МЕТОДИЧНА СИСТЕМА НАВЧАННЯ ОСНОВ ПРОГРАМУВАННЯ МАЙБУТНІХ ІНЖЕНЕРІВ-ПРОГРАМІСТІВ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано вибір наукової проблеми, аргументована її актуальність, висвітлено зв’язок роботи з науковими програмами й планами, визначено об’єкт, предмет, мету, завдання, методи дослідження; окреслено етапи та експериментальну базу дослідження; розкрито наукову новизну й практичне значення дисертаційної роботи, апробацію та впровадження результатів у практику роботи вищих навчальних закладів України.

У першому розділі “Теоретичні та психолого-педагогічні основи фахової  підготовки майбутніх інженерів-програмістів” проаналізовано роль і місце курсу з основ програмування серед дисциплін циклу комп’ютерних наук; розглянуто особливості викладання дисциплін циклу комп’ютерних наук у ВНЗ України та за кордоном; з’ясовано вимоги до професійних якостей майбутнього програміста; визначено психолого-педагогічні основи навчання основ програмування студентів комп’ютерних спеціальностей у ВНЗ.

У результаті аналізу державних стандартів вищої освіти, навчальних планів і робочих навчальних програм зі спеціальностей, де здійснюється підготовка фахівців у галузі інформатики, прикладної математики, комп’ютерної та програмної інженерії, інформаційно-телекомунікаційних технологій визначено, що:

-  курс з основ програмування базується на концепціях, які важливі для практики програмування незалежно від парадигми програмування, що використовується у навчальному процесі;

- курс з основ програмування є вступним курсом і повинен вивчатися на молодших курсах, перед вивченням усіх інших дисциплін циклу комп’ютерних наук;

- успішне засвоєння студентами навчального матеріалу з комп'ютерних дисциплін і, як наслідок, їхня майбутня професійна діяльність залежить від якості засвоєння навчального матеріалу курсу з основ програмування.

У ході дослідження було виявлено якості, які властиві особистості програмістів, що пов’язані безпосередньо із створенням програмного продукту: здатність визначити архітектуру програми; уміння бачити задачу одночасно на різних рівнях деталізації; уміння застосовувати і комбінувати добре відомі прийоми програмування і типові алгоритми; здатність модифікувати програми; уміння запам’ятовувати і відтворювати текст програм; творчі властивості мислення; наявність комплексного мислення; культура власної праці; уміння працювати в колективі; уміння працювати з користувачем і т.п.

У роботі розглянуто запропоновану Д.Г. Гріно (J.G. Greeno) схему взаємодії компонентів пам’яті, що використовуються у роботі програміста, до яких відносять короткотривалу пам’ять, довготривалу пам’ять, робочу пам’ять.

У дослідженні визначено психолого-педагогічні основи навчання програмування студентів комп’ютерних спеціальностей, що ґрунтуються на діяльнісному, компетентністному, диференційованому підходах та модульно-рейтинговій системі навчання.

Розгляд цих питань обумовлений необхідністю наукового обґрунтування створення методичної системи навчання основ програмування на основі цілісної теоретичної концепції, що надасть можливість реалізувати навчальні, виховні і розвиваючі функції навчання основ програмування.

Аналіз психолого-педагогічної літератури показав, що діяльнісна теорія розглядає процес навчання як формування пізнавальної діяльності учнів і студентів. Згідно з діяльнісною теорією у курсі з основ програмування можна і треба формувати у студентів окремі ланки цілісної структури їхньої майбутньої професійної діяльності.

Відповідно до компетентністного підходу у навчанні основ програмування в роботі визначено компетентності студентів комп’ютерних спеціальностей:

-  загальні – наявність здатностей до організації й планування своєї навчальної і професійної діяльності, здобувати й аналізувати відомості з різних джерел, формалізувати і накопичувати здобуті знання, працювати в колективі, використовувати знання іноземних мов;

-  спеціальні – наявність здатностей налагоджувати й тестувати навчальні програми в середовищі системи програмування, застосовувати й комбінувати типові алгоритми й відомі методи програмування, розуміти галузі застосування здобутих знань в інших професійно-орієнтованих і спеціальних дисциплінах та в сфері майбутньої професійної діяльності, до вивчення нових мов програмування.

Диференційований підхід у навчанні основ програмування розглядається як організаційний аспект навчання, що передбачає контрольовану допомогу студентам з боку викладача, розв’язування диференційованих завдань за рівнями складності, групову роботу зі студентами.

Використання модульно-рейтингової системи навчання основ програмування розглядається в роботі як можливість одержувати об'єктивні показники рівня знань студентів з окремих модулів курсу, своєчасно вносити корективи в організацію навчального процесу за результатами поточного і модульного контролів, організовувати систематичну роботу студентів по засвоєнню навчального матеріалу курсу, підвищити об'єктивність процедури оцінювання рівня знань студентів за весь курс, визначати особистий рейтинг кожного студента; прогнозувати підсумкову оцінку з дисципліни.

У другому розділі "Методична система навчання основ програмування" визначено основні компоненти методичної системи навчання: мету і завдання, зміст, методи, засоби і форми організації навчання курсу з основ програмування студентів комп’ютерних спеціальностей.

Цілі навчання основ програмування випливають із загальних цілей вищої освіти, а також з особливостей програмування, як дисципліни, його ролі і місця в системі навчання майбутніх інженерів-програмістів. Головною метою навчання основ програмування є формування у майбутнього фахівця з комп’ютерних наук знань, умінь і навичок з алгоритмізації і програмування, розкриття його творчого потенціалу, розвиток самостійності та індивідуальних здібностей особистості студента, виховання свідомого громадянина України, здатного працювати на користь своєї батьківщини.

У ході дослідження визначено основні функції навчання основ програмування: загальноосвітня, розвивальна і виховна функції.

Загальноосвітня функція навчання основ програмування полягає в тому, щоб забезпечити:

- формування у студентів знань про фундаментальні концепції і парадигми програмування; методологію побудови інформаційних моделей; модульний принцип розробки програм; типові алгоритмічні конструкції; методи структурного низхідного програмування; методи побудови алгоритмів; критерії ефективності алгоритмів i програм; засоби для розробки, супроводу та організації багатофайлових прикладних програм;

- формування у студентів вмінь і навичок практичного програмування мовами програмування високого рівня.

Розвивальна функція навчання основ програмування полягає в тому, щоб сприяти:

- розвитку у студентів алгоритмічного стилю мислення, інтелектуальних якостей і творчих здібностей, які необхідні для розв’язування задач програмування;

- формуванню у студентів здатності бачити задачу одночасно на різних рівнях деталізації, узагальнювати типові ситуації, до вивчення нових мов програмування, навчатися протягом усього життя;

- формуванню у студентів розуміння зв'язку теорії програмування з практикою програмування; розуміння галузей застосування здобутих знань, вмінь і навичок з програмування в інших професійно-орієнтованих i спеціальних дисциплінах та в сфері майбутньої професійної діяльності.

 Виховна функція навчання основ програмування полягає у формуванні у студентів таких якостей як педантичність, дисциплінованість, акуратність, внутрішня керованість, наполегливість, усвідомлення особистої відповідальності за результати своєї праці, прагнення до самоутвердження через творчу діяльність, уміння працювати як індивідуально, так і в команді, системність і цілеспрямованість у навчальній та професійній діяльності.

 У роботі сформульовано основні принципи побудови змісту курсу з основ програмування, зокрема, принцип відповідності навчальним цілям, принцип науковості, принцип фундаментальності, принцип відкритості, принцип сучасності, принцип перспективності, принцип вирівнювання знань.

На основі цих принципів визначені теоретичні основи курсу, зміст лабораторного практикуму, спрямованість самостійної роботи студентів.

Проведений в дисертації аналіз наукової, психолого-педагогічної та методичної літератури показав, що курс з основ програмування повинен відповідати вступному курсу з інформатики у підготовці фахівців у галузі комп’ютерних наук, зміст якого рекомендовано у документах „Computing Curricula 2001” та „Software Engineering 2004”, що розроблені Комп’ютерним товариством Інституту інженерів з електротехніки і електроніки спільно з Асоціацією з обчислювальної техніки.

Визначено принципи навчання основ програмування, а саме: спрямованості процесу навчання на всебічний, гармонійний розвиток особистості; науковості навчання; доступності навчання; створення відповідних умов для функціонування процесу навчання; систематичності і послідовності навчання; свідомості, активності і самостійності студентів у навчанні при керівній ролі викладача; індивідуалізації і колективності навчання; ефективного поєднання  методів навчання; міцності і дієвості знань, умінь і навичок; забезпечення оперативного контролю і самоконтролю в навчанні.

Серед підходів і методів навчання основ програмування, які сприяють особистісному розвиткові, активізації навчально-пізнавальної діяльності студентів, визначено:

- задачний підхід, сутність якого полягає в тому, що в процесі розв’язування навчальної задачі головним є побудова інформаційної моделі задачі, пошук методу її розв’язування і побудова алгоритму за цим методом, а використання, і відповідно, вивчення конструкцій мови програмування є другорядним;

-  диференційований підхід, що реалізується через виконання на кожній лабораторній роботі завдань трьох рівнів складності: завдань задовільного рівня, що являють собою вправи і задачі, розв’язування яких відбувається на рівні репродуктивного програмування; завдань достатнього рівня, розв’язування яких відбувається на рівні осмисленого програмування і вимагає від студента вдумливості та уміння аналізувати; завдань високого рівня, що потребують від студента творчого відношення до розв’язування поставлених задач й зацікавленості процесом програмування;

- паралельне навчання двох мов програмування (Pascal  та C);

- парне програмування, характерною рисою якого є взаємонавчання і взаємоконтроль студентів у процесі виконання навчальних завдань з програмування;

- проблемний метод навчання, який використовується викладачем у процесі подання навчального матеріалу;

- методи інтерактивного навчання, що надають можливість організувати  діалогове спілкування студентів з метою спільного розв’язування навчальних завдань;

- методи активного навчання, зокрема, колективне створення навчального програмного продукту.

З метою вирішення проблеми адаптації студентів до умов навчання у вищій школі і підвищення рівня знань студентів зі шкільного курсу інформатики,  пропонується до процесу навчання основ програмування включити пропедевтичний курс, у якому передбачено навчання основ алгоритмізації і програмування з використанням мови програмування високого рівня Pascal.

Досвід показує, що у процесі навчання основ програмування можна виділити чотири стадії формування вмінь і здатностей розв’язування задач студентами:

- репродуктивне програмування, коли студент розв’язує задачу „за аналогією”, тобто зіставляє умову задачі, що необхідно розв'язати, з умовою вже розв'язаної раніше задачі з метою використання її алгоритму і тексту програми; 

- осмислене програмування, коли студент здатний самостійно визначити данні,  що необхідні для розв’язування задачі,задачі та їх тип, побудувати алгоритм, усвідомлено використовує конструкції мови програмування для написання тексту програми; може протестувати програму; 

- доказове програмування, коли студент здатний не лише розв'язати поставлену задачу, але й довести правильність роботи алгоритму при всіх допустимих вхідних даних, оцінити час виконання алгоритму, обсяг пам'яті, що потрібен для його реалізації, розглянути декілька алгоритмів розв’язування задачі і обрати з них найбільш раціональній за певними критеріями;

- творче програмування, коли студент самостійно ставить задачу, з метою її розв’язання, визначає метод побудови алгоритму, може самостійно опанувати мову і середовище програмування, використовує навчальну, наукову, періодичну літературу з програмування з метою здобування нових знань.

Для підвищення практичної значущості результатів навчання основ програмування у роботі запропоновано систему навчальних завдань. Навчальні завдання з основ програмування являють собою вправи різного характеру, текстові задачі, що містять мету, умову і вимоги до очікуваного результату. Систему навчальних завдань складають:

- завдання-вправи – завдання, що спрямовані на забезпечення засвоєння навчального матеріалу і формування способів діяльності на рівні сприйняття, розуміння і запам'ятовування;

- завдання-задачі – завдання, що спрямовані на забезпечення засвоєння навчального матеріалу і способів діяльності на рівні застосування за зразком, у знайомій ситуації;

- завдання-дослідження – завдання, що спрямовані на формування у студентів навичок дослідницької роботи з навчальною,  науковою літературою і з періодичними виданнями та іншими інформаційними джерелами;

- завдання на складання тестових питань з певної теми навчального матеріалу, що спрямовані на якісне вивчення навчального матеріалу курсу, формування таких якостей, як лаконічність і точність висловлювання думок, відповідальність за результати праці;

- завдання на розробку навчального програмного продукту – завдання, що призначене для вирішення найважливіших задач у навчанні майбутніх інженерів-програмістів, а саме:

- забезпечити можливість здійснення переходу від написання студентом невеликих навчальних програм до створення повноцінного програмного продукту;

- надати студентові можливість отримати досвід співпраці у колективі розробників програмного продукту, як члену команди;

- забезпечити розуміння студентом зв'язку теорії і практики, а також сфери застосування отриманих знань, умінь і навичок  з програмування.

З метою визначення засобів навчання основ програмування у ході дослідження проаналізовано найбільш розповсюджені середовища програмування з погляду  використання їх у навчальному процесі. У підсумку зроблено висновок, що у процесі навчання основ програмування у пропедевтичному курсі доцільно використовувати середовища типу Turbo Pascal, або Borland Pascal, або Free Pascal, а при переході до написання текстів програм мовою програмування С – середовища Turbo C або Borland C++. Також зроблено висновок, що існує необхідність у створенні середовищ, орієнтованих на використання в навчальному процесі для навчання основ програмування і які надають можливість конструювати алгоритми розв’язування задач у вигляді блок-схем, діаграм Нессі-Шнейдермана, будуть містити підсистеми для перевірки відповідності тексту програми заданому алгоритму. 

У роботі наведено аналіз підручників, методичних посібників, збірників завдань і вправ з основ програмування з погляду їх змісту; мови програмування, яка пропонується до вивчення; наявності порад з програмування, питань, тестів для самоконтролю; завдань-вправ та завдань-задач на програмування; розподілу завдань за рівнями складності; кількості завдань із; відповідей на запитання та розв’язків завдань. Дано рекомендації щодо використання проаналізованих підручників і посібників у навчанні основ програмування.

З метою підвищення наочності навчання, індивідуалізації та диференціації навчання, рівня навчально-пізнавальної активності студентів, посилення їх інтересу до навчання, в тому числі до способів здобування знань, під керівництвом автора розроблено такі ППЗ: “Linears Rolls” – для моделювання роботи зі списками зв’язаного зберігання; електронний посібник “Програмування мовою С” на основі Inte
et-технологій. 

Робочими навчальними програмами курсу з основ програмування передбачені наступні форми організації навчальної діяльності: лекції, лабораторні роботи, самостійна робота студентів, консультації.

У досліджені проаналізовано доцільність проведення комп’ютерно-орієнтованих лекцій з використанням ІКТ і технічних засобів навчання  для забезпечення наочності подання навчального матеріалу, ефективного використання лекційного часу, розуміння і міцного засвоєння студентами теоретичної складової навчального матеріалу. Для посилення організаційної функції лекції доцільно проведення на початку кожної лекції письмового тематичного диктанту або усного опитування з 4-5 невеликих питань теоретичного характеру за матеріалами попередніх лекцій.

Організація виконання лабораторної роботи з основ програмування повинна складатися з наступних етапів: 1) актуалізація здобутих на попередніх лекційних та лабораторних заняттях знань і умінь; 2) контроль і перевірка викладачем рівня засвоєння навчального матеріалу студентами за допомогою вправ, тестів, контрольних питань; 3) формування нових умінь і навичок розв’язування задач студентами; 4) застосування нових знань і умінь до розв’язування завдань-задач.

Надання студентам можливості самостійної роботи у комп'ютерному класі в позааудиторний час згідно з розкладом, узгодженим з графіком проведення консультацій викладачами, в якому вказані дні тижня і час роботи для кожної групи студентів, гарантує систематичність їхньої самостійної роботи з виконання навчальних завдань курсу.  

У другому розділі також наведено результати педагогічного експерименту щодо ефективності компонентів розробленої методичної системи навчання основ програмування на практиці.

Метою педагогічного експерименту було:

-          аналіз системи знань, умінь і навичок, які повинні формуватися у студентів спеціальностей «Програмне забезпечення автоматизованих систем» та «Прикладна математика» при навчанні основ програмування;

-          аналіз існуючої методичної системи навчання основ програмування майбутніх інженерів-програмістів у вищих навчальних закладах України і зарубіжних країн;

-          визначення шляхів підвищення практичної значущості результатів навчання майбутніх інженерів-програмістів;

-          перевірка ефективності компонентів створеної методичної системи навчання основ програмування.

Педагогічний експеримент проходив у три етапи:

1)    констатувальний (вересень 2000 р. – червень 2002 р.);

2)    пошуковий (вересень 2002 р. – червень 2004 р.);

3)    формувальний (вересень 2004 р. – червень 2008 р.).

На констатувальному етапі педагогічного експерименту (2000–2002 рр.) застосовувалися пасивні методи дослідження процесу навчання. Студенти, які брали участь у дослідженні, вивчали курс з основ програмування згідно навчальної програми, яка відповідала вимогам тимчасових стандартів вищої освіти. Для отримання даних, які надали можливість адекватно і обґрунтовано описати стан проблеми, яка досліджується, було обрано метод анкетування, аналіз результатів вступних випробувань з інформатики.

На пошуковому етапі педагогічного експерименту (2002 – 2004 рр.) проводився аналіз проектів стандартів вищої освіти, проводився аналіз існуючих навчальних посібників з основ програмування для вищої школи; визначався зміст курсу з основ програмування, виходячи із цілей навчання у вищих навчальних закладах відповідних напрямів; визначались методи, засоби та форми організації навчання; проводився пошук шляхів підвищення навчально-пізнавальної активності студентів під час навчання; проводився пошук способів організації навчальної діяльності, спрямованих на підвищення практичної значущості результатів навчання з основ програмування.

Мета формувального етапу експерименту (2004 – 2008 рр.) полягала в перевірці ефективності компонентів розробленої методичної системи навчання основ програмування майбутніх інженерів-програмістів.

На основі результатів попереднього тестування з шкільного курсу інформатики формування контрольної та експериментальної груп здійснювалося таким чином, щоб забезпечити статистичну відповідність рівня знань студентів контрольної та експериментальної груп.