Методы информатики в обучении математике

Методы информатики в обучении математике

Как уже отмечалось, под влиянием информатики в педагогике появилась идея подхода к обучению как к процессу управления учебной деятельностью учащихся, к процессу обучения людей начали применять такие средства, как элементы теории алгоритмов и теории информации, вычислительную технику и автоматизацию обучения. Это привело к разработке так называемого логико-алгоритмического подхода к обучению, метода программированного обучения, компьютеризации обучения. 

Математика и информатика имеют общие объекты исследования, например, алгоритмы. Для математики алгоритмы - одно из фундаментальных понятий оснований математики, а информатика ставит своей задачей разрабатывать практически удобные методы синтеза конкретных систем, в том числе и алгоритмов. Отсюда логико-алгоритмичнеский метод или алгоритмизация обучения понимается в двух смыслах: 

а) обучение учащихся алгоритмам, 

б) построение и использование алгоритмов самого обучения. 

I. Под алгоритмом, как известно, понимается общепринятое и однозначное предписание, определяющее процесс последовательного преобразования исходных данных в искомый результат. Точное выполнение алгоритма всегда приводит к решению любой задачи из того класса задач, для которого он составлен. В математике алгоритмов для решения задач разных классов, поэтому обучение математике на любом уровне обязательно включает обучение алгоритмам. Умение формулировать и применять алгоритмы важно не только для развития математического мышления и математических умений; оно означает также и умение вообще формулировать правила и выполнять их, что важно в любой - сфере человеческой деятельности и имеет поэтому огромное воспитателе значение. 

Существует два способа обучения алгоритмам: 

а) сообщение готовых алгоритмов, что является варинтом догматического метода обучения и поэтому ограничу развитие активности и творческого мышления учащихся 

б) подведение учащихся к самостоятельному открытию необходимых алгоритмов, что является вариантом эвристического метода обучения и предполагает реализацию все тех же трех этапов изучения математического материала - выявление отдельных шагов алгоритма, его формулировку и применение. В обоих случаях полезно применять специальную краткую запись алгоритмов, блок-схему и другие средства, которые затем будут систематизированы в курсе информатики. 

II. Второй аспект логико-алгоритмического метода состоит в построении алгоритмов обучения, т.е. в описании обучающей деятельности учителя с помощью предписаний, алгоритмического типа. Реальный процесс обучения состоит из определенных действий, с помощью которых, ..учитель традиционно решает определенные дидактические задачи. Например, постановка вопросов, приведение примеров, показ наглядного материала, решение упражнений и т. д. Этот процесс можно проанализировать и выявить составляющие его действия; тогда определённая часть процесса обучения определённых учащихся определенному содержанию может быть представлена в виде так называемого "алгоритма обучения" (в нашем курсе - "методическая схема") 

Для построения алгоритма нужно проанализировать содержание и цели обучения, деятельность учащихся по его усвоению, деятельность учителя по организации этого усвоения. Построенный алгоритм обучения должен быть осуществим не только теоретически, но и практически, учитывать особенности учащихся данного класса. Примерами алгоритмов обучения математике могут служить: обучение доказательству теорем, обучение. решению задач и другие. Алгоритмы обучения являются составной частью педагогических технологий. 

Информатика занимается также созданием аппарата, удобного для выполнения преобразований алгоритмов: вместо простейшей формы представления информации в виде слов в абстрактном алфавите, конструируются сложные, структуры, необходимые для реализации алгоритмов на ЭВМ, - алгоритмические языки" . 

Процесс подготовки задач для решения на ЭВМ (составление алгоритма решения; его описание на языке программирования, т.е. составление программы; трансляция программы на машинный язык в виде последовательности команд, реализация которых техническими средствами ЭВМ и есть процесс решения задачи) называется программированием. 

Отсюда заимствован термин программированное обучение - метод, в котором изучаемый материал подается в строгой логической последовательности "кадров", а каждый "кадр" содержит, как правило, порцию нового материала и .контрольный вопрос. Основой такой обучающей программы является некоторый алгоритм обучения, и таким образом осуществляется "программирование" учебного процесса. 

Существуют две системы программирования учебного материала - "линейная" и "разветвленная", разработанные еще в 50 - б0 годах, когда возникло и получило большую популярность программированное обучение. В линейной программе (по системе предложенной американским психологом В. Скинером) учебный материал подается очень небольшими "кадрами", содержащими, как правило довольно простой вопрос поэтому материалу. Предполагается, что ученик, внимательно прочитавший этот и предшествующий материл) может безошибочно отвесить на вопрос. При переходе к следующему "кадру" ученик узнает, правильно ли он ответил на вопрос предыдущего "кадра" сравнением своего ответа с верным. Вопросы имеют, главным образом, обучающий, а не контролируюший характер, "кадры" содержат обучение выполнению тождественных преобразований, доказательству теорем, решению задач и т.п., чертежи и другие иллюстрации. 

В разветвленной программе (по системе, предложенной американская психологом Н. Краудером) учебный материал разбивается на порций несущие значительно большую информацию. В конце "кадра" содержит вопрос, ответ на который учащиеся не формулируют сами, а выбирал из приведенных здесь же нескольких вариантов ответов, из которых только один правильный. Неправильные ответы составляются с учетом вероятных ошибок учащихся, против каждого из них указываете страница, к которой нужно обратиться после выбора ответа. Учащийся выбравший правильный ответ, отсылается к странице, на котором изложена следующая порция нового материала. Учащийся, выбравший неправильный ответ, отсылается к странице, на которой разъясняется допущенная ошибка и предлагается после этого вернуться к последнему "кадру". Прочитав его еще раз, учащийся может выбрать правильный ответ и перейти к следующему "кадру", или, допустив ошибку, открыть страницу, на которой она разъяснена, и так далее. Таким образом учебник, построенный по такой программе, читается разными учащимися по-разному. Он даёт возможность путем постановки соответствующих вопросов иногда направлять мысль учащихся по неверному пути, а потом при анализе неверного ответа раскрыть ошибочность его рассуждений. Это оказывается полезным для более глубокого усвоения материала. Здесь больше внимания уделяется не предупреждению ошибок, а контролю усвоения и разъяснению ошибок, что роднит этот метод с эвристическими методами обучения. Разветвленная программа ближе к реальному процессу обучения, т.к. она составлена с учетом возможных ошибок учащихся и лучше осуществляет индивидуальный подход в обучении. Однако при линейной программе учащиеся учатся сами, формулировать ответы, что является важным элементом обучения; любой деятельности не бывает заранее заготовленных ответов. 

В целом программированное обучение обладает достоинствами, способствующими лучшей реализации принципов дидактики, т.к. оно предусматривает: 

а) правильный отбор учебного материала; 

б) рациональную дозировку его подачи, рассчитанную на "оптимальные" алгоритмы обучения; 

в) активную самостоятельную деятельность ученика по усвоению учебного материала; 

г) обеспечение возможности каждому ученику работать по свойственной ему скоростью; 

д) постоянный контроль за деятельностью обучаемого и её результатами (обратная связь на всех этапах обучения). 

Однако за большим и широко разрекламированным подъемом программированного обучения наступил некоторый спад, объясняющийся, в частности необходимостью использования специально разработанных программированных учебников и технических средств обучения. Их назначение - обеспечить строгое соблюдение инструкций использования программы, которые сами учащиеся могут нарушить (подсмотреть ответ и т.п.), а учитель один не в состоянии их проверить. Поэтому был период, когда начали создаваться различные автоматические устройства и даже так называемые "автоматизированные классы", оборудованные "рабочими местами".для каждого школьника и "пультом управления" для учителя; построенные по принципам программированного обучения контролирующие устройства, "машины-экзаменаторы" и т.п. 

Все это требовало значительных материальных затрат и не могло быть осуществлено в нашей страны. Поэтому в 60-80-е годы использовались в обучении математике элементы программированного обучения: разбиение материала учебника для самостоятельного изучения учащимися на части, после изучения которой нужно ответить на поставленный учителем вопрос; перфокарты и перфопапки для организации программированного контроля усвоения (с выбором правильного ответа из числа предложенных) и т.п. С появлением ЭВМ в школе появилась возможность для трансляции обучающей программы на машинный язык и её реализации техническими средствами ЭВМ. Успехи в развитии компьютерной техники привели к возрастанию роли компьютеров во всех областях жизни современного общества и сделали необратимым процесс компьютеризации обучения на основе его программирования. 

Широкое внедрение компьютеров во все сферы человеческой деятельности со временем коренным образом изменит среду обитания людей. Растет количество людей, профессионально занятых сбором, накоплением, обработкой, распространением и хранением информации. Говорят, что мир сейчас стоит на пороге информационного обществе - создаются различные автоматизированные системы, функционирование которых опирается на использование всего арсенала информатики новые информационные технологии в разнообразных областях человеческой деятельности. 

Компьютеризация обучения в настоящее время предполагает два направления 

а) компьютер как объект изучения изучения, что в первую очередь связано с введением в школу предмета "Основы информатики и вычислительной техники"; 

б) компьютер как средство обучения. Первое направление создает предпосылки для значительного повышения эффективности учебной, а затем и будущей профессиональной деятельности человека, для усиления его интеллектуальной деятельности. 

Применение компьютера в обучении - это, прежде всего, средство управления учебной деятельностью школьников: он обеспечивает индивидуализацию обучения "в массовом порядке"; помогает создать проблемную ситуацию; дает возможность учащемуся выступать в роли пользователя современной вычислительной техники получить доступ к самой различной информации, сделав ее средством деятельности; используя цвет, мультипликацию и т.п., усиливает наглядность учебного материала; способствует активизации учащихся. Другие сильные стороны компьютера: новизна работы с ним вызывает у учащихся повышенный интерес и усиливает мотивы учения; с его помощью реализуется личностная манера общения; расширяются наборы применяемых учебных задач с использованием моделирования. 

Еще относительно недавно при определении места компьютера в учебном процессе сталкивались крайние взгляды: сплошная компьютеризация обучения и полный отказ от ЭВМ в школе. Сейчас вопрос ставится иначе где, когда и как целесообразно использовать компьютер Выделяют два типа компьютерного обучения: 

а) непосредственное взаимодействие учащихся с компьютером (обучение без учителя), 

б) взаимодействие учащихся с компьютером через педагога, - обычно тогда, когда нельзя снабдить компьютером каждого ученика. В обои, случаях необходимо учитывать, какие именно функции учителя и учащегося при этом автоматизируются и передаются компьютеру. 

Н .Ф.Талызина выделяет следующие типы таких функций: 

1) создание положительных мотивов изучения материала, объяснение, показ и фиксация формируемой деятельности и входящих в неё знаний, 

2) организация и контроль деятельности учащихся, 

3) передача машине рутинной части учебной деятельности; 

4) составление и предъявление учебных заданий, соответствующих разным этапам процесса усвоения, а также индивидуальным особенностям ученика и уровню его учебной деятельности в данный момент. 

Эти функции учитываются при разработке различных типов обучающих компьютерных программ. Напомним основные из них: 1 ) программы, ориентированные на усвоение нового материала в режиме программированного обучения; 2) программы, реализующие проблемное обучение, учитывающие не только результат, ной стратегию изучения материала; 3) программы, предназначенные для закрепления умений и навыков (тренажеры); 4) демонстрационные и иллюстрационные программы, моделирующие и анализирующие конкретные ситуации; 5) обучающие игровые программы, получившие широкое распространение из-за своей привлекательности; 6) контролирующие программы; 7) информационные и 8) вычислительные программы, суть которых понятна из названия. 

Для компьютеризации обучения (для составления обучающей программы) необходима такая трактовка метода обучения, которая допускает его пооперационное описание и тем самым его технологизацию (как программированное обучение ); отсюда - "новые информационные (в частности, компьютерные) технологии обучения". 

Как выразился А.П. Ершов, "…математики тоже люди и им компьютер может помогать непосредственно, как и всем остальным": он помогает провести вычислительный эксперимент с математической моделью, способствует визуализации абстракций и динамизации математических объектов, воспитанию базовых способностей и умений, систематизации математической теории, расширению математической практики, пробуждению первичного интереса. 

Однако в силу специфики целей обучения математике - не столько передать информацию, сколько научить решать .определенные классы задач и развивать мышление учащихся - применение компьютера здесь вызывает определённые трудности. Из различных типов обучающих программ в практике обучения используются самые простые - контролирующие, вычислительные, иллюстративные, программы-тренажёры. Имея дело, как правило, лишь с образами и результатами решения задач, эти программы используют компьютер как большой калькулятор, а математика содержит не так уж много обьектов для наглядной иллюстрации. Используемые обучающие программы, как правило, в режиме программированного обучения ( кроме вычислительных ), не используют возможностей других методов обучения. Причины не только в особенностях математики как учебного предмета и целей его изучения, не только в проблемах материально-технического обеспечения, но больше всего в психолого-педагогических проблемах, без решения которых самые современные компьютеры при наличии мощного программного обеспечения не могут сами по себе сделать обучение математике эффективным. Многие авторитетные специалисты полагают, что создание учебного обеспечения - более сложная задача, чем разработка программного обеспечения, и её решение потребует еще немало времени и методических исследований. 

С этих позиций, по-видимому, заслуживает внимание использование машинного эксперимента как метода обучения для достижения тех же целей, что и другие эмпирические методы. Вычислительный графический эксперимент в этом случае выступают как метод исследования и открытия нового средствами компьютерной технологии. 

Программированное обучение называют первым "детищем" технологизации педагогического процесса и одновременно фундаментом; над которым надстраивались последующие этажи педагогической технологии. Его характерными чертами стали уточнение учебных целей и последовательная, поэлементная процедура их достижения. Последовательно "технологическое" понимание полностью разработанной программы обучения включает в себя: составление полного набора учебных целей, подбор критериев их измерения и оценки, точное описание условий обучения, конструирование учебного процесса. Технология обучения отличается от традиционной методики тем, что она выделяет виды деятельности участников педагогического процесса, последовательность их выполнения, четкое соблюдение которых и приводит к достижению поставленных целей обучения. 

Проектирование обучающей системы в существующих в настоящее время технология обучения содержит три этапа: 1) подготовка учебного материала ( тематическое планирование, .система целей в виде планируемых. результатов обучения, планируемые результатов обучения, планируемые сроки изучения, уровни усвоения, контрольные задания для диагностики достижения целей, дидактические материалы для самостоятельной работы учащихся); 2) ориентация учащихся (ознакомление с целями обучения, которые нужно преобразовать в цели учения, создание мотивов учебной деятельности учащихся, ознакомление их, с процессуальной стороной обучения и распределением функций между, участниками учебной работы, разъяснение критериев и механизмов контроля и оценки усвоения); 3) организация хода учебного занятия, для которого характерно увеличение доли самостоятельной деятельности учащихся, максимально возможная индивидуализация, активные формы и методы обучения, постоянная обратная связь. 

Обратная связь осуществляется с помощью трех видов контроля: 1) входной контроль (для информации об уровне готовности учащихся к работе над новым материалов, при необходимости - коррекция этого уровня; 2) текущий или промежуточный контроль после каждого учебного элемента (как правило, мягкий, без оценки, для выявления пробелов в усвоении: самоконтроль, взаимоконтроль, сверка с образцом); 3) итоговый контроль с оценкой, показывающий уровень усвоения. 

Элементы технологизации обучения содержатся и в традиционных методиках обучения математике. Отметим некоторые из них. 

Технологический подход прежде всего виден на стадии подготовки учебного материала. Во-первых, это - логико-математический анализ учебного материала (изучаемой темы), который состоит в выделении понятийного аппарата и его структуры, свойств математичестих понятий и их структуры, основных идей и методов изучения этих свойств. По словам Е.И. Лященко, "логико-математический анализ учебного материала - это как бы чтение школьного учебника внимательными и грамотными глазами учителя". Во-вторых, на основе этого анализа - определение целей изучения темы (о технологизации которых мы говорили выше ) .В-третьих, это - составление тематического плана.

В-четвертых, это - планирование урока, осуществляемое в следующей последовательности: 

1) тема урока, 

2) цели урока, 

3) тип урока, 

4) оборудование урока, 

5) план урока (перечисление его этапов) 

а) ведущие методы обучения, 

б) ход урока по схеме показанной в таблице

Этапы урока

Деятельность учителя

Деятельность учащегося

Элементами технологии на стадии организации хода учебного занятия, кроме рассмотренных в п.1 данной темы методов обучения, могут быть названы: общая методическая схема обучения решению математических задач, этапы работы над понятиями и теоремами, этапы применения математических методов, методика построения обучения математике через систему задач, все приемы учебной деятельности учащихся и методика формирования приемов учебной деятельности. 

Выбор методов обучения определяется различными условиями организации учебного процесса; выделим некоторые из них. 

Во-первых, это - возраст учащихся, что отмечается программой по математике для средней школы. В 5-6 классах для обобщения и систематизации изученного в начальной школе необходимы словесные методы обучения, а для изучения нового материала - наглядно-интуитивные, практические, индуктивные (с небольшими элементами дедукции), алгоритмический метод (в виде изучения алгоритмов и правил) . В 7-9 классах, где уже возможно повышение теоретического уровня изучения систематических курсов алгебры и геометрии, необходимо сочетание логической строгости с наглядностью, теоретические обобщения и дедуктивные умозаключений, практическая направленность преподавания математики. Следовательно, это - аналитической и синтетический методы, методы логики при сохранении наглядно-практических методов. В 10-11 классах, наряду с методами логики, преобладают математические методы, абстрагирование, систематизация и обобщения изученного, прикладная направленность обучения математике. 

Во-вторых, это - содержание изучаемого материала, что следует из его логико-математического анализа. Этот анализ показывает, какие математические идеи и методы нужно использовать для его изучения; какие математические и учебные задачи включить в систему задач и упражнений; какие методы использовать на этапах работы над определениями, теоремами, задачами; можно ли использовать сравнение или аналогию с ранее изученным материалом; есть ли примерная методическая схема изучения данной темы. 

В-третьих, это - этапы усвоении знаний учащимися и соответствующие им этапы учебного процесса; в настоящее время при этом стараются учитывать и уровень усвоения знаний различными .учащимися. В таблице (вопрос №5) показана примерная схема выбора методов обучения математике в зависимости от этих параметров. 

В-четвертых, это - достижение развивающих и воспитательных целей обучения. Мы уже отмечали, что для этого необходимо использование гуманитарных знаний, связанных с математикой, решение задач с соответствующим содержанием, различные формы учебной деятельности учащихся, нестандартные методы обучения.