Развитие познавательной активности учащихся при изучении темы "Базы данных" в профильном курсе информатики

Основная идея обновления старшей ступени общего образования состоит в том, что образование здесь должно стать более индивидуализированным, функциональным и эффективным. Как отмечает Ю.М. Колягин, «школа сегодняшнего дня делает попытку повернуться к личности ребенка, к его индивидуальности, создать наилучшие условия для развития его склонностей и способностей в настоящем и будущем» [33].

Многолетняя практика школьного образования в нашей стране и за рубежом убедительно показала, что, как минимум, начиная с позднего подросткового возраста, примерно с 15 лет, в системе образования должны быть созданы условия для реализации обучающимися своих интересов, способностей и дальнейших (послешкольных) жизненных планов. «В качестве приоритетов в нынешней школе - подчеркивает П.И. Пидкасистый [58, с. 177] - выступают не программы, не учебные предметы, которые надо пройти, не правила, формулы, даты, события, которые надо запомнить, а ребенок, ученик, его интеллектуальное, духовное, физическое развитие. Эти приоритеты и должны конкретно проявляться в интересе учащихся к знаниям, в их социальной активности, в диагностике их способностей, в создании условий для свободного выбора профессии. В этом и суть личностно-ориентированного обучения».

Социологические исследования доказывают, что большинство старшеклассников (более 70%) отдают предпочтение тому, чтобы «знать основы главных предметов, а углубленно изучать только те, которые выбираются, чтобы в них специализироваться». Иначе говоря, профилизация обучения в старших классах соответствует структуре образовательных и жизненных установок большинства старшеклассников. При этом традиционную позицию «как можно глубже и полнее знать все изучаемые в школе предметы (химию, физику, литературу, историю и т.д.)» поддерживают около четверти старшеклассников.

К 15-16 годам у большинства учащихся складывается ориентация на сферу будущей профессиональной деятельности. Так, по данным социологических опросов, проведенных в 2002 г. Центром социологических исследований Минобразования России, «профессиональное самоопределение тех, кто в дальнейшем намерен учиться в ПТУ или техникуме (колледже), начинается уже в 8-м классе и достигает своего пика в 9-м, а профессиональное самоопределение тех, кто намерен продолжить учебу в вузе, в основном складывается в 9-м классе». При этом примерно 70-75% учащихся в конце 9-го класса уже определились в выборе возможной сферы профессиональной деятельности.

В настоящее время сформировалось устойчивое мнение о необходимости дополнительной специализированной подготовки старшеклассников для прохождения вступительных испытаний и дальнейшего образования в вузах. Традиционная непрофильная подготовка старшеклассников в общеобразовательных учреждениях привела к нарушению преемственности между школой и вузом, породила многочисленные подготовительные отделения вузов, репетиторство, платные курсы и др.

Большинство старшеклассников считает, что существующее ныне общее образование не дает возможностей для успешного обучения в вузе и построения дальнейшей профессиональной карьеры. В этом отношении нынешний уровень и характер полного среднего образования считают приемлемым менее 12% опрошенных учащихся старших классов (данные Всероссийского центра изучения общественного мнения).

Все вышесказанное говорит о том, что в настоящее время сформировался общественный запрос общества на профилизацию школы. Переход к профильному обучению продиктован необходимостью создания условий для реализации обучающимися своих познавательных интересов, склонностей, способностей, для подготовки старшеклассников к продолжению образования и будущей профессиональной деятельности. Различные аспекты содержания обучения информатике в условиях профильной дифференциации исследовались в работах С.А. Бешенкова [7], А.Г. Гейна [14], Т.Б. Захаровой [24], К.К. Колина [34], А.А. Кузнецова [39], Е.А. Ракитиной [62], А.Л. Семенова [66], А.Ю. Уварова [72], Н.Д. Угриновича [73] и др.

Так, проблема формирования содержания профильного образования по информатике рассматривалась, например, в работах Бутовой Н.В. [10], Давыдовой Н.А. [19]. Методоческие аспекты обучения информатике в условиях профильной дифференциации исследовались Данилиной И.И. [20], Сухановой Н.Т. [69], Шестаковым А.П. [80] и др. Вопросам изучения конкретных информационных и коммуникационных технологий в профильных курсах информатики посвящены диссертации Богомоловой Е.В. [8], Галыгиной Л.В. [13] и др.

В соответствии с концепцией модернизации российского образования на период до 2010 г. на старшей ступени общеобразовательной школы предусматривается профильное обучение. Ставится задача создания «системы специализированной подготовки (профильного обучения) в старших классах общеобразовательной школы, ориентированной на индивидуализацию обучения и социализацию обучающихся, в том числе с учетом реальных потребностей рынка труда… отработки гибкой системы профилей и кооперации старшей ступени школы с учреждениями начального, среднего и высшего профессионального образования» [35].

Профильное обучение - средство дифференциации и индивидуализации обучения, позволяющее за счет изменений в структуре, содержании и организации образовательного процесса более полно учитывать интересы, склонности и способности учащихся, создавать условия для обучения старшеклассников в соответствии с их профессиональными интересами и намерениями в отношении продолжения образования и выбора дальнейшего жизненного пути.

Профильное обучение направлено на реализацию личностно-ориентированного учебного процесса. При этом существенно расширяются возможности выстраивания учеником собственной, индивидуальной образовательной траектории.

Переход к профильному обучению преследует следующие основные цели:

- обеспечить углубленное изучение отдельных предметов программы полного общего образования;

- создать условия для существенной дифференциации содержания обучения старшеклассников с широкими и гибкими возможностями построения школьниками индивидуальных образовательных программ;

- способствовать установлению равного доступа к полноценному образованию разным категориям обучающихся в соответствии с их способностями, индивидуальными склонностями и потребностями;

- расширить возможности социализации учащихся, обеспечить преемственность между общим и профессиональным образованием, более эффективно подготовить выпускников школы к освоению программ высшего профессионального образования.

Важнейшим вопросом организации профильного обучения является определение структуры и направлений профилизации, а также модели организации профильного обучения. При этом следует учитывать, с одной стороны, стремление наиболее полно учесть индивидуальные интересы, способности, склонности старшеклассников (это ведет к созданию большого числа различных профилей), с другой - ряд факторов, сдерживающих процессы такой во многом стихийной дифференциации образования: введение единого государственного экзамена, утверждение стандарта общего образования, необходимость стабилизации федерального перечня учебников, обеспечение профильного обучения соответствующими педагогическими кадрами и др.

Согласно концепции профильного обучения [36] на старшей ступени предполагается возможность разнообразных комбинаций учебных предметов, что и будет обеспечивать гибкую систему профильного обучения. Эта система должна включать в себя следующие типы учебных предметов: базовые общеобразовательные, профильные и элективные.

Базовые общеобразовательные предметы являются обязательными для всех учащихся во всех профилях обучения. Предлагается следующий набор обязательных общеобразовательных предметов: математика, история, русский и иностранные языки, физическая культура, а также интегрированные курсы обществоведения (для естественно-математического, технологического и иных возможных профилей), естествознания (для гуманитарного, социально-экономического и иных возможных профилей).

В отличие от базисного учебного плана, утвержденного приказом Минобразования России от 09.02.1998 №322, информатика исключена из состава обязательных базовых учебных предметов. Это объясняется следующими положениями:

- предусмотрено увеличить объем изучения информатики в основной школе, что позволит учащимся этой ступени в значительной мере освоить обязательный общеобразовательный минимум содержания образования, обеспечивающий им формирование функциональной грамотности, социализацию и решение других задач общего образования;

- функция информатики как сферы деятельности весьма специфическая, она обеспечивает своими методами и средствами другие области знания и деятельности человека, что снимает необходимость изучать на старшей ступени базовый (инвариантный для всех профилей) курс информатики;

- более целесообразным представляется профильное изучение информатики, ориентированное на запросы каждого конкретного профиля.

Профильные общеобразовательные предметы - предметы повышенного уровня, определяющие направленность каждого конкретного профиля обучения. Профильные учебные предметы являются обязательными для учащихся, выбравших данный профиль обучения. Например, физика, химия, биология - профильные предметы в естественнонаучном профиле; литература, русский и иностранные языки - в гуманитарном профиле; история, право, экономика и др. - в социально-экономическом профиле и т.д.

Содержание указанных двух типов учебных предметов составляет федеральный компонент государственного стандарта общего образования. Достижение выпускниками уровня требований государственного образовательного стандарта по базовым общеобразовательным и профильным предметам определяется по результатам единого государственного экзамена.

2. Методические рекомендации по теме «базы данных», в профильном курсе информатики, направленные на развитие познавательной активности школьников

2.1 Общая структура и характеристика темы базы данных в профильном курсе информатики

Обучение школьников работе с базами данных напрямую связано с решением задачи подготовки к труду, продолжению образования, а именно формируются представления о роли и месте компьютерной техники в современном и будущем обществе, об основных закономерностях обработки информации с помощью компьютера (поиск, хранение и предъявление), названий и содержания основных этапов решения задач автоматизированного поиска информации.

Положительных результатов в работе по развитию познавательной активности учащихся можно добиться в случае, если:

- активная познавательная деятельность школьников была организована при условии создания благоприятного эмоционального фона, что возможно благодаря изменениям в оценочной деятельности учителя, введению самоконтроля и самооценки учащихся, согласуемой с учителем;

- на учебных занятиях был обеспечен постепенный и последовательный переход на субъект-субъектные отношения, которые можно создать в совместной деятельности, основанной на внутренней мотивации;

- при новом способе организации учебного процесса был изменен поведенческий стиль учителя, выполнения им функций мотиватора в учебном труде, координатора учебных действий школьников.

Для решения задачи развития познавательной активности учащихся важно применять активные методы обучения, адекватные содержанию материала. В этом случае возможно научить учащихся применять свои знания в новых и необычных ситуациях, т.е. развивать элементы творческого мышления.

Таким образом, для решения задачи развития познавательной активности учащихся важно, чтобы они не столько получали готовые знания, сколько открывали их заново. При этом задача учителя - возбудить внимание учащихся, их интерес к учебной теме, усилить на этой основе познавательную активность. Желательно, чтобы через посредство широкого применения самостоятельных работ учитель стремился к тому, чтобы проблему ставили сами учащиеся. Важно и то, чтобы учитель сумел определить и реализовать оптимальную степень трудности проблемной ситуации (её трудность и, вместе с тем, посильность).

Таким образом, предлагаемая разработка по теме «Базы данных» способствует развитию:

- интеллектуальных и практических умений в области технологий хранения и поиска информации и их приложений к решению задач из различных сфер деятельности;

- интереса к изучению информатики и математики, а также интереса к решению учебных, практических и исследовательских задач;

- умения самостоятельно приобретать и применять знания;

- творческих способностей, умения работать в группе, вести дискуссию, отстаивать свою точку зрения.

Данная тема «Базы данных» является преемственной по отношению к теме базового курса информатики, обеспечивающей требования к ее изучению в основной школе. При планировании и создании темы учитывалось то, что раздел «Базы данных и СУБД» становится одним из ведущих в изучении информатики на старшей ступени школы.

В ходе изучения темы будут расширены знания учащихся в тех предметных областях, на которых базируются изучаемые базы данных, что позволит максимально реализовать межпредметные связи, послужит средством профессиональной ориентации и будет служить целям профилизации обучения на старшей ступени школы.

Целью изучения темы «Базы данных» является развитие информационных умений учащихся, проявляющихся в знании функциональных особенностей технологий хранения и поиска информации и умении активно использовать их в практической деятельности.

Задачи обучения теме:

· обеспечить прочное и сознательное овладение учащимися основами знаний о методах и средствах хранения и переработки информации современном обществе;

· научить использовать технологии баз данных для решения практических задач из различных предметных областей;

· закрепить и углубить знания по информатике через рассмотрение алгоритмических проблем, лежащих в основе методов поиска и обработки информации;

· более эффективно подготовить учащихся к освоению программ высшего профессионального образования, обеспечить преемственность между общим и профессиональным образованием;

· привить практические навыки использования ЭВМ как инструмента учебной и практической деятельности;

· способствовать воспитанию у учащихся устойчивого познавательного интереса и творческой активности.

Таким образом, предлагаемая тема концентрирует в себе достаточно большой теоретический материал и методы информатики, применяемые для эффективного решения задач баз данных и их приложений. Она несет в себе огромный образовательный потенциал, поскольку разработанная система задач позволит повысить математическую и алгоритмическую культуру, привить интерес, т.е. повысить мотивацию к изучению информатики через показ, как принципов работы СУБД, так и эффективных решений с помощью компьютера задач реальных баз данных.

В процессе изучения темы учащиеся должны овладеть основами технологий хранения и поиска информации, а именно должны знать:

· современные методы сбора, накопления, хранения и обработки информации, роль компьютера в этих процессах;

· определение и назначения информационных систем;

· роль информационных систем в повышении эффективности деятельности специалистов различных профилей;

· способы организации и представления данных;

· функциональные особенности и возможности технологий хранения и поиска информации;

· основные понятия и баз данных и СУБД.

В результате освоения практической части темы учащиеся должны уметь:

· пользоваться рациональными приемами поиска, отбора, обработки и систематизации информации;

· применять технологии хранения и поиска информации для решения учебных и познавательных задач;

· проводить вычислительный эксперимент;

· анализировать результаты работы программы;

· выдвигать гипотезы;

· находить оптимальные пути решения задачи;

· обосновывать правильность алгоритма решения задачи.

Формирование у учащихся навыков рациональной обработки информации и навыков целенаправленного использования компьютера для решения учебных, творческих и исследовательских задач осуществляется постепенно на протяжении всей темы.

Изучение данной темы предполагает работу школьников с одной из наиболее распространенных систем управления базами данных - Microsoft Access.

Соответственно в содержании темы можно выделить следующие блоки, по которым будет сформирована система задач, способствующая формированию познавательной активности школьников:

I. Изучение основных принципов работы баз данных средствами программирования.

1. Повторение общих принципов структурного программирования на языке Pascal: основные этапы и принципы построения программы; управляющие конструкции языка; процедуры и функции; структуры данных; массив, одномерные и двумерные массивы; методы сортировки и поиска данных в массиве.

2. Решение задач, имитирующих механизм работы СУБД: создание однотабличной базы данных (двумерный массив), реализация реляционных операций выбора, проекция; создание нескольких таблиц (массивов), операции объединения, пересечения, разности, декартова произведения, соединение, деление; реализация сортировки и поиска в таблицах БД, реализация запросов на выборку к БД; совокупность таблиц, задание первичного и внешнего ключей таблицы, реализация связей между таблицами; рассмотрение вопросов нормализации отношений, организация проверки соответствия базы данных первой, второй и третьей нормальной форме; реализация сложных запросов к базе данных (запросы на объединение, на изменение, запросы-действия, управляющие запросы, имитация SQL-запросов).

II. Изучение СУБД Microsoft Access

1. Работа с готовой базой данных: содержание конкретной базы данных и ее назначение; основные операции над данными (поиск, сортировка и пр.); создание запросов к базе данных.

2. Проектирование и поддержание базы данных: модели данных (иерархическая, реляционная, сетевая), реляционная модель данных; база данных и система управления базами данных (СУБД); структура базы данных, описание структуры базы данных; заполнение и редактирование базы данных (исправление, удаление, добавление записей); модификация структуры базы данных; реализация запросов к базе данных в интерактивном режиме (поиск по ключу, сортировка, статобработка); основные стандартные функции (арифметические, строковые, обработки даты и др.); генератор отчетов СУБД; программный режим обработки запросов; использование СУБД при решении задач.

II. Итоговая проектная работа по теме

Предполагает разработку учащимися собственной базы данных. Учащиеся должны дать описание структуры базы данных, построить алгоритмы реляционных операций, заполнить базу данными, а также составить и реализовать серию запросов по созданной базе данных. При этом деятельность учащихся может быть организована как в форме индивидуальной работы учащегося с компьютером, так и в форме групповой работы. Завершающим этапом проекта становится его защита и публичное обсуждение всем классом.

В результате изучения предполагаемой темы по базам данных у учащихся должны сформироваться достаточно четкие представления об основных понятиях информационных систем и баз данных. В частности, учащиеся должны знать следующие теоретические вопросы:

· понятие информационной системы. Роль и место информационных систем в деятельности специалистов различных профилей. Классификация информационных систем;

· база данных как основной компонент информационной системы. Основные понятия баз данных. Назначение и функции СУБД;

· модель данных. Классификация модели данных;

· реляционные модели данных. Реляционные объекты данных (домены, отношения). Целостность реляционных данных;

· реляционная алгебра (основные операторы реляционной алгебры, дополнительные операторы реляционной алгебры, операции обновления);

· проектирование реляционных БД. Связь таблиц (функциональные зависимости), нормализация отношений (первая, вторая и третья нормальные формы). Схема процедуры нормализации.

Предлагаемая организация изучения СУБД, при которой освоение фундаментальных понятий происходит за счет специально разработанной системы задач, будет способствовать более эффективному овладению учащимися основными знаниями в области технологий хранения и поиска информации, а также необходимыми навыками работы в базах данных.

При таком обучении деятельность учащихся становится активной, меняется роль ученика: из пользователя он превращается в активного исследователя, думающего, планирующего, ищущего. По мере решения задач, сводящихся к программной реализации работы той или иной операции, у ученика появляется не только четкое представление о сути этой операции (что она делает), но и осознание того, как она работает, поэтому в дальнейшем при работе с конкретной программой СУБД (Microsoft: Access) ученик будет понимать принципы работы с базами данных.

И поскольку фундаментальные основы баз данных учащиеся осваивают на этапе решения задач в среде программирования, то они в состоянии самостоятельно изучить конкретные, пользовательские программы по организации и управлению базами данных. В частности, нами предполагается, что второй содержательный блок (Изучение СУБД Microsoft Access) школьники осваивают самостоятельно. В результате проведенной подготовительной работы по изучению основ баз данных средствами программирования учащимся потребуется меньше времени на изучение Microsoft Access. Кроме того, освоив фундаментальные принципы работы баз данных, ученики не будут зависеть от какой-либо определенной программы по СУБД и смогут свободно ориентироваться в рамках одной из наиболее востребованных на сегодняшнем рынке труда областей деятельности - работе с разнообразными базами данных.

2.2 Методические особенности преподавания темы «Базы данных» в профильном курсе информатики

Основная цель изучения темы - развитие познавательного интереса учащихся, а также формирование исследовательских умений, умений принимать оптимальные решения, умения работать с информацией, развитие коммуникативных способностей учащихся. Поэтому наряду с сообщением готовых знаний, обучением по образцу, в большинстве своем целесообразно использовать проблемное изложение материала, на основе подобранной системы заданий.

Использование компьютера в обучении позволяет усилить мотивацию учения, развить познавательный интерес и творческую активность; эффективно реализовать принципы индивидуализации и дифференциации обучения; увеличить долю самостоятельной работы учащихся; обеспечить контроль и самоконтроль усвоения знаний и т.д.

Поэтому в качестве приоритетной была выбрана методика, согласно которой компьютер используется как инструмент построения знаний и как инструмент создания проблемных ситуаций. Применение на занятиях среды программирования как инструмента познания способствует воспитанию у учащихся высокой мотивации к обучению, реализации практической направленности процесса обучения. При решении специально подобранных задач средствами программирования роль компьютера не сводится лишь к выполнению некоторой последовательности вычислительных процедур. Ученик на каждом этапе может увидеть последствия предпринимаемых им действий и внести в свое решение задачи необходимые поправки. Таким образом, персональный компьютер становится для него своего рода интеллектуальным партнером, или, по выражению разработчиков обогащающего обучения, интеллектуальным самоучителем, так как участвует в эвристическом этапе решения задачи.

Как отмечалось выше, в профильном курсе информатики изучение баз данных предполагается с помощью специально разработанной системы заданий. При такой организации обучения, решая многие задачи баз данных средствами программирования, с одной стороны, появляется возможность получить на первых порах неэффективное и нестрогое с точки зрения организации баз данных решение. С другой стороны, дальнейший анализ решаемых задач позволяет рассматривать вопросы построения более эффективного алгоритма, знакомить учащихся с проблемами анализа и оптимизации алгоритмов.

Здесь важным моментом является организация работы с задачей и построение серии задач. Вопросы и задачи выстраиваются в систему таким образом, что ответ на каждый следующий вопрос и решение каждой следующей задачи приводит к получению небольшого количества нового знания. Практика применения новых знаний происходит не только после их предъявления, но и распределяется по всей теме. Вопросы и задачи создают проблемные ситуации, порождая мотив к изучению того или иного факта или способа действия, позволяют сделать тот или иной вывод. Задания подбираются таким образом, чтобы мотивировать изучение материала и организовать его освоение и закрепление в виде программных реализаций алгоритмов. При этом задачи объединены общей идеей, каждая последующая задача либо обобщает ее, либо конкретизирует ее, либо является ее аналогом, либо использует результат предыдущей задачи.

Так, например, для раскрытия сути операций по обработке реляционных баз данных может быть предложена следующая серия задач.

1. Дан массив данных об абитуриентах факультета информатики, поступавших на определенную специальность (например, «Информатика и английский язык») в прошлом году. Массив содержит следующие данные: № личного дела, фамилия, имя, отчество, дата рождения, адрес, № школы, год окончания школы. Сформировать новый массив, содержащий информацию об абитуриентах:

· окончивших школу №14;

· проживающих в г. Москва;

· окончивших школу не позднее 2004 года…

Программная реализация прямого решения задачи не вызывает затруднений. Организовать данные можно, по крайней мере, двумя способами: с помощью двумерного массива строкового типа или с помощью одномерного массива из данных комбинированного типа (записи). Затем идет проверка строк исходного массива на удовлетворение условию задачи и запись подходящий строк в новый массив. В Приложении 1 приведена возможная реализация такого алгоритма на языке Паскаль. Однако если исходный массив данных об абитуриентах содержит достаточно большое количество записей (как это обычно и бывает в реальной базе данных), то при решении задачи возникают проблемы, связанные со временем выполнения алгоритма (временной сложностью). Таким образом, появляется необходимость оптимизации алгоритма с использованием известных методов сокращения перебора (бинарный поиск, хеширование и т.д.), что делает реализацию алгоритма достаточно интересным и продуктивным занятием.

Так, если использовать, например, бинарный поиск данных, то предварительно нужно отсортировать исходный массив, а следовательно, учащимся нужно будет вспомнить известные им методы сортировки данных в массиве, применить их, не забывая об эффективности алгоритма. В Приложении 2 приведено решение задачи с использованием алгоритма быстрой сортировки (сортировка Хоара) и бинарного поиска. Приведем лишь основную логику построения программы. Результат работы этой программы аналогичен предыдущему.

Кроме того, если данные представлены в виде двумерного массива строкового типа, то при решении заданий под буквами б) или в) возникают новые задачи: нахождение подстроки в строке, перевод строки (с датой) в число и т.д., что еще раз послужит закреплению соответствующих навыков.

Задачи сами по себе не сложные, однако, на их примере ученики на самом деле изучают не что иное, как операцию выборки записей из реляционной таблицы. После рассмотрения нескольких таких примеров можно предложить учащимся создать универсальную программу для всех трех задач (для этого проверку условия для строк исходного массива можно оформить в виде функции, а формирование нового массива - в виде соответствующей процедуры под названием «Выборка»).

Аналогичным образом формулируются задачи по изучению остальных операций реляционной алгебры. Например, операцию проекции будут имитировать задания следующего типа:

2. В условиях задачи 1,

· сформировать массив данных об абитуриентах, включающих только фамилию, имя и отчество учеников;

· вывести список школ, выпускники которых поступали в прошлом году на факультет информатики и т.д.

3. Для реализации операций объединения, пересечения и разности нужно будет рассмотреть еще один массив с аналогичными данными, например, об абитуриентах, поступавших на специальность «Прикладная информатика в экономике». И решить задачи по формированию нового массива, содержащего:

· обобщенную информацию обо всех абитуриентах, поступавших на специальность «Информатика и английский язык» или «Прикладная информатика в экономике»;

· информацию об абитуриентах, поступавших одновременно на две вышеупомянутые специальности;

· информацию об абитуриентах, поступавших только на специальность «Информатика и английский язык».

Центральным моментом каждой из трех программ является проверка наличия одинаковых строк в исходных массивах. При решении этой задачи «в лоб» каждая строка одного массива сравнивается с каждой строкой другого массива. В результате программа получается достаточно простой. Однако, при решении второй задачи нужно учесть возможность получения пустого массива, а при нахождении разности (третья задача) ученики должны обратить внимание на несимметричность этой операции (разность массивов А и В и разность массивов В и А в общем случае различны).

4. Операцию декартова произведения будет имитировать следующая задача. Наряду с массивом абитуриентов рассматривается еще один массив «Экзамены», содержащий информацию об экзаменах, которые необходимо сдать для поступления на определенную специальность факультета информатики: № предмета, название предмета (например, русский язык, информатика, английский язык). Необходимо вывести массив, содержащий все столбцы исходных массивов, то есть «связать» каждого абитуриента с каждым предметом. В результате решения этой задачи получается, если так можно выразиться, незаполненная ведомость по абитуриентам и экзаменам.

5. Для заполнения этой ведомости конкретными оценками абитуриентов нужно соединить полученный массив с массивом «Оценки», содержащим информацию об экзаменационных оценках по определенному предмету (например, по информатике) со столбцами: № личного дела, оценка. Соединение таблиц производится по общему столбцу № личного дела. Таким образом, можно получить экзаменационную ведомость по предмету информатике всех абитуриентов, поступавших на специальность «Информатика и английский язык».

Список задач может быть продолжен, важно, чтобы при их решении у учащихся сформировались вполне определенные представления о сути рассмотренных операций и способах их реализации. После рассмотрения достаточно широкого круга подобных задач в распоряжении учеников будет совокупность универсальных процедур, каждая из которых реализует ту или иную реляционную операцию. Затем можно переходить к организации запросов по условно созданной базе данных, формулируемых также в виде определенных задач. Например:

6. Вывести № личного дела, фамилии и имена абитуриентов, сдавших экзамен по информатике на 4 или 5.

После тщательного анализа этой задачи учащиеся, наверняка, заметят, что для ее решения можно использовать ранее рассмотренные операции: сначала соединить массивы «Абитуриент» и «Оценки по информатике», затем на объединенном массиве сделать выборку по оценкам 4 или 5, а потом сделать проекцию получившегося массива на столбцы № личного дела, фамилия, имя, предмет, оценка. Таким образом, любой запрос можно будет свести к применению конечного набора рассмотренных операций реляционной алгебры.

Но здесь также возникают проблемы оптимизации алгоритмов. В частности, возникает вопрос, применение какой последовательности операций даст наиболее эффективный (по времени) алгоритм? Ведь получить желаемый в предыдущей задаче результат можно и другим путем: сначала сделать выборку в таблице оценок (выбрать только записи с оценками 4 или 5), а уже потом производить соединение и проекцию. Подобные вопросы также дают почву ученикам для размышления и применения своих знаний на практике.

Построенная таким образом серия задач позволяет:

* применять обобщения в текущей учебной работе на каждом уроке;

* устанавливать больше логических связей в материале;

* выделять главное и существенное в большой дозе материала;

*выявить больше межпредметных связей и приложений изучаемых понятий и алгоритмов;

* более эмоционально подать материал;

* сделать более эффективным закрепление материала.

Каждая задача представляет собой некоторую проблему, решение которой опирается на решенные ранее задачи. Рассмотрение взаимосвязанных объектов в системе, как единое целое, способствует обучению не отдельным мыслительным операциям в случайном, стихийно складывающемся порядке, а системе умственных действий для решения нестереотипных задач. Ученик, анализируя, сравнивая, синтезируя, обобщая, конкретизируя фактический материал, сам способен получить из него новую информацию.

Нового применения прежних знаний не может дать ни учитель, ни книга - оно ищется и находится учеником, поставленным в соответствующую ситуацию. Умственный поиск - сложный процесс, он, как правило, начинается с проблемной ситуации, проблемы. Но не всякий поиск связан с возникновением проблемы. Если учитель дает задания ученикам, указав, как выполнить, то даже самостоятельный поиск не будет решением проблемы.

Очевидно, что такой способ самостоятельного изучения материала под силу не каждому ученику, это связано, прежде всего, с уровнем развития мышления. И задача учителя здесь научить «добывать» знания.

При проблемном обучении деятельность учителя состоит в том, что он, дает в необходимых случаях объяснение содержания наиболее сложных понятий, систематически создает проблемные ситуации, сообщает учащимся факты и организует (проблемные ситуации) их учебно-познавательную деятельность, так что на основе анализа фактов учащиеся самостоятельно делают выводы и обобщения, формируют с помощью учителя определенные понятия, законы.

Особую роль в развитии мышления и обучении самостоятельного извлечения знаний из конкретной ситуации играет система вопросов, направляющих ход мышления, представленная в таблице 1:

Таблица 1. Вопросы, направляющие ход мышления

Вопросы	Мыслительные операции
Приведите пример.	Предложение
Каким образом можно…использовать для…?	Предложение
Что случится, если…?	Предположение/ Анализ
Что подразумевается под…?	Предположение / Выдвижение гипотезы
В чем сильные и слабые стороны…?	Анализ / Заключение
Что мы уже знаем о…?	Анализ / Заключение
Каким образом…влияет на…?	Активизация ранее приобретенных знаний
	Активизация причинно-следственных отношений
Каким образом…связано с тем, что мы изучили ранее?	Активизация ранее приобретенных знаний
Объясните, почему.?	Анализ
Объясните, как…?	Анализ
Почему важно…?	Анализ
В чем разница между…и…?	Анализ значимости
Как можно применить…в повседневной жизни?	Сравнение/противопоставление
	Применение в реальном мире
Како аргумент можно привести против…?	Контраргументация
Какими могут быть возможные решения задачи?	Синтез идей
Сравните…и…на основании…	Сравнение-противопоставление
Что, на ваш взгляд, является причиной…и почему?	Анализ причинно-следственных связей
Согласны ли вы с утверждением, что…?	Оценка и ее обоснование
Чем вы можете аргументировать свой ответ	Оценка и ее обоснование

Таким образом, одним из основных методов обучения темы баз данных становится метод проблемного обучения [50, 51].

В результате у учащихся происходит не только усвоение необходимого материала, но и вырабатываются навыки умственных операций и действий, навыки переноса знаний, развивается внимание, воля, творческое воображение. Все это способствует развитию базовых интеллектуальных качеств личности, так называемых КИТСУ-критериями (критерии компетентности, инициативы, творчества, саморегуляции, уникальности склада ума).

Основным видом деятельности при изучении темы, как отмечалось выше, является программирование. Как известно программирование, особенно на первых порах, вызывает у многих большие затруднения. Это связано с недостаточным развитием особых приемов мыслительной деятельности. Развитию этих качеств, а так же обучение использованию программирования как учебного метода во многом способствует использование специально организованной работой с демонстрационными примерами. Можно выделить ряд типичных видов задач метода демонстрационных примеров и видов мыслительной деятельности им соответствующих:

1) трассировка алгоритма (ручная прокрутка алгоритма) - не выполняя алгоритма, определить, какую задачу он решает (умение «читать» алгоритм, «расформализация» алгоритма - переход от непонятного к понятному);

2) модификация алгоритма, определение области применимости алгоритма (навыки экспериментального исследование алгоритма - «трогание руками», ракскрутка алгоритма);

3) использование приведенного алгоритма при решении подобных задач («связывание» и «перенос» знаний);

4) исследование эффективности / неэффективности алгоритма, построение оптимального алгоритма (теоретическое исследование).

Данные методы, во-первых, в большей степени отражают специфику деятельности в данной области действительности, во-вторых, наиболее полно отражают все аспекты деятельности, в-третьих, в значительной степени способствуют развитию познавательной активности учащихся. Поэтому использование метода демонстрационных примеров в процессе обучения способствует целенаправленному интеллектуальному воспитанию школьников.

Особое место в процессе изучения темы занимает метод учебных исследовательских проектов. Так, в конце изучения предложенной темы, по изучению всего материала, учащимся целесообразно предложить разработать собственную базу данных на изучаемом языке программирования. Дать описание, построить алгоритмы реляционных операций, заполнить базу данными, а также составить и реализовать серию запросов по созданной базе данных. При этом деятельность учащихся может быть организована как в форме индивидуальной работы учащегося с компьютером, так и в форме групповой работы. Завершающим этапом проекта становится его защита и публичное обсуждение всем классом.

В качестве основной формы проведения занятий предлагается использовать практические занятия, организованные в виде лабораторных практикумов, так как именно они формируют основные умения и навыки учащихся.

В лабораторном практикуме используются два вида работ:

- фронтальная, при которой учащимся предлагается одинаковый набор заданий (на первом этапе программирования в простейшей СУБД);

- индивидуальная, при которой ученик выполняет свой вариант задания (по своему индивидуальному заданию на первом и втором этапе программирования как в простейшей СУБД, так и в более современной СУБД).

Обычно совместная работа используется в случаях, когда изучаемый материал может вызвать у учащихся трудности. В таких ситуациях можно вначале предложить выполнение задания общего для всей группы, отработать с ними сложные моменты, а затем предложить индивидуальные задания. Индивидуальная работа активизирует самостоятельно мыслить, так же общаться с другими студентами в случае возникших трудностей. Индивидуальная работа имеет прямое отношение к коллективным методам, к которым обучающихся приучает фронтальная форма организации обучения. Общение является непременным условием формирования объективных понятий, так как позволяет освободиться от субъективности. В результате такого общения формируется открытая познавательная позиция, являющаяся компонентом опыта учащихся.

Одной из особенностей организации занятий по профильному курсу является также применение так называемой параллельной структуры урока. Интеллектуальное воспитание требует учета большого количества индивидуальных характеристик ребенка, таких, как психофизические и психо-эмоциональные особенности; природные интеллектуальные способности и степень интеллектуальной воспитанности; скорость протекания психических процессов, темп мыслительной деятельности; степень самостоятельности, склонность к самостоятельной работе, умение самостоятельно мыслить; уровень подготовленности (обладание фактическими знаниями, владение методами, сформированность умений, наличие навыков).

Перечисленные факторы в значительной мере влияют на организацию общения в процессе урока. Это общение условно как бы разбивается на слои, где первый слой требует активного участия учителя, второй - среднего и третий - слабого. Отметим, что при этом нет жесткой привязки «ученик - слой», она может меняться в ходе урока. И в каждом таком слое учитель постоянно ищет положительные сдвиги в процессе деятельности учеников и осуществляет точечные воздействия, слабые по силе, но «резонансные» по характеру, которые вызывают положительную обратную связь и приводят весь этот процесс к необратимым изменениям.

Подобная многослойность общения поддерживается и многослойностью заданий, предлагаемых ученикам. При этом предполагается экспериментальная работа за компьютером как под руководством учителя, так и самостоятельно по предложенному плану. Самостоятельность в такой работе ученика еще более увеличивается, если часть фактического материала ему будет предложено искать в справочниках (печатных или электронных).

Исходя из вышесказанного, можно предложить следующую структуру изучения нового материала на уроке по теме «Базы данных»:

1. Мотивационная задача (которая не решается без нового знания).

2. Беседа учителя и учеников об основных идеях нового материала (при этом вслух говорится далеко не все - оставлены «в запасе» факты, которые можно извлечь из справочных материалов, и закономерности, которые предстоит выявить экспериментально).

3. Задание для экспериментальной работы, в ходе которой детализируется знание нового материала.

4. Обобщение и выводы (при этом учащимся делаются записи: на начальном этапе - подробно с учителем, затем перечисляются пункты с оставлением в тетради свободного места; в идеале эти записи выполняются самостоятельно с последующей проверкой и обсуждением).

5. Задачи на применение нового знания, решение которых сопровождается коллективным (групповым) обсуждением.

6. Обобщающее задание: «Что надо знать по этому вопросу?». Результат - записи в тетради и порядок в голове, перевод знаний в вербальную форму. Последнее проверяется в разных формах на следующем занятии.

Получается, что в единой ткани урока возникает несколько самостоятельных линий, которые могут переплетаться (когда группа учеников на какой-то период объединяется для совместной работы), а затем снова двигаться в своем направлении. Причем учитель для активизации познавательной деятельности с каждым учеником соединяет эти линии, руководит параллельно протекающими процессами. При этом важно, что:

- обеспечивается индивидуализация обучения;

- необходим альтернативный источник сведений (справка, возможно специально подготовленная учителем) для самостоятельного поиска фактического материала;

- учитель указывает направление поиска с индивидуально требуемой степенью подробности;

- предусмотрены тесты для выявления недостатков, чтобы постепенно приучить школьников к самостоятельному тестированию;

- учитель организует переход от одного слоя задания к другому;

- учитель организует общение между учениками (коллективное обсуждение в начале работы, знакомство класса с достижениями отдельных учеников, организация работы в парах).

Таким образом, использование вышеперечисленных методов обучения способствует активизации учебной деятельности на уроке информатики, индивидуализации обучения, развитию самостоятельности познавательной деятельности ученика, меняет тип и характер общения между учеником и учителем, делает информатику, и в особенности обучение программированию, мощным инструментом интеллектуального воспитания.

2.3 Построение системы обучающих заданий по изучению основных понятий баз данных, с целью развития познавательной активности школьников

Методологической основой построения темы по базам данных являются следующие концептуальные аспекты:

- индивидуализация учебной деятельности школьников - одно из важнейших условий реализации целей и задач современного образования;

- создание условий для обогащения индивидуального опыта каждого конкретного ученика позволяет наиболее полно учитывать познавательные интересы, склонности и способности учащихся;

- использование специально разработанной системы задач, позволяющей усвоить и закрепить полученные теоретические знания, на основе которых построен любой алгоритм решения задач из области баз данных, а также создать условия для учета и формирования основных компонентов опыта учащихся.

В рамках традиционного обучения информатике изучение баз данных предлагается по следующей схеме: сначала рассмотреть основные понятия (таблицы, поля, записи, типы данных, связи и т.д.), а затем изучать принципы работы СУБД в конкретной программе, чаще всего, Microsoft Access. При таком обучении школьники в лучшем случае осваивают технологию работы в конкретной СУБД (причем строго в привязке к определенной программе) и приобретают навыки использования готовых процедур обработки информационных массивов данных. Но вне их понимания остается механизм организации, поиска, систематизации данных; учащиеся получают лишь представление о сути той или иной операции по обработке информации (что она делает), но не осознают алгоритма ее работы (как она действует). В результате учащиеся не всегда могут эффективно применить свои знания в практической деятельности, особенно если для обработки данных используется другая, не знакомая им программа. В то же время современное общество требует, чтобы выпускники могли свободно ориентироваться в рамках одной из наиболее востребованных на сегодняшнем рынке труда областей деятельности - работе с разнообразными базами данных.

Кроме того, традиционный подход не решает целей и задач профильного обучения информатике. Нашей задачей было сделать методику обучения данной теме развивающей интерес не только к предмету «информатика» в целом, но и развивающей стремление к изучению темы «базы данных».

Анализируя возможность построения методики обучения информатики с целью развития познавательной активности, мы пришли к выводу, что познавательная активность наиболее полно проявляется при занятии программированием. Следовательно, при решении задач основным видом деятельности на уроке информатики должно стать программирование, представляющее собой деятельность, которая в узком смысле сводится к кодированию рассматриваемого алгоритма, а в широком - является методологией информатики, то есть вычислительным экспериментом.

Программирование как средство организации обучения при изучении темы стимулирует познавательную активность и самостоятельность учащихся, способствует индивидуализации их деятельности на занятии, способствует развитию обучаемого через преодоление своих ошибок благодаря постоянной обратной связи, поддерживаемой компьютером. Оно способствует большей осознанности изучаемого теоретического материала, поскольку требует от учащихся четкости в формализации используемого материала, точности в выражении своих мыслей и т.п. Кроме того, применение программирования связано с целым рядом умений и навыков (организация деятельности, ее планирование и т.д.), которые по праву носят общеинтеллектуальный характер и формирование которых одна из приоритетных задач современной школы.

Таким образом, для развития познавательной активности учащихся при изучении баз данных необходимо разработать систему задач, решение которых предполагает использование программирования.

В нашем исследовании задача рассматривается не только как средство закрепления знаний и навыков, но и как средство формирования понятий содержания предложенной темы, т.е. изучение основных, фундаментальных понятий СУБД происходит с использованием программирования через специально разработанную систему задач. Поэтому наряду с сообщением готовых знаний, обучением по образцу используется проблемное изложение материала на основе целесообразно подобранных задач.

Для практической реализации темы содержание задач должно в максимальной степени отражать теоретические основы построения и функционирования баз данных.

Изучение основ СУБД должно начинаться с рассмотрения алгоритмов работы восьми основных операций:

1. Традиционные операции над множествами: объединение, пересечение, вычитание и декартово произведение (все они модифицированы с учетом того, что их операндами являются отношения, а не произвольные множества).

2. Специальные реляционные операции: выборка, проекция, соединение и деление.

Для этого учащимся предлагаются определенные, специальным образом подобранные задачи, которые им предстоит решить, используя какой-либо язык программирования (например, Turbo Pascal). Причем возможно решение задач на трех уровнях:

I уровень: задачи на 8 основных операций реляционной алгебры на двумерных числовых массивах (при этом операции сильно упрощенны, так как используются однотипные данные, без понятия полей, записей, ключей и т.д.);

II уровень: задачи на массивах из записей (происходит некоторое усложнение за счет введения данных разных типов);

III уровень: объектно-ориентированное программирование (операции наиболее приближены к понятиям БД).

На каждом уровне обучения учащимся даются определения операций (в соответствии с принятыми упрощениями) и предлагается реализовать механизм их работы через систему задач. Решая подобные задачи в среде программирования, ученики на самом деле реализуют механизм работы операций реляционной алгебры. Такой подход позволяет не только получить качественный материал для отработки и закрепления навыков работы с основными алгоритмическими конструкциями, использования различных алгоритмов поиска и сортировки данных, но и сформировать у учащихся представление об основных понятиях и принципах работы в базах данных. А это значит, что в дальнейшем при работе с конкретными программами СУБД (например, Microsoft Access) ученики будут понимать, как работает та или иная операция и каким образом можно, например, оптимизировать запрос к определенной базе данных. В качестве примера приведем определения операций и возможные задачи по двумерным массивам. Введем следующие операции по обработке двумерных массивов.

1) Объединение двух двумерных массивов, имеющих одинаковое число столбцов, - это массив, содержащий совокупность всех строк исходных массивов. Результирующий массив имеет то же количество столбцов, но другое число строк (в общем случае). При этом следует учесть, что если в массивах есть одинаковая строка (строки), то в объединение массивов эта строка войдет один раз.