480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

240 руб. | 75 грн. | 3,75 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Автореферат - 240 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Розова Наталия Борисовна. Применение компьютерного моделирования в процессе обучения: 13.00.01, 13.00.02 Розова, Наталия Борисовна Применение компьютерного моделирования в процессе обучения (На примере изучения молекулярной физики в средней общеобразовательной школе) : Дис. ... канд. пед. наук: 13.00.01, 13.00.02 Вологда, 2002 163 с. РГБ ОД, 61:03-13/523-2

Введение

Глава 1. Модели и моделирование в науке и обучении 14

1.1 Модели и моделирование в современной науке 14

1.2 Применение моделей в процессе обучения школьников 26

1.3 Компьютерное моделирование в обучении 33

Глава 2. Психологические и педагогические основы компьютерного обучения 50

2.1 Психолого-педагогические аспекты компьютерного обучения 50

2.2 Особенности учебной деятельности и управления ею на основе компьютерного обучения 58

Глава 3. Методика организации и проведения уроков по физике в 10 классе средней общеобразовательной школы при изучении темы «Молекулярная физика» с применением компьютерного моделирования 74

3.1 Анализ состояния компьютерного моделирования в разделе «Молекулярная физика» 74

3.2 Характеристика экспериментальной программы компьютерного моделирования динамики систем многих частиц и возможности ее использования в учебном процессе 83

3.3 Методика организации и проведения уроков физики в 10 классе при изучении раздела «Молекулярная физика» на основе экспериментальной программы 92

4.1 Задачи эксперимента и организации его проведения 128

4.2 Анализ результатов педагогического эксперимента 140

Заключение 147

Введение к работе

Одним из важнейших направлений развития общества является образование. Образование «работает» на будущее, оно определяет личные качества каждого человека, его знания, умения, навыки, культуру поведения, мировоззрение, тем самым создавая экономический, нравственный и духовный потенциал общества. Информационные технологии являются одним из главных инструментов в образовании, поэтому разработка стратегии их развития и использования в сфере образования составляет одну из ключевых проблем. Следовательно, использование вычислительной техники приобретает общегосударственное значение. Многие специалисты полагают, что в настоящее время компьютер позволит осуществить качественный рывок в системе образования, так как учитель получил в свои руки мощное средство обучения. Обычно выделяют два основных направления компьютеризации. Первое ставит цель обеспечить всеобщую компьютерную грамотность, второе - использовать компьютер в качестве средства, повышающего эффективность обучения.

В системе обучения различают два вида деятельности: обучающую и учебную. Н.Ф. Талызина и Т.В. Габай предложили рассматривать роль компьютера в обучении с точки зрения той функции, которую он выполняет.

Если компьютер выполняет функцию управления учебной деятельностью, то его можно рассматривать как обучающее средство, заменяющее педагога, так как компьютер моделирует обучающую деятельность, задает вопросы и реагирует на ответы и вопросы школьника как педагог.

Если компьютер используется только как средство учебной деятельности, то взаимодействие его с учащимися осуществляется по типу «пользователь ЭВМ». В данном случае компьютер не является средством обучения, хотя он и может сообщать новые знания. Поэтому, когда говорят о компьютерном обучении, то имеют в виду использование компьютера как средства управления учебной деятельностью.

Несмотря на то, что пока нет единой классификации обучающих программ, многие авторы выделяют среди них следующие пять типов: тренировочные, наставнические, проблемного обучения, имитационные и моделирующие, игровые. Компьютерные модели имеют наиболее высокий ранг среди выше указанных. Согласно В.В. Лаптеву , «компьютерная модель - это программная среда для вычислительного эксперимента, объединяющая в себе на основе математической модели явления или процесса средства интерактивного взаимодействия с объектом эксперимента и развитие средства отображения информации... Компьютерные модели - основной объект для вычислительной физики, отличительным методом которой является вычислительный эксперимент точно так же, как отличительным методом экспериментальной физики является натурный эксперимент». Академик В.Г. Разумовский отмечает, что «с введением в учебный процесс компьютеров возрастают возможности многих методов научного познания, особенно метода моделирования, который позволяет резко повысить интенсивность обучения, поскольку при моделировании выделяется сама суть явлений и становится ясной их общность».

Современное состояние компьютерного обучения характеризуется большим набором обучающих программ, значительно отличающихся по качеству. Дело в том, что на начальном этапе компьютеризации школ учителя, использовавшие компьютерное обучение, создавали свои обучающие программы, а поскольку они не являлись профессиональными программистами, то и созданные ими программы были малоэффективными. Поэтому, наряду с программами, обеспечивающими проблемное обучение, компьютерное моделирование и так далее, имеется большое число примитивных обучающих программ, не влияющих на эффективность обучения. Таким образом, задачей учителя становится не разработка обучающих программ, а умение использовать готовые качественные программы, отвечающие современным методическим и психолого-педагогическим требованиям.

Одним из главных критериев дидактической значимости моделирующих программ является возможность проведения исследований, которые ранее в условиях школьного физического кабинета были неосуществимы. В содержании физического школьного образования есть ряд разделов, натурный эксперимент в которых лишь качественно описывает изучаемое явление или процесс. Применение компьютерных моделей позволило бы провести и количественный анализ данных объектов.

Одним из таких разделов школьной физики является молекулярная физика, состояние компьютерного обучения в котором мы и проанализируем. Изучая его, учащиеся встречаются с качественно новой формой движения материи - тепловым движением, в котором, кроме законов механики, действуют и законы статистики. Натурные эксперименты (броуновское движение, диффузия, взаимодействие молекул, испарение, поверхностные и капиллярные явления, смачивание) подтверждают гипотезу молекулярного строения вещества, но не позволяют наблюдать механизм происходящих физических процессов. Механические модели: опыт Штерна, доска Гальтона, установка для демонстрации газовых законов дают возможность проиллюстрировать закон Максвелла распределения молекул газа по скоростям и получить экспериментально соотношения между давлением, объемом и температурой, необходимые для вывода газовых законов.

Применение современной электронной и электронно-вычислительной техники позволяет существенно дополнить постановку и проведение эксперимента. К сожалению, число работ по данной теме очень незначительно.

В работе описано применение компьютера для демонстрации зависимости скорости молекул различных газов от температуры, расчет изменения внутренней энергии тела при испарении, плавлении и кристаллизации, а также использование компьютера при обработке лабораторных работ. Здесь же дано описание урока по определению КПД идеального теплового двигателя на основании цикла Карно.

Методика постановки эксперимента с применением электронной и электронно-вычислительной техники описана В.В. Лаптевым . Схема эксперимента выглядит так: измеряемые величины- датчики- аналого-цифровой преобразователь-микрокалькулятор МК-В4 или ЭВМ «Yamaha». По этому принципу сконструирована универсальная электромеханическая установка для изучения в школьном курсе физики газовых законов.

В книге А.С.Кондратьева и В.В.Лаптева «Физика и компьютер» разработаны программы, анализирующие в виде графиков формулу максвеллов-ского распределения молекул по скоростям, использования распределения Больцмана для расчета высоты подъема и исследование цикла Карно.

И.В. Гребенев представляет программу, моделирующую теплоперенос путем столкновения частиц двух тел .

В статье «Моделирование лабораторных работ физического практикума» В.Т. Петросяна и других содержится программа моделирования броуновского движения частиц, число которых задается экспериментом .

Наиболее полной и удачной разработкой раздела молекулярной физики является учебный компьютерный курс «Открытая физика» ТОО НЦ ФИЗИКОЙ. Представленные в нем модели охватывают весь курс молекулярной физики и термодинамики. Для каждого эксперимента представлены компьютерная анимация, графики, численные результаты. Программы хорошего качества, удобны для пользователя, позволяют наблюдать динамику процесса при изменении входных макропараметров.

В то же время, на наш взгляд, данный компьютерный курс более всего подходит для закрепления пройденного материала, иллюстрации физических законов, самостоятельной работы учащихся. Но применение предложенных экспериментов в качестве компьютерных демонстраций затруднено, так как они не имеют методической поддержки, невозможно управлять временем протекающего процесса.

Следует отметить, что к настоящему времени «не выработано установившегося взгляда на конкретное указание: где и когда нужно применять компьютер в процессе обучения, не наработано практического опыта по оценке воздействия компьютера на эффективность обучения, нет установившихся нормативных требований к виду, типу и параметрам аппаратно-программных средств учебного назначения» .

Вопросы о методической поддержке педагогических программных средств поставил И.В. Гребенев . «Важнейшим критерием эффективности компьютерного обучения следует, вероятно, считать возможность получения учащимися в диалоге с ЭВМ нового, важного знания по предмету, путем такого уровня или при таком характере познавательной активности, которые невозможны при безмашинном обучении, при условии, конечно, что их педагогический эффект и окупает затраты времени учителя и учащегося».

Значит, чтобы использование ЭВМ приносило реальную пользу, необходимо определить, в чем существующая методика несовершенна, и показать, какие свойства компьютера и каким образом способны повысить эффективность обучения.

Анализ состояния компьютерного моделирования свидетельствует о том, что:

1) компьютерное моделирование представлено небольшим количеством программ вообще и в частности тех, которые моделируют физические процессы, исходя из положений молекулярно-кинетической теории (МКТ);

2) в программах, моделирующих на основе МКТ, нет никаких количественных результатов, а имеет место лишь качественная иллюстрация какого-либо физического процесса;

3) во всех программах не представлено связи микропараметров системы частиц с её макропараметрами (давлением, объёмом и температурой);

4) не существует разработанной методики проведения уроков с использованием компьютерных моделирующих программ по ряду физических процессов МКТ.

Это и определяет актуальность исследования.

Объект исследования - процесс обучения в средней общеобразовательной школе.

Предметом исследования является процесс применения компьютерного моделирования при обучении физике в средней общеобразовательной школе.

Цель исследования - изучить педагогические возможности компьютерного моделирования и разработать методическое обеспечение использования компьютерных моделирующих программ на материале школьного курса физики.

Исходя из цели исследования, в работе ставились следующие задачи:

1) провести целостный анализ возможностей использования компьютерного моделирования в процессе обучения;

2) определить психолого-педагогические требования к учебным компьютерным моделям;

3) проанализировать отечественные и зарубежные компьютерные программы, моделирующие физические явления и дающие реальный обучающий эффект;

4) разработать компьютерную моделирующую программу на материале физического содержания среднего общего образования (раздел «Молекулярная физика»);

5) проверить применение экспериментальной компьютерной моделирующей программы и оценить ее дидактико-методический результат.

Гипотеза исследования.

Качество знаний, умений и информационная культура учащихся могут повыситься, если в процессе обучения физике использовать компьютерные моделирующие программы, методическое обеспечение которых заключается в следующем:

Адекватно теоретическим основам компьютерного моделирования в процессе обучения определены задачи, место, время, форма использования учебных компьютерных моделей;

Осуществляется вариативность форм и методов управления деятельностью учащихся;

Осуществляется обучение школьников переходу от реальных объектов к моделям и обратно.

Методологическую основу исследования составляют: системный и деятельностный подходы к исследованию педагогических явлений; философские, кибернетические, психологические теории компьютерного моделирования (А.А. Самарский, В.Г. Разумовский, Н.В. Разумовская, Б.А. Глинский, Б.В. Бирюков, В.А. Штофф, В.М. Глушков и другие); психолого-педагогические основы компьютеризации обучения (В.В. Рубцов, Е.И. Маш-биц) и концепции развивающего образования (Л.С.Выготский, Д.Б.Эльконин, В.В.Давыдов, Н.Ф. Талызина, П.Я. Гальперин).

Методы исследования:

Научно-методический анализ философской, психологической, педагогической и методической литературы по исследуемой проблеме;

Анализ опыта учителей, анализ собственного опыта преподавания физики в средней школе и методики физики в вузе;

Анализ моделирующих компьютерных программ по молекулярной физике отечественных и зарубежных авторов с целью определения содержания программы;

Моделирование физических явлений в молекулярной физике;

Компьютерные эксперименты на базе отобранных моделирующих программ;

Анкетирование, беседа, наблюдение, педагогический эксперимент;

Методы математической статистики.

База исследования: школы № 3, 11, 17 г. Вологды, Вологодский государственный естественно-математический лицей, физико-математический факультет Вологодского государственного педагогического университета.

Исследование осуществлялось в три этапа и имело следующую логику.

На первом этапе (1993-1995 гг.) была определена проблема, цель, задачи и гипотеза исследования. Анализировалась философская, педагогическая и психологическая литература с целью выявления теоретических основ разработки и использования компьютерных моделей в процессе обучения.

На втором этапе (1995 - 1997 гг.) проводилась опытно-экспериментальная работа в рамках изучаемой проблемы, предлагались методические разработки использования на уроках физики компьютерных моделирующих программ.

На третьем этапе (1997 - 2000 гг.) проводился анализ и обобщение опытно-экспериментальной работы.

Достоверность и обоснованность полученных результатов гарантируется: теоретико-методологическими подходами к исследованию проблемы компьютерного моделирования в обучении; сочетанием качественного и количественного анализа результатов, включающего применение методов математической статистики; методами, адекватными цели и предмету исследования; научно-обоснованными требованиями к разработке компьютерной моделирующей программы.

Последнее требует некоторого пояснения. Нами разработана программа моделирования динамики систем многих частиц, расчет движения которых базируется на алгоритме Верле, используемом X. Гулдом и Я. Тобочни-ком. Данный алгоритм прост и даёт точные результаты даже при малых про межутках времени, а это очень важно при изучении статистических закономерностей. Оригинальный интерфейс программы позволяет не только видеть динамику процесса и изменять параметры системы, фиксируя результаты, но и даёт возможность изменить время эксперимента, остановить эксперимент, сохранять данный кадр и с него начинать последующую работу над моделью.

Исследуемая система состоит из частиц, скорости которых задаются случайным образом и которые взаимодействуют друг с другом по законам механики Ньютона, а силы взаимодействия между молекулами отображаются кривой Леннарда-Джонсона, то есть в программе заложена модель реального газа. Но, изменяя начальные параметры, можно привести модель к идеальному газу.

Представленная нами программа компьютерного моделирования позволяют получить численные результаты в относительных единицах, подтверждающие следующие физические закономерности и процессы:

а) зависимость силы взаимодействия и потенциальной энергии частиц (молекул) от расстояния между ними;

б) распределение Максвелла по скоростям;

в) основное уравнение молекулярно-кинетической теории;

г) законы Бойля-Мариотта и Шарля;

д) опыты Джоуля и Джоуля-Томсона.

Выше указанные эксперименты могут подтвердить справедливость метода статистической физики, так как результаты численного эксперимента соответствуют результатам, полученным на основании законов статистики.

Педагогический эксперимент подтвердил эффективность методики проведения уроков с использованием компьютерных моделирующих программ.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования:

1. Осуществлено комплексное описание компьютерного моделирования, применяемого в процессе обучения (философское, кибернетическое, педагогическое).

2. Обоснованы психолого-педагогические требования к компьютерным учебным моделям.

3. Применен метод компьютерного моделирования динамики многих частиц, который позволил впервые в школьном курсе молекулярной физики создать компьютерную модель идеального газа, позволяющую продемонстрировать связь микропараметров системы (скорость, импульс, кинетическая, потенциальная и полная энергия движущихся частиц) с макропараметрами (давление, объем, температура).

4. На основе программ компьютерного моделирования в методике физики осуществлены следующие численные эксперименты: получено основное уравнение молекулярно-кинетической теории; показана связь температуры с кинетической энергией поступательного движения частиц (молекул); смоделированы опыты Джоуля и Джоуля-Томсона для идеального и реального газов.

Практическая значимость исследования заключается в том, что отобранное содержание и разработанные компьютерные моделирующие программы могут быть использованы в средней общеобразовательной школе для проведения численного эксперимента по ряду вопросов молекулярной физики. Разработана и проверена в эксперименте методика проведения уроков по молекулярной физике с использованием моделирующих компьютерных программ. Материалы и результаты исследования могут быть также применены в процессе обучения студентов педвузов и повышения квалификации учителей физики и информатики.

Апробация основных материалов и результатов» полученных в ходе исследования, проводилась

На международной электронной научно-технической конференции (Вологда, 1999);

На межвузовской научно-практической конференции «Социальные аспекты адаптации молодежи к меняющимся условиям жизни» (Вологда, 2000);

На второй региональной научно-методической конференции «Современные технологии в высшем и среднем профессиональном образовании» (Псков, 2000);

На шестой Всероссийской научно-практической конференции «Проблема учебного физического эксперимента» (Глазов, 2001);

При преподавании физики в средних школах города Вологды, на занятиях по методике преподавания физики со студентами ВГПУ, на семинарах аспирантов ВГПУ и преподавателей кафедры общей физики и астрономии.

На защиту выносятся:

1. Теоретические подходы к применению компьютерного моделирования в процессе обучения и его методическое обеспечение.

3. Методика организации и проведения уроков физики в 10-м классе средней общеобразовательной школы при изучении темы «Молекулярная физика» на основе компьютерной моделирующей программы.

Структура диссертации.

Структура диссертации определена логикой и последовательностью решения поставленных задач. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии.

Модели и моделирование в современной науке

В настоящее время модели и моделирование, как один из методов познания окружающего мира, широко применяются в науке, технике и в обучении.

Термин «модель» происходит от латинского слова modulus, что означает мера, образец, норма. Целостное представление человека о мире в большинстве случаев находит отражение в его сознании в виде определенной физической модели.

В современной философии даются следующие определения понятий модели и моделирования .

«Модель (франц. modele) в логике и методологии науки - аналог (схема, структура, знаковая система) определенного фрагмента природной или социальной реальности, продукт человеческой культуры, концептуально - теоретического образования и т. п. - оригинала модели. Этот аналог служит для хранения и расширения знания (информации) об оригинале, его свойствах и структурах, для преобразования или управления им. С гносеологической точки зрения модель - это «представитель», «заместитель» оригинала в познании и практике. Результаты обработки и исследования модели при определенных условиях, выясняемых в логике и методологии, и специфических для различных областей и типов моделей, переносятся на оригинал . «Моделирование - метод исследования объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей, реально существующих предметов и явлений (органических и неорганических систем, инженерных устройств, разнообразных процессов - физических, химических, биологических, социальных) и конструируемых объектов для определения либо улучшения их характеристик, рационализации способов их построения, управления ими и т.п.» . В зависимости от типа моделей различают предметное и знаковое моделирование. При предметном моделировании исследование ведется на модели, воспроизводящей определенные геометрические, физические или функциональные характеристики оригинала. Например, при аналоговом моделировании с помощью энергетических моделей изучают механические, акустические, гидродинамические и другие явления, поскольку функционирование модели и оригинала описывается одними и теми же дифференциальными уравнениями.

«При знаковом моделировании моделями служат схемы, чертежи, формулы, предложенные в некотором алфавите (естественного или искусственного языка) и т.п.» . Моделирование является одним из важных методов познания, поэтому относится к гносеологической категории. Результаты, полученные при исследовании моделей, могут переноситься на оригинал, если модель отображает свойства оригинала.

В основу данной классификации положен способ воспроизведения в модели свойств оригинала. Все модели разделяются на два класса: материальные и идеальные. К материальным относятся модели, существующие объективно и созданные человеком для воспроизведения структуры и сущности изучаемого процесса или явления.

Для пространственно подобных моделей обязательным условием является геометрическое подобие их оригиналу, т.к. они отражают пространственные свойства и отношения объекта. К этой группе относятся различные макеты, модели технических устройств, кристаллических решеток и т.д.

В физически подобных моделях необходимо сходство ее физической природы с оригиналом и тождественность законов движения. Такие модели отличаются от отображаемой ими натуры лишь изменением пространственной или временной шкалы. К этой группе относятся действующие модели разнообразных технических устройств, например, электрических двигателей и генераторов, кораблей, самолетов и т.д.

Математически подобные модели функционирования объектов исследования должны описываться одинаковыми математическими уравнениями и, как правило, не имеют с оригиналом физического и геометрического подобия. К математическим моделям относятся аналоговые, структурные, цифровые, кибернетические модели.

Психолого-педагогические аспекты компьютерного обучения

В последние годы отечественные и зарубежные психологи обратили внимание на роль индивидуальных особенностей учащихся в процессе обучения . Поиск путей сохранения и дальнейшего развития индивидуальности ребенка, его потенциальных возможностей, способностей привели к разработке концепций индивидуализации обучения. Содействие средствами индивидуализации выполнению учебных программ каждым учащимся, предупреждение неуспеваемости учащихся; формирование общеучебных умений и навыков при опоре на зону ближайшего развития каждого ученика; улучшение учебной мотивации и развитие познавательных интересов; формирование личностных качеств: самостоятельности, трудолюбия, творчества - суть индивидуализации обучения. Главное достоинство состоит в том, что индивидуализация позволяет полностью адаптировать содержание, методы и темпы учебной деятельности ребенка к его особенностям, следить за его действиями на каждом этапе решения задачи, вовремя вносить корректировку в деятельность учащегося и учителя, приспосабливать их к постоянно меняющейся, но контролируемой ситуации со стороны ученика и учителя. Все это позволяет ученику работать экономно, контролировать затраты своих сил, достигать более высоких результатов.

Технология индивидуализации обучения охватывает все звенья учебного процесса - цели, содержание, методы и средства. Характеристики индивидуализированного обучения - гуманистические по своей философской основе; факторы развития: био-, социо- и психогенные; принцип управления- система «репетитор», подход к ребенку - гуманно-личностный, организационные формы - академические, индивидуально- групповые; преобладающий метод - программированный, саморазвивающий, творческий. Один из вариантов осуществления индивидуализации обучения - разработка идей адаптивного обучения. Оно учитывает как возрастные, так и индивидуальные особенности учащихся. Адаптация может основываться на информации, собранной с учетом опыта обучения каждого учащегося либо запрограммированной заранее. Адаптивная система, запрограммированная заранее, обычно реализует обучение по разветвленной программе, где в зависимости от характера допущенной ошибки указывается, какие вспомогательные воздействия выдаются. Адаптивные обучающие системы, как правило, учитывают: а) правильность ответа, б) причины, вызвавшие затруднения при выполнении учебных заданий.

Развитие техники, разработка различного рода технических устройств позволяют соединять возможности технологии индивидуализации обучения с использованием современной вычислительной техники.

Компьютерное обучение на основе гибкой и оперативной адаптации к индивидуальным особенностям каждого ученика способно предупреждать возникновение психологического дискомфорта, снижение самооценки, снижение учебной мотивации, так как способно максимально учитывать индивидуальность обучающегося.

Л.В. Шеншев описывает три варианта адаптивного обучения. Первый вариант - концепция максимальной адаптивности английского кибернетика Г. Паска. Второй - теория частичной адаптивности американского психолога Н. Краудера. Третий - концепция минимальной адаптивности Б.Скиннера. Авторы теорий адаптивного обучения схожи в оценке причин низкой эффективности традиционного обучения и в выборе устранения этих причин. Концепции адаптивного обучения предъявляют к учебному процессу некоторые требования:

1. Оперативная адаптация к индивидуальным особенностям учеников, учет темпа обучения, диагностика причин затруднений, своевременная корректировка учебного материала.

2. Непрерывное и целенаправленное управление аффективно-мотивационной сферой ученика, стабилизация его состояния. 3. Поддержание непрерывного диалога, стимулирование активности учащихся.

4. Автоматизация обучения.

Выполнение перечисленных требований легче отнести к компьютерному обучению, так как учитель не в состоянии одновременно адаптироваться к разным ученикам, машина же беспристрастна, терпелива и неутомима.

Названные выше концепции адаптивного обучения быстро пришли в массовую практику, породив модное увлечение обучающими устройствами и программами для компьютеров. Дилетантские и примитивные по своим педагогическим возможностям, они игнорировали основную идею учета индивидуальных особенностей и стабилизации положительного эмоционального настроя учеников. В связи с таким положением дел ставится под вопрос эффективность компьютерного обучения . Современная аргументация в пользу применения компьютеров повторяет выводы разработчиков адаптивного обучения. Это и важность учета динамики усвоения, и автоматизация обучения, позволяющая учителю не отвлекаться на организационные задачи.

Анализ состояния компьютерного моделирования в разделе «Молекулярная физика»

В первой и второй главах мы рассмотрели вопросы применения компьютерного моделирования в обучении с позиции гносеологии, педагогики и психологии, а также определили их место и функции. Использование компьютерных моделей в обучении физике позволяет показать значение моделирования как метода познания окружающего мира, способствует формированию абстрактного мышления, развитию познавательного интереса, овладению элементами информационной культуры. Вместе с тем, чтобы полнее реализовать такие достоинства как возможность индивидуального обучения, руководство учебной деятельностью, наглядность, имитационные свойства компьютерных моделей, необходимо выявить тот раздел физики, применение компьютерного моделирования в котором будет давать реальный обучающий эффект, и определить методические приемы включения его в урок.

Сложность изучения курса «Молекулярная физика и термодинамика» в основной средней школе состоит в том, что здесь учащиеся встречаются с качественно новой формой движения материи - тепловым движением, в котором, кроме законов механики, действуют и законы статистики . К тому же натурные эксперименты (броуновское движение, диффузия, взаимодействие молекул, испарение, поверхностные и капиллярные явления, смачивание) лишь подтверждают гипотезу молекулярного строения вещества, но не позволяют наблюдать механизм происходящих физических процессов. Механические модели: опыт Штерна, доска Гальтона, установка для демонстрации газовых законов позволяют проиллюстрировать закон Максвелла распределения молекул по скоростям и получить экспериментально соотношения между давлением, объемом и температурой, необходимых для вывода газовых законов. Повышение эффективности урока может дать расширение и совершенствование демонстрационного или лабораторного эксперимента с применением ЭВМ (о значении компьютерных моделей при изучении физики мы указывали в ). Такие программные средства для проведения демонстрационного эксперимента в школьном курсе молекулярной физики и термодинамики имеются, хотя и в небольшом количестве. Обзор ряда работ сделан нами в , а здесь мы представим анализ всех известных нам компьютерных программ, используемых при изучении молекулярной физики и термодинамики.

Применение современной электронной и электронно-вычислительной техники позволяет существенно улучшить постановку и проведение эксперимента. В описано применение компьютера для демонстрации зависимости скорости молекул азота, водорода, аргона и воздуха от температуры, расчет изменения внутренней энергии тела при плавлении и кристаллизации, при испарении и для газообразного состояния, а также использование компьютера при обработке результатов лабораторных работ.

В этой же книге дано описание урока по определению КПД идеального теплового двигателя на основании цикла Карно. В качестве модели цикла Карно выступала ЭВМ, которая программным путём реализует адиабаты и изотермы на экране монитора, графически представляя цикл Карно.

Методика постановки эксперимента с применением электронной и вычислительной техники описана В.В. Лаптевым . Им использована универсальность электрического сигнала, который не только содержит необходимую информацию, но и может обрабатываться электронно-вычислительной техникой. Поэтому необходимо все неэлектрические величины, участвующие в эксперименте, преобразовать в электрические с помощью первичных преобразователей - датчиков, на выходе которых появляется электрический аналоговый сигнал обычно в виде электрического напряжения. Лаптевым В.В. с сотрудниками разработано и изготовлено несколько датчиков для измерения освещённости, температуры и времени. Фиксировать сигналы датчиков можно стрелочными или цифровыми измерительными приборами. Для того чтобы использовать при обработке результатов эксперимента цифровую электронно-вычислительную технику, необходимо аналоговый сигнал преобразовать в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя, воспользовавшись для этого соответствующими микросхемами. Таким образом, схема эксперимента выглядит так: измеряемые величины - датчики - аналого-цифровой преобразователь - микрокалькулятор МК-64 или ЭВМ «Yamaha». По этому принципу сконструирована универсальная электромеханическая демонстрационная установка для изучения в школьном курсе физики газовых законов. Измеряемые в опыте величины давления, объёма и температуры, по очереди фиксируются на демонстрационном цифровом индикаторе и подаются на шину данных ЭВМ, которая выводит на экран дисплея графики всех возможных зависимостей между давлением, объёмом и температурой. После построения графиков числовые значения данных величин заносятся в ОЗУ ЭВМ и могут быть выведены на экран дисплея в виде таблицы данных опыта и использованы для количественных расчетов. Таким образом, учащиеся имеют возможность наблюдать количественную и качественную характеристики газовых процессов одновременно.

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ САМОАКТУАЛИЗАЦИИ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ ИНФОРМАТИКИ В СОВРЕМЕННОМ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

© 2016 Е. И. Травкин

канд. пед. наук, доцент кафедры компьютерных технологий и информатизации образования e-mail: e travkin@mail. ru

Курский государственный университет

В статье представлены возможности применения компьютерного моделирования как одного из методов осуществления самоактуализации преподавателя информатики на всех уровнях системы высшего образования, характеристики компьютерного моделирования как эффективного метода познания в условиях информационной образовательной среды. В работе особое место отводится описанию принципов обучения компьютерному моделированию и этапов компьютерного моделирования, реализация которых способствует самоактуализации педагогов информатики.

Ключевые слова: метод компьютерного моделирования, модель, профессиональная самоактуализация преподавателя информатики, многоуровневая система высшего образования, профессиональная подготовка.

Одной из важнейших тенденций современного профессионального образования является информатизация, которая позволяет вывести образовательный процесс на новый качественный уровень и по-новому раскрыть потенциал педагогических кадров в современных социокультурных условиях. Современная быстроменяющаяся и быстроразвивающаяся информационная среда предъявляет большие требования для самоактуализации современного преподавателя информатики.

Государственная программа Российской Федерации «Информационное общество (2011-2020 гг.)» и Национальная доктрина образования Российской Федерации до 2025 г. подчеркивают необходимость существенных преобразований, касающихся возможных методов модернизации существующего образовательного процесса в различных сферах на основе использования информационных технологий.

Одним из наиболее эффективных методов обучения в современных условиях модернизации образовательной системы является использование метода компьютерного моделирования. Компьютерное моделирование представляет собой достаточно универсальный метод исследования в различных предметных областях современной науки. Под компьютерным моделированием понимается метод исследования, основанный на построении и изучении компьютерной модели объекта или процесса [Пикалов 2010]. Главной специфической особенностью компьютерного моделирования является возможность его использования для целостного изучения исследуемого объекта.

При создании и исследовании компьютерной модели проходит процесс отображения и воспроизведения аналога или объекта-заместителя реально существующей или проектируемой системы и процесса, выявляется не только структура, элементы, свойства, но и взаимосвязи и отношения между элементами и внешней средой. Компьютерное моделирование, представляя разновидность моделирования, позволяет описать исследуемые систему или процесс лишь с некоторой степенью приближения к действительности с учетом существующих связей и

закономерностей между основными составляющими объекта-оригинала. Конечным результатом компьютерного моделирования является получение количественных и качественных характеристик, необходимых для анализа исследуемых систем или процессов, принятия решений по их оптимизации и модернизации, прогнозирования поведения в различных условиях.

Моделирование можно определить как один из основных методов познания, являющийся формой отражения действительности и заключающийся в выяснении или воспроизведении тех или иных свойств реальных объектов, предметов и явлений с помощью других объектов, процессов, явлений, либо с помощью абстрактного описания в виде изображения, плана, карты, совокупности уравнений, алгоритмов и программ [Бирюков, Гастеев, Геллер 1974].

Будущий преподаватель информатики должен быть способен реализовать свой личностный и профессиональный потенциал применительно к содержательным и теоретическим аспектам профессиональной деятельности. Адекватность современных педагогических методов обеспечивает продуктивность самоактуализации. Широкие возможности в решении задач самоактуализации предоставляет метод компьютерного моделирования.

Самоактуализация является фактором, обеспечивающим конкурентоспособность современного преподавателя информатики, расширяя его личностный и профессиональный потенциал в условиях постоянно меняющихся комплексных задач в современном образовательном пространстве.

Самоактуализация является основной из актуальных проблем высшего образования. «Самоактуализация» (от лат. асШаНБ - действительный, настоящий) рассматривается как стремление человека к возможно более полному выявлению и развитию своих личностных возможностей [Карпенко 1985].

Профессиональная самоактуализация определяет эффективность становления и развития будущего преподавателя информатики в процессе решения постоянно усложняющихся задач на различных уровнях современного образования: в профильных классах (информационно-технологических), в среднем профессиональном образовании, в системе обучения студентов бакалавриата и магистратуры, в системе дополнительного профессионального образования.

Организация процесса обучения на основе компьютерного моделирования, направленного на самоактуализацию преподавателя информатики, базируется на системе дидактических принципов, которые получили отражение в работах классических и современных авторов - И.П. Подласого, Ю.К. Бабанского, Л.В. Занкова, В.А. Сластенина, и др. Все дидактические принципы представляют единую систему и направлены на достижение учебных, познавательных, развивающих задач, решение которых способствует всесторонней самоактуализации педагога информатики на различных этапах его становления и развития. Выявлена система определяющих принципов реализации компьютерного моделирования в процессе самоактуализации будущего преподавателя информатики, которые отражают основные закономерности образовательного процесса. Представляется целесообразным выделить следующие принципы в процессе самоактуализации будущего педагога:

1) принцип научности, который предусматривает использование в образовательном процессе последних достижений в сфере применения компьютерного моделирования для организации исследовательской и научно-поисковой деятельности обучающихся;

2) принцип доступности, предполагающий адекватность изучаемого материала возрастным и индивидуальным особенностям обучающихся и уровню их теоретической и практической подготовки;

3) принцип наглядности, обеспечивающий построение компьютерной модели в наглядной форме, наиболее адекватно раскрывающей существенные связи и отношения исследуемых систем или процессов;

4) принцип систематичности, предполагающий рассмотрение различных видов компетенций, получаемых знаний и формируемых умений и навыков в системе построения всех учебных курсов и всего содержания обучения как систем, входящих друг в друга и в общую систему информационной культуры, и требующий рационального деления учебного материала на смысловые фрагменты и ступенчатого овладения ими при постоянном обращении к целому;

5) принцип последовательности, который состоит в планировании содержания, развивающегося по восходящей линии, где каждое новое знание опирается на предыдущее и вытекает из него;

6) принцип связи теории с практикой, подразумевающий, что знания, приобретаемые обучающимися, взаимодействуют с жизнью, применяются на практике, используются для исследования, познания и преобразования окружающих процессов и явлений; осознание значимости приобретаемых знаний способствует повышению интереса к обучению, что положительно влияет на мотивацию и эффективность учебной деятельности;

7) принцип активности предусматривающий ясное понимание изучаемого учебного материала. Для организации активного усвоения обучающимися знаний и развития самостоятельности умственных действий в ходе учебного процесса необходимо выдвигать познавательную задачу, решение которой позволяет мотивировать творческий поиск и мыслительную деятельность;

8) принцип гибкости компьютерных моделей, понимаемый как соответствие реальному объекту и согласованность их с другими моделями, образующими систему знаний в данной предметной области и в содержании образования в целом, а также возможность оперативной модернизации исследуемой компьютерной модели в ходе экспериментальной работы;

9) принцип интегративности, предусматривающий возможность интеграции разработанных моделей в различных условиях образовательного пространства; данный принцип также предусматривает интеграцию различных дисциплин, сфер и областей деятельности с целью решения конкретных педагогических задач;

10) принцип открытости, предоставляющий возможность постоянной модификации созданной компьютерной модели в зависимости от потребностей и условий обучения.

Организация учебного процесса на основе использования компьютерного

моделирования, направленного на самоактуализацию преподавателя информатики,

должна следовать следующим этапам [Кельтон, Лоу 2004]:

Формулировка задачи;

Сбор данных (информации) и определение концептуальной модели;

Определение адекватности концептуальной модели;

Формализация или создание математической модели;

Создание компьютерной модели;

Проверка компьютерной модели;

Планирование эксперимента;

Выполнение экспериментов с компьютерной моделью;

Анализ и интерпретация выходных данных;

Использование результатов.

Выявленные этапы выполняются итерационно, то есть происходит возврат к

предыдущим этапам и их повторное выполнение с целью уточнения некоторых

параметров разрабатываемой модели. Представленная последовательность этапов отражает общий подход к проведению компьютерного моделирования над исследуемыми объектами и позволяет следовать методологии компьютерного моделирования при организации процесса обучения.

Важно подчеркнуть, что этапы компьютерного моделирования практически полностью соответствуют этапам исследовательского обучения . В развернутом виде исследовательское обучение предполагает, что учащийся:

Выделяет и ставит проблему, которую необходимо разрешить;

Предлагает возможные решения;

Проверяет эти возможные решения;

Исходя из данных, делает выводы в соответствии с результатами;

Применяет выводы к новым данным; делает обобщения.

По мысли сторонников исследовательского обучения, учебный процесс в идеале должен моделировать процесс научного исследования, поиска новых знаний [Кларин 1998]. Соответствие этапов, а также методологии компьютерного моделирования и исследовательского обучения дает возможность активно внедрять данный метод в процесс обучения как способ развития исследовательских способностей студентов, что способствует самоактуализации будущих преподавателей информатики.

В результате компьютерного моделирования обучающиеся создают компьютерную модель. Под компьютерной моделью понимают [Лычкина 2000]:

□ условный образ объекта или некоторой системы, описанный с помощью взаимосвязанных компьютерных таблиц, блок-схем, диаграмм, графиков, рисунков, анимационных фрагментов, гипертекстов и т. д. и отображающий структуру и взаимосвязи между элементами объекта, - структурно-функциональная модель;

□ отдельную программу, совокупность программ, программный комплекс, позволяющий с помощью последовательности вычислений и графического отображения их результатов воспроизводить (имитировать) процессы функционирования объекта при условии воздействия на него различных (включая случайные) факторов, - имитационные модели. В работе И.Ю. Пикалова определяется, что применение имитационного моделирования для анализа сложных систем базируется на разработке методов статистических испытаний (метод Монте-Карло), которые позволяют моделировать случайные факторы с использованием вычислительной техники, что приводит к ускорению расчетов и проведению экспериментов со сложными системами [Пикалов 2014].

Понятие модели придает методу использования компьютерного моделирования в учебном процессе тот широкий спектр межпредметных связей, формирование которых является одной из основных задач самоактуализации преподавателя информатики. Сама же деятельность по построению модели - моделирование - является обобщенным видом деятельности, которая характеризует именно информатику [Каспражак 2004]. Кроме того, понятия и метод моделирования изучаются на моделях различных предметных областей, выявляя их общность. Учет межпредметных связей является необходимым условием успешного обучения. От того, как осуществляется эта связь, зависит развитие мышления и кругозора студентов. Кроме того, правильное осуществление межпредметных связей способствует формированию научного мировоззрения, помогает учащимся обнаруживать взаимосвязи предметов и явлений в окружающем мире и создает целостное представление об изучаемых явлениях и процессах реального мира [Володин 2005].

Организация учебного процесса на основе межпредметных связей способствует вовлечению студентов в предметно-практическую деятельность, которая предполагает активное приобретение знаний, их творческое использование, развитие познавательной

активности и самостоятельности, формирование научного мировоззрения. Формирование межпредметных связей на основе моделирования определяется использованием целого ряда способов получения знаний и навыков (анализ, синтез, индукция, дедукция и др.).

В свою очередь, А.В. Ястребов в своем диссертационном исследовании [Ястребов 2003] отмечает, что «высшей целью образования является подготовка специалиста, способного самостоятельно формулировать проблемы в сфере профессиональной деятельности и решать их...», «... высшее образование должно воспитывать специалиста с самосознанием исследователя, независимо от того, будет ли это ученый в узком смысле слова, ученый-инженер или ученый-учитель».

Процесс создания компьютерных моделей обладает огромным развивающим потенциалом и способствует более эффективному протеканию процесса самоактуализации на всех этапах становления и развития профессионала в области преподавания информатики. Владение основами компьютерного моделирования является каналом реализации развивающего обучения, позволяющего вывести педагога на новый качественный уровень и достичь не только вершин профессиональной компетентности, но личностного развития.

Библиографический список

БирюковБ.В., ГастеевЮ.А., ГеллерЕ.С. Моделирование. М.: БСЭ, 1974.

Володин А.А. Компьютерное имитационное моделирование при изучении основ цифровой техники будущими учителями технологии: дис. ... канд. пед. наук: 13.00.02. М., 2005

Кельтон В., Лоу А. Имитационное моделирование. Классика CS. 3-е изд. СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2004. 847 с.: ил.

Кларин М.В. Инновации в мировой педагогике: Обучение на основе исследования, игр, дискуссии анализ зарубежного опыта. М., Рига: Педагогический центр «Эксперимент», НПЦ «Эксперимент», 1998. 180 с.: ил.

Краткий психологический словарь / сост. Л.А. Карпенко; под общ. ред. А.В. Петровского, М.Г. Ярошевского. М.: Политиздат, 1985. 431 с.

Лычкина Н.Н. Современные тенденции в имитационном моделировании // Вестник университета. Серия «Информационные системы управления». М.: ГУУ, 2000. №2.

Пикалов И.Ю. Изучение компьютерного моделирования в курсе «Информационные и коммуникационные технологии в науке и производстве» // Наука и современность. 2010. № 6-1. С. 307-312.

Пикалов И.Ю. Применение имитационного моделирования и экспертных систем в экономическом анализе // Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014. № 4 (4). С. 93-95. URL: http://auditorium .kursksu.ru/pdf/004-017.pdf

Элективные курсы в профильном обучении: Образовательная область «Информатика» / под общ. ред. А.Г. Каспражака, Министерство образования РФ -Национальный фонд подготовки кадров. М.: Вита-Пресс, 2004. 112 с.

Ястребов А.В. Моделирование научных исследований как средство оптимизации обучения студента педагогического вуза: дис. докт. пед. наук: 13.00.08. М., 2003.

Lewy A. Planning the school curriculum. Paris, 1977.

Исторически последовательное «вторжение» информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) в предметную подготовку в сфере физико-математического образования (как в школе, так и в вузе), начиная с 60-х годов ХХ века, актуализировало процессы формирования таких новых понятий современной дидактики, влияющих на формирование целей обучения, как «алгоритмическая культура», «компьютерная грамотность», «ИКТ-компетентность», «информационная культура». При этом основная тенденция сводится к усилению роли знаний о математическом (в общем случае информационном) моделировании как основе для реализации ИКТ в содержании обновляющегося образования.

Математика все более широко и все более успешно используется для решения таких конкретных задач, которые требуют индивидуального нешаблонного подхода при их формализации. Сталкиваясь с подобной задачей, математик вначале стремится сформулировать ее словами, то есть построить словесную модель, отражающую все существенные стороны явления и оставляющую в стороне второстепенные. Затем эту словесную модель предстоит формализовать, или построить математическую модель изучаемого объекта. Построенная модель подвергается изучению с помощью математических средств.

Применение средств ИКТ расширяет возможности компьютерного математического моделирования, позволяет строить информационные модели с целью выбора наиболее оптимального метода решения задачи. Компьютерная модель – класс знаковых моделей, описывающих информационные процессы в объектах различной природы. При обучении моделирование и модель выступают не только как инструмент и метод познания объектов и явлений, но и как метод усвоения основных существенных свойств и закономерностей реальной действительности.

Исходя из этих предпосылок применение методики использования компьютерных моделей в обучении математике является актуальным.

Моделирование представляет собой один из основных методов познания, является формой отражения действительности и заключается в выяснении или воспроизведении тех или иных свойств реальных объектов, предметов и явлений с помощью других объектов, процессов, явлений, либо с помощью абстрактного описания в виде изображения, плана, карты, совокупности уравнений, алгоритмов и программ.

Возможности моделирования, то есть перенос результатов, полученных в ходе построения и исследования модели, на оригинал основаны на том, что модель в определенном смысле отображает (воспроизводит, моделирует, описывает, имитирует) некоторые интересующие исследователя черты объекта.

Модель (от лат. modulus – мера, образец) – некоторый материальный или мысленно представляемый объект или явление, замещающий оригинальный объект или явление, сохраняя только некоторые важные его свойства, например, в процессе познания или конструирования.

Математические модели подразделяются на функциональные, структурные и информационные.

«Моделирование – совокупность методов построения моделей и изучения на них соответствующих явлений, процессов (в том числе и процесса решения задачи), систем объектов (оригиналов), а также совокупность методов использования результатов изучения модели для определения или уточнения характеристик самих объектов исследования».

Функциональные модели характеризуются установлением функциональной зависимости, которая объединяет показатели изучаемого объекта, обнаруженные экспериментальным путем. Такого рода модели выражают построение функции по значениям аргумента.

Структурные модели выражают то или иное предположение (гипотезу) о внутреннем строении и связях изучаемого объекта, что проявляется в наблюдаемых фактах. В этих моделях наблюдаемые и измеримые переменные определенным образом (структурно) связываются с ненаблюдаемыми и неизмеримыми характеристиками объекта.

Информационные модели характеризуются тем, что в них связаны функционально поступающая информация, её переработка и обратная связь. В основе информационных моделей находится отображение зависимостей исследуемого явления путем определенных действий над информацией. Информационные модели позволяют давать описание опыта изучаемого явления в определенной форме выражения информации, т. е. проверить кодирование и перекодирование сообщений, их связей и зависимостей. Всё это позволяет вводить в модели количественную и содержательную стороны сообщений и устанавливать связь логического и описательного.

Информационные модели, применяемые в школах, как правило, не являются универсальными. Каждая из них рассчитана на моделирование достаточно узкого круга явлений. Современные средства ИКТ позволяют не только работать с готовыми моделями объектов, но и производить их конструирование из отдельных элементов. Информационная модель никогда не характеризует объект полностью. Для одного и того же объекта можно построить различные информационные модели.

Применение компьютерных технологий обучения позволяет видоизменять весь процесс преподавания, реализовывать модель личностно-ориентированного обучения, интенсифицировать занятия, а главное – совершенствовать самоподготовку обучающихся. Безусловно, современный компьютер и интерактивное программно-методическое обеспечение требуют изменения формы общения преподавателя и обучающегося, превращая обучение в деловое сотрудничество, а это усиливает мотивацию обучения, приводит к необходимости поиска новых моделей занятий, проведения итогового контроля (доклады, отчеты, публичные защиты групповых проектных работ), повышает индивидуальность и интенсивность обучения.

Компьютерное моделирование, возникшее как одно из направлений математического моделирования, с развитием компьютерных технологий стало самостоятельной и важной областью применения компьютеров. Компьютерные модели используются для решения задач о моделируемых объектах

направленных на развитие теорий, гипотез и их проверку;

облегчающих решение практических вопросов;

улучшающих процесс обучения.

При работе с моделью задача о моделируемом объекте может быть сформулирована в виде цели, т. е. как задача получения желаемого состояния модели. Постановка цели предполагает определение устройства конкретного объекта, его структуры, основных свойств и взаимодействия с окружающим миром – понимание модели, а также целенаправленное вмешательство в функционирование модели – управление моделью. Управление компьютерной моделью происходит обычно в форме диалога человека с компьютером.

Компьютерные модели, применяемые в школах, можно классифицировать, исходя из разных критериев: возрастного, сюжетной тематики, уровня сложности, сложности управления, задач развития умственных способностей и других характеристик. Так, в частности можно выделить:

развивающие компьютерные модели и конструкторы;

обучающие компьютерные модели;

компьютерные модели для учебного экспериментирования;

компьютерные модели, нацеленные на диагностику;

компьютерные модели-тренажеры, нацеленные на формирование умений и навыков.

Компьютер можно использовать в различных режимах обучения, а самое главное – в режиме графической иллюстрации изучаемого материала, т. к. возможности компьютера при иллюстрировании намного превосходят возможности любого бумажного учебника, рисунков на школьной доске. Компьютер как чертежный прибор имеет ряд преимуществ по сравнению с циркулем и линейкой. Так для изображения тел вращения требуется построить изображение окружности являющееся эллипсом. Однако циркулем и линейкой можно построить приближенное изображение эллипса, не всегда отличающегося хорошим качеством. С помощью компьютера можно создать большое количество разнообразных моделей геометрических фигур, что затруднено в случае с материальными моделями, как в техническом, так и в материальном плане.

Необходимость включения информационных технологий в процесс обучения математике обусловлена несколькими причинами.

Одна из них состоит в том, что применение информационных технологий во всех сферах человеческой жизнедеятельности на сегодняшний день стало необходимым условием успешного функционирования в современном информационном обществе и значит, должно касаться и школьного образования.

Вторая обусловлена предметным содержанием. На уроках математики учащиеся много работают с графическим изображением пространственных геометрических фигур, которые не всегда наглядно отражают их свойства. Поэтому особый интерес представляют графические редакторы, позволяющие создавать и изменять компьютерные модели геометрических объектов.

И, наконец, возможности информационных технологий в проведении компьютерного эксперимента с целью самостоятельного получения нового знания о геометрическом объекте на основе изучения компьютерной модели, делает эти технологии в процессе обучения одним из инструментов познания.

Рассмотрим некоторые преимущества компьютерных моделей пространственных геометрических фигур, по сравнению с традиционными моделями (развертки, модели из дерева или металла, пластмасса), а также чертежами и рисунками, выполненными на доске или на бумаге учебника.

Возможность быстрого создания большого количества разнообразных компьютерных моделей геометрических фигур, что затруднено в случае с материальными моделями, как в техническом, так и материальном плане.

Неоднократное обращение к компьютерной модели с целью ее демонстрации, что вызывает трудности с традиционными моделями.

Моментальное копирование компьютерных моделей для индивидуальной работы в классе, что невозможно при работе с материальными моделями и затруднено с чертежами и рисунками.

Возможность динамического изменения количественных характеристик модели объекта, которая полностью исключена в случае с традиционными моделями.

Учащиеся с интересом включаются в работу на основе моделирования и испытывают удовольствие от самостоятельного получения знаний по геометрии. Это не только положительно сказывается на мотивации обучения, но и вселяет уверенность в выполнении нового задания, обеспечивающую продуктивность учебно-познавательной деятельности.

Применение ИКТ на уроках математики дает возможность учителю сократить время на изучение материала за счет наглядности.

Использование информационных технологий на уроке способствует повышению качества знаний, расширяет горизонты школьной математики. Кроме того, компьютер потенциально готовит учащихся к жизни в современных условиях, к анализу большого потока информации и принятию решений.

Обучение компьютерному моделированию в школьном курсе информатики

В нашей исследовательской работе мы предполагаем, что наиболее эффективным с точки зрения развития творческих способностей учащихся является материал, связанный с информационным моделированием. Прежде чем проверить эту гипотезу рассмотрим место и значение компьютерного моделирования, цели и задачи обучения компьютерному моделированию и понятия, формируемые при обучении моделированию.

Место и значение компьютерного моделирования в школьном курсе информатики

В обязательном минимуме содержания образования по информатике присутствует линия "Моделирование и формализация", которая наряду с линией информации и информационных процессов, является теоретической основой базового курса информатики.

Не следует считать, что тема моделирования носит чисто теоретический характер и автономна от всех других тем. Большинство разделов базового курса имеют прямое отношение к моделированию, в том числе и темы, относящиеся к технологической линии курса. Текстовые и графические редакторы, СУБД, табличные процессоры, компьютерные презентации 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.

По мнению Бешенкова С.А. и др. темы "Информация и информационные процессы" и "Формализация и моделирование" являются ключевыми в курсе информатики. Данные темы объединяют в единое целое такие традиционные темы курса, как "Алгоритмы и исполнители", "Информационные технологии" и др. .

Создатели авторских курсов "Информатика в играх и задачах" и "Информатика-плюс" считают, что основная задача школьного курса информатики - формирование и развитие умения анализировать и строить информационно-логические модели.

Бояршинов М.Г. полагает целесообразным введение в рамках предмета информатики курса компьютерного моделирования, целью которого будет являться ознакомление учащихся с приемами решения задач физики, химии, математики, экономики, экологии, медицины, социологии, дисциплин гуманитарного направления, конструкторских и технологических проблем с помощью современной вычислительной техники .

Кузнецов А.А., Бешенков С.А., Ракитина Е.А. считают, что основными компонентами курса информатики, которые придают ему системный характер, являются "Информационные процессы", "Информационные модели", "Информационные основы управления". Решение задачи всегда начинается с моделирования: построения или выбора ряда моделей: модель содержания задачи (формализация условий), модель объекта, выбранная в качестве рабочей для решения этой конкретной задачи, модель (метод) решения и модель процесса решения задачи.

Таким образом, изучение информационных процессов, как и вообще любого феномена внешнего, мира, основано на методологии моделирования. Специфика информатики в том, что она использует не только математические модели, но и модели всевозможных форм и видов (текст, таблица, рисунок, алгоритм, программа) - информационные модели. Понятие информационной модели придает курсу информатики тот широкий спектр межпредметных связей , формирование которых является одной из основных задач этого курса в основной школе. Сама же деятельность по построению информационной модели - информационное моделирование является обобщенным видом деятельности, который характеризует именно информатику .

Одним из эффективных методов познания окружающей действительности является метод моделирования, который является мощным аналитическим средством, вобравшим в себя весь арсенал новейших информационных технологий.

Обобщающий характер понятия "информационное моделирование" обусловлен тем, что при работе с информацией мы всегда либо имеем дело с готовыми информационными моделями (выступаем в роли их наблюдателя), либо разрабатываем информационные модели.

Информационное моделирование является не только объектом изучения в информатике, но и важнейшим способом познавательной, учебной и практической деятельности. Его также можно рассматривать как метод научного исследования и как самостоятельный вид деятельности.

Зубко И.И. информационное моделирование определяет как "новый общенаучный метод познания объектов окружающей действительности (реальной и идеальной), ориентированный на использование компьютера". Моделирование рассматривается как способ познания, с одной стороны, и как содержание, которое должно быть усвоено учащимися, с другой. Автор считает, что наиболее эффективно обучение учащихся информационному моделированию возможно в случае реализации на практике метода проектов интегрирующего в себе исследовательскую, самостоятельную и творческую работу в самых разных вариантах .

Галыгина И.В. считает, что обучение информационному моделированию целесообразно проводить на основе следующих подходов:

модельного, в соответствии, с которым моделирование рассматривается как инструмент познания, объект изучения и средство обучения;

объектного, подразумевающего выделение и анализ разных типов объектов: объекта изучения, информационной модели как нового объекта, объектов языка моделирования, используемых для построения модели.

Информационное моделирование в педагогике может рассматриваться в трех аспектах, как:

инструмент познания, поскольку получение новых знаний о реальном объекте, соответствующей информационной модели, объектах языка моделирования, используемых для описания этой модели, происходит в процессе построения и исследования модели;

средство обучения, так как процесс обучения в большинстве случаев связан с оперированием информационными моделями изучаемого объекта, такими как словесное описание, графическое изображение,

формульное представление закономерностей и др.;

объект изучения, поскольку информационная модель может рассматриваться как самостоятельный информационный объект, с присущими ему особенностями, свойствами, характеристиками.

Основное отличие данных аспектов с точки зрения обучаемого заключается в том, что в первом случае в процессе познавательной деятельности обучаемый сам строит модель изучаемого объекта на базе собственного опыта, знаний, ассоциаций. Во втором случае обучаемому предоставляется модель изучаемого объекта, разработанная учителем, автором учебного пособия или создателем научной теории. В последнем случае совокупность моделей является изучаемым объектом.

Включение в содержательную линию "Моделирование и формализация" базового курса информатики модуля "Информационное моделирование" позволит создать прочную основу для:

сознательного использования информационных моделей в учебной деятельности;

знакомства учащихся с методикой научной исследовательской деятельности;

последующего углубленного изучения информационного моделирования в профильных курсах информатики .

Титова Ю.Ф. считает, что важнейшей образовательной функцией является развитие творческого потенциала учащихся. Опыт творческой деятельности формируется через решение проблемных задач разной направленности и, в частности, через исследовательскую деятельность. Одним же из важнейших инструментов исследовательской деятельности является моделирование. Автором была разработана методика обучения моделированию в базовом курсе информатики, сочетающая теоретический материал, в основе которого лежит формализованный подход к разработке и исследованию моделей, и комплекс исследовательских задач, обеспечивающий интеграцию знаний из различных образовательных областей. Автор считает, что применение данной методики обеспечит развитие у учащихся широкого спектра интеллектуальных умений, таких как абстрагирование и конкретизация, обобщение, классификация, анализ, осмысление результатов своих действий.