Компьютерные программы учебного назначения как средство повышения эффективности химического образования студентов естественнонаучных специальностей

В настоящее время в нашем обществе процессы информатизации стали одними из интенсивно развивающихся. В свою очередь информатизация общества ставит перед собой задачу информатизации образования, а для ее проведения необходимы высококвалифицированные кадры для всех областей общественной жизни и, в первую очередь, преподаватели системы образования. Поэтому одной из глобальных целей информатизации образования является подготовка будущих педагогов, обладающих высокой квалификацией и необходимой информационной культурой, готовых и умеющих применять новые информационные технологии (НИТ) в процессе обучения и управления образованием, а также активно участвующих в информатизации своего образовательного учреждения и общества в целом.

Исследования в этой области начали интенсивно проводиться с 1981 года. Основные результаты исследований в этой области знаний отражены в работах Н. В. Апатовой, С. А. Бешенкова, В. В. Бизюка, Г. А. Бордовского, Ю. С. Брановского, Я. А. Ваграменко, А. И. Галкиной, А. Г. Гейна, Б. С. Гершунского, И. Б. Готской, С. Г. Григорьева, А. П. Ершова, В. А. Извозчикова, Г. А. Кручининой, В. В. Лаптева, М. И. Лапчика, И. В. Роберт, И. А. Румянцева, Т. А. Симаневой, Д. Е. Прокудина и других ученых.

Теории и методике использования компьютерных средств и информационных технологий в профессиональной подготовке студентов посвящены докторские диссертации Ю. С. Брановского, М. И. Жалдака, Э. И. Кузнецова, А. Л. Денисовой. В работе И. В. Вострокнутова разработаны принципы построения моделей оценки эффективности современных информационных технологий учебного назначения. Разработка профессионально-ориентированного курса информатики и вычислительной техники для студентов естественнонаучных специальностей вузов проводилась в работах Прокудина Д. Е., Симаневой Т. А. В исследовании польского ученого Гморха Ришарда рассмотрены оптимальные условия реализации методики применения компьютера в системе профессионально-методической подготовки учителей химии, повышение ее эффективности за счет компьютеризации.

Основная доктрина учебно-методического объединения педагогических учебных заведений Министерства образования Российской Федерации по информатизации образования (УМО ИПО) применительно к вопросу об информатизации высшего педагогического образования состоит в том, что информатика как образовательно-профессиональная и учебно-научная дисциплина по непрофильным (по отношению к информатике) направлениям и специальностям должна входить в область предметной подготовки специалистасодержание этой дисциплины в прикладной ее части должно быть предметно ориентированно.

В соответствии со структурой стандартов педагогического образования эту задачу можно решать двумя путями:

• общее введение в информатику включается в разряд общенаучных дисциплин (в бакалавриате для этого имеется общепредметный блок, а в стандарте специалиста — цикл общенаучных дисциплин в рамках предметного блока);

• информатика как инструмент для конкретных предметных приложений в рамках данного профиля подготовки актуализируется в интегративном ядре предметного блока стандартов (например, в форме практикума по информационному моделированию).

Эти положения реализованы в принятых стандартах высшего педагогического образования. Включение информатики в сферу предметной подготовки заставляет расширить и предметно ориентировать ее содержание, сделать этот курс способным обслуживать приложения информатики в предметной области [60, 61].

Анализ учебных планов и программ дисциплин базовой подготовки учителей-предметников на естественнонаучных факультетах педагогических вузов и университетов показал, что содержание учебных курсов, обеспечивающих необходимый квалификационный уровень подготовки в области новых информационных технологий и методики их преподавания еще не отвечает, в полной мере, современным требованиям Государственного стандарта профессионального педагогического образования по направлению «Естествознание» .

Для устранения этого противоречия необходимо решить научно-педагогическую проблему по разработке принципов проектирования содержания курса новых информационных технологий и методики обучения НИТ для подготовки студентов естественнонаучных специальностей педагогических вузов к использованию средств новых информационных технологий в своей будущей профессиональной деятельности, то есть в учебном процессе. В дидактике химии существуют большие возможности применения НИТ для составления контрольных работ, моделирования химических процессов и явлений, компьютеризации химического эксперимента, решения задач и проведения количественных расчетов, осуществления самоконтроля и стандартизированного контроля знаний. Эти и другие возможности применения компьютеров в обучении химии сдерживаются из-за нерешенности следующих проблем методики:

• Нет общего подхода к совершенствованию химического эксперимента, методике обучения решению химических задач на основе достижений современной техники.

• Не разработаны критерии оценки компьютерных программ по химии для высшей школы.

• Отсутствует единая классификация педагогических программных средств.

• Не рассмотрены интеграционные процессы между химией и информатикой, между дидактикой химии и новыми информационными и коммуникационными технологиями как областями человеческого знания.

• Отсутствуют четкие и достаточные обоснования применения компьютеров в обучении химии студентов естественнонаучных дисциплин и компьютеризации профессионально-методической подготовки будущих учителей химии.

• Не разработана методика измерений качества образования студентов и оценка степени нагрузки обучаемых при использовании информационных образовательных технологий.

В теории и практике компьютеризации образования и обучения, несмотря на имеющиеся предпосылки, все еще остается проблема компьютеризации профессионально-методической подготовки преподавателей химии, биологии, экологии.

В предлагаемой диссертации исследуются вопросы повышения эффективности образования по химии студентов естественнонаучных факультетов на основе использования компьютерных программно-методических комплексов по химии, рассматривается психологический аспект использования НИТ в педагогическом процессе. Отметим, что авторами в выше упомянутых работах, исследованиям такого характера отводилась особая роль, раскрывались огромные потенциальные возможности НИТ в учебном процессе для естественнонаучных и гуманитарных специальностей. Особенность нашего исследования в том, что мы рассматриваем проблему компьютеризации обучения химии с двух сторон: усовершенствование методики обучения химии и предоставление возможностей НИТ в организации учебного процесса и подготовки высококвалифицированных специалистов.

Таким образом, необходимость в специальной подготовке будущих педагогов, в четко построенной системе обучения, позволяет определить основные направления научных исследований, необходимых для внедрения новых информационных технологий и эффективных методик обучения будущих специалистов-преподавателей, а тему диссертационного исследования по применению новых информационных технологий для повышения эффективности образования, как актуальную, чрезвычайно перспективную и своевременную.

Актуальность настоящего исследования определяется тем, что компьютеризация образовательного процесса имеет не только научное, но и прикладное значение, связанное с разработкой и реализацией методики проведения компьютерных занятий с использованием готового прикладного программного обеспечения, в частности, компьютерных программно-методических комплексов, включающих компьютерные программы учебного назначения по профилирующим дисциплинам.

Проблема диссертационного исследования определяется наличием противоречий:

• между потребностями информатизации образования, социальным заказом общества на подготовку высокообразованных специалистов, вооруженных знаниями по применению компьютерной технологии в предметной области и нерешенностью этой проблемы в подготовке преподавателей химии, биологии, экологии;

• между традиционным содержанием, технологией образования и современными требованиями к уровню знаний, интегративным умениям и информационной культуре;

• между потребностью преподавателей в прикладных знаниях по использованию компьютеров в обучении и не разработанностью методических условий компьютеризации подготовки всесторонне развитых специалистов.

Цель работы состоит в разработке и практической реализации основ повышения эффективности образования по химии студентов естественнонаучных специальностей вузов на основе систематического и непрерывного использования компьютерных программ учебного назначения.

Объектом диссертационного исследования является процесс совершенствования образования студентов естественнонаучных специальностей университетов и педвузов.

Предметом исследования являются основы повышения эффективности образования по химии студентов естественнонаучных специальностей университета на основе использования компьютерных программ учебного назначения.

Гипотеза исследования состоит в том, что эффективность образования студентов по химии значительно повысится, если в содержание и систему обучения будут входить, как составные элементы, электронные средства поддержки образовательного процесса, с учетом систематического и непрерывного, педагогически оправданного использования компьютерных программ учебного назначения, психолого-педагогических особенностей обучаемых в условиях реализации личностно ориентированного обучения и межпредметных связей информатики с профильными дисциплинами.

Исходя из цели исследования и выдвинутой гипотезы были поставлены следующие задачи:

1. Создание теоретической модели дидактической информационной среды обучения студентов естественнонаучных специальностей университета на основе использования педагогических возможностей компьютерных программно-методических комплексов и программных приложений.

2. Практическая реализация отдельных модулей дидактической информационной среды обучения.

3. Исследование психолого-педагогических возможностей компьютерных интеллектуальных систем в обучении студентов естественнонаучных специальностей.

4. Анализ компьютерного программного обеспечения учебного назначения по химии.

5. Разработка и апробация в учебном процессе компьютерного программно-методического комплекса по химии.

6. Экспериментальное исследование эффективности использования компьютерных программ учебного назначения по химии в профессиональном образовании студентов естественнонаучных специальностей университета.

Для достижения целей исследования, проверки гипотезы и решения поставленных выше задач были использованы следующие методы исследования: теоретический анализ проблемы на основе изучения психологической, педагогической, методической и технической литературыэлектронных информационных ресурсов по естественнонаучным дисциплинам, сбор первичной информации о имеющимся программном обеспечении по циклу естественных наукметоды абстрагирования и моделирования, заключающиеся в установлении общих свойств объекта, замещении дидактической системы моделью и получении знаний о системе с помощью ее моделинаблюдение за ходом образовательного процесса, за деятельностью студентовбеседы с преподавателями, студентамитестирование студентовпедагогический эксперимент, включающий внедрение модуля разработанного компьютерного программно-методического комплекса в учебный процесс, отработку методики преподавания химии с помощью компьютерных учебных программ и проверку эффективности ее использованияматематические методы и обработки результатов педагогических исследований, основанные на математической статистикеанализ и обобщение опыта экспериментальной работы.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования заключается в том, что:

• предложена теоретическая модель дидактической информационной среды обучения студентов естественнонаучных специальностей университета на основе использования педагогических возможностей компьютерных программно-методических комплексов и программных приложений;

• спроектированы научно-методические основы по разработке и использованию компьютерных программно-методических комплексов по химии для обучения студентов профилирующих специальностей;

• созданы электронные учебники по химии, включающие разделы «Строение атома», «Химическая связь», «Кинетика химических реакций» ;

• выявлено влияние предложенного профессионально-ориентированного компьютерного программно-методического комплекса на повышение эффективности химического образования и профессиональную ориентацию студентов.

Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что они могут служить основой для проектирования и проведения компьютерных занятий по химии, разработки компьютерных программ учебного назначения с целью повышения эффективности образования студентов естественнонаучных специальностей. Разработан модуль компьютерного программно-методического комплекса по химии и приведены доказательства эффективности его внедрения на лабораторно-практических занятиях студентов естественнонаучных специальностей: «Химия», «Биология», «Экология» .

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечены проведенным анализом прикладного программного обеспечениясозданием модуля компьютерного программно-методического комплексаметодом математической статистики при обработке данных педагогического эксперимента.

Опытно-экспериментальная база: исследование проводилось в Ставропольском государственном университете на биолого-химическом факультете. Им были охвачены преподаватели университета, студенты старших курсов, студенты первых курсов по специальностям «химия», «биология», «экология» — всего около 200 человек.

Апробация работы и внедрение результатов. Они получили отражение в научной статье, методическом пособии, докладах на конференциях и тезисах докладов автора. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на научно-методических семинарах кафедры ИТОиУ и кафедры неорганической химии в период с 1998 по 2001 гг., на ежегодных научно-практических конференциях преподавателей и студентов Ставропольского государственного университета (1996, 1999, 2000, 2001), на региональных научно-методических конференциях «Университетская наука — региону» (Ставрополь, СГУ, 1999;2001гг.), на межвузовской научно-практической конференции «Пропедевтика химического знания» (Тобольск, ТГПИ, 1998г), на Международной научно-практической конференции «Совершенствование преподавания химии в школе и вузе» (Иркутск, ИГПУ, 1999г), на Всероссийской научно-практической конференции «Современный химический практикум» (Тобольск, ТГПИ, 1999 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Информатизация образования — 2000» (Хабаровск, ХГПУ, 2000 г.).

Материалы исследования изложены в 9 научных трудах.

На защиту выносятся следующие положения:

• Необходимость теоретического обоснования целесообразности применения новых информационных технологий для повышения эффективности химического образования.

• Разработанные научно-методические основы проектирования компьютерных программно-методических комплексов по химии, ориентированные на формирование у студентов практических умений и навыков применения НИТ в профилирующих предметах, позволяют осуществить личностно ориентированное обучение в условиях развивающегося информационного общества.

• Практическая реализация возможностей компьютерных программно-методических комплексов в обучении студентов естественнонаучных специальностей способствует повышению эффективности образования, которое сказывается на их профессиональной направленности и формировании информационной культуры.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка используемой литературы и трех приложений. Общий объем диссертации составляет 180 страниц. Из них 145 с. — основной текст, 18 с. — список литературы из 132 наименований. В тексте содержится 8 схем, 7 таблиц, 2 диаграммы. Компьютерные программы учебного назначения, используемые в педагогическом эксперименте, представлены на магнитных носителях. Приложение содержит 20 страниц.

Выводы ко второй главе.

Достичь новых результатов в обучении можно на основании новых информационных технологий с хорошо разработанной методикой. Применение современных информационных технологий существенно дополняет традиционные взгляды на методику преподавания химии, структуру и организацию учебной деятельности, делает изучение предмета более интересным, содержательным, зрелищным, что очень важно для успешного преподавания естественных дисциплин в университете. Приведенное программное обеспечение позволяет реализовывать основные группы задач, рассмотренные в I главе диссертации.

В настоящем исследовании в результате проведенного исследования влияния компьютерного обучения химии на профессиональную направленность, можно сделать сделать следующий вывод: обучение химии с помощью компьютера является мощным усилителем профессиональных качеств и ярким мотивационным компонентом в приобретении навыков будущего специалиста.

Проведенный педагогический эксперимент показал, что эффективность образования значительно повысится, если в методику обучения химии будут входить компьютерные программы учебного назначения при условии создания дидактической информационной среды.

Заключение

.

Одна из тенденций образования — индустриализация обучения, его компьютеризация и сопровождающая ее технологизация, что позволяет действенно усилить интеллектуальную деятельность современного общества. Создание системы образования, способной подготовить население нашей планеты к жизни в условиях меняющегося мира, — одна из наиболее важных и актуальных проблем современного общества.

Сегодня мы должны видеть в специалисте с высшим образованием человека, свободно ориентирующегося в мировом информационном пространстве, имеющего необходимые знания и навыки для того, чтобы осуществлять поиск, обработку и хранение информации, используя современные информационные технологии, компьютерные коммуникации и системы. Развитость и совершенство методов и средств современных информационных технологий создают реальные возможности для их использования в системе образования с целью развития творческих способностей человека в процессе его образования. Именно с новыми информационными технологиями мы сегодня связываем реальные возможности построения открытой образовательной системы, позволяющей каждому человеку выбирать свою собственную траекторию обучениякоренного изменения технологии получения нового знания посредством более эффективной организации учебного процесса на основе такого важнейшего дидактического свойства компьютера, как индивидуализация учебного процесса при сохранении его целостности за счет программируемое&tradeи динамической адаптированности учебных программ.

Образование — это единственная надежда на преодоление глобального кризиса современной цивилизации, на создание необходимых условий не только для ее выживания в настоящем, но и устойчивого развития в будущем.

В заключении приведем основные выводы и результаты проведенного диссертационного исследования:

1. Разработана теоретическая модель дидактической информационной среды обучения студентов естественнонаучных специальностей университета на основе использования педагогических возможностей компьютерных программно-методических комплексов и программных приложений.

2. Исследованы психолого-педагогические возможности компьютерных интеллектуальных систем в обучении студентов естественнонаучных специальностей.

3. Проанализированы компьютерные программы учебного назначения по химии.

4. Разработан и апробирован в учебном процессе компьютерный программно-методический комплекс по химии.

5. Проведенный педагогический эксперимент показал, что образовательный процесс будет эффективен, если в методику обучения химии будут входить компьютерные программы учебного назначения при условии создания дидактической информационной среды.