Оценка эффективности применения кейс-технологии при обучении компьютерному моделированию будущих учителей информатики

Полный текст

Постановка проблемы. Изменения общества и технологий ставят новые задачи перед системой образования. В настоящее время общепринятым является понимание того, что от выпускников школы и вузов требуются не отдельные знания и умения, а целостная компетентность, обеспечивающая готовность применять знания и умения для успешной деятельности на практике. Подобные изменения акцентируют внимание на проблемы подготовки педагогических кадров, где актуальным оказывается вопрос сочетания фундаментальной и прикладной подготовки будущих педагогов. Такой вопрос возникает в отношении подготовки учителей самых разных предметных областей, в том числе и учителей информатики. Будущий учитель информатики в предметном блоке осваивает дисциплины, связанные с основами информатики, пользовательской подготовкой в области ИКТ, программированием, разработкой и сопровождением информационных систем, а также использованием средств ИКТ в образовательном процессе [1; 2; 5; 12; 15]. Эти дисциплины составляют основу предметной подготовки, так как вооружают будущих учителей информатики знаниями и умениями для непосредственной реализации курса информатики в школе, а также умениями применять средства информатизации для решения более широкого круга образовательных задач. Вместе с тем в программе подготовки учителя информатики есть и фундаментальные курсы, целесообразность изучения которых определяется не только содержанием школьной программы, но и необходимостью формирования целостной компетентности учителя информатики. К таким курсам, как показано в трудах Э.Т. Селивановой, Е.В. Бугайко, А.Л. Королева, относится компьютерное моделирование, которое обеспечивает владение учителем информатики методологией и методами решения практико-ориентированных задач и проведения исследовательской работы с применением средств ИКТ [3; 6; 11]. Это играет важную роль в организации и проведении проектной и исследовательской работы учащихся, реализации различных форм работы с одаренными детьми, проведения системной работы в рамках различных программ научно-технического творчества учащихся школ. Такая постановка задачи подготовки будущего учителя информатики в области компьютерного моделирования актуализирует проблему определения не только целей и содержания обучения студентов педагогического вуза, но и применения адекватных этим целям и содержанию образовательных технологий. Значительным потенциалом в данном плане может обладать кейстехнология [4; 7; 10; 13; 14], где на комплексной основе реализуются задачи предметной и исследовательской подготовки будущих учителей. Насколько эффективно применение кейс-технологии при обучении компьютерному моделированию будущих учителей? Обеспечивает ли применение этой технологии формирование как предметных, так и исследовательских компонентов профессиональной компетентности учителя информатики? Для ответа на эти вопросы нами было проведено исследование, в ходе которого было уточнение понимание предметно-ориентированного кейса по компьютерному моделированию, сконструирована модель подготовки будущих учителей информатики в области компьютерного моделирования с применением кейс-технологии, а также проведена проверка этой модели в ходе педагогического эксперимента. Методы исследования. Под предметно-ориентированным кейсом по компьютерному моделированию мы понимаем комплект, в который входят: 1. ситуационная задача (описание учебной проблемной ситуации); 2. задания, выполнение которых приводит к решению поставленной задачи (задания для организации поэтапного решения основной ситуационной задачи); 3. материалы, необходимые для выполнения заданий (данные, информационные, справочные материалы); 4. программные средства для решения задачи (программные средства компьютерного моделирования) [8]. Применение таких кейсов при обучении компьютерному моделированию включает в себя три этапа - проектирование, разработку и непосредственное использование кейса на учебных занятиях [9]. Разработанная модель подготовки в области компьютерного моделирования будущих учителей информатики с применением кейс-технологии представляет собой описание содержания и связей целевого, содержательного и процессуального компонент (рис. 1). Целевой компонент процесса обучения компьютерному моделированию будущих учителей информатики состоит в формировании их компетентности в области компьютерного моделирования. Данная компетентность включает в свой состав предметный и исследовательский компоненты - знания, умения и личностные установки в области теории и методов компьютерного моделирования, проведения исследований с использованием методов компьютерного моделирования (табл. 1). Для оценки эффективности применения кейс-технологии как средства обучения компьютерному моделированию будущих учителей информатики был проведен педагогический эксперимент, предполагающий реализацию обучения в двух группах - экспериментальной и контрольной. Рис. 1. Модель подготовки будущих учителей информатики в области компьютерного моделирования с применением кейс-технологии Таблица 1 Компетентность учителя информатики в области компьютерного моделирования Компоненты компетентности учителя информатики в области компьютерного моделирования Содержание компонентов Предметный компонент Способность разрабатывать и применять на практике основные виды математических и имитационных моделей, использовать технологии компьютерного моделирования для построения и исследования моделей, знать основные понятия, принципы, методы и средства аналитического и имитационного моделирования Исследовательский компонент Способность планировать и осуществлять собственную исследовательскую деятельность; обосновывать полученные в ходе исследования результаты В экспериментальной группе обучение велось на основе предложенной модели подготовки будущих учителей информатики в области компьютерного моделирования с применением кейс-технологии, а в контрольной - по традиционной модели, предполагающей освоение обучающимися теоретического курса и освоение методов компьютерного моделирования в ходе лабораторного практикума. Предполагалось, что содержание обучения в ходе эксперимента и базовая подготовка обучающихся до начала эксперимента в контрольной и экспериментальной группах были одинаковым. Результаты и обсуждение. Педагогический эксперимент по оценке эффективности применения кейс-технологии как средства обучения компьютерному моделированию будущих учителей информатики проводился в 2017 и 2018 годах на базе факультета математики, информатики и физики Волгоградского государственного социально-педагогического университета. В эксперименте принимали участие 52 студента, обучающихся по направлению «Педагогическое образование», профилям «Математика», «Информатика» и «Информатика», «Физика». Содержание обучения контрольной и экспериментальной групп было одинаковым и включало в себя такие направления, как математическое моделирование, моделирование стохастических систем, имитационное моделирование, моделирование динамических систем, хаос и самоорганизация. Лабораторный практикум, где в экспериментальной группе предполагалось применение кейс-технологии, включал в себя 8 лабораторных работ, на которых применялись предметно-ориентированные кейсы по компьютерному моделированию. Так, первая лабораторная работа была посвящена проведению численного исследования заданной аналитической модели и рассмотрению методов визуализации результатов моделирования. Студентам предлагается предметно-ориентированный кейс «Модель процесса радиоактивного распада», выполнение которого подразумевает: 1. разработку программы - численной модели процесса; 2. проведение вычислений по заданным наборам входных параметров с целью верификации численной модели; 3. разработку модуля визуализации в моделирующей программе, строящего график искомой функции; 4. определение с помощью численного эксперимента с моделью входного параметра модели, наиболее сильно влияющего на ход моделируемого процесса. Во второй лабораторной работе проводилось исследование заданных аналитических моделей средствами пакета компьютерного моделирования MVS (Model Vision Studium). В рамках данной работы студентам были предложены предметно-ориентированные кейсы «Модель динамики численности биологической популяции с непрерывным размножением» и «Модель межвидовой конкуренции для сообщества из двух популяций с непрерывным размножением». Решение первого из указанных кейсов предполагает: 1. построение средствами пакета MVS компьютерной модели на основе аналитической модели динамики численности биологической популяции с непрерывным размножением; 2. проведение вычислений по заданным наборам входных параметров с целью верификации компьютерной модели; 3. определение с помощью экспериментов с моделью входного параметра модели, наиболее сильно влияющего на ход моделируемого процесса. Особенностью решения второго кейса является то, в процессе его решения производится: 1. построение в MVS логистической модели межвидовой конкуренции для сообщества из двух популяций с непрерывным размножением; 2. проведение вычислений по заданным наборам входных параметров с целью верификации компьютерной модели; 3. определение с помощью экспериментов с моделью, возможно ли устойчивое совместное сосуществование популяций, или всегда выживает только одна из них. Третья лабораторная работа была направлена на практическую отработку основных этапов численного моделирования, включающей, в отличие от предыдущих работ, этап построения аналитической модели. На данной работе студентам предлагается решить предметно-ориентированный кейс «Модель одномерного движения парашютиста», что предполагало: 1. построение аналитической модели одномерного движения парашютиста на этапе до момента открытия парашюта; 2. разработку и верификацию компьютерной модели процесса; 3. определение с помощью экспериментов с моделью момента времени, начиная с которого скорость парашютиста в затяжном прыжке становится постоянной. Аналогичным образом были организованы и оставшиеся лабораторные работы, предполагающие изучение вопросов построения оптимизационных моделей в экономике (кейс «Оптимизационная модель планирования перевозок»), моделирования стохастических систем (кейс «Имитация случайных испытаний на ЭВМ»), имитационного моделирования систем массового обслуживания, основ моделирования динамических систем (кейс «Модель динамики численности биологической популяции с дискретным размножением»), хаоса и самоорганизация в динамических системах. Таблица 2 Уровни сформированности компетентности будущего учителя информатики в области компьютерного моделирования Уровни Признаки сформированности Предметный компонент Низкий · имеет представление об основных понятиях компьютерного моделирования («модель», · способен разработать компьютерную модель на основе готовой аналитической модели по четко «моделирование», «математическое моделирование», «компьютерное моделирование»), может привести примеры моделей из различных областей деятельности; имеет представление об основных этапах и средствах имитационного моделирования заданному алгоритму, провести численный эксперимент Средний кроме перечисленных выше включает следующие признаки: · может привести различные классификации моделей; владеет представлениями об использовании системного подхода в моделировании; владеет представлениями о методе МонтеКарло и моделировании случайных испытаний · способен построить аналитическую и имитационную модель; провести анализ результатов моделирования Высокий кроме перечисленных выше включает следующие признаки: · умеет применять системный подход при анализе предметной области моделирования; владеет представлениями об основных подходах к моделированию дискретных и непрерывных случайных величин; владеет представлениями о взаимосвязи явлений хаоса и самоорганизации в динамических системах · способен построить аналитическую и имитационную модель с использованием различных средств компьютерного моделирования; провести моделирование динамических систем на основе фазового описания Исследовательский компонент Низкий · имеет представление об основных этапах исследования · способен на основе готового описания объекта исследования сформулировать цель и задачи исследования; исследовать модель с помощью предложенного пакета компьютерного моделирования; провести эксперимент на основе предложенных данных Средний кроме перечисленных выше включает следующие признаки: · может провести визуализацию результатов моделирования · способен исследовать модель с использованием различных средств компьютерного моделирования; организовать и провести эксперимент; провести анализ и интерпретацию результатов эксперимента Высокий кроме перечисленных выше включает следующие признаки: · может выбрать инструментальное средство компьютерного моделирования для проведения исследования · способен на основе анализа проблемы провести описание объекта исследования, четко сформулировать гипотезу исследования; провести анализ результатов исследования; обосновать выводы На завершающем этапе опытно-экспериментальной работы проводилась диагностика сформированности компетентности будущего учителя информатики в области компьютерного моделирования, предполагающая определение уровней сформированности каждого из компонент. Нами были выделены три уровня - низкий, средний и высокий, признаки достижения которых представлены в таблице 2. Диагностика уровней сформированности предметного компонента компетентности будущего учителя информатики в области компьютерного моделирования проводилась на основе анализа результатов учебной деятельности - выполнения заданий лабораторный занятий, результатов тестирования, выполнения контрольных заданий в форме письменного экспресс-контроля по вопросам, предложенным преподавателем. Оценка уровня сформированности исследовательского компонента компетентности будущего учителя информатики в области компьютерного моделирования осуществлялась на основе анализа индивидуальных семестровых учебных проектов. Индивидуальный учебный проект выполнялся в течение семестра и предполагал построение студентом аналитической модели по поставленной задаче, разработку соответствующей компьютерной модели, исследование модели и оформление результатов работы в виде отчета. Отчет по проекту включал постановку задачи моделирования, формулирование цели, задач и гипотезы исследования, проведение анализа результатов, формулирование выводов. Анализ данных об уровнях сформированности предметного компонента компетентности будущего учителя информатики в области компьютерного моделирования у студентов экспериментальной и контрольной групп показал, что в экспериментальной группе снизилось количество студентов с низким и средним уровнем сформированности компетенции, по сравнению с контрольной группой, в то же время в контрольной группе отсутствуют обучающиеся, достигшие высокого уровня, а в экспериментальной группе этого же уровня достигли 27 % обучающихся (рис. 2). Рис. 2. Результаты диагностики уровня сформированности предметного компонента в экспериментальной и контрольной группах Результаты диагностики уровня сформированности исследовательского компонента компетентности будущего учителя информатики в области компьютерного моделирования свидетельствуют, что на среднем и высоком уровне сформированности данного компонента находятся 73 % обучающихся в экспериментальной группе, в то время как в контрольной группе на этих же уровнях находятся 58 % обучающихся (рис. 3). Увеличение доли обучающихся, достигших высокого уровня сформированности исследовательского компонента рассматриваемой нами компетентности, произошло более, чем в два раза - с 21 % до 58 %. Рис. 3. Результаты диагностики уровня сформированности исследовательского компонента в экспериментальной и контрольной группах Для определения значимости полученных результатов применялся критерий однородности χ2. Эмпирическое значение критерия χ2 вычислялось по формуле: , где М и N - размеры контрольной и экспериментальной групп, порядковая шкала с L различным баллами. Для сравниваемых выборок получено χ 2 эмп эмп = 6,27 (предметный компонент) и χ2 = 6,9 (исследовательский компонент). Критическое значение критерия χ2 для уровня значимости 0,05 равно 5,99. Так как χ2 > χ2 , то достоверность различий характеристик сравниваэмп 0,05 емых выборок составляет 95 %. Заключение. Проведенное исследование показало, что предлагаемый подход применения кейс-технологии при обучении компьютерному моделированию будущих учителей информатики обеспечивает более высокие результаты такой подготовки, по сравнению с традиционным подходом. В наибольшей степени это проявляется в плане обеспечения условий формирования на высоком уровне предметных знаний, а также существенного увеличения доли обучающихся, достигших высокого уровня сформированности исследовательского компонента рассматриваемой нами компетентности. Полученные данные были статистически подтверждены, что позволяет говорить об эффективности применения кейс-технологии как средства обучения компьютерному моделированию будущих учителей информатики.

Об авторах

Ольга Сергеевна Маркович

Волгоградский государственный социально-педагогический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: omarkovich@yandex.ru

старший преподаватель кафедры информатики и методики преподавания информатики

Российская Федерация, 400066, Волгоград, пр-т имени В.И. Ленина, 27

Алексей Николаевич Сергеев

Волгоградский государственный социально-педагогический университет

Email: alexey-sergeev@yandex.ru

доктор педагогических наук, доцент, профессор кафедры информатики и методики преподавания информатики

Российская Федерация, 400066, Волгоград, пр-т имени В.И. Ленина, 27

Список литературы