Шокалюк Світлана Вікторівна

Методичні засади комп’ютеризаціїсамостійної роботи старшокласників

у процесі вивченняпрограмного забезпечення

математичного призначення

Національний педагогічний університет ім. М.П. ДрагомановаІнститут інформатики

13.00.02 – теорія і методика навчання (інформатика)

Дисертація на здобуття наукового ступенякандидата педагогічних наук

Науковий керівник: кандидат педагогічних наук, доцентСемеріков Сергій Олексійович

Черкаси - 2009

2

Актуальність дослідження

особлива значимість самостійної роботи учнів за умов переходу від закритого навчального середовища до системи відкритої і неперервної освіти

залежність результатів організації самостійної роботи від способів застосування інноваційних інформаційно-комунікаційних технологій, зокрема технологій мережного навчання

ефективність програмного забезпечення математичного призначення як засобу підтримки навчання математики, фізики та інформатики

нерозробленість методики мережеорієнтованої моделі навчання програмного забезпечення математичного призначення

відкриття нового класу програмного забезпечення математичного призначення – мережних систем комп’ютерної математики та можливість їх інтеграції з системами дистанційного навчання в єдиному динамічному навчальному середовищі для підтримки учнівських досліджень

3

Мета дослідження

теоретичне обґрунтування та розробка окремих компонентів комп’ютерно-орієнтованої методики самостійної роботи з вивчення сучасних мережних технологій математичного призначення в старших класах загальноосвітніх шкіл

4

Завдання дослідження (1)

1. Розробити методичні засади організації позаурочної самостійної роботи учнів у процесі вивчення програмного забезпечення математичного призначення.

2. Дослідити можливості застосування мережних систем комп’ютерної математики для навчання програмного математичного призначення з використанням засобів технологій дистанційного навчання.

5

Завдання дослідження (2)

3. Розробити окремі компоненти методичної системи навчання розділу “Прикладне програмне забезпечення навчального призначення” шкільного курсу інформатики за допомогою мережних систем комп’ютерної математики та програмно-методичне забезпечення дистанційного факультативу «Комп’ютерні технології у наукових дослідженнях» для підтримки самостійної роботи учнів у мережних системах комп’ютерної математики.

4. Експериментально перевірити ефективність організації позаурочної самостійної роботи учнів у процесі вивчення програмного забезпечення математичного призначення у формі дистанційного факультативу.

6

Об’єкт дослідження самостійна робота з інформатики учнів старших класів

Предмет дослідження методика організації позаурочної самостійної роботи учнів старших класів загальноосвітніх шкіл з опанування мережного програмного забезпечення математичного призначення засобами технологій дистанційного навчання

7

Наукова новизна дослідженнявперше теоретично та експериментально обґрунтовані окремі компоненти методики організації самостійної роботи учнів з вивчення мережного програмного забезпечення математичного призначення засобами технологій дистанційного навчанняуточнено зміст навчального матеріалу розділу «Прикладне програмне забезпечення навчального призначення» шкільного курсу інформатики, опанування яким сприяє формуванню навичок самостійної дослідницької роботи з використанням систем комп’ютерної математики набули подальшого розвитку методичні основи застосування технологій дистанційного навчання старшокласників

8Практичне значеннядослідження (1)

1. Обґрунтовано вірогідність припущення про те, що об’єднання систем дистанційного навчання та комп’ютерної математики у єдиному діяльнісному середовищі для підтримки учнівських навчальних досліджень та його систематичне і цілеспрямоване використання у процесі вивчення програмного забезпечення математичного призначення сприяє підвищенню інформатичної і математичної культури учнів та рівня їхніх навчальних досягнень учнів, формуванню навичок дослідницької діяльності з використанням систем комп’ютерної математики.

2. Розроблено окремі компоненти методичної системи управління позаурочною самостійною роботою учнів з вивчення мережних технологій математичного призначення засобами технологій дистанційного навчання в старших класах загальноосвітніх шкіл.

9

Практичне значення дослідження (2)

3. Розроблено і впроваджено в навчальний процес програмно-методичний комплекс навчального призначення, реалізований у вигляді електронного посібника, що містить теоретичні положення, систему демонстраційних прикладів, відеоуроки та засоби для генерування математичних текстів в системі дистанційного навчання MOODLE.

4. Розроблено дистанційний факультатив «Комп’ютерні технології у наукових дослідженнях» для учнів старших класів загальноосвітніх навчальних закладів на основі платформи дистанційного навчання MOODLE та мережної системи комп’ютерної математики SAGE.

5. Розробка висунутих теоретичних положень доведена до практичної реалізації у вигляді посібника для практичної підготовки та дистанційного курсу.

10

засіб навчання(П.І. Підкасистий та ін.)

особливий вид навчально-пізнавальної діяльності

така робота учня, що виконується без безпосередньої участі вчителя, але за його завданням у спеціально відведений для цього час; при цьому учні свідомо

прагнуть досягти поставленої в завданні мети і виражають в тій або іншій формі результати своїх дій

(розумових або фізичних) (Б.П. Єсипов)

метод навчання(Ю.К. Бабанський,

І.Я. Лернер, А.В. Усова та ін.)

Самостійна робота

форма організації навчального процесу

(О.Г. Мороз та ін.)

11

МЕТОДИ:Робота з навчальними ресурсами

у друкованому чи цифровому форматахРозв’язування задач

СпостереженняНавчальний експеримент

Конструювання й моделюванняНавчальне проектування

ВИДИза часом проведення у навчальному процесі:- на уроках- у позаурочний час

за проявом у формах навчання:- підготовка до уроків, контрольних робіт, іспитів- виконання практичних завдань- написання рефератів- підготовка до олімпіад- виконання творчих робіт

за ступенем самостійності:- за зразком (репродуктивна)- варіативна- реконструктивна- творча

ЗАСОБИдидактичні:

підручники, посібники та ін.інструментальні:

інформаційно-комунікаційні технології навчання

Види самостійної роботи учнівта структурні компоненти

методики її організації

ОРГАНІЗАЦІЙНІ ФОРМИ:Домашня навчальна робота

Семінари та практикумиПредметні гуртки й факультативи

Курси за вибором (елективні курси)Предметні олімпіади та конкурси

12Інноваційні засоби комп'ютеризації самостійної роботи

Мережні інформаційно-комунікаційні технології

Мережні технологіїТехнологіїмережногонавчання

Технологіїелектронного

навчання

Технологіїдистанційного

навчання

Технологіїмобільногонавчання

Програмно-апаратнізасоби:ПК, мережнез'єднання

Дидактичнізасоби:навчальні ресурси мережі, електроннийпідручник

Програмно-апаратнізасоби:+ СДН

Дидактичнізасоби:+ дистанційні курси

Програмно-апаратнізасоби:Нетбуки та іншімобільні пристрої

Дидактичнізасоби:+ дистанційні курсиз мобільним доступом

- електронна пошта- пошукові системи- тематичні каталоги- освітні портали- Wiki- блоги та ін.

13

Особливості дистанційного навчання школярів

дистанційне навчання є додатковим до традиційного класно-урочного навчання до вибору навчальної платформи дистанційного навчання школярів ставлять такі

вимоги: наявність інтуїтивного інтерфейсу, довідки та документації рідною мовою зручність управління змістом і спілкуванням з користувачами можливість розширення сукупності використовуваних компонентів

відповідно до зростаючих потреб та умінь вчителя й учнів підтримка різних форм комунікації та групових форм навчання, взаємного

оцінювання та самоуправління наявність інструментів, що служать для підтримки складових елементів

процесу навчання в середній школі

при розробці шкільного дистанційного курсу необхідно забезпечити: використання різноманітних складових елементів системи дистанційного

навчання оформлення теоретичного матеріалу у гіпертекстовому та

мультимедійному форматі наявність списку рекомендованої додаткової друкованої літератури та

точних гіперпосилань включення до навчального матеріалу всіх додаткових питань, які можуть

виникнути в учнів у процесі навчання оцінювання кожної вивченої теми окремо

14

Програмне забезпеченняПрограмне забезпеченняматематичного призначенняматематичного призначення

науково-дослідницькенавчально-дослідницьке

система динамічної геометрії DG(С.А. Раков, К.О. Осенков)

програмний комплекс GRAN(М.І. Жалдак, Ю.В. Горошко)

Web-версії системCabri, Geogebra

спеціалізовані математичні пакети(GAP, Macaulay, Singular та ін.)

програмні засобивізуалізації математичних даних

(GnuPlot, JMol, LaTeX та ін.)

системи геометричного моделювання(3DS Max, ANSYS та ін.)

системи комп’ютерної математики(Derive, MathCAD, Maple, Matlab,

Mathematica, Maxima, SAGE та ін.)

інші

15

Інформаційні технологіїматематичного призначення

у шкільному курсі інформатики

Назва розділу шкільного курсу інформатики Кількість навчальних годин

“Прикладне програмне забезпечення загального призначення” (1996 р.)

6 (10 клас)

“Прикладне програмне забезпечення навчального призначення” (2002 р.)

4 (10 клас)

4 + 2 (10 та 11 класи відповідно для фізико-

математичного та технологічного профілів)

“Прикладне програмне забезпечення навчального призначення” (рівень стандарту, 2008 р.)

4 (10 клас)

“Програмні засоби для математичних обчислень” (академічний рівень, 2008 р.)

5 (11 клас)

16

Зміст:програма

дистанційного факультативу

Організаційні форми:дистанційний факультатив Засоби:

Методи:робота з навчальними

ресурсами у СДНрозв’язування задач у середовищі Web-СКМ

навчальне проектування

Методика організації самостійної роботи

з опанування програмного забезпечення математичного

призначення

Мета:поглиблене вивчення розділу

“Прикладне програмне забезпечення навчального

призначення” шкільного курсу інформатики засобами

діяльнісного середовища для алгебраїчних та геометричних

досліджень SAGE

Інструментальні засоби:СДН MOODLE

Web-СКМ SAGE

Методичні засоби:інструктивно-методичні

матеріаликритерії оцінювання

Дидактичні засоби:навчальний посібник

конспекти дистанційних уроківзавдання для практичного виконання

відеододаткитестові завдання

17

Режим доступу: http://cc.ninehub.com/

Тривалість навчання:34 тижні = 20 тижнів (10 клас, 2 семестр) + 14 тижнів (11 клас, 1 семестр)

18

Програмадистанційного факультативу

“Комп’ютерні технології у наукових дослідженнях” (1)

№ Назва модуляКількість

навчальних тижнів

10 клас, 2 семестр

1. Вступ до курсу 2

2. Початок роботи у SAGE 2

3.LaTeX як засіб візуалізації математичних текстів

2

4. Перетворення виразів 3

5. Робота з графікою в SAGE 4

6. Розв'язування рівнянь та їх систем 3

7. Елементи програмування 4

19

Програмадистанційного факультативу

“Комп’ютерні технології у наукових дослідженнях” (2)

№ Назва модуляКількість

навчальних тижнів

11 клас, 1 семестр

8. Операції математичного аналізу 4

9. Операції над векторами та матрицями 3

10. Диференціальні рівняння 3

11. Елементи комбінаторики 4

12. Робота над навчальним проектом

20

Вибір платформи дистанційного навчання

Lotus Learning Space(IBM,http://www.lotus.com)

MOODLE(М. Дугіямас, http://www.moodle.org)

“АГАПА”(ТОВ «АВ-Консалтинг», http://www.agapa.com.ua)

“Веб-клас ХПІ”(НТУ «ХПІ», http://dl.kpi.kharkov.ua)

“Прометей”(НІЦ «АСК»,

http://www.prometeus.ru)

21

Характеристики мережних систем комп’ютерної математики (Web-СКМ)

відсутність необхідності встановлення обчислювального ядра СКМ на клієнтській машині

виконання обчислень – на Web-сервері СКМ відображення результатів – у Web-браузері невимогливість до апаратної складової обчислювальної

системи індиферентність до використовуваного браузера простота адміністрування (зняття проблеми підтримки

великої інсталяційної бази та ліцензування програмного забезпечення)

мобільний доступ до навчальних ресурсів, програм і даних

22

Відмінні характеристикиWeb-СКМ SAGE

відкритість повнофункціонального Web-сервера системи інтеграція більше 100 математичних пакетів вузької спеціалізації

у єдиному середовищі: PARI, GAP, GSL, Singular, MWRANK, NetworkX, Maxima, Sympy, GMP, Numpy, mathplotlib та ін.

підтримка інтерфейсів до комерційних систем комп’ютерної математики, таких як – Maple, Magma, Mathematica і Matlab

виконання на Web-сторінках програм, описаних мовами програмування Python, Lisp, Java та ін.

спрощеність процедури публікації робочих аркушів у мережі Інтернет

наявність режиму спільної роботи (collaborate) з даними певного робочого аркуша

відсутність потреби встановлення спеціального програмного забезпечення для подання математичних виразів у звичній математичній нотації (достатньо виконати дозавантаження математичних шрифтів)

підтримка технологій LaTeX та Wiki

23

Шокалюк С. В. Основи роботи в SAGE / За ред. академіка АПН УкраїниМ.І. Жалдака. – К.: НПУ імені М.П. Драго-манова, 2008. – 64 с.

У посібнику для практичної підготовки наведено короткий огляд основних прийомів роботи у вільно поширюваній Web-системі комп’ютерної математики SAGE, спрямованої на підтримку алгебраїчних та геометричних досліджень.Для широкого кола студентів ВНЗ різного профілю, педагогів, наукових та інженер-них працівників, вчителів та учнів старших класів, які застосовують інформаційні технології математичного призначення.

24

25

26

27

28

Тематикадослідницьких проектів (1)

1.Розробка програми для демонстрації виконання операцій перетворення виразів

2.Розробка програми для демонстрації методів наближених обчислень визначеного інтегралу у середовищі SAGE

3. Розробка програми для демонстрації фігур Ліссажу засобами SAGE

4.Розробка наочностей з теми «Границя функції і неперервність функції. Точки розриву, їх класифікація»

5. Автоматизація досліджень і побудови графіків циклоїдальних кривих

6.Розробка програми для демонстрації пошуку наближених значень коренів трансцендентних рівнянь

29

Тематикадослідницьких проектів (2)

7. Розробка власної бібліотеки комбінаторних функцій засобами SAGE

8.Розробка програми для демонстрації для розв’язування комбінаторних задач у середовищі SAGE

9. Розв’язування геометричних задач засобами GeoGebra у середовищі SAGE

10.Розв’язування геометричних задач засобами The Geometer’s Sketchpad у середовищі SAGE

11.Побудова фрактальних об’єктів засобами пакету Maxima у середовищі Web-СКМ SAGE

12.Розв’язування задач апроксимації засобами Maple та Mathematica у середовищі SAGE

30Фрагмент реалізації проекту“Розробка програми для демонстрації

методів наближених обчислень визначеного інтегралу”

31Фрагмент реалізації проекту

“Розробка програми для демонстраціїпошуку наближених значень

коренів трансцендентних рівнянь”

32Фрагмент реалізації проекту “Розв’язування задач апроксимації засобами

Maple та Mathematica у середовищі SAGE”

33Фрагмент реалізації проекту“Розв’язування геометричних задач

засобами GeoGebra у середовищі SAGE”

34

Педагогічний експериментЗавдання констатувального етапу (2002-2004 рр.)1. Проаналізувати науково-методичну літературу з проблеми дослідження,

навчальні програми, підручники і посібники, визначити основні аспекти проблеми дослідження.

2. З’ясувати характер і причини утруднень, що виникають при організації самостійної роботи (шляхом анкетування учнів та вчителів).

3. Встановити: 1) рівень навчальних досягнень учнів з розділу “Прикладне програмне забезпечення навчального призначення”; 2) рівень застосування засобів СКМ у процесі формування навичок самостійної дослідницької діяльності учнів.

Завдання пошукового етапу (2004-2007 рр.)1. Проаналізувати програмно-апаратне забезпечення для підтримки математичних

досліджень.2. Дослідити можливості застосування мережних систем комп’ютерної математики

для навчання програмного математичного призначення за дистанційною формою.

3. Розробити програмно-методичне забезпечення дистанційного факультативу «Комп’ютерні технології у наукових дослідженнях».

Завдання формувального етапу (2007-2009 рр.)1. Створити сервер дистанційного навчання (http://cc.ninehub.com). 2. Впровадити і перевірити ефективність окремих компонентів методичної системи

дистанційного навчання програмного забезпечення математичного призначення.

35

Висновки (1-2)

1. На сучасному етапі розвитку освітніх технологій організація позаурочної самостійної роботи з інформатики із залученням мережних інформаційно-комунікаційних технологій повинна включати елементи одного з видів комп’ютерної технології навчання, а саме дистанційного, електронного чи мобільного, які поступово набувають поширення у вітчизняній системі освіти.2. Визначальною особливістю сучасних систем дистанційного навчання є те, що за відповідного методичного забезпечення вони стають динамічними навчальними середовищами, що можуть бути використані для підтримки різних форм організації навчання. Перспективним є інтеграція традиційних та інноваційних педагогічних технологій, зокрема, через застосування засобів дистанційного навчання у вузівській аудиторній і шкільній класно-урочній формах організації навчального процесу та впровадження елементів мобільного навчання.

36

Висновки (3-5)

3. Впровадження систем комп’ютерної математики в навчальний процес сприяє інтеграції інформатики та математики, а їх вивчення і застосування в учнівських дослідженнях сприяє поглибленню інформатичної та математичної компетентностей учнів.4. Основним напрямом розробки методики організації позаурочної самостійної роботи учнів з опанування програмного забезпечення математичного призначення з використанням засобів технологій дистанційного навчання є об’єднання систем дистанційного навчання та комп’ютерної математики у єдиному діяльнісному середовищі для навчальних учнівських досліджень.5. Успішна організація самостійної роботи з опанування можливостей програмного забезпечення математичного призначення засобами технологій дистанційного навчання стала можливою завдяки застосуванню Web-СКМ, що дозволило розв’язати проблеми підтримки інсталяційної бази та ліцензійної чистоти використовуваних програмних продуктів.

37

Висновки (6-7)

6. Застосування вільно поширюваної кросплатформенної Web-СКМ SAGE при вивченні програмного забезпечення математичного призначення дозволяє сформувати уміння та засоби підтримки інтелектуальної професійної діяльності майбутніх фахівців у галузі інформаційних технологій.

7. Запровадження мережеорієнтованого підходу в навчальний процес впливає на методичну систему навчання програмного забезпечення математичного призначення на всіх її рівнях:

– на рівні цілей навчання – з’являється мета вивчення програмного забезпечення математичного призначення як засобу реалізації прикладних задач алгебри та геометрії і необхідної основи розділу «Моделювання» шкільного курсу інформатики;

– на рівні змісту навчання – виникає потреба якісної перебудови усього розділу «Прикладне програмне забезпечення навчального призначення» шкільного курсу інформатики;

38

Висновки (7)

– на рівні методів навчання – дозволяє ширше застосовувати продуктивні, розвиваючі методи навчання дослідницького характеру;

– на рівні засобів навчання – виникає можливість застосування мережних систем комп’ютерної математики та систем дистанційного навчання, таких як об’єктно-орієнтовані Web-СКМ SAGE та СДН MOODLE;

– на рівні організаційних форм – впровадження таких прогресивних форм навчання, як групова та індивідуально-диференційована та поява нових форм, специфічних для дистанційного навчання.

39

Напрями подальших досліджень

1. Вивчення можливостей мережеорієнтованої моделі навчання прикладного програмного забезпечення загального призначення.

2. Дослідження можливостей застосування Web-СКМ для підтримки курсів математики у школах та вищих навчальних закладах.

3. Перенесення засобів навчального призначення у Web-середовище.

4. Розробка середовища для мобільного навчання.

40

41

Зміст:програма

дистанційного факультативу

Організаційні форми:дистанційний факультатив

Засоби:

Методи:робота з навчальними

ресурсами у СДНрозв’язування задач у середовищі Web-СКМ

навчальне проектування

Методика організації самостійної роботи

з опанування програмного забезпечення математичного

призначення

Мета:поглиблене вивчення розділу

“Прикладне програмне забезпечення навчального

призначення” шкільного курсу інформатики засобами

діяльнісного середовища для алгебраїчних та геометричних

досліджень SAGE

Інструментальні засоби:СДН MOODLE

Web-СКМ SAGE

Методичні засоби:інструктивно-методичні

матеріаликритерії оцінювання

Дидактичні засоби:навчальний посібник

конспекти дистанційних уроківзавдання для практичного виконання

відеододаткитестові завдання