Конструирование  электронных учебных материалов в профессиональной подготовке учителей

Попова Галина Ивановна

Автореферат  диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Краснодар 2006

Работа выполнена на кафедре информационных образовательных технологий Кубанского государственного университета

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Информатизация образования является одним из важнейших направлений реализации современной образовательной парадигмы. Умение в полной мере использовать возможности информационных технологий в профессиональной деятельности становится одним из важнейших качеств современного специалиста, и в наибольшей степени это касается подготовки будущих учителей. В связи с этим все большую актуальность приобретает изучение проблемы использования компьютерных технологий в формировании профессионально значимых умений педагогов. В процессе перехода от традиционных методик преподавания к обучению с использованием информационных технологий возникает задача не только поиска эффективных методов формирования профессиональных умений студентов, но и выявления проблемного поля научного изучения информационных средств обучения, оптимальных в отношении организации и результатов дидактического процесса.

Проблема информатизации современного образовательного пространства исследована в работах многих отечественных ученых (В.П. Беспалько, Б.С. Гершунский, А.А. Кузнецов, Э.И. Кузнецов, С.А. Бешенков, А.П. Ершов, В.А. Извозчиков, А.О. Кривошеев, Е.И. Машбиц, В.М. Монахов и др.). Вопросам профессиональной подготовки будущих учителей в условиях информатизации посвящены работы Ю.С. Брановского, В.В. Лаптева, М.П. Лапчика, А.В. Могилева, Е.А. Ракитиной, И.В. Роберт, М.В. Швецкого, В.С. Шолоховича и многих других. Теория проектирования и использования информационных технологий в профессиональном обучении исследовалась в работах А.И. Архиповой, А.И. Башмакова, И.А. Башмакова, И.Г. Захаровой, В.П. Кулагина, К.Г. Кречетникова, Э.Г. Малиночки, Д.Ш. Матроса, С.В. Панюковой, А.Ю. Уварова и других.

В последние годы информационно-дидактические средства обучения математике, физике и информатике разрабатываются преимущественно в двух направлениях. Первое обусловлено применением программных средств с изначально встроенными алгоритмами дидактических действий. Несмотря на высокий технический уровень исполнения, обозначенное свойство данного вида программ формирует предпосылку их возможной дидактической инертности и ситуационного педагогического несоответствия в отношении многообразия возникающих в учебном процессе задач.

В рамках второго направления используются математические инструментальные среды (МИС) для компьютерной поддержки обучения математике и информатике. Данные программные продукты, не обладая изначально заданными требованиями к алгоритмизации математических действий, создают систему информационно-дидактического обеспечения, при котором выбор и осуществление действий выполняется учащимися самостоятельно (В.П. Дьяконов, С.А. Дьяченко, Т.В. Капустина, Т.Л. Ниренбург, В.Ф. Очков, А.И. Плис, У.В. Плясунова, Н.А. Сливина, А.А. Смирнов).

В результате анализа современных педагогических исследований выявлено, что одним из актуальных направлений профессиональной подготовки учителей математики, физики и информатики является формирование у будущего учителя умений самостоятельно создавать программы и электронные дидактические материалы (Ю.С. Брановский, Т.Г. Везиров, И.Г. Захарова, В.П. Кулагин, И.В. Роберт, Н.В. Софронова). Однако, несмотря на достаточно широкий круг публикаций, связанных с применением математических инструментальных сред в изучении математики, информатики, физики, проблема обучения студентов технологии конструирования электронных учебных ресурсов с использованием МИС разработаны недостаточно. Исследование широкого спектра их дидактических функций и возможностей позволяет сделать вывод о том, что МИС представляют собой эффективный инструментарий для реализации данных целей. Таким образом, обучение будущих учителей математики, физики и информатики использованию таких сред позволяет не только расширить знания учебных дисциплин, но и сформировать умения по созданию и применению собственных электронных учебных материалов, эффективных в решении педагогических задач на конкретном уроке или в системе учебных занятий.

Обучение студентов применению математических инструментальных сред в процессе конструирования электронных учебных материалов требует специальной организации учебного процесса, системы его дидактического обеспечения. Технологии конструирования электронных учебных материалов в среде математических пакетов рассматривались в работах С.П. Грушевского, С.В. Усатикова. Методики обучения конструированию электронных учебных материалов описаны в работах Ю.С. Брановского, Т.Г. Везирова, А.Ш. Бакмаева, А.А. Телегина, Д.А. Шуклина и др.

Педагогическая задача – научить студента самостоятельно разрабатывать электронные дидактические материалы в математических инструментальных средах – делает необходимым изучение влияния данных дидактических процессов на развитие профессионально значимых умений будущих учителей. Таким образом, выявляются следующие противоречия между:

наличием педагогической деятельности с применением математических инструментальных сред и невыявленными дидактическими возможностями их использования в профессиональном обучении учителей математики, физики и информатики;

наличием потребности обучения студентов умениям самостоятельного создания электронных учебных материалов и недостаточной технологической обеспеченностью данного дидактического процесса, в том числе и с применением математических инструментальных сред;

потребностью в конкретных дидактических технологиях, обеспечивающих развитие профессиональных умений студентов, и недостаточностью педагогических исследований формирования профессионально значимых умений учителей математики, физики и информатики с использованием информационных средств обучения.

Перечисленные противоречия обусловили актуальность данного исследования.

Главная проблема исследования заключается в отсутствии универсального электронного инструментария, инвариантного к предметному содержанию, позволяющего формировать у учителей математики, физики и информатики умения, являющиеся основой развития их информационной культуры и повышения эффективности педагогической деятельности. В процессе решения основной проблемы был выявлен ряд подпроблем, суть которых отражена в вопросах:

Какие программные средства позволяют создавать модифицируемые комплексы электронных учебных материалов по различным предметам естественно-математического цикла?

Какова должна быть структура теоретической модели, на основе которой можно создавать инвариантные формы электронных учебных материалов с возможностью модификации содержания?

Каковы основы методики обучения студентов конструированию электронных учебных материалов и способы модификации их содержательной базы?

Какие профессионально значимые для педагогов умения могут быть сформированы и развиты на основе применения нового комплекса электронных учебных материалов?

Объект исследования: процесс профессиональной подготовки студентов педагогических специальностей в области информатизации образования.

Предмет исследования: обучение студентов – будущих учителей математики, физики и информатики – технологии конструирования электронных учебных материалов как основа формирования их профессиональных умений.

Цель исследования: теоретически обосновать и разработать модель обучения конструированию электронных учебных материалов с применением математических инструментальных сред, обеспечивающую в процессе её освоения и использования формирование профессионально-значимых умений студентов.

Гипотеза исследования включает следующие предположения:

одним из направлений информатизации педагогического образования должно быть обучение учителей конструированию комплекса электронных учебных материалов с функциями генерации учебных заданий как средства повышения эффективности педагогической деятельности;

конструирование электронных учебных материалов можно эффективно выполнять посредством использования математических инструментальных сред, опираясь на их дидактические функции;

модель конструирования электронных учебных материалов должна отражать дидактические свойства программных инструментальных сред, инвариантные структурные единицы, типы электронных учебных материалов и процедуру их конструирования;

составляющими методики обучения учителей конструированию таких материалов должны быть: цели обучения, прогнозируемые результаты, содержание, методы, формы и средства обучения на основе программно-методического комплекса, включающего программу курса, систему электронных лабораторных работ, учебно-методическое пособие;

обучение учителей конструированию электронных учебных материалов должно стимулировать развитие дидактической, предметной и информационной компетентностей.

В соответствии с проблемой, целью, объектом и предметом, выдвинутой гипотезой определены задачи исследования:

В контексте задач информатизации педагогического образования обосновать необходимость разработки нового программного инструментария – комплекса электронных учебных материалов с возможностью создавать различные виды практических заданий для изучения математики, физики и информатики.

Выявить дидактические функции математических инструментальных сред и обосновать возможность их использования для конструирования электронных учебных материалов с функциями генерации практических заданий.

Построить модель конструирования комплекса электронных учебных материалов с функциями генерации содержания заданий по конкретным предметным областям.

Разработать методику обучения учителей и студентов конструированию электронных учебных материалов, инвариантных к предметному содержанию и модифицирующих практические задания.

Выявить состав профессиональных умений, значимых для педагогической деятельности и формируемых посредством комплекса проектируемых электронных учебных материалов.

Методы исследования:

теоретические: анализ научно-педагогической, методической и специальной литературы в области информационных технологий обучения; психолого-педагогических изысканий по проблеме исследования; сравнение используемых в профессиональном обучении математических инструментальных сред;

практические: наблюдение, анкетирование, педагогический эксперимент, методы математической статистики.

Методологическую основу исследования составили: принцип системного подхода в педагогике (В.И. Загвязинский, В.С. Ильин, В.А. Сластенин и др.), принцип единства сознания и деятельности (Л.С. Выготский, А.Н. Леонтьев, С.Л. Рубинштейн, Д.Б. Эльконин и др.),

Теоретической основой исследования являются научные положения о применении информационных технологий в образовании (Б.С. Гершунский, А.П. Ершов, Е.И. Машбиц, В.М. Монахов), концепции организации обучения с применением информационно-дидактических средств (А.И. Архипова, С.П. Грушевский, И.В. Роберт Е.С. Полат и др.), компетентностный подход к подготовке учителя (В.П. Бедерханова, Н.В. Кузьмина, Н.Л. Стефанова, А.В. Хуторской и др.).

Организация исследования. Исследование осуществлено по этапам:

На первом этапе (2000–2002 гг.) – изучение психолого-педагогической, специальной, научной литературы, выявление педагогических, дидактических возможностей математических инструментальных сред, накопление эмпирического материала в процессе преподавания компьютерных наук, изучение опыта применения информационных технологий обучения в сфере профессионального образования. В процессе теоретического анализа определены исходные параметры, понятийный аппарат и методика исследования.

На втором этапе (2002–2004 гг.) были разработаны модель обучения будущих учителей математики, физики и информатики технологии конструирования электронных учебных материалов и программно-методический комплекс для обучения созданию электронных учебных материалов, который включает программу курса обучения; систему электронных учебных материалов; учебно-методическое пособие. Проведены констатирующий и формирующий этапы эксперимента.

На третьем этапе (2005-2006 гг.) была осуществлена качественная и статистическая обработка экспериментальных данных, обобщены полученные результаты, подведены итоги исследования.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

Обоснована методическая целесообразность создания комплекса электронных учебных материалов со специфическими педагогическими свойствами: возможностью создания наборов практических заданий по различным предметным областям естественно-математического цикла посредством инвариантного программного компонента с функцией генерации заданий, что обеспечивает условия для дифференциации и индивидуализации обучения студентов и учителей, а также для реализации задачи информатизации педагогического образования, ориентирующей педагогов на создание нового учебно-методического обеспечения с компьютерной поддержкой.

Поставлена и решена проблема дидактической разработки и применения электронных учебных материалов на основе математических инструментальных сред в профессиональной подготовке учителей математики, физики и информатики, предложен и обоснован подход к формированию профессиональных умений студентов, реализуемый в процессе самостоятельной разработки электронных учебных материалов.

Выявлены дидактические возможности использования математической инструментальной среды MathCAD как средства формирования профессиональных умений студентов – будущих учителей математики и информатики.

Теоретически обоснована и разработана дидактическая модель обучения студентов конструированию электронных учебных материалов средствами математических инструментальных сред, позволяющая формировать профессионально значимые умения будущих учителей математики и информатики.

Раскрыты основные дидактические компоненты созданного программно-методического комплекса обучения студентов конструированию электронных учебных материалов, обеспечивающего их профессиональное формирование.

Теоретическая значимость исследования состоит в том, что расширена область использования математических инструментальных сред в процессе профессиональной подготовки учителей математики и информатики за счет того, что:

обобщены и описаны основные научные подходы к рассмотрению возможностей использования математических и информационных продуктов в формировании профессиональных умений студентов;

выявлены основные направления совершенствования профессиональной педагогической подготовки в процессе обучения самостоятельному конструированию электронных учебных материалов;

разработана технология обучения студентов – будущих учителей математики, информатики и физики конструированию электронных учебных материалов с использованием математических инструментальных сред;

изучено влияние дидактического процесса конструирования электронных учебных материалов на формирование профессионально значимых качеств учителей математики, информатики и физики.

Практическая значимость исследования определяется использованием полученных результатов в научно обоснованной организации процесса формирования профессионально-значимых умений студентов – будущих учителей математики, физики и информатики, обеспеченной программой, учебно-практическими и методическими материалами, учебно-методическим пособием по конструированию электронных дидактических материалов в среде MathCAD. Результаты исследования могут быть использованы в профессиональной подготовке, в системе повышения квалификации учителей математики и информатики. Разработанные материалы включены в состав учебно-информационного комплекса по математическому анализу и размещены на сайте http://mschool.kubsu.ru.

Достоверность и надежность полученных результатов исследования обеспечиваются анализом научных работ по проблемам исследования, выбором схемы эксперимента, адекватной его задачам, обоснованностью выбранных методологических позиций, результатами практического использования разработанного дидактического обеспечения в работе со студентами и учителями математики и информатики, положительным итогом проведенного педагогического эксперимента.

На защиту выносятся следующие положения:

Одним из эффективных средств информатизации педагогического образования является комплекс электронных учебных материалов, обеспечивающих возможность создания практических заданий по различным предметным областям, модифицируемых по форме представления дидактической информации и по выполняемым в учебном процессе педагогическим функциям.

Конструирование электронных учебных материалов по математике, физике, информатике осуществляется на основе математических инструментальных сред (MathCAD и др.), характеризующихся необходимыми дидактическими функциями: информативностью – возможностью представления информации в различных формах; динамичностью – демонстрацией анимаций и движений изучаемых объектов; вариативностью – генерацией индивидуальных заданий; интерактивностью – возможностью изменять параметры объекта и оперативно получать результат.

Структура модели конструирования электронных учебных материалов отражает учебные цели, принципы отбора содержания, методы обучения, типы практических заданий и как составляющие включает в себя: типовые структурные элементы комплекса электронных учебных материалов (теоретический, справочный и демонстрационный разделы, тренажеры, блоки генерации параметров и обратной связи); виды программных документов (файлы освоения теории, решения задач, генерации заданий, параметров и ответов). Конкретизация составляющих модели интегративно представлена технологией конструирования электронных учебных материалов для изучения математики, физики, информатики.

Методика обучения педагогов конструированию электронных учебных материалов реализуется двумя этапами: теоретическим – моделированием учебного процесса, практическим – выполнением индивидуальных проектов по созданию ЭУМ. На первом этапе обосновываются цели обучения – формирование знаний о педагогическом проектировании электронных ресурсов и умений создавать новые программные продукты; выполняются трансформация содержания для его представления в электронной форме, выбор частнодидактических методов обучения (открытых программ, проектов, динамических моделей); планируются формы учебной деятельности, традиционные и компьютерные средства обучения.

Обучение студентов конструированию электронных учебных материалов на основе математических инструментальных сред стимулирует формирование дидактической компетентности, что выражается в умениях выполнять педагогическое проектирование; отбирать учебный материал, выбирать формы представления учебного материала; предметной компетентности, что выражается в умениях подготовить учебно-тренировочные задачи, выполнять параметризацию заданий; информационной компетентности, которая проявляется в умениях создавать текстовые, графические области, сохранять параметры и считывать их из внешних файлов, использовать объектную связь MathCAD с офисными приложениями, что в комплексе создает условия для развития профессионально-личностных качеств будущего учителя.

Личный вклад автора определяется самостоятельным теоретическим анализом общих позиций по проблемам использования информационных программных средств в обучении студентов – будущих учителей математики, физики и информатики, разработкой новых приемов конструирования электронных учебных материалов, созданием технологии, программ и методики обучения студентов самостоятельному конструированию электронных материалов, непосредственным осуществлением эксперимента, формированием у студентов нового самооценочного представления о важных в педагогической деятельности профессиональных умениях.

Апробация и внедрение результатов исследования. Основные результаты исследования апробированы на кафедре информационных образовательных технологий Кубанского государственного университета, на международных научных конференциях «Герценовские чтения» (Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2006 гг.), на пятой Международной конференции «Системы компьютерной математики и их приложения» (Смоленск, 2004 г.), на шестой Международной научно-методической конференции «Проектирование инновационных процессов в социокультурной и образовательной сферах» (Сочи, 2003 г.).

Разработанная система учебных лабораторных работ и учебно-методическое пособие внедрены в учебный процесс на математическом и физико-техническом факультетах Кубанского государственного университета, на математическом факультете Армавирского государственного педагогического университета, на курсах повышения квалификации учителей математики и информатики Краснодарского края, проводимых институтом переподготовки и повышения квалификации Кубанского государственного университета.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, библиографического списка и шести приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы исследования, его актуальность, определены цель, предмет и объект, гипотеза, задачи, методологическая основа, этапы и методы исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, научная новизна исследования, теоретическая и практическая значимость работы, приведены сведения об апробации ее результатов.

В первой главе «Теоретические аспекты использования математических инструментальных сред в процессе подготовки учителей физико-математических специальностей» рассмотрены общие вопросы информатизации высшей школы на современном этапе, проанализированы существующие определения информационных технологий обучения, приведена классификация педагогических программных средств на основе различных признаков. Исследуется роль и место математических инструментальных сред (Derive, Maple, MathCAD, Mathematica) в учебном процессе, а также проблема формирования профессионально значимых качеств учителя при применении таких сред.

Использование математических пакетов в профессиональном обучении как одно из направлений информатизации образования находится в центре внимания таких современных педагогов, как В.П. Дьяконов, А.И. Плис, Н.А. Сливина, Т.В. Капустина, Т.Г. Везиров и определяется изначальным предназначением в качестве средств для выполнения математических расчетов, обладающих мощными вычислительными и графическими возможностями. В этом направлении выполнены диссертационные исследования А.Ш. Бакмаева, С.А. Дьяченко, Т.K. Ниренбург, У.В. Плясуновой, А.А. Смирнова.

Проблема использования МИС как эффективного средства обучения требует выявления их дидактических свойств и функций. Под дидактическими понимаются такие свойства средства обучения, которые могут оказать влияние на цели, возможности и варианты их применения в процессе обучения (Е.С. Полат). Описанные в нашей работе современные подходы к использованию математических инструментальных сред в рамках концепции компьютерной поддержки процесса обучения математике, физике, информатике позволили выявить ещё одно важное направление применения таких компьютерных систем, как эффективного инструментального средства для создания электронных образовательных продуктов.

Особое значение в предложенном нами направлении приобретает система MathCAD. Это обусловлено конструктивными особенности MathCAD: естественная математическая нотация, простой входной язык, возможность вставки формул, текста, графиков в любое место документа, вследствие чего он выглядит как страница математического текста, высокая степень интеграции с MS Office. Благодаря этим особенностям пользователи могут быстро и эффективно приобретать навыки работы в MathCAD. Кроме того, MatCAD обладает обширным спектром встроенных программных инструментов, позволяющих реализовывать необходимые дидактические свойства и функции создаваемых учебных материалов, а, следовательно, эффективных при трансформации учебного материала по математике, физике, информатике в электронные ресурсы. Таким образом, можно сделать вывод о целесообразности использования универсального пакета MathCAD для создания электронных учебных материалов.

Укажем на те конструктивные и программные особенности системы MathCAD, с помощью которых реализуются дидактические свойства и функции в его документах.

Информативность, позволяющая осуществлять передачу необходимой для обучения информации, обеспечивается возможностью встраивания в документ блоков различных видов: текста, формул, графиков, анимации.

Наглядность поддерживается развитыми графическими возможностями, а также возможностями визуализации, в том числе и с использованием анимации.

Динамичность реализуется в системе MathCAD на основе создания и интеграции в документ компьютерных моделей различных процессов, анимационных клипов, видеодемонстрации исследования свойств математических объектов, например, исследования свойств графиков функций в движении.

Вариативность, позволяющая автоматизировать процесс генерирования вариантов индивидуальных заданий, осуществляется на основе конструирования для генерационных процессов программных модулей с использованием датчиков случайных чисел.

Уплотнение учебной информации, обеспечивающееся использованием блочной структуры документа MathCAD на основе встраиваемых областей (Area), которые позволяют варьировать вид документа – в более подробном виде – с открытыми областями или в более кратком – с закрытыми; использованием гиперссылок.

Простота управления средой MathCAD опирается на дружественный интерфейс, близость входного языка к естественному математическому, а также на использование наборных панелей, гиперссылок.

Цикличность применения обучающей программы или ее частей в учебном процессе. Система MathCAD допускает изменение параметров, что позволяет многократно использовать тренажеры и задания с автоматическим изменением параметров, повторять процедуру решения учебного задания до получения желаемой оценки.

Интеграция MathCAD с приложениями MS Office – MS Word, MS Excel – позволяет создавать информационную среду, включающую систему взаимосвязанных файлов.

Интерактивность. Система MathCAD позволяет изменять параметры изучаемого объекта и сразу наблюдать результат.

Под электронными учебными материалами (ЭУМ) в работе понимается достаточно широкий класс электронных ресурсов, выполняющих задачи дидактического компьютерного обеспечения учебного процесса. К таким ресурсам относятся и отдельные файлы, например, файлы-решатели учебных заданий, файлы генерации параметров задач, карточки учебных заданий, интерактивные тесты, а также файловые системы, объединенные с помощью гиперссылок и объектных связей, представляющие собой единые дидактические ресурсы, реализующие поставленные учебные задачи (предъявление нового материала, тренажерные, демонстрационные, контролирующие функции, автоматизированную генерацию заданий). Такие файловые системы могут представлять собой электронные уроки или фрагменты урока, электронные пособия, электронные лабораторные работы (локальные сетевые или дистанционные), системы генерации параметров, которые могут быть интегрированы в гипертекстовую дидактическую систему.

На основе проведенного анализа применения математических пакетов в процессе обучения и выявленных дидактических свойств пакета MathCAD, выделяющих его из ряда математических инструментальных сред, в работе сделан вывод о педагогической целесообразности использования MathCAD как инструментального средства для конструирования электронных учебных материалов. В связи с этим возникает важная педагогическая задача обучения такому конструированию в процессе подготовки будущих учителей математики, физики и информатики и формирования на этой основе у студентов профессионально значимых качеств.

Вторая глава, «Конструирование электронных учебных материалов с использованием математических инструментальных сред» посвящена описанию технологии конструирования ЭУМ на основе дидактических возможностей среды MathCAD. Рассмотрены вопросы обучения этой технологии будущих учителей математики, физики и информатики. Описан процесс формирования их профессионально значимых умений и навыков при освоении и применении предложенной технологии.

В настоящей работе исследуется процесс создания основных типов гипертекстовых дидактических систем (ГДС). Структуру такой системы условно можно представить в виде нескольких компонентов:

справочно-информационная подсистема, содержащая документы учебно-методической информации, ответы к заданиям, mcd-документы дидактического сопровождения (решатели, документы для преподавателей);

задачный дидактический блок, в котором представлены условия учебных заданий разнообразных форм, а также модуль компьютерных лабораторных работ;

интерактивная подсистема, включающая подсистемы тестирования и интерактивных дидактических модулей;

подсистема обратной связи, включающая блоки оценивания ответа, подсказок, консультаций.

Важным технологическим компонентом ГДС является система генерации параметров, с помощью которой в индивидуальных заданиях могут генерироваться числовые, логические, графические параметры. В такую систему включены mcd-файлы генерации параметров учебных заданий, модули сохранения параметров и вычислители ответов. Файл-генератор – это документ, в котором реализованы алгоритмы генерации параметров заданий (обычно для каждой учебной задачи свой). В зависимости от вида задач параметры могут быть числовыми, графическими, логическими, символьными или функциональными.

В алгоритме генерации применяется одна из этих форм или их комбинации. Реализация алгоритма генерации осуществляется на основе датчиков псевдослучайных чисел из набора функций MathCAD.

Mcd-файл конструирования шаблона условия и вычисления ответов состоит из трех блоков: а) блок считывания данных из файла сохранения параметров, б) блок формирования шаблона условия, в) блок вычисления ответов и создания подсказок. В некоторых ситуациях бывает удобным разделять этот файл-конструктор на два отдельных файла: один отвечает за представление условий, другой – за ответы.

Следует отметить, что вид и тип учебной задачи естественно отражается на организации формы представления условий и ответов. Так, в некоторых случаях целесообразно формулировать условие в параметрической форме, тогда варианты задания будут представлены таблицей параметров и таблицей ответов к ним. Иногда в условии приводится графический объект (график функции), тогда варианты заданий определяются соответствующими графиками условий и графиками (или числами) ответов и т.д.

Объектная связь MS Word и MathCAD позволяет предложить следующий способ организации дидактических материалов. В doc-документ с помощью объектной связи вставляется кадр шаблона задания, и аналогичным способом – кадр ответов и подсказок из файла ответов в новом окне (блок формирования дидактических материалов на основе объектной связи).

Файл-решатель создается обычно для реализации типового решения рассматриваемой учебной задачи. Имея естественную математическую нотацию, такие файлы позволяют создавать "живые" решения заданий и методические указания к ним. При этом считывание данных для условия производится автоматически из файла данных.

Описанная дидактическая гипертекстовая системы электронных учебных материалов размещается в локальной сети компьютерного класса или на Web-сервере. Для создания таких электронных дидактических систем нами разработана модель конструирования учебных материалов с использованием математической инструментальной среды MathCAD (рис.1), кроме того, исследуется возможность формирования профессионально значимых качеств учителя в процессе обучения этой технологии и её применения в педагогической практике.

Анализ работ по теории конструирования электронных учебных ресурсов позволяет сделать вывод о том, что модель конструирования электронных учебных материалов должна отражать дидактические свойства программных инструментальных сред, инвариантные структурные единицы электронных учебных материалов, типы электронных учебных материалов и процедуру их конструирования. В результате её реализации формируется дидактическая гипертекстовая система ЭУМ, в которой для достижения поставленных целей обучения интегрируются в единый программный продукт файлы-документы разнообразных типов и функций.





Рис. 1. Модель конструирования электронных учебных материалов средствами МИС

Модель конструирования гипертекстовой системы ЭУМ имеет многокомпонентную структуру, включающую этапы конструирования, типы ресурсов системы ЭУМ, виды документов, входящих в её состав, а также типовые структурные единицы, из которых состоят сами документы.

На этапе определения учебных целей мы отвечаем на вопросы о том, зачем создавать электронные учебные материалы, каких целей мы хотим достичь, действительно ли их можно достичь с использованием ЭУМ. На данном этапе перечисляются действия, демонстрирующие формируемые умения (знания); детализируются знания, умения, навыки, позволяющие выполнить это действие. Цели обучения являются инструментами, которые используются при отборе содержания, выборе дидактических приемов реализации, определении результативности разрабатываемых учебных материалов.

В процессе отбора содержания гипертекстовой комплекса ЭУМ следует руководствоваться нормативными документами: государственными образовательными стандартами, учебными программами по дисциплине, списками литературы, приводимыми в них. Отбор содержания должен проводиться на основе принципов обучения. Состав отобранного учебного материала и связи между единицами материала (учебными элементами) наглядно могут быть представлены в виде структурно-логической схемы.

В процессе разработки сценария ЭУМ формируется план конструирования и применения ЭУМ, определяется их тип (учебное пособие, локальная сетевая или дистанционная лабораторная работа, электронный урок, фрагмент урока, способ объединения в гипертекстовую систему ЭУМ), состав и внешний вид типовых структурных единиц (блока содержания, теоретических разделов, демонстрационных блоков, тренажеров и блоков генерации параметров, блоков обратной связи, типовых программных блоков), расположение их в файлах-документах программ MathCAD, Excel, Word. Результатом этапа разработки ЭУМ является законченный рабочий сценарий в виде словесного описания или блок-схемы. На этапе определения типов тренировочных и контрольных заданий выбирается форма заданий: вопросы, упражнения, задачи, различные виды тестов, поисково-исследовательские задания и др. На этапе создания файлов генерации параметров выполняется параметризация заданий и выписываются генерационные формулы. На их основе конструируется файл-генератор параметров для автоматизированного создания нужного количества однотипных заданий. В процессе пересчета документа-генератора происходит генерация параметров и запись в файл сохранения параметров.

Далее формируется банк данных индивидуальных учебных заданий, который может включать карточки сгенерированных индивидуальных заданий в электронном (документы Word, MathCAD) или бумажном виде. Создание файлов-шаблонов заданий (карточек заданий) выполняется на основе файлов генерации параметров, в структуре которого представлены блоки условий заданий в параметрической форме и блоки параметров, а при пересчете происходит добавление параметров задания с учетом номера его варианта в файл сохранения параметров.

На этапе интеграции компонентов в гипертекстовую систему ЭУМ связываются при помощи гиперссылок и объектных связей отдельные ЭУМ, файлы, реализующие учебные задачи освоения теоретических знаний, файлы-документы MathCAD поддержки решения математических задач, файлы-документы MathCAD автоматизированной генерации учебных заданий, файлы-документы Word карточек заданий в параметрической форме, документы Excel сохранения параметров и ответов. На этапе апробации и корректировки построенной гипертекстовой системы ЭУМ в процессе ее использования выявляются и исправляются погрешности, допущенные на предыдущих этапах.

В процессе освоения и применения такой технологии формируются не только навыки владения программными средствами, но профессионально-педагогические умения. В связи с этим возникает проблема формирования соответствующей модели обучения студентов физико-математических педагогических специальностей конструированию ЭУМ, ориентированной на формирование профессионально-значимых умений и навыков.

Обучение студентов использованию математических инструментальных сред продолжается на протяжении всего процесса обучения в вузе, начинаясь изучением системы MathCAD в курсе программного обеспечения и завершаясь их применением для создания собственных учебных программных средств. Одним из этапов этого процесса является подготовка будущих педагогов к созданию электронных учебных материалов, ориентированная на формирование профессиональной компетентности учителя. Организационно обучение предложенной технологии происходит в рамках курса «Математические пакеты в естественно-научном образовании».

При построении структуры указанного курса, как основного компонента процесса изучения конструирования ЭУМ, необходимо определить цели, содержание, формы, методы и средства обучения, сформулировать задачи и функции компьютерной поддержки, разработать соответствующие электронные ресурсы. В нашем исследовании это комплекс тематических лабораторных работ.

Общие цели обучения конструированию электронных учебных материалов на основе МИС MathCAD: формирование представлений об этапах педагогического проектирования и конструирования электронных учебных материалов; овладение практическими навыками работы в МИС MathCAD; овладение практическими навыками конструирования ЭУМ; реализация компетентностного подхода в обучении. Конкретные цели представляют собой совокупность основных знаний и умений по учебному предмету.

Содержание учебного курса по технологии конструирования электронных учебных материалов отбиралось исходя из поставленных целей. Использовались формы обучения: лекция (объяснительно-иллюстративная, проблемная, частично-поисковая); практические занятия; самостоятельная работа; консультации; различные виды контроля; применялись общедидактические методы (словесные, практические, наглядные, объяснительно-иллюстративные, репродуктивные, частично-поисковые, исследовательские, работа с литературой) и частнодидактические (метод открытых программ, метод демонстрационных примеров, метод интерактивных динамических моделей, метод проектов).

В качестве дидактического обеспечения процесса обучения технологии конструирования ЭУМ разработан программно-методический комплекс (ПМК), включающий в себя учебно-методическое пособие и систему электронных учебных материалов с демонстрационным прототипом электронной лабораторной работы по теме «Преобразования графиков функций»; электронные лабораторные работы по темам «Производная», «Интеграл», «Логика», электронную лабораторную работу, описывающую полную ориентировочную систему действий при создании электронных учебных материалов; набор демонстрационных файлов-документов MathCAD, используемых в обучении на разных этапах конструирования: этапе создания файлов генерации и тестовых заданий; электронные лабораторные работы, созданные студентами.

Обучение технологии конструирования ЭУМ направлено на реализацию компетентностного подхода в обучении. Современный этап развития высшего педагогического образования характеризуется методологией компетентностно-ориентированного подхода и повышением требований к профессиональной подготовке будущего учителя. Под профессиональной компетентностью учителя в нашем исследовании понимается интегральная характеристика, определяющая способность специалиста решать профессиональные проблемы и типичные профессиональные задачи, возникающие в реальных ситуациях профессиональной деятельности, с использованием знаний, профессионального и жизненного опыта, ценностей и наклонностей.

Обучение будущих учителей конструированию электронных учебных материалов направлено на формирование отдельных составляющих профессиональной компетентности учителя: дидактической, предметной и информационно-коммуникационной компетентностей. Под информационно-коммуникационной компетентностью учителя (ИКТ-компетентностью) понимаем, согласно Е.К. Хеннеру и А.П. Шестакову, «совокупность знаний, навыков и умений, формируемых в процессе обучения и самообучения информатике и информационным технологиям, а также способность к выполнению педагогической деятельности с помощью информационных технологий».

На основе анализа структуры деятельности педагога в процессе конструирования и применения электронных учебных материалов выявлен комплекс профессионально-значимых умений учителей математики и информатики, формируемых в процессе обучения технологии конструирования электронных учебных материалов (рис. 2). Это знания и умения, входящие в состав дидактической компетентности: умение выполнять педагогическое проектирование; знание структуры ЭУМ; знание дидактических свойств МИС; умения, которые относятся как к дидактической, так и к предметной компетентностям (умение отбирать содержание учебного материала; умение выбирать формы представления учебного материала), умения, которые относятся как к предметной, так и к ИКТ-компетентности (умение использовать символьные преобразования; умение создавать файлы генерации параметров учебных заданий); самая большая группа – умения, входящие в состав ИКТ-компетентности (умения оценивать качество педагогических программных средств; использовать ЭУМ в условиях локальной сети компьютерного класса и сети Интернет; организовать проведение уроков в компьютерном классе; использовать объектную связь MathCAD с офисными приложениями; умения по использованию конкретных средства МИС MathCAD для создания ЭУМ). Этапы и уровни формирования составляющих информационно-коммуникационной компетентности учителя в процессе обучения применению математических инструментальных сред представлены в таблице 1.

Для проверки гипотезы исследования был проведен эксперимент на математическом факультете Кубанского государственного университета для специальностей 010101 «Математика» и 050202 «Информатика» с дополнительной специальностью «Математика», на физико-техническом факультете Кубанского государственного университета, на математическом факультете Армавирского государственного педагогического университета.

На первом этапе эксперимента в ходе преподавания на курсах повышения квалификации учителей математики и информатики Краснодарского края, проводимых институтом переподготовки и повышения квалификации специалистов Кубанского государственного университета, в беседах с учителями и преподавателями вузов были сделаны выводы о том, что:

Таблица 1

Этапы формирования ИКТ-компетентности студентов

	Название этапа	Период формирования и названия дисциплин	Компоненты ИКТ-компетентности, формируемые на данном этапе	Отличительные особенности этапа
1	Базовый – формирование базовой ИКТ-компетентности	I курс «Программное обеспечение ЭВМ», «Матанализ» (типовые расчеты)	Умение создавать документы в MathCAD, использовать символьные преобразования математических выражений, строить графики функций	Происходит знакомство со средой MathCAD как средством решения математических задач, применение для выполнения заданий по математическим дисциплинам
2	Общий – формирование общей ИКТ-компетентности	II курс «Математические пакеты и их применение в естественно-научном образовании»	Умение оценивать качество педагогических программных средств; умение использовать ЭУМ в условиях локальной сети и сети Интернет; умение организовать проведение уроков в компьютерном классе; умение использовать объектную связь MathCAD с офисными приложениями; умение использовать средства МИС MathCAD для создания ЭУМ.	Происходит формирование умений и навыков конструирования электронных учебных материалов в среде MathCAD на уровне понимания и применения по образцу
3	Профессиональный – формирование профессиональной ИКТ-компетентности	III-V курсы «НИТ в образовании», «Проектирование учебно-информационных комплексов», «Теория и методика обучения математике и информатике», курсовые и дипломные работы	Умение создавать оригинальные гипертекстовые дидактические системы электронных учебных материалов на основе технологии конструирования ЭУМ в среде MathCAD	Происходит формирование умений и навыков конструирования электронных учебных материалов в среде MathCAD на творческом уровне

В системе профессиональной подготовки учителей математики, физики, информатики недостаточно отражены подходы к созданию и применению электронных учебных материалов с использованием МИС.

Недостаточно разработаны методики обучения конструированию электронных учебных материалов с использованием МИС или не отражены в методической литературе.

Не выявлено влияние обучения конструированию электронных учебных материалов с использованием МИС на формирование профессионально значимых умений учителей.

На этом этапе разрабатывались и использовались в преподавании отдельные приемы и способы технологии конструирования электронных учебных материалов. В результате опроса учителей выявлено, что большинство из них удовлетворены приобретенными умениями по созданию ЭУМ в среде MathCAD, предполагают использовать их на практике, хотели бы иметь методическую литературу по применению МИС MathCAD в учебном процессе.

На основе технологии конструирования учебных заданий в среде МИС MathCAD был создан комплекс электронных учебных работ для дидактического обеспечения процесса обучения конструированию электронных учебных материалов. Апробация комплекса осуществлена в ходе эксперимента, которым были охвачены 143 студента. После выполнения лабораторных работ была предложена анкета, цель которой в оценивании студентами лабораторной работы в целом и отдельных ее компонент. По результатам ответов на вопросы анкеты вычислены индексы, показывающие качество разработанных учебных лабораторных работ, входящих в состав ПМК. Это индексы удовлетворенности интерфейсом лабораторной работы Iинт, оптимальности структуры лабораторной работы Iстр; индексы целесообразности включения: справочных теоретических материалов Iспр, генераторов заданий Iген, тренажеров Iтр, заданий для самопроверки Iсам, анимационных роликов Iан, контрольных заданий Iкон. Максимально возможное значение каждого индекса равно 1, полученные в результате анкетирования значения индексов отражены на рис. 2.

Большинство студентов высоко оценили качество учебной лабораторной работы-прототипа «Преобразование графиков функций». Средний балл, которым студенты оценили электронную лабораторную работу в целом по пятибалльной шкале, равен 4,58 балла.

В ходе формирующего эксперимента проходили обучение конструированию электронных учебных материалов 104 студента разных учебных групп. Эксперимент показал, что необходимый уровень сформированности знаний и умений достигнут. Применялся метод самооценки и экспертной оценки, для обработки экспериментальных данных был использован статистический метод Т-критерий Вилкоксона, суть которого заключалась в выяснении направленности и выраженности изменений в знаниях и умениях студентов после обучения конструированию электронных учебных материалов. На основе результатов анкетирования для каждого студента были вычислены средние баллы самооценки знаний и умений по технологии создания ЭУМ до и после изучения курса. Вычисленное значение суммы рангов нетипичных сдвигов самооценки (с отрицательным знаком) Тэмп попадает в зону значимости, следовательно, подтверждается гипотеза о том, что после изученная курса сдвиг самооценки студентами своих знаний и умений в положительную сторону по интенсивности достоверно преобладает (рис. 3).

Тэмп = 9

Рис. 3. Ось значимости для данных эксперимента

Таким образом, в результате формирующего эксперимента выяснено, что при обучении технологии конструирования электронных учебных материалов средствами МИС будущие учителя математики, физики, информатики приобретают умения по вопросам конструирования ЭУМ, что способствует росту их дидактической, предметной, ИКТ-компетентности. Экспериментальные данные подтверждены при выполнении зачетных заданий, курсовых и дипломных работ.

В заключении диссертации подведены итоги исследования, сформулированы основные результаты:

Теоретически обосновано конструирование электронных учебных материалов с функцией генерации практических заданий посредством использования математических инструментальных сред (MathCAD, Maple и др.), благодаря дидактическим свойствам этих сред: информативности, динамичности, вариативности, интерактивности, которые проявляются в возможностях демонстрации различных форм представления и режимов функционирования учебной информации (статическом, анимационном, мультимедийном и др.), генерации индивидуальных заданий и параметризации данных, активизации взаимодействия с обучаемым, оперативной обратной связи.

Предложена технология конструирования электронных учебных материалов, которая может служить теоретическим базисом для создания новых программных продуктов и включает этапы: определение учебных целей, принципы отбора содержания ЭУМ и обоснование методов обучения, номенклатуру структурных элементов комплекса ЭУМ (теоретический, справочный и демонстрационный разделы, тренажеры, блоки генерации параметров и обратной связи). Инвариантность структуры модели по отношению к предметному содержанию создает условия для конструирования эффективных программных средств обучения будущих учителей математики, физики и информатики в аспекте задач информатизации образования.

Разработана методика обучения будущих учителей математики, физики и информатики конструированию электронных учебных материалов на основе математических инструментальных сред, ориентированная на формирование профессиональных умений и личностных качеств, опосредованных практической деятельностью в динамично развивающемся информационном обществе, и включающая этапы:

определение целей обучения, направленных на формирование знаний об особенностях педагогического проектирования электронных ресурсов учебного назначения и умений создавать новые дидактические программные продукты;

отбор и преобразование содержания изучаемой теории в соответствии со спецификой его электронной визуализации и символизации;

планирование частнодидактических методов и приемов обучения (метод открытых программ, метод демонстрационных примеров, метод интерактивных динамических моделей, метод проектов);

отбор традиционных и компьютерных средств обучения (пособий, программ);

разработка сценариев учебных занятий с различными видами учебной и педагогической деятельности.

Экспериментально подтверждена эффективность предложенного дидактического обеспечения – комплекса электронных учебных материалов с функциями генерации практических заданий, что проявилось в качественных изменениях результатов педагогической деятельности с использованием технологии конструирования электронных учебных материалов. Качественные результаты проявились в сформированности у учителей и студентов умений самостоятельно выполнять проектировочные действия:

обоснование дидактических целей, реализуемых посредством электронных учебных материалов;

разработка программы, структурно-логических схем, определение типов заданий;

описание сценария;

представление заданий в параметризованном виде;

разработка файлов генерации параметров, шаблонов, банков данных;

оформление законченного электронного продукта;

устранение погрешностей.

Обучение учителей и студентов технологии конструирования ЭУМ продемонстрировало наличие положительной динамики в процессе формирования профессиональных умений.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

Попова Г.И. Подготовка к тестированию по информатике с использованием web-технологий // Компьютеризация учебного процесса и вопросы применения компьютерных и информационных технологий: Матер. межвуз. науч.-метод. конф. Краснодар, 2002. 0,19 п. л.

Попова Г.И. Из опыта изучения пакета MathCAD в системе переподготовки учителей математики в области информационных технологий // Проблемы теории и практики обучения математике: Матер. Междунар. науч. конф. «56 Герценовские чтения». СПб., 2003. 0,125 п. л.

Попова Г.И. Конструирование дидактических документов в среде MathCAD // Проектирование инновационных процессов в социокультурной и образовательной сферах: Матер. Шестой Междунар. науч.-метод. конф. Сочи, 2003. 0,125 п. л.

Попова Г.И. О проблеме содержания обучения информатике // Вестник Кубанского регионального отделения Академии педагогических и социальных наук: Науч. журнал КРО АСПН. Краснодар; Майкоп, 2003. № 1(2). 0,125 п. л.

Грушевский С.П., Игнатенко А.С., Попова Г.И., Фурник А.А. Конструирование электронной среды задачных дидактических блоков в учебно-информационных комплексах по математике // Методология и методика информатизации образования: концепции, программы, технологии: Матер. Всерос. науч.-практ. конф. Смоленск, 2004. 0,3 п. л.

Грушевский С.П., Попова Г.И. Конструирование систем тестирования по математике с использованием возможностей пакета MathCAD // Проблемы теории и практики обучения математике: Матер. Междунар. науч. конф. «57 Герценовские чтения». СПб., 2004. 0,2 п. л.

Попова Г.И. Конструирование тестовых заданий по математике в среде MathCAD // Тенденции и проблемы развития математического образования: Науч.-практ. сб. Армавир, 2004. Вып. 1. 0,3 п. л.

Грушевский С.П., Попова Г.И. Конструирование электронных дидактических документов в среде MathCAD: Учеб.-метод. пособие. Краснодар, 2005. 4,5 п. л.

Попова Г.И. Генерация заданий по информатике с использованием пакета MathCAD // Проблемы теории и практики обучения математике: Матер. Междунар. науч. конф. «59 Герценовские чтения». СПб., 2006. 0,25 п. л.

Попова Г.И. Конструирование электронных дидактических материалов в среде MathCAD как средство реализации профессиональной педагогической направленности в подготовке учителей математики и информатики // Человек. Сообщество. Управление. Краснодар, 2006. Спецвып. № 2. 0,19 п. л.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.kubsu.ru/