Изучение информационного моделирования как средство реализации межпредметных связей информатики с дисциплинами естественнонаучного цикла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 13.00.02, доктор педагогических наук Гейн, Александр Георгиевич

• Гейн, Александр Георгиевич
• доктор педагогических наук
• 2000

Оглавление диссертации доктор педагогических наук Гейн, Александр Георгиевич

Введение.

Глава 1. Основные методологические установки, составляющие основу обучения информатике, обеспечивающего реализацию межпредметных связей с дисциплинами естественнонаучного цикла.

§1.1. Анализ современных концепций курса информатики в школе с точки зрения отражения в них проблемы межпредметных связей информатики с другими дисциплинам.

§ 1.2. Методологические аспекты межпредметных связей школьного курса информатики.

§ 1.3. Информатика в интегрированных курсах. Особые отношения между математикой и информатикой.

§ 1.4. Информатика и компьютерное дело.

§ 1.5. Локализация курса информатики, использующего моделирование как базовый компонент конструирования курса.

Глава 2. Развитие системы понятий и конструирование модели содержания курса информатики на основе межпредметных связей с дисциплинами естественнонаучного цикла.

§ 2.1. Система базовых понятий как ядро курса информатики.

§ 2.2. Понятия "модель", "информационная модель" и "модель обработки информации".

§ 2.3. Модели языка и языковые модели. Распознаваемые языки и языки программирования.

§ 2.4. Типы и структуры данных. Объекты.

§ 2.5. Понятия "формальный исполнитель" и "универсальный исполнитель".

§ 2.6. Понятие "модель поведения".

§ 2.7. Информация и количество информации.

§ 2.8. Эвристики и стратегии.

§ 2.9. Особенности системы базовых понятий информатики.

Глава 3. Конструирование общеобразовательных курсов информатики, обеспечивающих межпредметные связи с естественнонаучными дисциплинами.

§3.1. Концепция конструирования курса информатики, предусматривающего реализацию методологического потенциала информатики в других дисциплинах.

§ 3.2. Концепция "сквозного" курса информатики.

§ 3.3. Проектирование программ курсов информатики на основе системы сквозных содержательных линий курса.

§ 3.4. Курс информатики для классов естественнонаучного профиля.

§ 3.5. Информатика в классах с углубленным изучением математики.

§ 3.6. Предпрофессиональный курс информатики программистская специализация.

§ 3.7. Конструирование курсов информатики на основе сквозных содержательных линий.

Глава 4. Разработка программного обеспечения компьютерных курсов.

§ 4.1. Общие положения об использовании компьютера как дидактического средства.

§ 4.2. Разработка программного обеспечения курса информатики.

§ 4.3. Системы развивающихся компьютерных исполнителей.

§ 4.4. Краткое описание развивающегося исполнителя

Паркетчик.

§ 4.5. Разработка электронного программно-методического комплекса по курсу информатики для классов естественнонаучного профиля.

§ 4.6. Результаты экспериментальных исследований по созданию учебных программных средств для компьютерных курсов информатики.

Глава 5. . Особенности методики при преподавании курса информатики, реализующего межпредметные связи через информационное моделирование.

§ 5.1. Некоторые особенности методики в курсах, ориентированных на межпредметные связи с информатикой.

§ 5.2. Методические установки преподавания курса информатики.

§ 5.3. Педагогические особенности учебника по компьютерному курсу.

§ 5.4. Особенности методики изучения информационного моделирования в курсе информатики в свете его межпредметных связей с другими дисциплинам.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение информационного моделирования как средство реализации межпредметных связей информатики с дисциплинами естественнонаучного цикла»

В 1985/86 учебном году в общеобразовательную школу был введен новый учебный предмет "Основы информатики и вычислительной техники". Первоочередной задачей на этом этапе стояло обеспечение всеобщей компьютерной грамотности молодежи. Была создана методическая система обучения, адекватная задачам и условиям первого этапа внедрения информатики в среднюю школу, и проведен анализ основных направлений ее совершенствования. Эти исследования и реальная практика внедрения курса информатики в общеобразовательную школу стали плацдармом, с которого были развернуты обширные исследования, имеющие своей целью выявить общеобразовательный потенциал информатики, основные инварианты курса, его место в общей структуре школьного образования и т.п.

В данной диссертации рассматриваются результаты исследования ряда вопросов, связанных с разработкой обучения общеобразовательному курсу информатики, раскрывающего межпредметные связи информатики с другими дисциплинами естественнонаучного профиля.

Актуальность исследования обусловлена, прежде всего, требованиями практики обучения, запросами общеобразовательной школы, в которой курс информатики является непрерывно меняющимся как по целям и содержанию, так и по методам и средствам его преподавания. Такой динамизм объективно обусловлен высокими темпами информатизации общества в целом и школы в частности. Он не является неожиданностью и прогнозировался большинством исследователей, начиная с первых шагов информатики в общеобразовательной школе. В первую очередь это касается вопросов целеполагания и, как следствие, приводит к пересмотру содержания материала, подлежащего изучению.

Как известно, на начальном этапе внедрения курса информатики была создана методическая система обучения, отвечавшая тому уровню возможностей, которыми располагала система образования. Эти возможности ограничивались слабой оснащенностью школ компьютерной техникой, слабой подготовленностью учительского корпуса к внедрению такой техники в учебный процесс, а главное отсутствием у учителей общеобразовательной школы методического опыта работы в специфических условиях преподавания компьютерного курса. На первый план в этот период выдвигалась задача обеспечения компьютерной грамотности молодежи. При этом овладение компьютерной грамотностью в указанный период сосредотачивалось в заключительном звене школьного образования и содержало в себе формирование алгоритмической культуры через обучение простейшим навыкам программирования и использования прикладного программного обеспечения; сюда же входило знание общих принципов устройства ЭВМ и применения вычислительной техники в разных сферах производственной деятельности человека.

Проблема исследования. Уже в прогностических исследованиях конца восьмидесятых годов отмечался временный характер указанного выше положения информатики, обосновывалась необходимость поэтапного перехода от компьютерной грамотности к формированию информационной культуры. А.А.Кузнецов в своей докторской диссертации провел анализ условий и путей совершенствования методической системы обучения информатики для осуществления такого перехода. Однако пути такого перехода разными специалистами конструировались по-разному. Как отмечено в докладе С.А.Бешенкова и А.А.Кузнецова о состоянии и перспективах развития курса информатики в общеобразовательной школе, сделанном ими на заседании Бюро Отделения общего среднего образования РАО в 1998 г., в общеобразовательной школе возобладало прикладное направление изучения информатики, основанное на изучении программирования и устройства ЭВМ. Это произошло вопреки тому, что еще до введения курса информатики в общеобразовательную школу благодаря теоретическим исследованиям В.С.Леднева, проведенным в 60-е годы, была показана необходимость включения основ кибернетики (информатики) в учебный план средней школы в качестве базового (обязательного) компонента общего образования человека. Практической реализацией этого подхода явился курс "Основы кибернетики" (В.С.Леднев, А.А.Кузнецов), рекомендованный в 1975 году Минпросом СССР сначала в качестве факультативного. Можно сказать, что в упомянутом докладе в соответствии с идеями В.С.Леднева был вновь поставлен вопрос (с учетом современного состояния курса информатики) об общем кибернетическом образовании в средней школе, ядро которого составляет курс информатики. Такая постановка предполагает исследования, направленные, с одной стороны, на изучение проблем содержания и методики преподавания курса информатики как самостоятельной общезначимой школьной дисциплины, с другой стороны, на изучение механизмов взаимодействия информатики с другими дисциплинами с позиций кибернетического подхода.

За прошедшие годы были проведены исследования, направленные на выявление и уточнение различных аспектов в разработке школьного курса информатики, позволяющего реализовать ее общеобразовательный потенциал. В основном это касалось первого круга упомянутых проблем. В работах B.K. Белошапки, С.А. Бешенкова, A.C. Лесневского и др. было показано, что изучение алгоритмизации не может быть признано главной (хотя у авторов некоторых учебников она объявлена чуть ли не единственной) целью обучения информатике, роль изучения программирования в курсе информатики будет неуклонно снижаться, необходима возрастная и профильная дифференциация общеобразовательного курса и т.д. В выше упомянутом докладе прямо указывается, что "явный уклон курса информатики в сторону изучения прикладных вопросов породил тенденцию его интегрирования с математикой или включения в образовательную область «Технология»." В исследованиях Н.В.Апатовой, А.С.Лесневского и др. с позиций реализации общеобразовательного потенциала курса информатики вскрыта структура содержания и представлена соответствующая система понятий этого курса. Значительное количество работ посвящено методике преподавания такого курса. Обобщающим результатом таких исследований явился проект Федерального компонента государственного образовательного стандарта начального общего, основного общего и среднего (полного) образования образовательной области "Информатика".

Переход ко второму этапу обучения информатике, сменяющему начальный этап внедрения курса в общеобразовательную школу, характеризуется по мнению большинства исследователей (и мы полностью с этим солидарны) тем, что отбор учебного материала, изучаемого на этом этапе, связан с его генерализацией на основе фундаментальных понятий и теорий информатики, с развитием понятия школьников о формах представления информации, формирования при изучении информатики представлений об основных положениях кибернетики, с более полным раскрытием сущности методов научного познания — моделирования, модельного и реального экспериментов и т.д.).

Обоснованное этим развитием повышение общеобразовательного потенциала курса информатики не может не касаться такого важного аспекта как взаимодействие данного курса с другими дисциплинами и прежде всего в рамках его межпредметных связей. Тем не менее, вопрос об изменении характера реализации межпредметных связей в свете повышения общеобразовательного потенциала информатики и рассмотрения его как ядра общего кибернетического образования оставался фактически вне поля зрения исследователей.

Это определило проблему данного исследования: наличие противоречия между современным состоянием курса информатики с преобладанием в нем технологической составляющей и необходимостью реализации общеобразовательного потенциала курса, определенного в предшествующих теоретических исследованиях и соответствующего тенденции фундаментализации образования в области информатики, в аспекте межпредметных связей информатики с другими дисциплинами общеобразовательной школы.

Исходя из сказанного, целью данного исследования явилось научное обоснование содержания обучения информатике, обеспечивающего реализацию межпредметных связей с дисциплинами естественнонаучного цикла, и построение системы курсов, реализующих это содержание.

Объектом исследования является содержание обучения основам информатики в общеобразовательной школе.

Предметом исследования выступают компоненты содержания, обеспечивающие эффективную реализацию межпредметных связей информатики с дисциплинами естественнонаучного цикла.

Как отмечено выше, расширение общеобразовательного потенциала информатики связано прежде всего с формированием у школьников знаний о формах представления информации (структурах данных) и представлений об основных положениях кибернетики, с более полным раскрытием сущности методов научного познания (моделирование, модельный и реальный эксперимент и т.д.). Можно сказать, что речь идет в первую очередь об освоении учащимися понятий и методов информационного моделирования. Это позволяет в рамках поставленной проблемы исследования акцентировать внимание на информационном моделировании как средстве реализации межпредметных связей информатики с дисциплинами естественнонаучного цикла и высказать следующую гипотезу исследования: если в основу разработки инвариантной части содержания курса информатики положить идеи и методы информационного моделирования, то будут возможны построение содержания курса, обеспечивающее более эффективную реализацию общеобразовательного потенциала курса и его фундаментального компонента в аспекте взаимодействия с дисциплинами естественнонаучного цикла; применение методов и средств обучения, обеспечивающих более эффективную реализацию межпредметных связей курса информатики с дисциплинами естественнонаучного цикла; построение вариативной части (проблемной, предметной и практической подготовки) с большей ориентацией на принципы профессиональной направленности.

Цель и гипотеза исследования определили задачи исследования: исследовать общеобразовательные аспекты информатики, связанные с процессами формализации и моделирования, и проанализировать их с точки зрения возможностей реализации межпредметных связей с дисциплинами естественнонаучного цикла; выделить и обосновать систему понятий на основе идей и методов информационного моделирования, связывающих курс информатики с другими предметами естественнонаучного цикла; сконструировать модели содержания курса информатики, адекватно отражающие современные представления об общеобразовательном потенциале информатики в аспекте реализации межпредметных связей с дисциплинами естественнонаучного цикла; разработать и апробировать систему курсов информатики, обеспечивающих межпредметные связи с дисциплинами естественнонаучного цикла, для различных вариантов дифференциации обучения.

Методологическая основа исследования — фундаментальные работы в области философии образования и методологии психолого-педагогической науки (Бабанский Ю.К, Давыдов В.В., Загвязинский В.И., Краевский В.В., Лернер И.Я., Скаткин М.Н., Рубцов В.В., Шахмаев Н.М.), создания и использования средств обучения (Леднев B.C., Полат Е.С., Прессман Л.П.), методологии, теории и практики информатизации образования (Антипов

И.Н., Бешенков С.Г., Борк А., Ваграменко Я.А., Велихов Е.П., Ершов А.П., Кузнецов A.A., Кузнецов Э.И., Лапчик М.П., Лесневский A.C., Пейперт С.)

Применение тех или иных методов исследования определялось задачами и содержанием конкретных этапов исследования. Среди этих методов отметим теоретический анализ и синтез при исследовании и обобщении литературных источников, при разработке концепции исследования, при обосновании методики конструирования содержания общеобразовательных курсов информатики; методы экспертных оценок, анкетирование, интервьюирование в ходе выявления педагогических особенностей преподавания компьютерных курсов; экспертно-аналитический метод оценки содержания учебного курса; методы моделирования в процессе разработки дидактической модели информационных средств обучения, в ходе моделирования содержания учебных дисциплин; экспериментальная работа в процессе апробации разработанных курсов информатики и методики их преподавания, выявления специфики подготовки учителей для преподавания компьютерного курса.

Научная новизна и теоретическая значимость проведенного исследования состоят в следующем: обосновано введение в курс информатики информационного моделирования как необходимого условия обеспечения межпредметных связей с дисциплинами естественнонаучного цикла; разработана и обоснована система понятий курса информатики, обеспечивающая его межпредметные связи с дисциплинами естественнонаучного цикла на основе изучения информационного моделирования; разработано содержание, реализующее иерархию методологических, дидактических и методических требований к курсу информатики; разработана методика изучения курса информатики с опорой на межпредметные связи с другими дисциплинами естественнонаучного цикла.

Практическая значимость1 исследования заключается в том, что

1) под руководством автора диссертации теоретически разработаны, созданы и практически реализованы курсы информатики для 8-9 и 10-11 классов средней школы как систематические курсы обучения школьников информатике в соответствии с триадой "модель - алгоритм - компьютерный эксперимент"; теоретически разработан, создан и апробирован базовый курс информатики для 7-9 классов общеобразовательной школы; теоретически разработан, создан и практически реализован профильный курс информатики для 8-11 классов с углубленным изучением информатики и программирования; теоретически разработан, создан и апробирован профильный курс информатики для 10-11 классов естественнонаучного профиля; теоретически разработан, создан и модульно апробирован сквозной курс информатики для 1-11 классов общеобразовательной школы;

1 Необходимо отметить, что практические результаты исследования являются плодом коллективного труда группы исследователей, что отражает современную тенденцию к коллективному проведению крупных исследований. Поэтому мы считаем необходимым здесь и везде далее в диссертационной работе указывать свой вклад в получение практических результатов.

2) при активном участии автора диссертации теоретически разработан, создан и практически реализован курс информатики для 10-11 классов гуманитарного профиля; теоретически разработан, создан и практически реализован новый тип средств информатизации образования - компьютерный курс экологического содержания ("Основы экологии и природопользования" для 9-10 классов средней школы).

Практическая значимость состоит также в массовом использовании в практике общеобразовательных учреждений разработанных при активном участии автора и изданных массовым тиражом: учебной программы по курсу основ информатики и вычислительной техники для 10-11 классов средней школы, утвержденной Гособразованием СССР (1991); учебной программы по курсу основ информатики и вычислительной техники для 8-9 классов средней школы, утвержденной Министерством образования Российской Федерации (1992); учебной программы по курсу основ информатики и вычислительной техники для 8-11 классов с углубленным изучением информатики, утвержденной Министерством образования Российской Федерации (1992); учебной программы "Информатика" для 7-9 классов, утвержденной Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации (1998); учебной программы "Информатика" (естественнонаучный профиль) для 10-11 классов, утвержденной Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации (1998); учебной программы "Информатика и программирование" (физико-математический профиль) для 10-11 классов, утвержденной Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации (1998); учебной программы "Основы информатики и вычислительной техники" для 10-11 классов общеобразовательной школы, утвержденной Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации (1998); учебной программы "Основы экологии и природопользования" (компьютерный курс для специализированных общеобразовательных школ), утвержденной Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации (1998); учебника по курсу основ информатики и вычислительной техники для 10-11 классов средней школы, рекомендованного Министерством образования Российской Федерации (восемь изданий, 1989, 1991-1998 гг.); учебника по курсу информатики для 8-9 классов средней школы, рекомендованного Министерством образования Российской Федерации (пять изданий 1994-1999); учебника по базовому курсу информатики для 7-9 классов общеобразовательной школы, рекомендованного Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации (два издания, 1998, 1999); учебного пособия по курсу информатики для 8-9 классов с углубленным изучением информатики, рекомендованного Министерством образования Российской Федерации (1995); учебного пособия по компьютерному курсу основ экологии и природопользования для 9-10 классов средней школы, рекомендованного Министерством образования Российской Федерации (1995); учебного пособия по информатике и информационным технологиям для гуманитарных факультетов педагогических вузов (1995); учебника по информатике для 7 класса общеобразовательных учреждений, рекомендованного Министерством общего и профессионального образования Свердловской области (1999); учебника по информатике для 10-11 классов естественнонаучного профиля общеобразовательных учреждений, рекомендованного Министерством общего и профессионального образования Свердловской области (2000); а также рекомендованного к тиражированию для распространения в массовую школу Гособразованием СССР программно-методического комплекса по курсу основ информатики и вычислительной техники (1991).

К практически значимым результатам исследования относятся разработанные при активном участии автора методические пособия по преподаванию информатики, компьютерного курса основ экологии и природопользования, используемые в высших педагогических учебных заведениях, в системе повышения квалификации учителей.

Апробация результатов работы. Теоретические положения и результаты исследования внедрены в практику обучения в виде подготовленных и изданных учебных программ, учебников, учебных и методических пособий, статей, программно-методических комплексов для обучения информатике, основам экологии и природопользования, методических рекомендаций по их использованию, выполненных автором лично и в соавторстве. Они излагались и были одобрены на следующих международных, всесоюзных, республиканских совещаниях, конференциях, симпозиумах, семинарах: научно-практических и методологических конференциях и семинарах АПН и АН СССР "Компьютер и образование" (1989 г.), Гособразования СССР (1989, 1990, 1992 гг.), Минобразования РФ (1994 г.), ВДНХ СССР (1988, 1990 гг.); лекционных и семинарских занятиях со слушателями повышения квалификации при ИУУ и ИПКРО (Москва, 1992, 1993, 1994 гг.; Абакан, 1993, 1994 гг.; Владивосток, 1990, 1993 гг.; Екатеринбург, 1991, 1993, 1995, 1997, 1998 гг.; Новосибирск, 1993 г.; Челябинск, 1994 г.; Сочи, 1995, 1999 гг.; Нижний Новгород, 1999 г.; Иркутск, 2000 г., Великий Новгород, 2000 г.);

Всесоюзной конференции "Школьная информатика" (Ленинград, 1989 г.);

Всесоюзной научно-практической конференции "Психолого-педагогические вопросы компьютеризации обучения в средней школе" (Симферополь, 1989 г.);

Всесоюзной научно-практической конференции "Разработка и применение программных средств в учебном процессе" (Симферополь, 1991 г.); советско-французском семинаре по информатизации начального образования (Переславль-Залесский, Москва, 1992 г.);

IV, V и IX Международных конференциях "Применение новых компьютерных технологий в образовании" (Троицк, 1993, 1994, 1998 гг.); российско-американском семинаре "Гуманизация и гуманитаризация педагогического образования" (Екатеринбург, 1993 г.);

Международная конференция "Computer Technologies in Education" (Киев, 1993 г.); республиканских научно-практических конференциях "Информатизация образования" (Екатеринбург, 1993, 1994 гг.; Ставрополь, 1995 г.); российско-американской конференции "Гуманизация педагогического образования" (Екатеринбург, 1994 г.);

Российской научно-практической конференции "Новые информационные технологии в образовании" (Ижевск, 1994 г.)

I Международной научно-методической конференции "Новые информационные технологии в университетском образовании" (Новосибирск, 1996 г.);

II Российском философском конгрессе: секция "Философские основания математики и информатики" (Екатеринбург, 1999);

III Международной конференции памяти академика А.П.Ершова "Перспективы систем информатики" (Новосибирск, 1999);

VII Межрегиональной научно-практической конференции преподавателей математики и информатики (Иркутск, 2000).

Основные положения, выносимые на защиту: понятие информационной модели является системообразующим для осуществления межпредметных связей курса информатики с дисциплинами естественнонаучного цикла; система понятий курса информатики, связанных с изучением информационного моделирования, позволяет на достаточном уровне обеспечить его межпредметные связи с дисциплинами естественнонаучного цикла; структурные модели содержания курса, построенные на основе современных представлений об общеобразовательном потенциале информатики как учебного предмета, являются действенным средством создания методики реализации межпредметных связей этого курса с дисциплинами естественнонаучного цикла; одной из наиболее эффективных организационных форм реализации межпредметных связей информатики с дисциплинами естественнонаучного цикла является система профильных курсов информатики, спроектированных для различных вариантов дифференциации обучения.

Эти положения реализованы в целом ряде учебно-методических и программных средств, которые также можно рассматривать как предмет защиты. К их числу относится методическое обеспечение действующих курсов информатики (программы, учебные и методические пособия и т.д.), а также компьютерное программное обеспечение курсов в виде соответствующих учебных компьютерных сред.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем диссертации 300 страниц (из них 277 страниц основного текста), в том числе 18 рисунков, 2 таблицы, список литературы (232 наименования) и 2 Приложения.

Список литературы диссертационного исследования доктор педагогических наук Гейн, Александр Георгиевич, 2000 год

1. Болгарии. Однако, на поверку этот курс оказался механическимсоединением трех почти взаимонезависимых частей.

2. Тем не менее, бесспорно, что математика и информатика оказываютформирующее влияние на мышление человека. Поэтому их согласованному взаимодействию необходимо отводить особое место.

3. Чтобы проследить пути взаимопроникновения школьных курсовматематики и информатики, рассмотрим подробнее основные образовательные линии курса математики (об информатике, на наш взгляд, достаточно было сказано выше).

4. Об одной такой среде исполнителя ПАРКЕТЧИК речь пойдет ниже, в§4.4.

5. Отсутствие в этом курсе базовых понятий информатики показывает, чтоданный курс (вполне вероятно, небесполезный с точки зрения развития мышления учащихся) нельзя признать полноценным курсом информатики.

6. Чаще, однако, имеет место противоположный вариант пониманиятого, что представляет собой общеобразовательный курс информатики.

7. Название "Компьютерное дело" предложено в статье Р.Дименштейна и

8. Компьютерное дело обслуживает науку, технику, производство и другие

9. ВИДЫ человеческой деятельности путем создания и передачи в обществоинформационной технологии.

10. В задачу данной диссертационной работы не входит скрупулезныйанализ имеющихся или гипотетически возможных вариантов общеобразовательного курса информатики. Отметим лишь наиболее широко распространенные и ярко выраженные.

11. К программистскому направлению следует отнести курсы,разрабатываемые в 90-95 гг. авторскими коллективами под руководством

12. А.Г.Кушниренко (см. Основы!, Кушниренко2, Информационные!,

13. Уметь переключать клавиатуру с латинского алфавита на кириллицу инаоборот.

14. Уметь запускать Windows и завершать работу с Windows..."

15. Среди курсов, ориентированных на формирование формализованныхприемов обработки информации, отметим курсы Бешенков2. и

16. В заключение главы приведем основные результаты исследованияметодологических основ конструирования курса информатики в свете межпредметных связей с дисциплинами естественнонаучного цикла.

17. Построение курса информатики, использующего информационноемоделирование как базовый компонент конструирования курса, целесообразно проводить с опорой на межпредметные связи с дисциплинами естественнонаучного цикла.

18. Важной предпосылкой для эффективной реализациимежпредметных связей является создание единой информационномоделирующей среды, овладение которой (в том числе как средством обучения) является одной из составляющих курса информатики.

19. Глава 2. Развитие системы понятий и конструирование моделисодержания курса информатики на основе межпредметных связей с дисциплинами естественнонаучного цикла

20. Н.В.Апатовой в АпатоваЗ. приведен сравнительный анализ системформируемых понятий для школьных учебников с 1960 по 1990 г.; в

21. Обсуждение системы базовых понятий курса информатикиестественно начать с самого термина "информатика". Современное понимание этого термина тесно связано с использованием средств автоматизированной обработки информации. Скажем, в работе

22. Здесь будут обсуждаться только первое и второе из трех указанныхзначений термина "информатика".

23. Из самых последних (по времени) определений информатики,рассматривавшихся в работах, посвященных методике преподавания информатики, приведем определение, данное в докторской диссертации

24. Организация данных по иерархическому принципу получила названиеиерархических баз данных.

25. Понятия второго и последующих уровней будут рассматриватьсянами, начиная с § 2.2, а в этом параграфе продолжим формирование системы понятий первого уровня.

26. Нетрудно также видеть, что взаимодействие понятий языка и данныхпорождает понятие второго уровня — тип данных.

27. Главы 1. В частности, это позволяет ставить вопрос о развивающемсяисполнителе в том ключе, как это сделано в § 1.3.

28. Логическая парадигма положена в основу курса, спроектированного приучастии автора диссертации и реализованного в виде учебного пособия

29. Подводя предварительный итог приведенному выше обсуждению,можно остановиться на следующем варианте: для курса информатики базовыми понятиями первого уровня служат понятия информации, модели, данных, языка и исполнителя.

30. Нами не будет рассматриваться взаимодействие этих понятий междусобой, поскольку они носят сугубо технический характер.

31. Гейн1., с. 20 ). Так что эта классификация моделей при всей ее важностине вполне удачно отражена в Хорошева!..

32. Ряд исследователей и авторов, разрабатывающих школьный курсинформатики, считают, что изучение системных моделей составляет основное содержание курса. В.К.Белошапка и А.С.Лесневский в

33. Отметим еще, что все три указанные расщепления являются попарнонезависимыми.

34. А.П.Ершова, Л.С.Козачкова, М.В.Швецкого, Т.А.Бороненко). Однакосмысл этого понятия разными авторами раскрывается весьма по-разному.

35. Мы в целях обсуждения приведем четыре точки зрения. М.В.Швецкий и

36. Т.А.Бороненко под информационными моделями понимают алгоритмы иструктуры данных. В школьных учебниках Кушниренко2. и

37. Алгоритм при этом является частным случаем информационной модели.

38. Еще более узко понимается термин "информационная модель"

39. Рис. 2. Структура информационной модели

40. Солнечной системы, схему кровеносной системы человека и т.п.

41. Детальный анализ введения понятия информационной модели в

42. Кушниренко. проведен в нашей работе [Гейн2]. Но и при том краткоманализе, который приведен выше отчетливо виден отрицательный эффект неправильно сформированной системы базовых понятий информатики.

43. Представленная выше структура информационной модели, в которойсистемообразующими элементами выступают параметры, свидетельствует о знаковом характере описания этой модели. Эту особенность информационных моделей отмечал и А.П.Ершов — в

44. Ершов7., с. 113, он писал, что "понятия информационной иматематической моделей очень близки друг к другу, поскольку и та и другая являются знаковыми системами". Таким образом, информационные модели относятся к классу знаковых структурированных моделей.

45. Подробное обсуждение этих вопросов на доступном для школьниковуровне приведено в учебнике Гейнб. и пособии для учителя [Гейн1].

46. Если построенная модель в практических приложениях даетудовлетворительный результат, то говорят, что такая модель адекватна.

47. Исследованию структуры следующего базового понятия — языка — сточки зрения его роли в курсе информатики посвящен данный параграф.

48. Однако основой прогресса человечества в целом и каждого человека вотдельности является не столько собственное восприятие человека, сколько возможность передачи знаний от одного человека другому.

49. Тем самым можно сказать, что в языке имеется иерархия имен,определенная отношением принадлеж^ности.

50. Эти имена называются терминами, а их смысл и значение даетсясоответствующими определениями или описывается аксиомами.

51. Хорошо известно, что необходимым (но не достаточным!) признакомнаучного знания является описание моделей этой науки с помош,ью соответствуюш,его формализованного языка.

52. Бешенков2., ориентированные на преподавание информатики дляучащихся, избравших гуманитарную специализацию.

53. Эта идея позволяет ввести в рассмотрение понятие формальногоязыка. Для этого определим алфавит как конечный упорядоченный набор знаков. При этом сами знаки могут и не быть именами объектов.

54. Фактически это ослабление требований упорядоченности знаковалфавита и его конечности.

55. Как правило, не все возможные слова над заданным алфавитом входятв тот или иной язык. Известен, пожалуй, единственный случай, когда используемый человеком язык содержит множество всех слов над некоторым алфавитом — это случай односимвольного алфавита.^

56. Таким образом, язык — это некоторое подмножество слов надданным алфавитом. Данное определение дает нам вторую модель языка, которую (в отличие от первой) будем называть синтаксической.

57. Подробнее о различии между понятиями "знак" и "символ" речь пойдет ниже. Чтобыизбежать указанной коллизии терминов, иногда вместо слова "двухсимвольный" используется слово "бинарный".

58. Такое сравнение, кстати, подсказывает, что визуальномупрограммированию могут оказаться присущими те же ограничения, что пиктографическому и иероглифическому письму — недостаток гибкости, сложности с представлением абстрактных понятий и т.п.

59. Напомним, что совокупность правил, согласно которым из знаковалфавита образуются слова данного языка, называется грамматикой этого языка. При этом в таких правилах речь может идти о построении

60. V\A, aw ' — слово над V (быть может пустое, т.е не содержащее знаков алфавита).

61. Итак, имеет место следующее расщепление понятия "язык". С однойстороны, это понятия "естественный язык", "формализованный язык" и "формальный язык". С другой стороны, каждый из этих видов языка имеет два атрибута -— семантику и синтаксис.

62. Отметим ряд особенностей этого расщепления.

63. Рис. 3. Схема переходов между видами языков

64. Во-вторых, хотя мы обсуждали понятие семантики лишь дляестественных и формализованных языков, оно имеет место и для формальных языков.

65. Эти два аспекта — наличие обратного перехода между видами языкови семантика языка — оказываются тесно связанными. Чтобы эту связь прояснить, вернемся еще раз к рассмотрению процесса коммуникации посредством языка.

66. Таким образом, процесс передачи информации можно изобразитьследующей схемой: 1. Предметная область источника информации > Кодирование Декодирование > 1. Предметная область приемника информации 1. Рис.4. Схема коммуникации

67. Ассоциирование Интерпретация

68. Рис. 5. Схема взаимообратных переходов между видами языков

69. Основные школьные учебники информатики, которые былиразработаны до 1993 г., оперировали только понятием алгоритмического языка или языка программирования (см. обзоры АпатоваЗ., с. 65-76, и

70. В 1990 г. появился учебник Каймин., а в 1992-93 гг. — пособия

71. Бешенков2. и [Лесневский1], увидевших свет в 1995-96 гг. На нашвзгляд, эта тенденция прогрессивна, и в следующих поколениях учебников она должна соответствующим образом закрепиться.

72. Обоснование этого тезиса фактически проведено в Главе 1.

73. Для формализованного языка семантикой называется изучение егоинтерпретаций в предметных областях (см., например, Черч., с.61).

74. Такую точку зрения можно признать справедливой, если языкрассматривать исключительно как средство фиксации информации.

75. Дидактические достоинства применения этого языка в обучениирассмотрены в Бешенков!., с. 8.

76. Рис. 6. Уточненная схема коммуникаций

77. Там же были сформулированы требования к языку, необходимые дляосуш,ествления коммуникации. Напомним их: 1. предметная область источника информации должна содержаться в предметной области приемника информации;

78. Разумеется, иногда передается и сам объект — рассказ имениннику о подарке неможет заменить самого подарка. 2. кодирование и декодирование должны быть взаимно обратными операциями.

79. Аналог схемы, изображенной на рис. 6, и близкие по формулировкетребования к процессу коммуникации приведены в БешенковЗ., с. 49.

80. Рассматривая расщепление понятия языковая модель с точки зрениямежпредметных связей информатики с дрзо^ ими дисциплинами, мы

81. Следовательно, должно иметь место согласование между организациейданных и допустимыми действиями исполнителя, обрабатывающего эти данные.

82. Совсем иной смысл и, соответственно, иной алгоритм имеет логическоесложение. Наконец, иногда говорят о "сложении" двух слов, понимая под этим операцию конкатенации.

83. Поэтому встречающееся иногда утверждение, что введение понятия"тип данных" — это (временно) нерешенная программистами проблема (см., например, ГейнП., с. 13), вряд ли можно признать верным.

84. Таким образом, тип данных — это языковый аспект храненияинформации, т.е. понятие типа данных относится ко второму уровню и порождается понятиями "данные" и "язык".

85. Тип переменной может либо объявляться специально, либо неявноприсутствовать в ее имени К примеру, в языке Фортран переменные, имена которых начинаются на I, J, К, L, М, N, по умолчанию считаются имеющими целый тип.

86. Для переменных используются, как правило, следующие типы: целый,вещественный, символьный, логический.

87. Возвращаясь к вопросу о структурах данных, необходимо отметить,что фактически речь идет о структуре данных некоторого заданного типа

88. В курс информатики структуры данных — как понятие второгоуровня — должны входить описанием функциональных спецификаций.

89. Схематично этот процесс совершенствования можно изобразить так:п р