Активизация учебной деятельности студентов на основе применения информационных технологий: На примере изучения теории графов

Актуальность темы

исследования.

Воспитание полноценной личности в плане хорошего владения вычислительной техникой — одна из главных задач современных высших учебных заведений. Необходимость информатизации и компьютеризации общества и образования рассматривается в работах Кана Р. Е., Бобко И. М., Молокова Ю. Г., Скибицкого Э. Г., Клеймана Г. М., Ростовцева А. Н., Роберта И. В., Хантера Б. «Национальная стратегия: а) достижение всеобщей компьютерной грамотности молодежи, обеспечивающей глубокое освоение основ наук и подготовку к будущей практической деятельности, б) повышение эффективности системы образования и воспитания на основе новых информационных технологий». «Стратегический подход к информатизации общества состоит в том, что она выступает как новый существенный фактор его социально-экономического развития». [31, с.4].

Информатизация образования существенно влияет на качество образовательной системы, готовящей специалистов для будущего образовательного общества" [12, с.9]. Задача компьютерного образования, наряду с другими учебными дисциплинами — в полной мере способствовать индивидуальному развитию учащихся в процессе познания ими окружающего мира с помощью ЭВМ.

Анализ вузовского учебного плана приводит к выводу, что уровень изучения математики качественно повышается только первые два или три года, затем идет «спиралевидное» повторение уже изученного. Начинается рутинная работа по вычислениям и решениям различного рода однотипных примеров. Учащийся начинает задумываться об ускорении процесса и если не находит выхода, то у студента пропадает в большей части интерес к математическим дисциплинам. А ведь «интерес к предмету — это наиболее действенный мотив учения, делающий процесс познания привлекательным для учащихся» [28, с.38]. Тем более к такой специфичной области, как теория графов, которая хотя и читается не только в университетах, но и является обязательной дисциплиной во многих технических вузах, все-таки для начинающего изучение теории графов приводит к затруднениям, т.к. часто игнорируется большинство задач на графах. А в педагогических институтах графы изучаются в лучшем случае на спецкурсах или факультативах. Причем, графы подаются либо мелом на доске, а если применяют компьютер, то ориентируются на моделирование графов с помощью языков программирования, а программирование понятно далеко не всем.

С другой стороны происходит совершенствование компьютерной техники, бурное увеличение количества различных программных средств и новых пользовательских технологий естественно привлекает к себе учащихся. «В процессе широкой информатизации современного общества существенное значение приобретает использование компьютерной техники как носительницы программных и информативных систем при организации учебного процесса разного уровня. Роль этой техники (и прежде всего персональных компьютеров) сопоставима с ролью книг, бумаги, ручек в процессе обучения. «[22, с.68] «Целесообразность применения компьютерной техники в учебном процессе обуславливается целями повышения эффективности обучения и расширения педагогических возможностей учителя» [85, с. 78].

Информатика в учебных планах занимает по объему все больше и больше места, хотя компьютерной практики по-прежнему недостаточно. Студенты старших курсов физико-математического факультета, владея основным арсеналом действий по управлению компьютером и программным обеспечением, стремятся к самостоятельной работе по освоению новых незнакомых пакетов программ и эту способность надо поддержать педагогу, развить интерес, дать систему действий для самосовершенствования студентов.

Очевидна необходимость интеграции информатики и математики с целью оптимизации и активизации обучения, которая позволит высвободить значительное время для изучения новых современных направлений в математике, одним из которых является молодая, по историческим меркам, теория графов. «Можно поставить проблему разработки новых технологий обучения, основанных на применении компьютера в качестве средства формирования (организации и управления) учебной деятельностью, постановки и решения учебных задач, выполнения учебных действий в полном составе их компонентов. Для реализации этого должны быть разработаны специальные компьютерные обучающие среды (КОСы), ориентированные на применение ЭВМ «[22, с.69]. То есть компьютер выступает как средство обучения и эффективность его применения определяется качеством и совершенством соответствующих педагогических программных средств, отвечающих частным дидактическим принципам: принципу уместности и целесообразности, принципу ориентации на потребности обучаемого в знаниях, умениях и навыках по конкретной дисциплине, принципу информационной упорядоченности теоретического материала, принципу диалоговой формы взаимодействия, принципу сочетания различных видов заданий, принципу систематичности и последовательности предъявления обучающимся проблемных ситуаций, принципу соблюдения адекватности автоматизированных дидактических актов функциям деятельности преподавателя и обучающегося, принцип модульного построения [13, с.5].

Таких программ в мире немало, но не все они доступны обучающимся в силу объективных причин и не все целесообразны для конкретного учебного процесса. Поэтому надо искать подходящие программы среди доступных, которые наглядно, быстро и доступно поддерживали работу человека, решающего какую-либо прикладную задачу, с графами. Одна из таких программ называется Maple for Windows, разработана фирмой WATERLOO MAPLE SOFTWARE в 1994 году как инструментальное средство для решения различных математических задач. Так как применение компьютера как средства обучения основано прежде всего на графических и вычислительных возможностях, то Maple в полной мере обладает этими возможностями. Но просто наличие программы для педагога еще ничего не значит. Эту программу нужно проанализировать самому педагогу с точки зрения качественности программного обеспечения, овладеть этой программой, чтобы затем преподнести ее в понятном виде для обучающихся. На этот аспект стоит обратить особое внимание, так как лавинообразное увеличение программного обеспечения не сопровождается учебно-методической литературой и большинство справочных программ на английском языке. Преподаватель остается один на один с таинственной программой, которую надо освоить за короткий срок и включить в учебный процесс в виде лекций, практических и лабораторных занятий, являющихся для остальных лишь вершиной айсберга громадной работы. То есть нужно разработать технологию обучения, как систему способов и методов, выбранных в соответствии с поставленными дидактическими задачами.

Таким образом, анализируя содержание учебных планов современных вузов и науки (информатики, математики и педагогики) можно сделать вывод о существовании противоречия между потенциально высокой эффективностью компьютерных занятий и незначительным использованием компьютеров в обучении теории графов.

Указанное противоречие позволяет сформулировать проблему исследования: как организовать деятельность студентов по применению теории графов и компьютеров для решения прикладных задач.

Исходя из поставленной проблемы можно определить объект, предмет и цель исследования.

Объект исследования — процесс изучения теории графов при выполнении студентами лабораторных занятий в компьютерном классе.

Предмет исследования — педагогические средства активизации учебной деятельности, направленной на изучение теории графов.

Цель исследования: разработать и экспериментально апробировать педагогическую систему активизации обучения студентов теории графов с применением компьютеров.

В ходе исследования была выдвинута гипотеза, согласно которой система занятий в курсе теории графов будет эффективна, если:

1) в основу организации учебной деятельности будет положен комплекс учебных задач, отражающий изучение студентами основных положений теории графов;

2) часть задач будет иметь прикладной характер, отражающих основные задачи теории графов;

3) использовать средство обучения, представляющее собой программное обеспечение MAPLE на современных компьютерах (ШМ 586, Pentium) и специальное пособие для студентов, ориентированное на применение MAPLE в изучении теории графов.

Исходя из цели и гипотезы определены следующие задачи исследования:

1. Разработать систему лабораторных занятий в курсе теории графов, включающую систему заданий по основам теории и прикладные задачи.

2. Развить и закрепить навыки практической работы студентов компьютером.

3. Экспериментально проверить эффективность авторской программы компьютерного курса теории графов с использованием разработанного учебного пособия.

Для решения поставленных задач был использован комплекс методов исследования: наблюдение, собеседование, тестирование, анализ литературы, эксперимент, теоретический анализ.

Научная новизна и практическая значимость исследования.

1. Разработана система компьютерных занятий в курсе теории графов, позволяющая использовать адаптированные для студентов методы и способы применения MAPLE для решения прикладных задач теории графов.

2. Составлено учебное пособие для студентов физико-математического факультета по использованию программы MAPLE в курсе теории графов.

3. Разработана система тестирования знаний учащихся.

Апробация и внедрение результатов исследования.

Основные положения диссертации доложены на заседаниях региональных научно-практических конференциях в городе Новокузнецке.

По теме диссертационного исследования прочитаны лекции и проведены занятия со студентами Новокузнецкого государственного педагогического института.

По теме диссертации опубликовано 8 работ.

На защиту выносится:

1. Система компьютерных занятий по курсу теории графов, позволяющая использовать адаптированные для студентов методы и способы использования MAPLE для решения основных прикладных задач теории графов.

2. Педагогические условия, позволяющие эффективно развивать познавательные интересы учащихся.

Структура диссертационного исследования.

Диссертация состоит из введения, двух глав, приложения, списка использованной литературы. Объем основного текста 116 страниц. В приложении приводятся лабораторные работы, которые апробировались на студентах физико-математического факультета НГПИ. Все файлы, имена которых указаны в заданиях, имеются в компьютерных классах, где проводились занятия.

Список литературы

состоит из 113 источников.

Выводы.

1) Несмотря на то, что не все считают теорию графов перспективным направлением, подавляющее большинство уверены в том, что смогут применить полученные знания, особенно с использованием компьютера. Большинство опрошенных уверены, что графы имеют право на изучение в школах и необязательно у школьников должен быть большой запас знаний по математике. То есть, активизация обучения приводит к уверенности студентов в своих способностях на новом для них направлении.

2) Несмотря на то, что у пятикурсников накапливается усталость к концу учебного «марафона», приведенная система педагогических условий вызвала интерес, основанный на новизне, наглядности, скорости, развил глубину и широту мышления (это показывают ответы на11,12и13 вопросы в анкете). Творческое мышление поволило решить некоторые прикладные двумя, тремя способами на графах. А все это является фундаментом активизации.

3) Компьютер является необходимым катализатором учебного процесса и универсальным инструментом как в педагогическом смысле, так и в техническом и математическом.

Кроме тестирования и анкетирования у студентов была выявлена карта интересов по 13 основным предметам, (см. приложение N2). В опросе участвовало 37 человек. Данные представлены в виде диаграммы. графы вне математики графы в математике не знаю.

Рис. 39. Круговая диаграмма ответов на тринадцатый вопрос анкеты.

Информатика.

География ¦¦¦¦¦¦¦¦^¦¦¦¦¦¦¦нвнннн Физика яяяашшяшш.

Химия Техника Транспорт Астрономия Алгебра Геометрия.

Погика ¦¦¦¦¦¦нвнннШ.

НСТ М11 ИЗО.

Музыка яя^^швшшЁкб.

Рис. 40. Гистограмма карты интересов.

Карта интересов была выявлена после проведения лекционных и лабораторных занятий, что могло повлиять на повышение интереса по непрофилирующим предметам: география, химия, техника, так как большинство задач по теории графов имели прикладной характер в области географии, астрономии, электроники, химии, транспорта, логики. Теория графов как бы «растворяется», прибавляя интерес к другим предметам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Педагогическая необходимость использования ЭВМ в учебном процесе обосновывается широким спектром его дидактических возможностей, как качественно нового технического средства обучения, способного выполнять следующие основные функции: организующей усвоение учебного материала, информационной, контролирующей, корректирующей, диагностирующей, управляющей, мотивационной, рационализирующей.

Компьютер играет роль эффективного средства учебно-воспитательной деятельности, является инструментом обработки и анализа педагогической информации, инструментом управления и организации учебно-воспитательной деятельности.

Активизация процесса обучения предполагает тесную связь усвоения знаний с применением их к решению задач, требующих от учащихся поиска нового, отбора данных, видеоизменения привычных действий, инициативности, настойчивости.

Полезны общие указания, обобщения, оформленные в виде сводок правил, схем, таблиц. Они позволяют объединить знания в единую систему. Правильное соотношение логического и эмоционального элементов имеет большое значение для активизации. Использование конкретных ситуаций, затрагивающих эмоции учащихся, повышает их интерес и внимание к изучаемой теме урока.

При изложении нового материала преподавателем активизация процесса обучения может быть достигнута постановкой учебных задач, в том числе и проблемного характера.

Предоставление учащимся большей самостоятельности в учебном процессе нисколько не умаляет роли учителя. Наоборот, активизация обучения требует от него усиления руководства деятельностью учащихся, глубоким пониманием педагогической целесообразности совершаемой работы и знаний психологии усвоения знаний. Средства и и способы активизация процесса обучения зависят от характера учебного предмета, дидактичесой цели занятий, подготовки класса, технических средств.

Активизация учебно-познавательной деятельности студентов физико-математических факультетов высших учебных заведениях озволяет повысить эффективность учебного процесса, если подобраны соответствующие дидактические средства и разработаны задачи, подготовлен соответствующий методический материал.

Разработана схема организации учебно-познавательной деятельности студентов вузов при изучении теории графов с использовании инструментальных математических пакетов. Разработана система заданий для изучения инструментальных математических пакетов на занятиях информатики. Показана эффективность применения инструментального математического пакета Maple при изучении теории графов.

Практическая значимость исследования заключается в возможности применения принципов и методов организации учебно-познавательной деятельности при использовании инструментальных математических пакетов в вузах, в разработке специального учебного пособия «Maple и графы приходят на помощь», предназначенного для проведения занятий по информатике на физико-математических факультетах пединститутов.