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
10-09-2015, 02:46