится модель. При построении модели выделяют основные, доминирующие факторы, отбрасывая второстепенные. Выделенные факторы перекладывают на понятный машине язык. Строят алгоритм, программу. Когда программа готова, проводят компьютерный эксперимент и анализ полученных результатов моделирования при вариации модельных параметров. И уже в зависимости от этих выводов делают нужные коррекции на одном из этапов моделирования, либо уточняют модель, либо алгоритм, либо точнее, более корректнее определяют объект изучения.

В методе компьютерного моделирования присутствуют все важные элементы развивающего обучения и познания: конструирование, описание, экспериментирование и т. д. В результате добываются знания об исследуемом объекте-оригинале.

Однако важно не путать компьютерную модель (моделирующую программу) с самим явлением. Модель полезна, когда она хорошо согласуется с реальностью. Но модели могут предсказывать и те вещи, которые не произойдут, а некоторые свойства действительности модель может и не прогнозировать. Тем не менее, полезность модели очевидна, в частности, она помогает понять, почему происходят те или иные явления.

Современное компьютерное моделирование выступает как средство общения людей (обмен информационными, компьютерными моделями и программами), осмысления и познания явлений окружающего мира (компьютерные модели солнечной системы, атома и т. п.), обучения и тренировки (тренажеры), оптимизации (подбор параметров).

Компьютерная модель — это модель реального процесса или явления, реализованная компьютерными средствами. Компьютерные модели, как правило, являются знаковыми или информационными.

К знаковым моделям в первую очередь относятся математические модели, демонстрационные и имитационные программы.

Информационная модель — набор величин, содержащий необходимую информацию об объекте, процессе, явлении. Главной задачей компьютерного моделирования выступает построение информационной модели объекта, явления.

Некоторые характеристики моделей являются неизменными, не меняют своих значений, а некоторые изменяются по определенным законам. Если состояние системы меняется со временем, то модели называют динамическими, в противном случае статическими.

При построении моделей используют два принципа: дедуктивный (от общего к частному) и индуктивный (от частного к общему).

Основные направления развития компьютерного моделирования.

1. Моделирование реально протекающих явлений и процессов (математическое моделирование, численный эксперимент).

2. Конструирование реальных или виртуальных объектов в двух, или трехмерном пространстве (компьютерная графика).

3. Моделирование и визуализация явлений и процессов, протекающих в сложных системах (имитационный эксперимент, демонстрационные модели).

4. Моделирование работы реальных систем, управление этой системой.

Названные направления компьютерного моделирования предоставляют широкий спектр для выбора курсовых и выпускных квалификационных работ студентов, организации научно-исследовательской работы студенческих и школьных обществ.

Модель -- это искусственно создаваемый объект, заменяющий некоторый объект реального мира (объект моделирования) и воспроизводящий ограниченное число его свойств. Понятие модели относится к фундаментальным общенаучным понятиям, а моделирование -- это метод познания действительности, используемый различными науками.

Объект моделирования -- широкое понятие, включающее объекты живой или неживой природы, процессы и явления действительности. Сама модель может представлять собой либо физический, либо идеальный объект. Первые называются натурными моделями, вторые -- информационными моделями. Например, макет здания -- это натурная модель здания, а чертеж того же здания -- это его информационная модель, представленная в графической форме (графическая модель).

В экспериментальных научных исследованиях используются натурные модели, которые позволяют изучать закономерности исследуемого явления или процесса. Например, в аэродинамической трубе моделируется процесс полета самолета путем обдувания макета самолета воздушным потоком. При этом определяются, например, нагрузки на корпус самолета, которые будут иметь место в реальном полете.

Информационные модели используются при теоретических исследованиях объектов моделирования. В наше время основным инструментом информационного моделирования является компьютерная техника и информационные технологии.

Компьютерное моделирование включает в себя прогресс реализмом информационной модели на компьютере и исследование с помощью этой модели объекта моделирования -- проведение вычислительного эксперимента.

Формализация

К предметной области информатики относятся средства и методы компьютерного моделирования. Компьютерная модель может быть создана только на основе хорошо формализованной информационной модели. Что же такое формализация?

Формализация информации о некотором объекте -- это ее отражение в определенной форме. Можно еще сказать так: формализация -- это сведение содержания к форме. Формулы, описывающие физические процессы, -- это формализация этих процессов. Радиосхема электронного устройства -- это формализация функционирования этого устройства. Ноты, записанные на нотном листе, -- это формализация музыки и т. п.

Формализованная информационная модель -- это определенные совокупности знаков (символов), которые существуют отдельно от объекта моделирования, могут подвергаться передаче и обработке. Реализация информационной модели на компьютере сводится к ее формализации в форматы данных, с которыми «умеет» работать компьютер.

Но можно говорить и о другой стороне формализации применительно к компьютеру. Программа на определенном языке программирования есть формализованное представление процесса обработки данных. Это не противоречит приведенному выше определению формализованной информационной модели как совокупности знаков, поскольку машинная программа имеет знаковое представление. Компьютерная программа -- это модель деятельности человека по обработке информации, сведенная к последовательности элементарных операций, которые умеет выполнять процессор ЭВМ. Поэтому программирование на ЭВМ есть формализация процесса обработки информации. А компьютер выступает в качестве формального исполнителя программы.

Этапы информационного моделирования

Построение информационной модели начинается с системного анализа объекта моделирования. Представим себе быстро растущую фирму, руководство которой столкнулось с проблемой снижения эффективности работы фирмы по мере ее роста (что является обычной ситуацией) и решило упорядочить управленческую деятельность.

Первое, что необходимо сделать на этом пути, -- провести системный анализ деятельности фирмы. Системный аналитик, приглашенный в фирму, должен изучить ее деятельность, выделить участников процесса управления и их деловые взаимоотношения, т. е. объект моделирования анализируется как система. Результаты такого анализа формализуются: представляются в виде таблиц, графов, формул, уравнений, неравенств и пр. Совокупность таких описаний есть теоретическая модель системы.

Следующий этап формализации -- теоретическая модель переводится в формат компьютерных данных и программ. Для этого" используется либо готовое программное обеспечение, либо привлекаются программисты для его разработки. В конечном итоге получается компьютерная информационная модель, которая будет использоваться по своему назначению.

Для примера с фирмой с помощью компьютерной модели может быть найден оптимальный вариант управления, при котором будет достигнута наивысшая эффективность работы фирмы согласно заложенному в модель критерию (например, получение максимума прибыли на единицу вложенных средств).

Классификация информационных моделей может основываться на разных принципах. Если классифицировать их по доминирующей в процессе моделирования технологии, то можно выделить математические модели, графические модели, имитационные модели, табличные модели, статистические модели и пр. Если же положить в основу классификации предметную область, то можно выделить модели физических систем и процессов, модели экологических (биологических) систем и процессов, модели процессов оптимального экономического планирования, модели учебной деятельности, модели знаний и др. Вопросы классификации важны для науки, т.к. они позволяют сформировать системный взгляд на проблему, но преувеличивать их значение не следует. Разные подходы к классификации моделей могут быть в равной мере полезны. Кроме того, конкретную модель отнюдь не всегда можно отнести к одному классу, даже если ограничиться приведенным выше списком.

Методические рекомендации

Государственный образовательный стандарт предусматривает изучение вопросов, относящихся к информационному моделированию, как в базовом курсе основной школы, так и в старших классах. Примерная программа курса информатики рекомендует изучение темы «Формализация и моделирование» в 8-м классе на уровне примеров моделирования объектов и процессов. Прежде всего, предполагается использование графических и табличных моделей. В старших классах предусмотрено общее (теоретическое) введение в тему и изучение различных видов компьютерного моделирования на уровне математических («расчетных»), графических, имитационных моделей, связанных с социальными, биологическими и техническими системами и процессами. Эффективной формой углубленного изучения компьютерного моделирования являются элективные курсы для старшеклассников.

Образовательные задачи, решаемые в ходе изучения информационного моделирования

Решение указанных ниже задач позволяет оказать существенное влияние на общее развитие и формирование мировоззрения учащихся, интегрировать знания по различным дисциплинам, осуществлять работу с компьютерными программами на более профессиональном уровне.

Общее развитие и становление мировоззрения учащихся

Курсы, ориентированные на моделирование, должны выполнять развивающую функцию, поскольку при их изучении учащиеся продолжают знакомство еще с одним методом познания окружающей действительности -- методом компьютерного моделирования. В ходе работы с компьютерными моделями приобретаются новые знания, умения, навыки. Некоторые ранее полученные сведения конкретизируются и систематизируются, рассматриваются под другим углом зрения.

Овладение моделированием как методом познания

Основной упор в каждом из таких курсов необходимо сделать на выработку общего методологического подхода к построению компьютерных моделей и работе с ними. Необходимо

1. продемонстрировать, что моделирование в любой области знаний имеет схожие черты; зачастую для различных процессов удается получить очень близкие модели;

2. выделить преимущества и недостатки компьютерного эксперимента по сравнению с экспериментом натурным;

3. показать, что и абстрактная модель, и компьютер представляют возможность познавать окружающий мир, а иногда и управлять им в интересах человека.

Выработка практических навыков компьютерного моделирования

На примере ряда моделей из различных областей науки и практической деятельности необходимо проследить все этапы компьютерного моделирования с исследования моделируемой предметной области и постановки задачи до интерпретации результатов, полученных в ходе компьютерного эксперимента, показать важность и необходимость каждого звена. При решении конкретных задач следует выделять и подчеркивать соответствующие этапы работы с моделью. Решение данной задачи предполагает поэтапное формирование практических навыков моделирования, для чего служат учебные задания с постепенно возрастающим уровнем сложности и компьютерные лабораторные работы.

Содействие профессиональной ориентации учащихся.

Учащиеся старшей ступени школы стоят перед проблемой выбора будущей профессии. Проведение курса компьютерного моделирования способно выявить тех из них, кто имеет способности и склонность к исследовательской деятельности. Способности учащихся к проведению исследований следует развивать различными способами, на протяжении всего курса поддерживать интерес к выполнению компьютерных экспериментов с различными моделями, предлагать для выполнения задания повышенной сложности. Таким образом, развитие творческого потенциала учащихся и профориентация -- одна из задач курса.

Преодоление предметной разобщенности, интеграция знаний

В рамках учебного курса целесообразно рассматривать модели из различных областей науки, что делает курс частично интегрированным. Для того чтобы понять суть изучаемого явления, правильно интерпретировать полученные результаты, необходимо не только владеть приемами моделирования, но и ориентироваться в той области знаний, где проводится модельное исследование. Реализация межпредметных связей в таком курсе не только декларируется, как это иногда бывает в других дисциплинах, но является зачастую основой для освоения учебного материала.

Развитие и профессионализация навыков работы с компьютером

Перед учащимися ставится задача не только реализовать на компьютере предложенную модель, но и наиболее наглядно, в доступной форме отобразить полученные результаты. Здесь может помочь построение графиков, диаграмм, динамических объектов, пригодятся и элементы мультипликации. Программа должна обладать адекватным интерфейсом, вести диалог с пользователем. Все это предполагает дополнительные требования к знаниям и умениям в области алгоритмизации и программирования, приобщает к более полному изучению возможностей современных парадигм и систем программирования.

1.4 Обзор изложения темы «Компьютерное моделирование» в учебниках разных авторов

Элективный курс «Информационные системы и модели», разработанный И. Г. Семакиным, предназначен для изучения в классах физико-математического и информационно-технологического профилей. Элективный курс реализован в виде полного учебно-методического комплекта для учащегося и для учителя.

В данном учебном курсе объектом изучения являются две взаимосвязанных линии информационного моделирования:

· информационные системы;

· компьютерное математическое моделирование.

В соответствии с этим, курс состоит из двух частей.

Часть 1. Моделирование и разработка информационных систем. Данная часть курса углубляет содержательные линии моделирования и информационных технологий в школьной информатике. База данных — ядро любой информационной системы — рассматривается в качестве информационной модели соответствующей предметной области. Содержание обучения отталкивается от проблем, которые требуется решить в процессе создания информационных систем.

Первая проблема — адекватное информационное отражение в базе данных реальной системы (предметной области). В связи с этим рассматриваются основные этапы проектирования базы данных: системный анализ предметной области, построение инфологической модели, ее реализация в виде модели данных реляционного типа.

Вторая проблема — создание приложений, которые в совокупности с базой данных составляют информационно-справочную систему. Здесь внимание уделяется анализу потребностей пользователя, созданию гибкой и полной системы приложений (запросов, форм, отчетов), организации дружественного пользовательского интерфейса.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой