Тел.: (812) 643-77-67*33-56 | Mail: fit.herzen.conf@gmail.com

Поиск по сайту

Костоусов С. А.
РГПУ имени А. И. Герцена,
sergkosto94@gmail.com

Инструменты визуального моделирования и их применение на уроках информатики в рамках реализации проблемно-ориентированного подхода


В статье рассматривается подход вовлечения учащихся в процесс построения ментальных моделей для продуцирования знаний при обучении информатике. Предложена методика включения инструментов визуального моделирования при реализации проблемно-ориентированного подхода, приведены результаты экспериментального исследования.

Kostousov S. A.
Herzen State Pedagogical University of Russia,
sergkosto94@gmail.com

Application of visual modeling tools on informatics lessons during problem-solving approach

The article is dedicated to the approach of engaging students in the process of creating mental models for the production of knowledge in teaching computer science. A method of incorporating visual modeling tools when implementing a problem-oriented approach is proposed and the results of an experimental study are presented.

Одним из способов развития способностей учеников решать проблемы и задачи, используя знания из одной или нескольких предметных областей для изучения объектов окружающей действительности, является проблемно-ориентированный подход. Он позволяет описывать объект с использованием разных моделей. Для этого необходимо овладеть методами поисковой деятельности, в первую очередь поиска и отбора информации для решения задачи. Технология работы с такими задачами на уроках позволяет формировать творческое мышление, социальные и коммуникативные навыки, навыки работы с информацией [1, 2, 3].

Большую роль в жизни современного школьника, в том числе и познании мира, играют компьютерные технологии: социальные сети, сообщества, игры и т.д. Ученик проявляет готовность к использованию средств ИТ в обучении. Однако методов демонстрации недостаточно для поддержания мотивации, так как работа с большим количеством интерактивных систем сказывается на снижении концентрации при односторонней передаче информации от учителя ученику. Необходимо создать условия в обучении для использования компьютерных инструментов, помогающих обучаемым вдумчиво и критически осмысливать понятия, которые они изучают. Это позволит обучающимся самостоятельно продуцировать, представлять и выражать свои знания [4].

Целью нашего исследования является разработка методики обучения информатике в школе на основе проблемного подхода с применением инструментов визуального компьютерного моделирования для работы со знаниями. Инструменты визуального моделирования – вид программного обеспечения, позволяющий построить зрительные абстракции, воспроизводящие понятия и объекты реального мира в их взаимосвязи для решения задачи (проблемы).

В этой работе мы исследуем способы применения инструментов визуального моделирования для решения учебных задач на уроках информатики. В качестве примера будут рассмотрены задачи для обучения методам классификации для младших школьников и для учащихся 9-11 в рамках изучения содержательной линии алгоритмизации и программирования. В качестве компьютерных инструментов визуализации были выбраны Microsoft Visio и Сoggle (он-лайн сервис для создания интеллект-карт).

Реализация проблемного подхода требует преобразование учебной задачи в проблемную ситуацию. М. И. Махмутов [5] определяет проблемную ситуацию как интеллектуальное затруднение человека, возникающее в случае, когда он не знает, как объяснить возникшее явление, факт, процесс действительности, не может достичь цели известным ему способом, что побуждает человека искать новый способ объяснения или способ действия.

Применение проблемных ситуаций обосновано и с точки зрения подготовки школьников к итоговой аттестации. Кодификатор единого государственного экзамена по информатике [6] определяет требования к уровню подготовки учащихся:
- воспроизведения знаний;
- применение знаний в стандартной ситуации;
- применение знаний в практической деятельности и повседневной жизни.

Однако используемая стандартизированная бланковая технология государственных экзаменов не позволяет выполнить проверку практических умений в полном объёме [6], поэтому образование не может ограничиться только передачей информации от учителя ученику и тренировкой работы со стандартными задачами.

Следует обратить внимание, что разрешение проблемной ситуации учениками управляется сложнее, чем репродуктивная форма обучения. В це-лях управления обучением мы предлагаем применение инструментов для ра-боты со знаниями на этапах решения задачи (проблемы). Эти программные средства, во-первых, позволяют продуцировать собственные ментальные мо-дели (идеи, стратегии, способы понимания, основанные на предыдущем опы-те), при этом актуализируется полученная информация. Во-вторых, они мо-гут помочь для выработки метакогнитивных умений, а именно правильной интерпретации всей полученной информации о проблеме для её решения, учитывая различные факторы. Такие инструменты помогают упорядочить действия учащихся в процессе организации и представления своих знаний. Поскольку наглядность может служить источником учебных задач (проблем) [5], то нами была предложена методика применения инструментов и методов по работе со знаниями на этапах решения проблем различного типа [9]. Их использование позволяет ученикам визуализировать и структурировать учебную информацию, что способствует переходу от интуитивного понима-ния к структурированному [4].

Следует отметить, что применение сразу нескольких инструментов ве-дет к увеличению когнитивной нагрузки на учащихся. Наш педагогический опыт показывает, что применение инструментов для неподготовленной ауди-тории затруднительно: необходимо последовательное знакомство с этими инструментами (в зависимости от целей обучения и не обязательно со всеми).

Для проверки наших предположений были проведены уточняющие эксперименты. В качестве примеры нами было выбрано учебное задание для знакомства с методами классификации для школьников 5-6 классов на уроках информатики. Умение классифицировать объекты является важным для дальнейшей учебной деятельности, так как способствует установлению иерархических связей между изучаемыми понятиями. Также классификация объектов показательна тем, что ученик демонстрирует свои способности к выделению ведущих характеристик объектов в процессе моделирования и переход к осознанию родового понятия.

Ученикам были предложены 3 задания, включающие 9 различных картинок. Задача состояла в том, чтобы смоделировать иерархическую структуру классификации объектов. Проблемность ситуации заключается именно в процессе построения модели с помощью инструмента, а также наличии множественных способов классификации.

В качестве инструментов для сравнения были выбраны MS Office Word для построения вербальной классификации – иерархического списка. Для построения визуальных моделей редактор диаграмм MS Office Visio и онлайн платформа для построения ментальных карт Coggle. На первом из экспериментальных уроков ученики были ознакомлены с каждой из систем. На втором занятии предлагалась экспериментальная задача классификации. Оценка проводилась по следующим параметрам: возможность для ученика создать необходимую модель, степень помощи педагога в процессе построения, качество полученных моделей, затраченное время. Кроме того, был проведен опрос учеников, насколько им понравился каждый из инструментов. Наибольшие трудности вызвала работа с иерархическим многоуровневым списком, что может косвенно свидетельствовать о лучшей применимости для таких задач средств визуального моделирования. Диаграммы Visio потребовали умений при расположении модулей диаграммы на листе, наборе и редактировании текста, а также при построении связей между объектами. За наименьшее время и без повторного освоения инструмента слушатели справились с картами Coggle. Наблюдение показывает и более высокую степень вовлеченности в учебный процесс обучающихся во время применения этого инструмента. Трудности возникли только при удалении ненужных элементов. Можно предположить, что автоматическое расположение объектов и построение связей между ними, а также применение различных цветов снизили когнитивную нагрузку на учеников во время построения моделей, что позволило сосредоточиться на выполнении задания, а не на освоении инструмента. Опрос показал, что все слушатели предпочли бы работать именно с инструментом Coggle.

Эксперимент показал, что даже простой процесс моделирования для младших школьников лучше поддерживать специализированными визуальными инструментами, которые не требуют дополнительной когнитивной нагрузки.

В дальнейшем можно применить этот инструмент уже для создания предформальной модели программы (например, перед созданием блок-схемы алгоритма и записью его на языке программирования).

Вторым уточняющим экспериментом было создание моделей с учащимися – 9-10 классов – в рамках изучения алгоритмизации и программирования.

Целью эксперимента было определить, помогают ли визуальные модели зафиксировать полученные в результате решения учеником знания. Для сравнения результатов были выделено 3 группы учеников: контрольная (9 человек), и две экспериментальные группы: с применением вербальной модели (9 человек) и визуальной (10 человек).

Эксперимент проводился в процессе освоения работы с массивами: алгоритмы поиска и сортировок. Сами алгоритмы во всех трех группах были разработаны совместно с преподавателями при активном обсуждении с учениками (первый уровень проблемности). Моделирование для контрольных групп происходило после знакомства с алгоритмами. С контрольной группой было проведено обсуждение характеристик разработанных алгоритмов. Группе с вербальной моделью была предложена таблица сравнения, в которой по одной размерности были алгоритмы, а по другой описаны характеристики для сравнения. Третьей группе была предложена визуальная модель, выполненная в MS Visio (для старших школьников сам инструмент уже известен). В модели были представлены отдельно алгоритмы, отдельно некоторые их атрибуты. Задача состояла в построении общей визуальной модели сравнения: сопоставить алгоритм со своим атрибутом и выявить связи между атрибутами, а также выделить цветом по возможности «положительные» и «отрицательные» атрибуты. Для проверки результатов эксперимента всем ученикам был предложен тест, в котором были вопросы как теоретического, так и практического проблемного характера: в какой ситуации какой алгоритм использовать.

Для сравнения выборок применялся критерий Манна-Уитни (1):

(1)

где Tx - наибольшая сумма рангов, nx - наибольшая из объемов выборок n1 и n2.

Сравнение показало недостоверноть различия между контрольной группой и группой, где применялись табличные модели (эмпирическое значение критерия – 36.5, критическое – 23). Также недостоверным оказалось и сравнение двух экспериментальных групп (эмпирическое значение критерия – 25, критическое – 23). Однако сравнение контрольной группы и группы, где применялись визуальные модели, показало достоверное различие (эмпирическое значение критерия – 11.5, критическое – 23).

Исследование показало, что средства визуального моделирования в процессе обучения информатике с привлечением проблемных ситуаций могут повысить качество усвоения материала. Также они способствуют большей вовлеченности учеников в образовательный процесс, делая его более интерактивным.

Литература:
1. Jonassen, D. H. Toward a design theory of problem solving // Educational technology research and development. – 2000. – Т. 48. – №. 4. – С. 63-85.
2. Hmelo-Silver, C. E. Problem-based learning: What and how do students learn? //Educational psychology review. – 2004. – Т. 16. – №. 3. – С. 235-266.
3. Симонова И.В. Задачи развития учащихся в процессе изучения информатики в школе//в сборнике: Новые образовательные стратегии в современном информационном пространстве, из-во «Российский государственный педагогический университет (Санкт-Петербург), 2018.
3. 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.
4. Махмутов, М. И. Организация проблемного обучения в школе. Книга для учителей. - М.,«Просвещение» - 1977. - 240 с. 5. Wood, P. K. Inquiring systems and problem structure: Implications for cognitive development //Human Development. – 1983. – Т. 26. – №. 5. – С. 249-265.
6. Kitchner, K. S. Cognition, metacognition, and epistemic cognition //Human development. – 1983. – Т. 26. – №. 4. – С. 222-232.
7. ФГБНУ «ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ». Единый государственный экзамен по ИНФОРМАТИКЕ и ИКТ: Кодификатор элементов содержания и требований к уровню подготовки выпускников образовательных организаций для проведения единого государственного экзамена по информатике и ИКТ. - 2019.
8. 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.

Комментарии

Оставьте свой комментарий