Учебно-методический комплекс изучения содержательной линии "Моделирование и формализация"

в) математическиподобные модели (не имеют с оригиналом ни физического, ни геометрического сходства, но объект и модель описываются одинаковыми уравнениями - аналогия между механическими и электрическими колебаниями).

Можно выделить такие виды абстрактных моделей:

Вербальные (текстовые) модели. Эти модели используют последовательности предложений на формализованных диалектах естественного языка для описания той или иной области действительности.

Математические модели - очень широкий класс знаковых моделей (основанных на формальных языках над конечными алфавитами), широко использующих те или иные математические методы.

Информационные модели - класс знаковых моделей, представляющих объект, процесс или явление набором параметров и связей между ними. Связи элементов создают систему только тогда, когда в результате этих связей образуются новый целостный объект, обладающий такими свойствами, которые без этих связей не были бы присущи совокупности данных элементов.

В обязательном минимуме содержания образования по информатике присутствует линия «Моделирование и формализация». Содержание этой линии определено следующим перечнем понятий: моделирование как метод познания, формализация, материальные и информационные модели, основные типы информационных моделей. Линия моделирования, наряду с линией информации и информационных процессов, является теоретической основой базового курса информатики.

Содержательная линия формализации и моделирования выполняет в базовом курсе информатики важнейшую педагогическую задачу - развитие системного мышления учащихся, так как работа с огромными объемами информации невозможна без навыков ее систематизации. Умение систематизировать данные - главнейший компонент компьютерной грамотности учащихся. Не случайно, в процессе развития школьной информатики следует отметить значительное увеличение веса данной линии в общем содержании курса. Понятие «система» в информатике встречается достаточно часто. Совокупность взаимосвязанных данных, предназначенных для обработки на компьютере - система данных, совокупность взаимосвязанных программ определенного назначения - программные системы (ОС, системы программирования, пакеты прикладных программ и др.). Информационные системы - одно из важнейших приложений компьютерных технологий. Основным методическим принципом информационного моделирования является системный подход, согласно которому всякий объект моделирования рассматривается как система. Из всего множества элементов, свойств и связей выделяются лишь те, которые являются существенными для целей моделирования. В этом и заключается сущность системного анализа. Задача системного анализа, который проводит исследователь, - упорядочить свои представления об изучаемом объекте, для того чтобы в дальнейшем отразить их в информационной модели. Сама информационная модель представляет собой также некоторую систему параметров и отношений между ними, которые могут быть представлены в разной форме: графической, математической, табличной и др. Таким образом, просматривается следующий порядок этапов перехода от реального объекта к информационной модели: реальный объект - системный анализ - система данных, существенных для моделирования - информационная модель.

Понятие модели - центральное понятие курса информатики, которое как красная нить должно проходить по всему содержанию курса, поскольку формализация и моделирование являются базовыми компонентами при изучении всех разделов информатики.

Можно выделить два основных направления построения информационных моделей:

1.Построение математических моделей - обучая алгоритмизации и программированию как основному средству построения математических моделей. Здесь модели представляются как наборы величин в алгоритмах, изучаются различные типы данных, отрабатываются этапы решения задач на ЭВМ как частный случай этапов перехода от реального объекта к информационной модели, формируются умения формализации, проведения вычислительного эксперимента.

2.Построение информационных моделей с использованием информационных технологий. Здесь можно обойтись прикладным программным обеспечением общего назначения: табличные процессоры, СУБД.

В процессе преподавания информатики тема «Моделирование и формализация» изучается в конце 11 класса. К этому времени учащиеся владеют достаточными знаниями и умениями по алгоритмизации и программированию, изучили основное прикладное программное обеспечение. Ставится проблема о решении любой практической задачи на ЭВМ. Основной упор делается на выборе подходящего инструментального средства в составе программного обеспечения ЭВМ для реализации модели. Такими средствами могут быть: электронные таблицы, СУБД, системы программирования, математические пакеты, специализированные системы моделирования.

Прилагаемая презентация является кратким опорным конспектом по теме для учащихся, который, конечно же, сопровождается эвристической беседой, разнообразными примерами и рассчитана, как минимум, на два часа. Основные понятия темы рассматриваются с использованием технологии построения любой информационной модели и системного анализа. Рассматриваются и обсуждаются основные признаки информационной компьютерной модели: наличие реального объекта моделирования, отражение целесообразного множества свойств, реализации при помощи определенных компьютерных средств, возможность постоянного, активного использования. Активизируется внимание на осуществление основных этапов разработки и исследования моделей.

На первом этапе исследования объекта или процесса обычно строится описательная информационная модель. Такая модель выделяет существенные, с точки зрения целей проводимого исследования, параметры объекта.

На втором этапе создается формализованная модель, то есть описательная информационная модель записывается с помощью какого-либо формального языка. В такой модели с помощью формул, уравнений, неравенств и так далее фиксируются формальные соотношения между начальными и конечными значениями свойств объектов, а также накладываются ограничения на допустимые значения этих свойств.

На третьем этапе необходимо формализованную информационную модель преобразовать в компьютерную модель, то есть выразить ее на понятном для компьютера языке.

Четвертый этап исследования информационной модели состоит в проведении компьютерного эксперимента. Если компьютерная модель существует в виде программы на одном из языков программирования, ее нужно запустить на выполнение и получить результаты.

Если компьютерная модель исследуется в приложении, например, в электронных таблицах, можно провести сортировку или поиск данных, построить диаграмму или график и так далее.

Пятый этап состоит в анализе полученных результатов и корректировке исследуемой модели. В случае различия результатов, полученных при исследовании информационной модели, с измеряемыми параметрами реальных объектов, можно сделать вывод, что на предыдущих этапах построения модели были допущены ошибки или неточности.

Таким образом, содержательная линия "Моделирование и формализация" -- это одна из важнейших содержательных линий курса информатики, формирующая системно-информационную картину мира в сознании учащихся, так как позволяет осознанно выделять в окружающей действительности отдельные объекты, видеть отношения между объектами, выделять существенные признаки объектов, классифицировать их и объединять в множества, строить схемы и "видеть" внутреннюю структуру объекта, представлять одни объекты посредством других с целью их изучения, представления, изготовления или использования.

Наполнение содержательных линий непрерывного курса информатики на разных ступенях обучения в направлении «Моделирование и формализация»

Таблица 1Линия «Моделирование и формализация»

Уровень представления учебного материала	Ступень обучения	Краткое содержание учебных модулей	Основные виды деятельности
1	Н	Модель как упрощенное подобие реального объекта. Модели в окружающей жизни. Их назначение и области применения. Модель как заменитель объекта в процессе познания, общения, практической деятельности. Виды моделей: натурные и информационные. Схемы, таблицы, графики, диаграммы как формы моделирования. Правила построения схем, таблиц, графов	Сравнение, сопоставление разных моделей одного объекта. Исследование моделей с точки зрения их назначения. Получение информации из таблиц, диаграмм, графов, схем
2	Н	Информационные модели. Их виды и отличительные особенности. Формы представления информационных моделей. Описательные, наглядные и смешанные информационные модели. Этапы моделирования. Формализация как важный этап моделирования. Принцип «черного ящика» в моделировании	Формальное выполнение действий в соответствии с инструкцией. Выдвижение гипотез об устройстве «черного ящика». Компьютерный эксперимент как средство проверки гипотез
3	Б	Объект, задача, модель. Модель объекта, модель решения. Построение модели как важный элемент информационной технологии решения задачи	Выделение в исследуемой ситуации объекта, субъекта моделирования, модели. Анализ свойств модели и выделение среди них существенных с точки зрения целей моделирования
4	Б	Моделирование в познании, общении и практической деятельности. Учебные модели, их особенность и формы представления. Их назначение и области применения. Информационная модель как схема, изображение или описание изучаемого объекта. Адекватность модели объекту и целям моделирования	Исследование учебных моделей. Определение их вида, назначения, принципов построения, степени подобия объекту моделирования
5	Б	Этапы построения информационных моделей. Формализация как важный этап построения модели	Формализация информации разного вида. Структурирование данных и знаний при решении задач
6	Б	Основные приемы моделирования внешнего вида, структуры, поведения объекта. Статические и динамические модели	Знакомство с основными приемами моделирования. Исследование компьютерных моделей с точки зрения новой информации, которую они несут об объекте моделирования
7	Б	Формализация текстовой информации	Знакомство с приемами формализации текстов, правилами заполнения формуляров, бланков и т. д. Составление деловых бумаг по заданной форме
8	Б	Основные свойства формул. Правила построения и интерпретации формул. Математическое моделирование и его особенности	Знакомство с правилами интерпретации различных формул. Выявление особенностей математического моделирования
9	Б	Схемы, таблицы, графики как формы моделирования. Правила построения схем, таблиц, графов	Построение и интерпретация таблиц, диаграмм, графов, схем, блок-схем алгоритмов
10	Б	Блок-схемы, алгоритмы и программы как формы моделирования процесса решения задачи формальным исполнителем	Анализ разных способов записи алгоритмов с позиции того, что они информационные модели. Определение того, что является объектом моделирования для математической модели, алгоритма, программы решения задачи
11	П	Вычислительный эксперимент как метод научного исследования. Моделирование в вычислительных экспериментах	Постановка вычислительных экспериментов при написании программ и работе с электронными таблицами, математическими пакетами. Сопоставление математических моделей задачи и их компьютерных аналогов. Анализ полученных результатов с точки зрения соответствия объекту и целям моделирования
12	П	Свойства моделей. Аспекты подобия: симметричность, рефлексивность, транзитивность, толерантность. Изоморфизм и гомоморфизм	Определение свойств моделей. Построение моделей с заданными свойствами. Доказательство изоморфности (гомоморфности) нескольких моделей одного объекта
13	П	Качественные и количественные оценки моделей. Показатели и критерии оценки	Выбор показателей и формирование критериев оценки. Оценка моделей
14	В	Адекватность познавательных моделей. Мировоззренческие модели	Знакомство с основными мировоззренческими моделями. Раскрытие сущности понятия «адекватность» на примере известных моделей
15	В	Основные понятия и методы информационно-логического моделирования как инструмента познавательной и конструктивной деятельности. Методы описания информационно-логических моделей. Концептуальное моделирование	Построение информационно-логических моделей управления предприятием. Раскрытие сущности понятия «концептуальная модель» на примере анализа известных научных теорий
16	В	Детерминированные и стохастические модели. Стохастические методы и средства их реализации в информатике	Постановка компьютерных экспериментов. Работа с моделирующими программами специального назначения
17	В	Компьютерное моделирование и его виды. Моделирующие программы и сферы их применения. Имитационное моделирование. Назначение, особенности и области применения	Создание компьютерных моделирующих программ. Создание программ, имитирующих деятельность объекта, с целью экспериментальной проверки гипотез

Глава II Разработка и проектирование учебно-методического комплекса содержательной линии «Моделирование и формализация»

2.1 Методика изучения содержательной линии «Моделирование и формализация»

Необходимость изучения основ информатики и информационных технологий связана прежде всего с огромным общеобразовательным потенциалом данного курса и его методологической значимостью в плане формирования у учащихся информационно-коммуникационных компетенций (умений сравнивать преимущества и недостатки различных источников информации, выбирать соответствующие технологии поиска информации, создавать и использовать должные модели и процедуры изучения и обработки информации и т.п.). Все это требует, на наш взгляд, новых подходов к преподаванию базового курса информатики с учетом современных тенденций развития содержания и методики его преподавания в контексте интеграции учебных дисциплин.

Какие же цели стоят сегодня перед курсом информатики, с чем сегодня учителю идти на урок? Чтобы найти ответы на эти и другие вопросы, цели и задачи курса информатики необходимо рассматривать в контексте общих целей и задач всей системы общего образования, которая, в свою очередь, должна быть ориентирована на выполнение потребностей в образовательных услугах российского общества.

В программных документах последних лет, связанных с основными направлениями модернизации образования, подчеркивается, что изучение информатики должно способствовать процессам социализации личности, фундаментализации образования, обеспечения возможности продолжать обучение (в рамках непрерывного открытого образования на базе использования телекоммуникационных средств).

В этой связи многие исследователи говорят о междисциплинарном, интегративном характере информатики в современной школе [12]. Действительно, информатика все больше выступает, наряду с математикой, в качестве интегративного начала многих дисциплин. Интегративность курса информатики определяется фундаментальностью самой науки информатики и интегративным характером основных объектов ее изучения; тем, что умение работать с информацией относится к общеучебным умениям; ролью информатики в информатизации учебного процесса.

Учащимся необходимо показать мировоззренческую и методологическую значимость курса информатики, актуальность овладения средствами информационных технологий как инструментом учебной (а затем, профессиональной) деятельности. В этом плане крайне важна методическая подготовка педагогов, их готовность к реализации такого интегративного курса, умения:

- проводить микро- и макроанализ учебной темы в контексте реализации внутри- и межпредметных связей курса информатики, ее прикладной значимости;

- формировать систему средств обучения, обеспечивающую осознанное восприятие учащимися методологической значимости курса информатики и универсальности средств информационных технологий;

- вести отбор педагогически эффективных методов и приемов для реализации интегративного характера курса;

- формировать у учащихся в процессе обучения информатике компетенции в сфере информационно-аналитической и коммуникативной деятельности, технологические компетенции, компетенции в сфере социальной деятельности и т.п.

Такая мировоззренческая роль курса информатики и философская важность этой дисциплины, ее фундаментальность для гармоничного развития школьника должна быть осознана прежде всего педагогом. В плане самообразования учителям информатики окажется полезной монография А.Я. Фридланда "Информатика: процессы, системы, ресурсы" [16], в которой делается попытка анализа содержания курса информатики, исходя из базовых определений научного мировоззрения. Автором рассматриваются различные подходы к определению понятий информационных и информатических процессов, информационной и информатической культуры, на основе которых определяется предметная область информатики и информационных технологий.

Говоря о методологической значимости линии формализации и моделирования, следует отметить, что сегодня практически для каждого члена современного информационного общества крайне важно умение строить информационные структуры (модели) для описания объектов и систем. Важнейшим общекультурным интеллектуальным навыком является умение переводить проблемы из реальной действительности в адекватную, оптимальную модель (информационную, математическую, физическую и т. п.), оперировать этой моделью в процессе решения задачи при помощи понятийного аппарата и средствами той науки, к которой относится построенная модель, и, наконец, правильно интерпретировать полученные результаты.

Актуальность приобретения указанных навыков объясняется прежде всего тем, что практически во всех науках о природе и обществе построение и использование моделей -- мощное орудие познания. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим способом их изучения часто является построение и исследование модели, отображающей лишь какую-то грань реальности и потому многократно более простую, чем эта реальность. Многовековой опыт развития науки доказал на практике плодотворность такого подхода. И поэтому "современный этап развития образования, в частности общего среднего образования, характеризуется повышенным вниманием к понятию модели и методологии моделирования применительно к различным областям знания. Примером этому может служить включение понятия "модель" в содержание образовательной области "Физика", "Математика", "Химия" и др. Общие идеи моделирования как универсального подхода к изучению сложных объектов используются практически во всех учебных курсах" [11]. Одной из причин этого является повышение уровня абстрактности знаний, получаемых в процессе обучения.

Значимость курса информатики в плане освоения учащимися моделирования как метода научного познания детально анализируется в методическом пособии С.Бешенкова и Е.Ракитиной "Моделирование и формализация" [11]. По мнению авторов, курс информатики в наибольшей степени (по сравнению с другими учебными предметами, оперирующими понятием модели) "способствует приведению в систему знаний учащихся о моделях и осознанному применению информационного моделирования в своей учебной (уже в среднем звене начинается активное применение информационных моделей как средства обучения и инструмента познания практически на всех предметах), а затем и практической деятельности. Построение моделей на уроках математики, физики, химии, биологии и пр. должно быть подкреплено изучением на уроках информатики вопросов, связанных с этапами построения модели, анализом ее свойств, проверкой адекватности модели объекту и цели моделирования, выяснением влияния выбора языка моделирования на то, какую информацию об объекте мы можем получить, изучая его модель и т.п." [11].

Причем, в педагогике моделирование должно рассматриваться в трех аспектах [11]:

- как средство обучения, поскольку большая часть учебной информации поступает к обучаемому в виде учебных моделей самого разнообразного вида;

- как инструмент познания, поскольку любая познавательная деятельность связана с построением моделей объекта изучения;

- как объект изучения, поскольку любая модель может рассматриваться как новый конструктивный объект.

В преподавании информатики "моделирование должно рассматриваться и использоваться во всех названных аспектах, поскольку одна из задач информатики -- научить учащихся работать с информацией, но это невозможно сделать, не научив их "работать" с информационными моделями" [11].

Методическое пособие [11] будет полезно учителям информатики в плане содержательной и методической проработки вопросов, связанных с изучением линии формализации и моделирования в базовом курсе информатики, анализа многочисленных примеров моделей из различных предметных областей, представленных в виде формул, графиков, таблиц, схем, алгоритмов, что, по нашему мнению, достаточно важно в контексте реализации методологической значимости курса информатики и его интегративного характера.

Говоря о формах проведения занятий по информатике, следует отметить, что все большее распространение получает метод проектов и кооперированная деятельность учащихся и связанные с этими подходами методы обучения: исследовательский, поисковый, метод мозговой атаки, сбор и обработка данных, анализ справочных и литературных источников, эксперимент и опытная работа, анализ и обобщение.

В контексте рассматриваемой проблемы, следует отметить, что метод проектов предполагает организацию деятельности учащихся по решению значимой в исследовательском, творческом плане проблеме, требующей, как правило, интегрированного знания, исследовательского поиска для ее решения. И в этом плане оспорить методологическую значимость информационных технологий достаточно сложно.

Заметим, что многие преподаватели уже накопили в этом направлении колоссальный опыт, необходимо его обобщить и распространить. Требуется коллективное решение указанной проблемы. И если информатика, как наука, уже начинает приобретать определенные очертания, то становление методики преподавания информатики еще впереди. И в становлении этой науки свое слово должны сказать и учителя-практики.

Для примера, мы приведем ниже один из вариантов изучения образовательной линии «Моделирование и формализация», учителя Мельникова З. П. Этот пример рассматривается нами как обобщение опыта многих учителей.

В обязательном минимуме содержания образования по информатике присутствует линия “Моделирование и формализация”. Содержание этой линии определено следующим перечнем понятий: моделирование как метод познания, формализация, материальные и информационные модели, информационное моделирование, основные типы информационных моделей. Линия моделирования, наряду с линией информации и информационных процессов, является теоретической основой базового курса информатики. Дальнейшее развитие общеобразовательного курса информатики должно быть связано, прежде всего, с углублением этих содержательных линий.

Предметом изучения информатики является информационное моделирование. Тема натурных моделей затрагивается лишь в самом начале, в связи с определением понятия модели и разделением моделей на материальные (натурные) и информационные. В свою очередь, информационное моделирование делится на моделирование объектов и процессов и моделирование знаний. Тема моделирования знаний -- это тема искусственного интеллекта, разработка которой в базовом курсе информатики пока носит поисковый характер. Классификация моделей объектов и процессов производится по форме представления. По этому признаку модели делятся на графические, вербальные, табличные, математические и объектно-информационные. Последний тип моделей возник и развивается в компьютерных техноло­гиях: в объектно-ориентированном программировании и современном системном и прикладном программном обеспечении. Развитие темы объектного моделирования также можно отнести к поисковому направлению в базовом курсе.

Не следует считать, что тема моделирования носит чисто теоретический характер и автономна от всех других тем. Большинство последующих разделов базового курса имеют прямое отношение к моделированию, в том числе и темы, относящиеся к технологической линии курса. Изучавшиеся ранее текстовые и графические редакторы, программное обеспечение телекоммуникаций можно отнести к средствам, предназначенным для рутинной работы с информацией: позволяющим набрать текст, построить чертеж, передать или принять информацию по сети. Программные средства информационных технологий, которые предстоит изучать дальше -- СУБД, табличные процессоры, следует рассматривать как инструменты для работы с информационными моделями. Алгоритмизация и программирование также имеют прямое отношение к моделированию. Следовательно, линия моделирования является сквозной для многих разделов базового курса.

Методические рекомендации по изложению теоретического материала

Место моделирования в базовом курсе.

Понятие модели; типы информационных моделей.

Что такое формализация.

Табличная форма информационных моделей.

Прежде чем перейти к прикладным вопросам моделирования, необходим вводный разговор, обсуждение некоторых общих понятий, в частности тех, которые обозначены в обязательном минимуме. Для этого в учебном плане должно быть выделено определенное время под тему “Введение в информационное моделирование”. Для учителя здесь возникают проблемы как содержательного, так и методического характера, связанные с глубоким научным уровнем понятий, относящихся к этой теме. Методика информационного моделирования связана с вопросами системологии, системного анализа. Степень глубины изучения этих вопросов существенно зависит от уровня подготовленности школьников. В возрасте 14--15 лет дети еще с трудом воспринимают абстрактные, обобщенные понятия. Поэтому раскрытие таких понятий должно опираться на простые, доступные ученикам примеры.

В зависимости от количества учебных часов, от уровня подготовленности учеников вопросы формализации и моделирования могут изучаться с разной степенью подробности. Ниже будут рассмотрены три уровня изучения: первый -- минимальный, второй -- дополнительный, третий -- углубленный уровень.

В соответствии с тремя отмеченными уровнями можно выделить три типа задач из области информационного моделирования, которые по возрастанию степени сложности для восприятия учащимися располагаются в таком порядке:

1) дана информационная модель объекта; научиться ее понимать, делать выводы, использовать для решения задач;

2) дано множество несистематизированных данных о реальном объекте (системе, процессе); систематизировать и, таким образом, получить информационную модель;

3) дан реальный объект (процесс, система); построить информационную модель, реализовать ее на компьютере, использовать для практических целей.

Первый, минимальный уровень содержания темы “Введение в информационное моделирование” соответствует материалу, изложенному в главе 6 учебника Семакина И.Г. и др. Информатика: базовый курс: 7-9 кл.

Понятие модели. Типы информационных моделей. Разговор с учениками по данной теме можно вести в форме беседы. Сам термин “модель” большинству из них знаком. Попросив учеников привести примеры каких-нибудь известных им моделей, учитель наверняка услышит в ответ: “модель автомобиля”, “модель самолета” и другие технические примеры. Хотя технические модели не являются предметом изучения информатики, все же стоит остановиться на их обсуждении. Информатика занимается информационными моделями. Однако между понятиями материальной (натурной) и информационной модели есть аналогии. Примеры материальных моделей для учеников более понятны и наглядны. Обсудив на таких примерах некоторые общие свойства моделей, можно будет перейти к разговору о свойствах информационных моделей.

Расширив список натурных моделей (глобус, манекен, макет застройки города и др.), следует обсудить их общие свойства. Все эти модели воспроизводят объект-оригинал в каком-то упрощенном виде. Часто модель воспроизводит только форму реального объекта в уменьшенном масштабе. Могут быть модели, воспроизводящие какие-то функции объекта. Например, заводной автомобильчик может ездить, модель корабля может плавать. Из обобщения всего сказанного следует определение:

Модель -- упрощенное подобие реального объекта или процесса.

В любом случае модель не повторяет всех свойств реального объекта, а лишь только те, которые требуются для ее будущего применения. Поэтому важнейшим понятием в моделировании является понятие цели. Цель моделирования -- это назначение будущей модели. Цель определяет те свойства объекта-оригинала, которые должны быть воспроизведены в модели.

Полезно отметить, что моделировать можно не только материальные объекты, но и процессы. Например, конструкторы авиационной техники используют аэродинамическую трубу для воспроизведения на земле условий полета самолета. В такой трубе корпус самолета обдувается воздушным потоком. Создается модель полета самолета, т. е. условия, подобные тем, что происходят в реальном полете. На такой модели измеряются нагрузки на корпусе, исследуется прочность самолета и пр. С моделями физических процессов работают физики-экспериментаторы. Например, в лабораторных условиях они моделируют процессы, происходящие в океане, в недрах Земли и т.д.

Условимся в дальнейшем термин “объект моделирования” понимать в широком смысле: это может быть и некоторый вещественный объект (предмет, система) и реальный процесс.

Закрепив в сознании учеников понимание смысла цепочки * объект моделирования -- цель моделирования -- модель”, можно перейти к разговору об информационных моделях. Самое общее определение:

Информационная модель -- это описание объекта моделирования.

Иначе можно сказать, что это информация об объекте моделирования. А как известно, информация может быть представлена в разной форме, поэтому существуют различные формы информационных моделей. В их числе, словесные, или вербальные модели, графические, математические, табличные. Следует иметь в виду, что нельзя считать этот список полным и окончательным. В научной и учебной литературе встречаются разные варианты классификаций информационных моделей. Например, еще рассматривают алгоритмические модели, имитационные модели и др. Естественно, что в рамках базового курса мы вынуждены ограничить эту тему. В старших классах при изучении профильных курсов могут быть рассмотрены и другие виды информационных моделей.

Построение информационной модели, так же как и натурной, должно быть связано с целью моделирования. Всякий реальный объект обладает бесконечным числом свойств, поэтому для моделирования должны быть выделены только те свойства, которые соответствуют цели. Процесс выделения существенных для моделирования свойств объекта, связей между ними с целью их описания называется системным анализом.

Форма информационной модели также зависит от цели ее создания. Если важным требованием к модели является ее наглядность, то обычно выбирают графическую форму. Примеры графических моделей: карта местности, чертеж, электрическая схема, график изменения температуры тела со временем. Следует обратить внимание учеников на различные назначения этих графических моделей. На примере графика температуры можно обсудить то обстоятельство, что та же самая информация могла бы быть представлена и в другой форме. Зависимость температуры от времени можно отразить в числовой таблице -- табличная модель, можно описать в виде математической функции -- математическая модель. Для разных целей могут оказаться удобными разные формы модели. С точки зрения наглядности, наиболее подходящей является графическая форма.

А что обозначает слово “формализация”? Это все то, о чем говорилось выше.

Формализация -- это замена реального объекта или процесса его формальным описанием, т. е. его информационной моделью.

Построив информационную модель, человек использует ее вместо объекта-оригинала для изучения свойств этого объекта, прогнозирования его поведения и пр. Прежде чем строить какое-то сложное сооружение, например мост, конструкторы делают его чертежи, проводят расчеты прочности, допустимых нагрузок. Таким образом, вместо реального моста они имеют дело с его модельным описанием в виде чертежей, математических формул. Если же конструкторы пожелают воспроизвести мост в уменьшенном размере, то это уже будет натурная модель -- макет моста.

2.2 Проектирование и разработка учебно-методического комплекса

2.2.1 Предпосылки и условия возникновения электронных учебно-методических комплексов

Первые опыты по применению компьютеров в образовании относятся к началу 60-тых годов. Появились первые программные обучающие средства в виде автоматизированных учебных курсов, затем автоматизированных обучающих систем (АОС), реализующих парадигму программированного обучения. Динамика развития программного обеспечения, появление персональных компьютеров (ПК) третьего поколения, развитие телекоммуникационных технологий активно инициирует процессы внедрения и использования новых информационных технологий (НИТ) в образовании. Все это вместе взятое привело к появлению мультимедийных автоматизированных обучающих систем (МАОС).

Главной отличительной особенностью технологий обучения, основанных на использовании НИТ, от традиционных является применение компьютера в качестве нового и динамично развивающегося средства обучения, использование которого кардинально меняет систему форм и методов преподавания.

Назовем компьютерной обучающей программой (КОП) компьютерную программу многократного применения, специально разработанную или адаптированную для реализации педагогической функции учения или обучения при взаимодействии с обучаемым. Программы этого типа четко ориентированы на компьютерную поддержку процесса получения информации и формирования знаний в какой-либо области, закрепления навыков и умений, контроля или тестирования знаний.

В соответствии с двумя основными видами познавательной деятельности (учение или обучение) обучающие средства подразделяют на два класса - учебные среды и обучающие программы [24].

Глобальная педагогическая цель учебных сред - развитие творческих способностей обучаемого путем создания благоприятной среды, исследуя которую обучаемый приобретает нужные знания, а практическая задача - тренинг в решении задач определенного класса.

Обучающая программа должна обеспечить реализацию следующих педагогических целей: демонстрацию учебного материала; тренинг в определенной области; тестирование и диагностику в целях контроля за ходом процесса обучения; собственно обучение.

Четко очерченной границы, с точки зрения выполняемых методических функций, между учебными средами и обучающими программами нет. Единственное различие между обучающими средствами этих классов - отсутствие контроля фискального типа в учебных средах и наличие его в обучающих программах. Думается, что в перспективе, данная возможность будет присутствовать и в тех, и в других.

Современные КОП реализуют следующие стили обучения или их комбинации: объяснительное обучение; собеседование преподавателя и ученика; консультативное обучение; согласованная деятельность.

Объяснительное обучение. Ученику представляются многочисленные примеры решения задачи и объясняются значения каждого элемента знаний в процессе получения конечного результата. Процесс обучения представляется как процесс последовательной активизации знаний.

Собеседование преподавателя и ученика. В процессе собеседования позиции преподавателя и ученика являются активными. Преподаватель старается выявить пробелы в знаниях ученика, а последний пытается углубить свои знания через диалог с преподавателем. Хотя программная реализация собеседования очень сложна, но оно позволяет избежать механического обучения и довольно точно оценить уровень подготовки обучаемого.

Консультативное обучение. Подход предполагает более активную деятельность обучаемого в учебной среде, в которой ему предлагаются задачи, раскрывающие изучаемую предметную область и представляется возможность для их исследования. В этом режиме пользователь играет активную роль, а система - пассивную. В этом случае система превращается в некоторое подобие «электронной энциклопедии» с обеспечением доступа в режиме справочника. Аналогичная консультационная учебная помощь становится необходимой компонентой учебных сред и должна содержать как концептуальные, так и операционные знания, а также средства, необходимые для представления учебных материалов, организации режимов изучения (объяснение, закрепление, диагностика, повторение, исследование) и задания модели студента, учитывающей предысторию и параметры его обучения.

Согласованная деятельность. Ставится сложная (общая) задача, решение которой реализуется групповым методом в виде деловой игры или проектного обучения. При этом без согласованных действий обучаемых в процессе решения задачи оптимальное достижение цели невозможно.

На современном этапе развития НИТ, программно-аппаратных средств, опыта использования ПК в учебном процессе целесообразно принять следующую классификацию КОП по функциональным признакам: электронные учебники - ЭУ; лабораторные практикумы - ЛП; тренажеры - ТР; контролирующие программы - КП; справочники, базы данных учебного назначения - УБД; предметно-ориентированные среды (учебные и специализированные пакеты, моделирующие программы) - ПОС.

Электронный учебник. Электронный учебник - это программно-методический комплекс, обеспечивающий возможность самостоятельно освоить учебный курс или какую-либо его часть. ЭУ соединяет в себе свойства обычного учебника, справочника, задачника и лабораторного практикума.

Лабораторный практикум. Программы этого типа используются для проведения наблюдений над объектами, их взаимосвязями, или некоторыми их свойствами; для обработки результатов наблюдений, их численного и графического представления; для исследования различных аспектов использования этих объектов на практике.

Тренажер. Тренажеры служат для отработки и закрепления технических навыков решения задач. Они должны обеспечивать получение информации по теории и приемам решения задач, тренировку на различных уровнях самостоятельности, контроль и самоконтроль.

Контролирующие программы. Контролирующие программы это программные средства, предназначенные для проверки (оценки) качества знаний.

Справочники, базы данных учебного назначения. Программы этого типа предназначены для хранения и предъявления ученику разнообразной учебной информации учебного характера. Для этих материалов характерны иерархическая организация и быстрый поиск информации по различным признакам или контексту.

Предметно-ориентированная среда - это учебный пакет программ, позволяющий оперировать с объектами определенного класса. Ученик оперирует объектами среды, руководствуясь методическими указаниями, в целях достижения поставленной дидактической задачи, либо производит исследование, цели и задачи которого поставлены им самостоятельно.

Положительный опыт использования КОП в наибольшей степени накоплен в преподавании математических дисциплин. В математике это базируется на следующих предпосылках: накоплен огромный опыт в формализации и алгоритмизации методов решения задач, их графической и анимационной интерпретации; применяются апробированные, хорошо реализуемые с помощью компьютера, дидактические приемы и методики преподавания; математику преподают наиболее подготовленные в области информационных технологий кадры преподавателей; появляется все более «продвинутое» программное обеспечение, первоначальное освоение которого идет в основном среди математиков.

Однако процесс разработки и дальнейшего использования КОП проходит не совсем гладко. Общим недостатком является то, что при разработке технического задания на КОП акцент делается не на конечную цель - обучение, а на технологию программной реализации. Это происходит чаще всего потому, что использование компьютеров в реальном учебном процессе должно приводить к определению перечня функций, которые будут возложены на компьютер, к пересмотру методики преподавания предмета и графика учебного процесса.

Современный ПК выступает здесь не как средство для расширения информационной составляющей традиционной методики преподавания, а как принципиально новое средство обучения, кардинально меняющее технологию обучения. Это замечание относится к компьютеризации процесса обучения вообще, а не только к ее реализации для преподавания математических дисциплин.

Проиллюстрируем эволюцию КОП как с точки зрения программно-аппаратной реализации, так и со стороны компоненты, характеризующей главное содержание данного вида программного обеспечения - его информационно-методическое наполнение для реализации функции обучения (см. табл. 2) [24].

Таблица 2. Эволюция КОП на фоне развития информационных технологий

Уровень развития КОП	Вчерашний	Сегодняшний	Завтрашний
Использование компьютера	ПК, учебный класс	ПК, учебный класс, локальная сеть	ПК, учебный класс, телематические системы
Виды ОС	MS DOS	MS DOS, Windows, OS7	Windows, OS7, UNIX, …
Программная реализация	Прямое программирование	Прямое програм-мирование, ИС, прикладные пакеты	Интегрированные ИС, прикладные пакеты
Уровень совместимости	Несовместимость	Частичная совместимость	Полная Совместимость
Носитель КОП	Флоппи-диски	Флоппи-диски, CD-ROM	CD-ROM, учебный сервер
Степень поддержки курсов	Разрозненные программы поддержки	Целостная поддержка курсов	Комплексная поддержка процесса обучения
Разработка КОП под технологию обучения	____	Объединение КОП на основе “навигаторов”	Реализация в КОП комплексной поддержки процесса обучения на основе гипермедиа технологий

С приобретением опыта разработки, совершенствованием технологии программирования и, главное, опыта использования КОП в реальном учебном процессе, оттачивались методики их применения. В итоге были выявлены требования к свойствам КОП, их классификации, сферы применения и, в конечном итоге, к пониманию того, что компьютеризация образования ведет к смене технологии обучения.

В настоящее время происходит трансформация разрозненных программ поддержки частей курса в целостную компьютерную поддержку курса. В ряде случаев разработчики объединяют КОП на основе «навигаторов» по курсу. Современная КОП должна обладать следующими основными свойствами: соответствовать образовательным стандартам; поддерживать компьютеризированную методику обучения; быть реализованной с помощью современных инструментальных средств; иметь документацию для пользователя; в учебном процессе для КОП должно быть определено место и способ применения; КОП должны быть готовыми для использования в телематических системах (дистанционное образование).

Примером такого решения является создание электронного учебно-методического комплекса (ЭУМК). В нашей концепции электронного учебно-методического комплекса книга остается первым этапом в общении человека с новым знанием. Отсюда мультимедийная автоматизированная обучающая система (МАОС) - электронная составляющая комплекса - должна быть дополнением печатной книги, не заменой ее и она не должна вторгаться в общение человека с печатной книгой.

Все элементы МАОС в общей структуре ЭУМК являются аналогами соответствующих учебно-методических материалов, присутствующих в традиционной системе обучения и образующих основу комплекса в кейсовой технологии, разработанной на основе технологии модульного обучения (см. табл. 3).

Таблица 3. Комплекс учебных материалов, входящих в ЭУМК

ЭУМК - электронный учебно-методический комплекс
Кейсовая технология	МАОС
Учебные пособия модульного типа, включающие в себя операционный модуль	ЭУ - электронный учебник
	ЭЗ - электронный задачник
	КП - контролирующая программа
Лабораторные работы	ЛП - лабораторный практикум
Справочная книга по курсу	УБД - учебная база данных
Рабочая тетрадь	ТР - электронная рабочая тетрадь

МАОС нужно рассматривать как обучающую информационную среду, которая является органическим продолжением традиционных методов обучения, построенных на книге, и которая в силу специфических интеллектуальных способностей ПК обеспечивает: быстрый и полный доступ к любой информации в гипертекстовом режиме; организацию изучения предмета на практических занятиях под руководством преподавателя; помощь обучаемым в организации самостоятельной работы; возможность выполнения упражнений и лабораторных работ, которые, в основном, могут быть реализованы за счет применения ПК; аудиовизуальные условия (графика, звук) для порождения нового знания через сходство по аналогии, сводя мотивационную и информационную составляющие поведения из разных полушарий в единую деятельность [25].

При создании МАОС учитывалось, что с позиций когнитивной эргономики словесные текстовые учебные материалы должны быть визуально оформлены. Текст на экране монитора усваивается иначе, чем написанный на бумаге. Текст в электронном учебнике является обучающей средой, готовящей к общению с упражнениями, но будучи создан в форме гипертекста, одновременно способен дать быстрый доступ к объемам информации, равноценным библиотекам учебников. Притом в оформлении гипертекста доступны все возможности, достижимые с помощью почти стандартизованных текстовых структур: рисунки-иллюстрации, математические формулы, различные способы форматированного оформления страниц и шрифтов. Использование элементов мультипликации, звуковое оформление при создании обучающего текста может придать дополнительную изобразительную ценность обучающей среде и оживить изложение учебного материала.

Без использования ЭУМК трудно достичь целого ряда целей профессионального математического образования: сформировать профессиональные мотивы (а не только познавательные интересы); выстроить системное представление о профессиональной деятельности математика в его крупных фрагментах; достичь целостной ориентировки в учебном материале (по сути математики) как в определенной сфере жизнедеятельности; научить не столько знанию как конечному продукту, но скорее процедуре усвоения материала в рамках специальной дидактической среды, создающей оптимальную психологическую и социальную ситуацию познания.

Реализация этих принципов в полном объеме позволяет формировать в студенте культуру личностно-творческой (самосозидающей) деятельности. Мы разрабатывали ЭУМК исходя из синергетического постулата о самоорганизации человеческого сознания. Задача педагога заключается в том, чтобы создать условия для пробуждения этого сознания, указать ориентиры личностного потенциала самоорганизации. ЭУМК выполняет функцию регулятора, побуждающего самостоятельно изучать данную науку, осмысливать собственные переживания и эмоции, строить собственную картину мира. Каждое новое знание (тем более знание о принципиально новом) изменяет представление человека о его месте в мире, оказывает "обратное" влияние на этот мир [26].

2.3 Конструирование учебно-методического комплекса

2.3.1 Конструирование содержания информационного модуля

Одним из наименее разработанных вопросов теории и практики технологии модульного обучения является описание процесса разработки учебных модулей. Отбор материала для модульной программы мы предлагаем производить в несколько этапов: моделирование, проектирование, конструирование.

До этапа моделирования следует определиться с понятием «уровень изучения предмета», поскольку от него зависит объем и качество содержания учебного материала. Один из подходов к уровню содержания образования предложен Б.Д. Комисаровым. Этот подход определяет следующие уровни содержания образования: мировоззренческий - формирование научного мировоззрения, ознакомление с научной картиной мира; методологический - ознакомление с методами и формами научного познания; теоретический - изучение фундаментальных и прикладных научных теорий; практический - раскрытие роли науки как производительной силы, формирование политехнического кругозора, профориентация.

На этапе моделирования содержания для модульной программы следует произвести отбор материала на уровне учебного предмета по следующему алгоритму (см. табл. 4).

Таблица 4.Алгоритм моделирования содержания учебного предмета

Шаги	Содержание
1.	Построение системы познавательных целей, исходя из возможностей учебного предмета, общей цели подготовки специалиста
2.	Отбор инвариантной части содержания образования
2.1	Первый способ: отбор ведущих идей и концепций по предмету в соответствии с ГОСТом. Наполнение этих идей и концепций в зависимости от уровня изучения предмета (мировоззренческий, теоретический, прикладной и т.д.)
2.2.	Второй способ: выбор одной или нескольких ведущих идей и концепций по данному предмету в зависимости от профиля обучения. Схема: ведущая идея или концепция по разделу соответствующая теория или закон; ведущая идея по теме понятия, необходимые для усвоения этой идеи; по уроку - минимум фактов, необходимых для раскрытия содержания понятия.
3.	Отбор вариантной части содержания образования, направленной на выращивание потребностей в знаниях способов деятельности и отношений студентов.
3.1.	История науки. Биографии ученых.
3.2.	Анализ жизненных ситуаций. Обращение к личному социальному опыту студентов. Перевод житейских представлений студентов на уровень научных понятий.
3.3.	Использование эстетически, экологически и этически значимого материала.
4.	Составление учебной программы и технологической карты

Вторая ступень разработки учебного модуля - создание проекта. На этом этапе идея-модель доводится до уровня использования в конкретной учебно-воспитательной среде и зависит от уровня обученности студентов.

В зависимости от уровня обученности проектирование содержания сочетается с выбором методов обучения, направленных на прохождение студентами полного, углубленного или сокращенного вариантов обучения.

Реализация проекта в реальной студенческой аудитории - это уже методическая задача, а следовательно, третий этап разработки (конструирование).

Результатом проектирования будет набор учебных модулей, а также понятийный аппарат данной учебной дисциплины.

На этапе модульного проектирования содержания обучения курса следует идти следующим путем (см. табл. 5).

Самым трудоемким при конструировании модуля является создание учебного пособия (модульного пакета), поскольку помимо постановки целей обучения и отбора содержания, педагог должен предусмотреть систему управления учебными действиями студента и методическое обеспечение процесса усвоения (опорные конспекты, пояснения, тесты).

Таблица 5.Алгоритм проектирования содержания учебного предмета

Шаги	Содержание
1.	В содержании предмета необходимо выделить ведущие, стержневые понятия (идеи, концепции).
2.	Определение базового (инвариантного) ядра и вариантной части содержания учебных модулей, соотнесение этого материала с уровнем познавательной деятельности учащихся
3.	Выделение укрупненных проблем профессионально-прикладного характера, разрешение которых требует знаний и умений по учебной дисциплине
4.	Отбор содержания и определение объема учебного модуля, отбор методов познавательной деятельности на основе принципов отбора.

Подобные документы

• Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине "Введение в циркумполярное регионоведение" для студентов заочного обучения

  Создание электронного учебно-методического комплекса как педагогическая проблема. Структура электронного учебно-методического комплекса. Требования к блоку самоконтроля. Место циркумполярного регионалистики в системе общеэкономических дисциплин.
  
  дипломная работа [3,5 M], добавлен 26.05.2012
  

• Учет учебно-методической и научной деятельности сотрудников кафедры информационных технологий в бизнесе НИУ ВШЭ-Пермь

  Организация системы учета научной и учебно-методической деятельности в НИУ ВШЭ-Пермь. Анализ конфигурируемых информационно-справочных систем. Выбор и разработка алгоритмов для реализации системы учета учебно-методической и научной деятельности ВУЗа.
  
  дипломная работа [1,5 M], добавлен 30.11.2016
  

• Модернизация электронного учебно-методического комплекса

  Анализ структуры электронного учебно методического комплекса по дисциплине "Проектирование АСОИУ". Цели модернизации электронного учебно-методического комплекса. Общие сведения о системе проверки остаточных знаний, ее алгоритма функционирования.
  
  дипломная работа [1,3 M], добавлен 11.07.2010
  

• Принцип наглядности в обучении содержательной линии "Информация и информационные технологии"

  Важнейшие принципы обучения в школе. Понятие и основные виды наглядности. Развитие воображения в процессе обучения. Диапазон использования компьютера в учебно-воспитательном процессе. Понятие содержательной линии. Общая классификация методов обучения.
  
  курсовая работа [270,9 K], добавлен 15.12.2012
  

• Разработка электронного учебно-методического комплекса по дисциплине "Физика твердого тела"

  Требования к электронным учебно-методическим комплексам по положению министерства Республики Беларусь. Создание файлов справочной системы. Интерфейс программы, инструменты редактора. Электронный учебно-методический комплекс "Физика твердого тела".
  
  дипломная работа [3,9 M], добавлен 15.06.2014
  

• Разработка учебно-методического электронного комплекса

  Обзор графических редакторов: Paint.NET, Photoscape и Adobe Photoshop. Логическая структура учебно-методического электронного комплекса по дисциплине "Информатика". Редактирование главной страницы. Расчет затрат на его разработку и эксплуатацию.
  
  дипломная работа [24,5 M], добавлен 18.10.2015
  

• Моделирование и формализация

  Основные понятия: модель, моделирование, виды моделей. Пути и способы изучения темы "Моделирование и формализация" в курсе информатики в 8 классе. Создание табличной информационной модели. Понятие информационной модели, системы и структуры системы.
  
  методичка [1,8 M], добавлен 30.05.2013
  

• Корпоративный портал для разработки учебно-методической документации вуза

  Построение модели корпоративного портала как платформы для разработки учебно-методической документации вуза. Состав, особенности использования учебно-методической документации вуза. Концептуальная модель корпоративного портала образовательного учреждения.
  
  дипломная работа [3,0 M], добавлен 18.03.2012
  

• Проектирование электронного учебно-методического пособия по компьютерной графике

  Различные определения сущности электронного учебника, его основные формы. Этапы разработки электронного учебно-методического пособия: подбор материала, выбор программы, создание, отладка и тестирование, защита. Содержание руководства пользователя.
  
  дипломная работа [2,6 M], добавлен 20.09.2012
  

• Разработка электронного учебно-методического комплекса "Компьютерная графика"

  Состав, структура, назначение и описание компонентов электронного учебно-методического комплекса "Компьютерная графика". Формы реализации и требования к оформлению. Анализ рынка педагогических программных средств по обучению компьютерной графике.
  
  курсовая работа [572,0 K], добавлен 19.03.2015
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам