Тел.: (812) 643-77-67 | Mail: fit.herzen.conf@gmail.com

Поиск по сайту


Костоусов С. А.
РГПУ им. А.И. Герцена
Санкт-Петербург
sergkosto94@gmail.com

Компьютерные средства для работы со знаниями в условиях реализации проблемного подхода при обучении школьников информатике


Kostousov S. A.
HSPU
St. Petersburg

IT tools for working with knowledge in context of implementation problem-solving approach in teaching computer science at school

Education should be focused not only on domain knowledge but also on developing skills including solving problems. Problem solving as teaching tool is known for a long time, but our target is to enhance it by the proposition of the conceptual framework of using knowledge tools on different stages of problem solving. The overview of IT tools for working with knowledge to scaffold the application of the framework and example, that illustrates our approach, are presented as well.

Совершенствование существующих и разработка новых методов и организационных форм обучения на современном этапе в значительной степени обусловлено возможностями информационных технологий [1]. Широкая информатизация в сфере образования создает предпосылки для внедрения в обучение новых средств и методик, позволяющих интенсифицировать учебный процесс и реализовать идеи развивающего обучения в течение всей жизни.

Многие исследователи отмечают, что:

  • изучение дисциплины не должно ограничиваться усвоением только специализированной информацией, которая не переносится на решение практических или жизненных задач, поэтому помимо передачи знаний изучаемой области необходимо также получение метакогнитивых знаний и умений;
  • применение информационных технологий в образовании не должно ограничиваться только сменой канала передачи информации, поскольку знание становится инструментом тогда, когда усваивается в результате самостоятельной познавательной деятельности;
  • применение эффективных методов поиска информации снижает необходимость в заучивании отдельных фактов и данных, что позволяет сконцентрировать усилия учащихся на выявлении закономерностей, обобщении знаний и обретении умений.

Одним из наиболее важных когнитивных умений является решение проблем [2], к которым относят и открытые задачи. Технология работы с такими задачами на уроках – важный инструмент формирования креативного мышления, социальных навыков, навыков работы с информацией [3, 4]. Проблемно-ориентированное обучение направлено на развитие способностей учащихся решать актуальные проблемы, используя знания из одной или нескольких предметных областей. С одной стороны, это позволяет описывать объект с использованием разных моделей, а с другой, большую роль играют методы поисковой деятельности [5]. Следует отметить, что решение проблем возможно осуществить в команде, при этом школьники учатся аргументации, отстаиванию своей точки зрения и совместному выбору наилучшего решения.

Возможностям применения решения проблем в качестве обучающего инструмента посвящено много исследований. Например, в исследовании [6] рассматривается методология проектирования некомпьютерных учебных сред, основанных на решении проблем. В качестве ключевых компетенций помимо знаний изучаемых областей выступают такие умения, как поиск решений, саморегулирование и самоанализ. Эксперимент показал, что итоговые результаты обучения были выше для групп, где применялся проблемно-ориентированный подход, выявлена положительная корреляция с улучшением навыков адаптации и коммуникации в дальнейшем. В работе [7] обосновывается эффективность методов поддержки решения проблем с применением информационных сред для интерактивных лекций, сопровождающихся ссылками, тестами и обсуждением в форумах и чатах.

В нашем исследовании рассматривается проблемно-ориентированный подход в обучении школьников [8], и условия повышения его эффективности с использованием современных средств ИТ. Было установлено, что у учеников необходимо сформировать компетенции использования и разработки алгоритмов поиска решений и их моделирования. В школе овладение соответствующими знаниями и умениями происходит в рамках дисциплины информатика, основными линиями которой являются алгоритмизация, моделирование. Связующим звеном между проблемно-ориентированным подходом и средствами ИКТ были выбраны инструменты по работе со знаниями, помогающих конструирование собственные знания и ментальные моделей [9, 10]. Эти инструменты работают с формализованными представлениями, что позволяет легко моделировать и кодифицировать знания в компьютерных средах. Одной из задач нашего исследования является разработка рекомендаций по использованию инструментов по работе со знаниями на уроках информатики для реализации обучения в условиях реализации проблемно-ориентированного подхода.

Проблемой будем считать некоторую задачу, требующую изучения и последующего решения [11]. Можно выделить хорошо и плохо структурированные проблемы, их описание и систематизация были проведены нами в работе [12]. Выделяют следующие этапы процесса решения [2, 7, 11]: определение проблемы, моделирование окружения (включая контекст), поиск потенциальных решений, оценка и выбор оптимального решения; реализация, проверка и анализ результатов.

Нами была предложена методика применения инструментов по работе со знаниями на этапах решения проблем различного типа [13]. Критерием выбора инструментов служило то, какие знания необходимы на том или ином этапе решения. Также выбирались те инструменты, которые просты в освоении и не требуют большого количества времени на изучение.

Прежде всего, обучающиеся должны определить проблему. Для понимания характера проблемы можно использовать интеллектуальные карты. Если решение проблем происходит в группе, то возможны техники коллективного обсуждения, например, мозговой штурм. Затем должно быть построено пространство проблемы: изучение схожих проблем, описанных в кейсах, поможет установить отношения между элементами и понятиями проблемы, а концептуальные карты могут визуализировать эти отношения. Для плохо структурированных проблем мы должны также учитывать контекст, поэтому могут быть использованы причинно-следственные модели. Если целевых состояний у плохо структурированной проблемы несколько, то оправдано применение дерева целей. Как хорошо, так и плохо структурированные проблемы могут иметь несколько путей решения – в этом случае следует применить деревья решений для их визуализации, а составление таблицы решений поможет формализовать полученные знания. В рамках работы над плохо структурированной проблемой могут быть выработаны качественно разные решения, представленные разными обучающимися и приводящие к разным целевым состояниям. Для оценки и выбора наилучшего из них в рамках контекста решаемой проблемы применимы карты аргументов. На этапе применения решения может помочь визуальное описание: например, диаграммы планов проекта и диаграммы процессов. Для верификации и оценки решения и его результатов можно применить карту аргументаций для формализации плюсов и минусов полученных результатов и уточнить направления дальнейшей работы. Знания следует закрепить и обобщить: сформулировать выводы, представить результаты в виде интеллектуальной карты.

Для поддержки применения инструментов по работе со знаниями нами был выполнен обзор различных компьютерных программ, которые могут быть использованы в обучении (табл. 1).

Таблица 1. Соответствие этапов решения проблемы инструментам для работы со знаниями и программным средствам для визуального структурирования знаний

Этапы решения

Инструменты работы со знаниями

Программные средства

Определение проблемы; рефлексия

Интеллектуальные карты

Coogle, FreeMind

Построение пространства проблемы

Концептуальные арты

CmapTool, Inspiration

Генерация решений

Деревья решений

PrecisionTree

Выбор оптимального решения

Карты аргументаций

Argumentative

Применение решения

Диаграммы роектов

Microsoft Project

Диаграммы процессов

Microsoft Visio

Предложенный подход был апробирован в группе учащихся дополнительных курсов по разработке программного обеспечения (АИШ СПбПУ), в которую вошли школьники 8-9 классов. В рамках курсового проекта по написанию программного обеспечения необходимо было выбрать структурированную проблему и решить ее. Для поддержки этого процесса учащимся предлагалось создать интеллектуальную карту, чтобы упростить понимание решаемой проблемы и мотивировать учащихся на её решение. Затем привести дерево возможных решений и с помощью карт аргументации выбрать наилучшее (по используемой памяти, производительности, сложности написания кода и т.д.). По окончании следует провести общий анализ между всеми учениками, в том числе с повторным применением интеллект-карт.

Анализ выполненных учениками моделей позволил выявить типовые ошибки: нарушение иерархии, несбалансированность, неверная категоризация. Это обуславливает необходимость поддержки преподавателем процесса работы со знаниями: инструменты для работы со знаниями и построение моделей – дополнительная когнитивная нагрузка. Однако ожидаемый эффект улучшения умений обучения и саморегуляции, на наш взгляд, оправдывает их применение. В рамках предмета «информатика» целесообразно выделить время для изучения инструментов и программ, для дальнейшего их применения.

Заключение
В работе проанализирован проблемно-ориентированный подход к обучению и даны рекомендации по его применению, исследованы возможности применения инструментов для работы со знаниями для поддержки обучения решению проблем и рассмотрены возможные программные средства для работы с ними. Полученные результаты можно применить при разработке программ дистанционных курсов и подготовке очных занятий. Дальнейшее исследование направлено на анализ способов интеграции программных средств, выбор лучшего решения и реализацию объединения программ в единую информационно-учебную среду, в которой были бы реализованы рассмотренные принципы.

Литература:
1. Калонтаров, Ю., Кандов, П. Основные направления и тенденции использования информационных технологий в образовании // STUDIA. – 2014. – №. 5. – С. 75.
2. Jonassen, D. H. Toward a design theory of problem solving // Educational technology research and development. – 2000. – Т. 48. – №. 4. – С. 63-85.
3. Альтшуллер, Г. С. Введение в ТРИЗ. – М.: Альпина Паблишерз, 2011. – 400 с.
4. Гин, А. А. ТРИЗ-педагогика. – Litres, 2017. – 68 с.
5. Сухобская Г. С. Психологические аспекты проблемного обучения и развитие познавательной активности взрослых учащихся // Вопросы психологии. – 1984. – №. 5. – С. 45-48.
6. De Corte, E., Verschaffel, L., Masui, C. The CLIA-model: A framework for designing powerful learning environments for thinking and problem solving // European Journal of Psychology of Education. – 2004. – Т. 19. – №. 4. – С. 365-384.
7. Kim, M. C., Hannafin, M. J. Scaffolding problem solving in technology-enhanced learning environments (TELEs): Bridging research and theory with practice //Computers & Education. – 2011. – Т. 56. – №. 2. – С. 403-417.
8. Кушниренко А. Г., Лебедев Г. В. Информатика: 12 лекций о том, для чего нужен школьный курс информатики и как его преподавать // Лаборатория Базовых Знаний. – 2000. – 461 c.
9. Гаврилова, Т. А., Лещева, И. А., Страхович, Э. В. Об использовании визуальных концептуальных моделей в преподавании // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 8. Менеджмент. – 2011. – №. 4.
10. Гаврилова, Т. А., Лещева, И. А., Кудрявцев, Д. В. Использование моделей инженерии знаний для подготовки специалистов в области информационных технологий // Системное программирование. – 2012. – Т. 7. – №. 1. – С. 90-105.
11. Jonassen, D. H. Tools for representing problems and the knowledge required to solve them // Knowledge and information visualization. – Springer Berlin Heidelberg, 2005. – С. 82–94.
12. Костоусов, С.А., Кудрявцев, Д. В. Систематизация обобщенных типов проблем по степени их структурированности для создания информационно-образовательных сред, ориентированных на решение проблем // Тезисы доклада на конференции Информатика и Кибернетика. – 2016. – С. 253–255.
13. Кудрявцев Д. В., Костоусов С. А. Применение инструментов для работы со знаниями в обучении на основе решения проблем: методология и ИТ-поддержка // Открытое образование. – 2017. – Т. 21. – №. 3. – С. 57–65.


Комментарии

  • Развитие когнитивных умений школьников является важной проблемой, особенно в свете действующих образовательных стандартов. В статье авторам удалось показать свои практический опыт работы с 8-9 классами. Хотелось бы уточнить: какие приемы сопровождения мыслительной деятельности обучающихся вы использовали в процессе работы (например, если ученик затрудняется выделить проблему, или пошел по непродуктивному пути)?

  • Проблемно-ориентированный подход, несомненно, имеет место быть и приносит результаты. Как Вы считаете - целесообразно ли преподавать основы решения проблем вышеописанными методами в общеобразовательных школах? Если да, то в рамках какого предмета? Мне кажется, что "информатика" уже слегка переполнена всевозможными темами, а ведь все вышеперечисленные инструменты можно использовать не только для решения проблем связанных с информатикой.

  • Сергей пишет:

    Спасибо за оставленные комментарии, Ольга Валерьевна, поскольку пока подход находится на первой стадии апробации, то мы использовали вполне стандартные методы: совместное обсуждение, переформулировка условия, обсуждение сравнительной важности одних критериев перед другими и т.д. Сергей, безусловно проблемно-ориентированный подход можно (и нужно) использовать и в рамках общеобразовательной школы (причём не только в рамках естественных и точных наук, но и, например, история и обществознание - открытые проблемы там представляют гораздо более широкое поле для дискуссий и обсуждений). Однако внедрить сам по себе подход не так просто, поэтому "Информатика" может стать основой для отработки методов (оставаясь в рамках многочисленных тем, сменить подход к их изложению)

Оставьте свой комментарий