МЕТОДИЧНА СИСТЕМА НАВЧАННЯ МАТЕМАТИЧНОЇ ІНФОРМАТИКИ У ПЕДАГОГІЧНОМУ УНІВЕРСИТЕТІ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі сформульовано проблему дослідження, обґрунтовано актуальність теми, визначено мету і завдання дослідження, розкрито наукову новизну, практичне значення роботи, охарактеризовано апробацію і впровадження отриманих у ході дослідження результатів, сформульовано основні положення, що виносяться на захист. В основу дослідження покладено комплексний підхід до навчання, що надає можливість поєднати соціальні, психологічні фактори, а також розвивальну, освітню, виховну функції навчання, розробити основні компоненти комп’ютерно-орієнтованої методичної системи навчання математичної інформатики у педагогічному університеті.

У першому розділі „Психолого-педагогічні основи навчання математичної інформатики у педагогічному університеті” на основі аналізу наукової літератури дано таке тлумачення змісту поняття „математична інформатика”: математична інформатика – напрям наукових досліджень, що знаходиться на межі математики та інформатики і, з одного боку, є складовою теоретичної інформатики, де математичні моделі і засоби використовуються для моделювання та дослідження інформаційних процесів у різних сферах діяльності людини, а, з іншого боку, займається використанням інформаційних систем і технологій для розв’язування складних математичних задач.

На підставі наведеного тлумачення, математичну інформатику як навчальну дисципліну можна означити так: математична інформатика – це навчальна дисципліна, в якій вивчаються основні моделі, методи і алгоритми розв’язування задач, що виникають у сфері інтелектуалізації інформаційних систем, а також розглядаються проблеми використання інформаційних, зокрема математичних, моделей та інформаційних технологій для їх дослідження.

Проведено аналіз психолого-педагогічної та науково-методичної літератури, де визначаються проблеми активізації навчально-пізнавальної діяльності студентів інформатичних спеціальностей при навчанні фізико-математичних та комп’ютерних дисциплін.

Психологи та педагоги одним з основних завдань у процесі навчання вважають здобування знань, головним етапом якого є мотивація пізнавальної діяльності. Мотивація навчання характеризується складною структурою, до складу якої входить внутрішня (орієнтована на процес і результат) і зовнішня мотивації. Суттєвими є такі характеристики мотивації навчання як її стійкість, зв’язок з рівнем інтелектуального розвитку і характером навчальної діяльності. Формування мотивів пізнавальної діяльності студентів є однією з найважливіших умов у досягненні результатів навчання. Мотиваційна сфера людини більш динамічна, ніж пізнавальна та інтелектуальна. Але відносна динамічність має позитивні і негативні сторони. Зокрема, якщо нею не управляти, то можливе зниження рівня мотивації навчання. Формування мотивів пізнавальної діяльності студентів у ВНЗ часто йде стихійно і дуже рідко є предметом цілеспрямованої систематичної роботи.

Залежно від рівня розвитку професійної спрямованості студентів ВНЗ можна згрупувати таким чином:

-     студенти з позитивною професійною спрямованістю, здібності яких відповідають вимогам обраної професії, що забезпечує поєднання провідних мотивів зі змістом професійної діяльності; орієнтація у професійній сфері пов’язана з привабливістю змісту професійної діяльності, її відповідністю здібностям;

-     студенти, які остаточно не визначились у своєму ставленні до професії. Їхній вибір не має чітко вираженої професійної мотивації через брак вірогідних відомостей про професію. Головна орієнтація в професійній сфері пов’язана з соціальними вигодами, пов’язаними з обраною професією. Для таких студентів прийнятний компроміс між невизначеним, інколи негативним, ставленням до професії та продовженням навчання у вищому навчальному закладі з перспективою працювати за фахом;

-     студенти з негативним ставленням до професії. Пояснення їхнього вибору зумовлені, як правило, загально соціальними цінностями вищої освіти, а також слабким уявленням про професію. За низького рівня професійної спрямованості провідний мотив виражає потребу не стільки в самій діяльності, скільки в різноманітних, пов’язаних з нею обставинах (відпустка, відносна свобода в розподілі робочого часу тощо).

Для того, щоб спрямовувати інтелектуальну діяльність студентів при навчанні математичної інформатики в напрямі збільшення креативних моментів, потрібно вміло застосовувати у навчанні методи та прийоми активізації творчого мислення, системи комп’ютерної математики для супроводу евристичних пошуків студентів, при цьому вміло уникати перешкод та долати бар’єри на шляху творчого мислительного процесу. Врахування комплексу психолого-педагогічних і методичних умов та вимог, що сприяють формуванню і розвитку творчості студентів у процесі навчання математичної інформатики у педагогічному університеті, може забезпечити досягнення поставлених цілей і завдань.

Вдосконалення навчального процесу у педагогічному університеті при навчанні математичної інформатики потребує використання інформаційних технологій та методичних прийомів, найбільш адекватних цілям та умовам навчання студентів, зокрема – проблемне, ситуаційне, модульно-рейтингове навчання, метод проектів. Застосування названих прийомів надає можливість більш повно реалізувати диференційований та індивідуальний підходи до підготовки студентів. Використання особистісно-орієнтованих технологій у процесі навчання математичної інформатики студентів інформатичних спеціальностей педагогічного університету сприяє розвитку у них знань, фахових навичок, зокрема колективної роботи стосовно розв’язування практичних завдань.

Інформаційні технології змінюються так стрімко, що отримані примітивним тренінгом навички швидко застарівають. Тому випускники університетів повинні володіти системою фундаментальних знань в галузі комп’ютерних наук, що сприяло б швидкому оволодінню сучасними і майбутніми комп’ютерними технологіями. Фундаменталізація вищої освіти є важливим принципом побудови методичних систем навчання дисциплін, що вивчаються у ВНЗ. Фундаментальність полягає в тому, що в змісті навчання розкривається не лише система наукових знань певної галузі, але й можливо поки що не повністю сформована система знань про закономірності засвоєння та теоретичні побудови способів передавання багатовікового досвіду людства, який знайшов відображення у сучасній системі знань. Тоді для забезпечення фундаментальності навчання проектування методичної системи навчання дисципліни повинно базуватися на сучасному стану відповідної науки, що враховує сукупність зв’язків внутрішніх складових і визначає зовнішні межі. Фундаменталізація інформатичної освіти покликана забезпечити професійну мобільність сучасного фахівця в галузі інформатики та ІКТ (вчителя інформатики, програміста тощо), яка стає все більш актуальною в умовах зростаючої конкуренції на ринку праці. Фундаментальність знань і методичної підготовки майбутніх учителів інформатики визначається перш за все тим, наскільки повно й ефективно їхні знання, одержані при теоретичному навчанні в педагогічному університеті, можуть бути використані у практичній роботі, тобто наскільки вміло вони зможуть переходити у своїй діяльності від абстрактного до конкретного.

Болонський процес підсилив в Україні ті перетворення, які стали характерними для європейського співтовариства. На зміну підходу, який забезпечував загальне уявлення про способи виконання певної діяльності та сформованість загально професійних умінь і навичок, прийшов компетентнісний підхід. До нього пред’являються вимоги забезпечення сформованості професійних якостей, поведінкових актів та виконавчих дій на рівні посадових вимог можливого працевлаштування і, в той же час, на рівні вимог наступного освітнього рівня (у разі продовження освіти). Вивчення математичної інформатики сприяє формуванню у студентів компонентів навчально-пізнавальних компетентностей, дає не тільки предметні знання, а й навчає методів наукового управління, що знаходять все більше застосування в різноманітних сферах діяльності людини. Таким чином, реалізація компетентнісного підходу при навчанні математичної інформатики в педагогічному університеті буде сприяти досягненню основної мети педагогічної освіти – підготовку висококваліфікованих педагогів.

У другому розділі „Створення та уточнення компонент комп’ютерно-орієнтованої методичної системи навчання математичної інформатики у педагогічному університеті” розв’язані завдання, пов’язані з розробкою комп’ютерно-орієнтованої методичної системи навчання математичної інформатики, а саме: визначено та конкретизовано зміст математичної інформатики як навчального предмету – дисципліни „Системи комп’ютерної математики” та спецкурсу „Математична інформатика”; визначено методи, засоби, організаційні форми проведення занять з дисципліни „Системи комп’ютерної математики” та спецкурсу „Математична інформатика”, уточнено цілі та завдання їх навчання; експериментально перевірено ефективність компонент запропонованої комп’ютерно-орієнтованої методичної системи навчання математичної інформатики.

Відповідно до тлумачення поняття „математична інформатика” вивчення математичної інформатики в роботі пропонується проводити у двох напрямах. Вивчення інформаційних технологій, що призначені для дослідження математичних моделей, проводити у рамках курсу „Системи комп’ютерної математики”. Вивчення основних моделей, методів і алгоритмів розв’язування задач математичної інформатики пропонується проводити у рамках спецкурсу „Математична інформатика”.

При навчанні дисципліни „Системи комп’ютерної математики” розглядаються питання пов’язані з символьними перетвореннями виразів, можливостями використання СКМ до розв’язування різноманітних математичних задач (математичного аналізу, лінійної алгебри, аналітичної геометрії, теорії графів, теорії ймовірностей та математичної статистики). Особлива увага звертається на програмування в СКМ.

Динамічний розвиток сучасних інформаційних технологій вимагає інтеграції суміжних дисциплін на загальній фундаментальній основі. Значна частина теоретичної підготовки вчителя інформатики забезпечується саме при навчанні таких розділів як теорія множин, логіка висловлень і логіка предикатів, теорія графів, теорія ймовірностей та математична статистика, елементи теорії алгоритмів тощо, які належать до традиційних математичних курсів. Спецкурс „Математична інформатика” є інтегративним курсом, у якому поєднані розділи теоретичної інформатики, яким мало приділяється уваги при навчанні студентів інформатичних спеціальностей у педагогічних університетах. Зміст спецкурсу „Математична інформатика” містить такі питання:

-                           моделі подання знань і методи логічного виведення;

-                           формалізація невірогідних і нечітких знань;

-                           моделі та методи прийняття рішень;

-                           розв’язування задач за допомогою моделювання;

-                           основи кодування повідомлень та криптології;

-                           розпізнавання образів.

Більш глибока теоретична підготовка в галузі інформаційних технологій надає можливість фахівцям інформатикам не тільки використовувати пакети прикладних програм, але й брати участь в проектуванні інформаційних систем, інформаційному моделюванні процесів, об’єктивно оцінювати результати планування, проектування, експлуатації і супроводу інформаційних систем. Використання інформаційних технологій, зокрема СКМ, значно розширює межі застосування математичних методів та моделей для дослідження процесів у різних сферах людської діяльності. Широкий набір засобів для комп’ютерної підтримки аналітичних, обчислювальних та графічних операцій роблять сучасні СКМ одними з основних засобів у професійній діяльності вчителів інформатики, математики, фізики, фізика-теоретика та дослідника, математика-аналітика, інженера, економіста-кібернетика тощо. Тому їх освоєння та використання у навчальному процесі педагогічного університету при навчанні дисциплін фізико-математичного циклу сприяє підвищенню рівня професійної підготовки студентів, фізико-математичної та інформаційної культури.

Навчання математичної інформатики на інформатичних спеціальностях педагогічного університету сприяє розвитку у майбутнього фахівця досить широкого погляду на методи і технологію програмування, формуванню у нього конкретних знань, які допоможуть йому швидко адаптуватися до реального життя. Вивчення математичної інформатики сприяє формуванню алгоритмічної культури майбутнього фахівця, розвитку математичного мислення, що дає змогу на основі отриманих знань продовжувати освіту, самостійно працювати з науковою та навчальною літературою, розв’язувати прикладні практично значущі задачі.

Міжпредметні зв’язки математичної інформатики, математичних, економічних та інших наук сприяють інтелектуальному розвитку студентів на основі формування уявлень про цілісність знань, забезпечують формування навичок володіння не тільки декларативними, але й процедурними знаннями. Завдяки реалізації міжпредметних зв’язків з використанням міжпредметних взаємопов’язаних завдань студентами досягається досить високий рівень інформаційної та комунікаційної культури. На основі цього у студентів формується стійкий інтерес до навчання та впевненість у власних силах і можливостях, потреба до самонавчання та самовдосконалення.

З метою перевірки ефективності компонент створеної комп’ютерно-орієнтованої методичної системи навчання математичної інформатики проводився педагогічний експеримент в Інституті фізики, математики та інформатики (ІФМІ) Дрогобицького державного педагогічного університету імені Івана Франка та Інституті фізико-математичної та інформатичної освіти і науки (ІФМІОН) Національного педагогічного університету імені М.П.Драгоманова. Дослідження здійснювалося шляхом аналізу результатів навчання студентів інформатичних спеціальностей на другому-п’ятому курсах з дисциплін інформатичного та фізико-математичного циклів, проводилось опитування і анкетування студентів з метою визначення рівня їхніх фундаментальних знань з інформатики, аналіз відповідей студентів на державних екзаменах, інформатично-комп’ютерної підготовки, вміння будувати моделі та досліджувати їх за допомогою СКМ.

Педагогічний експеримент проходив у таких напрямах:

-     визначення рівня фундаментальної підготовки студентів та обґрунтування необхідності підвищення фундаментальної складової інформатичної освіти шляхом вивчення спецкурсу „Математична інформатика”;

-     обґрунтування доцільності навчання дисципліни „Системи комп’ютерної математики” студентів інформатичних та фізико-математичних спеціальностей педагогічного університету.

-     перевірка ефективності запропонованих компонент навчання дисципліни „Системи комп’ютерної математики” та спецкурсу „Математична інформатика”;

Під час констатуючого етапу експерименту (2002 —2003 рр.) проводились бесіди з викладачами дисциплін „Чисельні методи розв’язування рівнянь математичної фізики”, „Методи оптимізації”, „Теорія управління”, „Теорія ймовірностей та математична статистика”, „Математична економіка”, „Математичне моделювання та системний аналіз”, „Аналіз даних”, для супроводу навчання яких використовуються певні СКМ, та вивчався досвід їх навчання.

На основі аналізу результатів констатуючого етапу педагогічного експерименту зроблено такі висновки:

-       студенти 2-5 курсів ІФМІ та ІФМІОН мають недостатні теоретичні знання з інформатики;

-       більшість випускників інформатичних спеціальностей нечітко уявляють основні компоненти інформаційної культури викладача інформатики;

-       необхідне цілеспрямоване формування основних компонентів інформаційної культури майбутніх фахівців у галузі інформатики та ІКТ, викладачів інформатики у процесі навчання дисциплін інформатичного, психолого-педагогічного циклів, фундаментальних математичних дисциплін;

-       недостатній рівень знань, умінь та навичок використання СКМ для розв’язування задач з математичних дисциплін;

-       вирішення проблеми професійної підготовки майбутніх фахівців у галузі інформатики та прикладної математики до діяльності в умовах інформаційного суспільства неможливе без глибоких фундаментальних знань з інформатики та математики, володіння сучасними комп’ютерними технологіями, зокрема СКМ.

Під час пошукового етапу педагогічного експерименту (2003-2005 рр.) теоретично обґрунтовувалися та уточнювалися ключові положення концепції створення комп’ютерно-орієнтованої методичної системи навчання математичної інформатики; розроблялися навчальний посібник, система задач і вправ для лабораторних робіт та методичні рекомендації щодо їх виконання з дисципліни „Системи комп’ютерної математики” і проведення практичних занять зі спецкурсу „Математична інформатика” та інші компоненти методичної системи, зокрема:

-     з метою визначення фундаментальних аспектів інформатики проводився теоретичний аналіз наукової та навчально-методичної літератури;

-     уточнювався зміст спецкурсу „Математична інформатика”;

-     уточнювався зміст дисципліни „Системи комп’ютерної математики”;

-     досліджувались можливості використання СКМ для підтримки навчання математичних дисциплін.

Мета формуючого етапу педагогічного експерименту (2005-2008 рр.) полягала у перевірці на практиці ефективності розроблених компонентів комп’ютерно-орієнтованої методичної системи навчання математичної інформатики студентів фізико-математичних та інформатичних спеціальностей педагогічного університету.

Визначалась ефективність окремих компонент створеної комп’ютерно-орієнтованої методичної системи навчання математичної інформатики, здійснювалось її коригування, доповнення й вдосконалення. Проводився пошук шляхів підсилення мотивації пізнавальної діяльності студентів педагогічного університету під час навчання математичної інформатики, способів організації навчальної діяльності, спрямованих на підвищення практичної значущості результатів навчання та фундаментальності знань з інформатики.

Результати формуючого експерименту свідчать про суттєве підвищення рівня знань, умінь і навичок студентів з СКМ у порівнянні зі студентами, які не вивчали СКМ, що значно підвищує ефективність їх застосування при вивченні інших дисциплін. Розроблені компоненти методичної системи навчання математичної інформатики є ефективними не лише в напрямі формування математичних моделей реальних соціально-економічних з процесів за допомогою СКМ, а посилення їхньої теоретичної підготовки з фундаментальних основ інформатики.

В апробації компонентів пропонованої комп’ютерно-орієнтованої методичної системи навчання математичної інформатики, створеної в ході дисертаційного дослідження, брали участь викладачі і студенти Дрогобицького державного педагогічного університету та Національного педагогічного університету імені М.П.Драгоманова. Експериментом на різних його етапах було охоплено більше 400 студентів інформатичних спеціальностей ІФМІ Дрогобицького державного педагогічного університету імені Івана Франка та ІФМІОН Національного педагогічного університету імені М.П.Драгоманова.