Система обучения информатике будущих учителей химии и биологии, основанная на использовании технологии графического программирования

Актуальность исследования. Приоритетным направлением развития современной педагогической науки является совершенствование подготовки студентов педагогических вузов, ведущее к осознанному, эффективному и творческому использованию средств информационных технологий. Возрастающая потребность в специалистах, способных эффективно использовать информационные технологии, ставит новые задачи в организации и модернизации общего и специализированного образования и, как следствие, собственно процесса подготовки преподавателя, способного решать новый класс профессиональных задач.

К настоящему времени уже создан значительный теоретический фундамент, позволяющий в достаточно широком контексте рассматривать проблему информатизации образовательного процесса, выявлены психологические основы использования компьютерной техники в учебном процессе. Вместе с тем ряд вопросов подготовки студентов естественнонаучных факультетов педагогических вузов в области методики обучения и воспитания школьников в условиях информатизации образования проработан в недостаточной мере. В частности, возникает необходимость критического осмысления отечественного и зарубежного опыта подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии.

В настоящее время для подготовки таких педагогов используются достаточно общие по своему характеру системы обучения информатике, предназначенные для педагогических вузов в целом. В числе авторов, посвятивших свои научные труды становлению и развитию курса информатики для педагогических вузов можно отметить Т. А. Бороненко, С. Г. Григорьева [24], В. Е. Жулокалова, A.A. Кузнецова [55], М. П. Лапчика, И. В. Левченко, A.B. Могилева, Н. И. Пака, Е. К. Хеннера и других.

Проблемам возможностей и дидактической целесообразности использования средств информационно-коммуникационных технологий.

ИКТ) посвящено значительное количество исследовательских работ, касающиеся задач и методов преподавания естественнонаучных дисциплин, ориентированные на качественно новое, отвечающее современным требованиям обучение будущих учителей химии и биологии по профильному курсу. Концепция применения ИКТ в учебном процессе сформировалась благодаря трудам ряда отечественных и зарубежных ученых, среди которых следует отметить работы Б. Ф. Ломова, О. К. Тихомирова [122], В. В. Рубцова [99, 100], Н. Ф. Талызиной [117−119], Т. В. Габай [18], Е. И. Машбиц [69], И. В. Роберт [94−97], А. Л. Семенова и др. Анализу компонент педагогической деятельности преподавателей, эффективность которых может быть повышена с использованием ИКТ посвящены работы Н. Ф. Талызиной [117−119], И. В. Роберт [94−97], Т. А. Сергеевой, Т. В. Габай [18] и другие.

Работа педагога в школьном классе химии или биологии связана с навыком проведения демонстраций различного рода явлений, например, химических реакций или развития организмов под влиянием факторов роста, а также клеточные превращения, наблюдаемые лишь при наличии соответствующего оборудования. В связи с этим особое место при подготовке педагогов в области химии и биологии занимают информационные технологии, связанные с созданием наглядных виртуальных демонстраций. Существенными возможностями с точки зрения проведения демонстраций обладают виртуальные лаборатории, создание которых может осуществляться с использованием технологии графического программирования. С учетом этого особенности их разработки и использования должны найти соответствующее отражение при подготовке учителей химии и биологии в области информатики.

Графическим (визуальным) программированием называется программирование, предназначенное для написания программ для компьютера или вычислительного устройства, в котором вместо текстового описания алгоритма используется графическое описание. К графическому программированию можно отнести генерацию кода по блок-схемам.

Графическому программированию посвятили свои исследования Е. А. Балыко [7], Д. М. Ксенофонтов, Н. Б. Куншина [89], В. Е. Махов, П. М. Михеев, Р. Г. Насырова, Д. В. Погодин, А. И. Потапов [68], Ф. В. Потёмкин, А. Г. Самойлов, Г. Г. Сергеев, И. А. Степаненко, Д. С. Шантырь и другие.

Виртуальными лабораториями называются программно-аппаратные комплексы, позволяющие проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном отсутствии таковой. Среди авторов, посвятивших свои исследования виртуальным лабораториям, следует отметить Д. А. Бобылёва, O.A. Великосельского, Е. А. Гаджиеву, К. С. Гамбург [20], C.B. Григорьеву [28], В. А. Зелепухину, П. Г. Круга, С. Е. Лозовского, О. И. Ляша, A.B. Меженина, А. Э. Панфилова, П. А. Рахмана, П. Г. Шилова. В то же время проблемы изучения технологии графического программирования с целью последующего создания и применения виртуальных лабораторий до сих пор не решены применительно к курсу информатики для будущих учителей химии и биологии.

Анализ методической системы обучения информатике будущих учителей химии и биологии свидетельствует о: недостаточной подготовке педагогов к использованию информационных технологий и, в частности, виртуальных лабораторий в последующей профессиональной деятельностиотсутствии методов обучения технологии графического программирования, предусматривающих подготовку педагогов к созданию и применению виртуальных лабораторий, соответствующих реальным экспериментам;

— необходимости поиска программных средств и технологий для создания виртуальных лабораторий, использование которых было бы возможно в качестве средств обучения.

Таким образом, имеет место противоречие между необходимостью формирования у будущих учителей химии и биологии в процессе обучения информатике знаний и умений в области создания виртуальных демонстраций химических и биологических экспериментов, с одной стороны, и, с другой стороны, отсутствием методической системы подготовки по информатике студентов химических и биологических специальностей педагогических вузов, предусматривающей обучение графическому программированию как технологии создания виртуальных лабораторий.

Приведенное выше противоречие позволяет сформулировать проблему исследования, заключающуюся в отсутствии методической системы обучения информатике для студентов — будущих учителей химии и биологии, способствующей приобретению знаний и умений в области графического программирования и создания наглядных виртуальных демонстраций, необходимых для последующей профессиональной деятельности.

Целыо исследования является совершенствование методической системы обучения информатике студентов педагогических вузов, обучающихся по специальностям «учитель химии» и «учитель биологии», направленное на формирование знаний и умений в области создания наглядных виртуальных демонстраций химических и биологических экспериментов с использованием технологии графического программирования.

Объект исследования: система обучения информатике будущих учителей химии и биологии в педагогических вузах.

Предмет исследования: содержание, методы и средства обучения технологии графического программирования в рамках курса информатики для студентов педагогических вузов, обучающихся по специальностям «учитель химии» и «учитель биологии».

Гипотеза исследования: если система обучения информатике будет предусматривать знакомство с технологией графического программирования, то это будет способствовать формированию у будущих учителей химии и биологии готовности к созданию и использованию виртуальных лабораторий и наглядных виртуальных демонстраций химических и биологических экспериментов, что, в конечном итоге, будет влиять на повышение эффективности последующей профессиональной деятельности выпускников педагогических вузов.

Цель, объект, предмет и гипотеза исследования обусловили необходимость решения следующих задач:

1. Проанализировать специфику подготовки и выявить особенности обучения информатике будущих учителей химии и биологии в педагогическом вузе;

2. Определить возможности применения технологии графического программирования при создании виртуальных лабораторий по химии и биологии;

3. Определить цели и принципы подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии;

4. Разработать содержание и методы обучения технологии графического программирования в курсе информатики для студентов химических и биологических специальностей педагогических вузов;

5. Выявить программные и технические средства, необходимые для обучения технологии графического программирования в курсе информатики;

6. Экспериментально проверить эффективность системы обучения информатике будущих учителей химии и биологии.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: анализ педагогической литературы по химии, биологии, информатикеизучение литературы в области графического программированияанализ вузовских стандартов, учебников и учебных пособий по курсу информатики будущих учителей химии и биологиистатей и докладов по тематике работыизучение и обобщение педагогического опытаанализ учебного процесса и учебно-познавательной деятельностиэкспериментальный метод при апробации курса в учебном процессе.

Теоретико-методологической основой исследования являются научные труды:

— в области философии и психолого-педагогической науки (Ю.К. Бабанского, В. П. Беспалько, Л. С. Выготского, П. Я. Гальперина, В. В. Давыдова, В. В. Краевского, А. Н. Леонтьева, И .Я. Лернера, М. Н. Скаткина, Н. Ф. Талызиной, Л. М. Фридмана, и др.);

— в области информатизации образования (С.Г. Григорьева, В. В. Гриншкуна, Т. Ю. Ильиной, К. К. Колина, В. М. Монахова, C.B. Патоковой, И. В. Роберт, Н. В. Сафроновой, O.K. Филатова, И. А. Щербакова и др.);

— методики обучения информатике (С.А. Бешенкова, Т. А. Бороненко, А. Р. Есаяна, В. Е. Жужжалова, О. Ю. Заславской, Т. Б. Захаровой, A.A. Кузнецова, И. В. Левченко, А.Я. Фридланда);

— в области обучения технологии графического программирования (В.В. Андреева, Е. Т. Володарского, А. Г. Калашникова, В. И. Королькова, A.B. Пеца, Ю. М. Туза, Г. Н Уварова, A.M. Умнова, Д. В. Чупрова, R. Baecker, А. Berztiss, M. Brown, R. Chandhok, С. Christensen, О. Clarisse, R. Grafton, T. Ichikawa, E. Jungert, R. Korfhage, B. A. Myers, A. Sareen, R. Sedgewick, D. Smith, W. Sutherland, M. Zloof, и др.).

Научная новизна исследования состоит в следующем:

1. Обосновано, что графическое программирование является эффективной технологией для создания химических и биологических демонстраций и виртуальных лабораторий, значимых с точки зрения обучения химии и биологии;

2. Выявлено, что знакомство с технологией графического программирования в сочетании с применением виртуальных лабораторий способствует эффективному формированию у педагогов готовности к использованию указанных средств в обучении школьников химии и биологии;

3. Определены принципы обучения технологии графического программирования студентов педагогических вузов, ориентированные на моделирование реальных химических и биологических экспериментов, значимых для профессиональной деятельности учителей химии и биологии.

Теоретическая значимость исследования заключается в том, что обоснована необходимость введения раздела «Технология графического программирования при создании виртуальных лабораторий» в содержание курса информатики для будущих учителей химии и биологии. Определены принципы подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии с использованием технологии графического программирования, в частности, принципа графического представления учебного материала при создании виртуальных лабораторий.

Практическая значимость исследования состоит в том, что отобраны учебные материалы по технологии графического программирования, необходимые будущим учителям химии и биологии, разработаны методы обучения технологии графического программирования для создания виртуальных лабораторий и реальных демонстраций по курсам химии и биологиив частности, созданы лабораторные работы по информатике по созданию наглядных демонстраций в среде ЬаЬУ1Е?, изображающих изменение температуры растений в зависимости от комнатной температуры, зависимость скорости реакции окисления цинка от температуры, а также другие лабораторные работы.

Достоверность результатов исследования обеспечивается опорой на основные положения педагогики и психологии, апробацией материалов исследования в реальном учебном процессе по информатике в рамках подготовки будущих учителей химии и биологии в педагогическом вузе, итогами педагогического эксперимента.

Экспериментальной базой исследования являлась кафедра информатизации образования Института математики и информатики ГОУ ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет» Исследование проводилось с 2007 по 2011 годы в Институте естественных наук ГОУ ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет» и включало в себя три этапа.

На первом этапе (2007;2008 г. г.) было изучено теоретическое и практическое состояние проблемы обучения информатике студентовбудущих учителей химии и биологии, исследованы различные теории обучения путем анализа учебной, философской, психолого-педагогической, методической и специальной литературы, периодических изданий и статей по тематике исследованиявыявлены возможные подходы к обучению технологии графического программирования в курсе информатики.

На втором этапе (2008;2009 г. г.), исходя из проделанной работы, были определены цели, задачи, основные методы, объект, предмет исследования, сформулирована гипотеза исследования, выявлены основные компоненты экспериментальной технологии. На этом же этапе подготовлены дидактические и методические материалы и проведена их апробация, структурирован учебный материал, разработано содержание раздела курса информатики «Технология графического программирования при создании виртуальных лабораторий».

На третьем этапе (2009;2011 г. г.) проводились экспериментальное обучение по разработанной методике с целью выявления ее эффективностиобработка полученных данных на основе математической статистикианализ, систематизация, обобщение, содержательная интерпретация и оформление диссертационного исследования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Внедрение раздела, посвященного технологии графического программирования, в курс информатики для будущих учителей химии и биологии способствует формированию у будущих педагогов готовности к использованию наглядного моделирования химических и биологических экспериментов в виртуальных лабораториях для более качественного обучения школьников химии и биологии;

2. Учет принципа графического представления учебного материала при создании виртуальных лабораторий, а также других выявленных принципов при обучении технологии графического программирования способствует повышению интереса студентов к изучению информатики и, как следствие, способствует формированию у учителей потребности к применению информационных и телекоммуникационных технологий в педагогической деятельности;

3. Использование программной оболочки графического программирования ЬаЬУ1Е? способствует эффективному обучению студентов информатике и влечет за собой развитие у будущих педагогов профессиональных качеств, значимых для визуализации химико-биологических экспериментов.

Апробация и внедрение результатов диссертационного исследования. Основные результаты исследования апробированы на XVI, XVIII и XIX Международных научных конференциях «Информационные технологии в образовании (ИТО)» (Москва, 2006, 2008, 2009), на Международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2009), Первой международной конференции «Образование в сфере нанотехнологий: современные подходы и перспективы» (Москва, 2010), научных семинарах и заседаниях кафедры информатизации образования Института математики и информатики ГОУ ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет» (2007;2011).

Результаты диссертационного исследования внедрены в процесс подготовки студентов — будущих учителей химии и биологии в ГОУ ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет».