Концепция трансформационных и перевернутых электронных учебников

Полный текст

Постановка проблемы. В настоящее время самообразовательная учебная деятельность учащихся с использованием цифровых ресурсов играет значительную роль в процессе их предметного обучения. Ее результативность в значительной мере зависит от дидактических качеств электронных обучающих средств, нацеленных на формирование когнитивных способностей и предметных знаний обучающихся. Интерес к созданию электронных учебников не ослабевает. Они становятся уже не вспомогательными, а основными учебными средствами, приобретая интеллектуальный и адаптивный характер. Однако многие из них обладают невысокими дидактическими качествами. Это связано с возникшим противоречием между возможностями цифровых технологий и слабой проработкой теории и практики создания электронных учебников, учитывающих предпочтения обучающихся, что актуализирует проблему поиска новых способов создания цифровых средств обучения. Большинство электронных учебников не отражают принципы непринужденного обучения, слабо учитывают когнитивные и психофизиологические особенности, а также интересы современной молодежи поколения Z [14]. Следует отметить, что большая часть разрабатываемых электронных учеб- ников носит информационный характер. В них редко учитываются личностные характеристики восприятия и понимания учебного материала современного ученика, гуманистические принципы обучения. Структура и содержание электронного учебника нового поколения должны отражать когнитивные особенности обучаемого, мотивированность обучения к достижению образовательных результатов в зависимости от его интересов и претензий. Цель настоящей работы - обоснование и проектирование новых транс- формационных и перевернутых электронных учебников, обеспечивающих эф- фективность самообразовательной деятельности обучаемых. Основная идея создания и использования оригинальных по структурной композиции и представлению информации электронных учебников заключается в нелинейном, многовариантном формате содержания учебной информации, допускающем возможность удовлетворения запросам и претензиям обучаемого. Их концептуальной базой является структурирование учебной информации на платформе ментальных схем по модели белого ящика, позволяющей осуществлять интерактивную трансформацию материала самим обучаемым. Обзор литературы. Во все времена основным средством обучения были и остаются учебники. Компьютерный век породил лавину цифровых образовательных ресурсов. При этом существенные изменения произошли в индустрии разработки электронных учебников [19]. Для анализа современного состояния и прогнозирования вектора их развития представим классификацию этих средств в разные периоды информатизации образования (см. таблицу). До середины ХХ века главным элементом учебного процесса являлся бумажный учебник. Его появление породило массовую классно-урочную школу (отношение «один ко многим»). При этом учебники используют при организации очного и заочного обучения. Появление компьютеров и компьютерных технологий во второй половине ХХ века существенным образом повлияло на формирование нелинейного мировоззрения. Сначала электронные тексты, затем гипертекстовый формат представления электронной информации совершили революционный переход от линейного «плоского» бумажного текста к иерархической сетевой структуре информационных фрагментов, связанных между собой гиперссылками. Гипертекстовые системы стали механизмом поддержки процессов ассоциативного мышления, породили трехмерное информационное пространство адекватно структуре нейронной сети и иерархическому представлению знаний [10]. Появление технологии мультимедиа сделало возможным создание анимационных, аудио- и видеотекстов. Интерактивные и графические сервисы обеспечили распространение учебных инструментальных сред, среди которых в педагогической системе образования приобрели популярность средства типа «Живая математика», «Geogebra» и т. п. [21]. Таблица Классификация характеристик электронных средств обучения Этап Носитель информации Типология учебника Отношения Форма обучения Середина XX века Бумага Книга Один ко многим Классноурочная: очная, заочная Вторая половина XX века Бумага, электронная память, дискеты, CD и DVDдиски Книга, электронные тексты Один ко многим Классноурочная: очная, заочная Конец ХХ века CD и DVDдиски, флешки Книга, гипертекст, мультимедиа учебники Многие ко многим Классноурочная: очная, заочная, дистанционная Начало XXI века Флешки, облачные диски, Интернет Аудио и видеоучебники, адаптивные учебники Многие к одному Дистанционная сетевая 2020 год и далее Облачные хранилища, большие данные, Интернет вещей, Нейронет Трехмерный текст, ментальные учебники, перевернутые учебники, учебникитрансформеры Все для всех, все для одного Домашняя, мобильная Большое развитие в вузах страны получили интеллектуальные электрон- ные учебники адаптивного типа. В них, как правило, используют модели чер- ного ящика с управлением по схеме обратной связи. Дифференцированное и концентрическое содержание учебной информации дозируется соответствующим образом в зависимости от уровня обученности ученика. Используются различ- ные интеллектуальные программированные алгоритмы воздействия и отклика объекта и субъекта образовательного процесса [5]. При создании и использовании цифровых средств обучения можно выделить три основных подхода: педагогический (дидактический), информационный и личностно-центрированный [23]. Педагогический подход нацелен на представление окружающей действи- тельности и знаний с учетом различных дидактических принципов, обеспечивающих реализацию различных мотивационных, учебно-воспитательных и контрольно-корректирующих функций. Информационный подход связан с созданием своеобразной информационной обучающей среды, в которой при использовании определенных пе- дагогических технологий происходит процесс познания, интеллектуального развития. Личностно-центрированный подход задает демократический способ обу- чения при свободном выборе обучающимся подходящих информационных ресурсов с учетом его личностных предпочтений. Рассмотрим несколько удачных с точки зрения современной дидактики типов электронных учебников. Трехмерный текст. С помощью элементов веб-программирования можно легко реализовать механизмы гипертекстового локального сворачивания и разворачивания информации, всплывающих окон и контекстных комментариев (при наведении курсора мыши на ссылку). Они обеспечивают возможность создания трехмерных текстов с помощью гипертекстовой локальнорекурсивной технологии [18]. Обычно используют два способа составления трехмерного текста: снизу вверх и сверху вниз. В первом случае традиционный линейный текст форматируется в трехмерный по иерархическому и концентрическому принципам. Второй способ предполагает составление информационных учебных текстов адекватно иерархической структуре знаний - с «чистого листа». Для описательных учебников наиболее подходящим способом информа- ционного представления реальных объектов и событий является объектноориентированный подход [4]. При этом компьютерные возможности гипертекстовой технологии, трехмерной графики, анимации позволяют создавать пространственные трехмерные учебники. В качестве примера подобных ресурсов можно отметить разработки Е.А. Бойкова [4], представленные на портале объектно-ориентированных электронных учебников по техническим разделам информатики и инженерно-техническим дисциплинам (www.yemedia.ru). Ментальный учебник. Появление ментальных учебников связано с возможностью манипулирования и представления учебного материала в образнонаглядном виде. Визуализацию информации и знаний осуществляют с помощью так называемых ментальных (или концептуальных) карт (MindMap). Учеб- ники, созданные на основе гипертекстовой технологии ментальных карт и учитывающие трехэтапное представление информации на ментальном (чувственном), модельном и понятийном уровнях, позволяет резко повысить качество электронных средств обучения, переводя их на уровень искусственного эксперта. Следует признать, что подобное ментальное представление информации является развитием идей схемных, графических и знаковых моделей учебного материала В.Ф. Шаталова [22] и А.П. Егидеса [11]. При проектировании ментального электронного учебника учитываются особенности когнитивных процессов, лежащих в основе восприятия и запо- минания учебной информации [9]. На рис. 1 изображены три уровня представления учебной информации. На чувственном уровне сенсорная система в ответ на сигналы, поступив- шие из внешней среды, активирует определенный набор нейронов, которые связываются в некоторый ансамбль, создавая целостное ощущение в виде образа, согласно теории гештальта [6]. Рис. 1. Этапность представления содержания учебного фрагмента (на примере темы «Системы счисления») Информацией, представленной в форме чувственного образа, сложно опе- рировать (извлекать, обмениваться). Чтобы это стало возможным, человек пере- кодирует ее и сохраняет в памяти на более высоком уровне формализации в виде модели. В ментальном электронном учебнике информация на модельном уровне может быть представлена в виде ментальной карты [12]. Если на модельном уровне информация хранится в сжатом виде, то на понятийном уровне необходима развернутая информация в виде определений понятий и описаний взаимосвязей между ними. Концептуальная часть: новые электронные учебники. Исследователи выявили особенности современного школьника - при работе с информацией они пассивны, не любят работать с ее большим объемом, предпочитают ее краткую форму (графика, видео), хотят понимать, для чего им нужна эта информация [14]. Учителю необходимо научиться трансформировать свою деятельность для обучения цифрового поколения Z с использованием соответствующего учебно-методического обеспечения. В этой связи цифровые образовательные ресурсы должны отражать ука- занную специфику: - технологичность организации обучения за счет ясных требований к результатам обучения, быстрой обратной связи, разумного использования цифровой техники и технологий, включая мобильные; - индивидуализированный характер обучения за счет возможности вы-бора собственного сценария обучения; - свободный и демократичный формат организации учебного процесса и учебной деятельности обучаемого за счет цифровых технологий; - прагматичность и минимизация обучения по времени за счет предостав-ления быстрой, необходимой и не избыточной информации. Для поколения доцифровой эпохи характерна образовательная миссия, заключающаяся в освоении опыта и приобретении знаний, необходимых для будущей жизни (рис. 2, а). Представители поколения Z предпочитают решать возникшие задачи путем поиска необходимой информации в информационных ресурсах, базах данных и знаний (рис. 2, б). Представленная на рис. 2 картина дает ясное понимание причины резкого падения интереса современных учащихся к традиционным средствам обучения, созданным по принципам доэлектронной дидактики и вступающим в противоречие с их психофизиологическими характеристиками. Рис. 2. Смена стратегий обучения: а - доцифровое поколение; б - поколение Z Современная молодежь не желает просто «накапливать» багаж знаний для решения будущих задач (неизвестно каких). Им важно знать задачи и на- стоящие проблемы, которые они хотят решать в настоящее время, активно используя Интернет-ресурсы, включая «Википедию», которая имеет как раз формат, соответствующий их клиповому мышлению. На интересующий вопрос в ней имеется энциклопедическая справка со ссылками на необходимые подробности. Подобные ресурсы и сервисы не дают знания ради знаний, а пре- доставляют лишь необходимую информацию человеку по возникшему у него запросу. Перевернутый учебник. Смена стратегии обучения вызывает необходимость пересмотра структурной композиции и содержания учебной информации в учебниках. В них целесообразно учесть на ученике подход [24], сократовский метод (от вопросов и задач к обучению) [15], модель белого ящика [2] и «перевернутость» учебного материала. Основные способы обучения, включая цифровые технологии, имеют обра- зовательную модель черного ящика (рис. 3, а). При учете ментальных структур и механизмов мышления возможно построение образовательной модели белого ящика, то есть процесс обучения сводится к формированию требуемых ментальных структур и визуальной диагностике их качества (рис. 3, б). Рис. 3. Образовательные модели: а - модель черного ящика; б - модель белого ящика Преимущество метода белого ящика заключается в возможности визуа- лизировать динамику процесс обучения и ее результативность. Сущность перевернутого электронного учебника заключается в смене сис- темной последовательной формы представления учебного материала (рис. 4) на нелинейную, сетевую структуру с вопросно-задачной ведущей линией (рис. 5). Вопросы Задачи Рис. 4. Структура традиционного представления содержания учебника Рис. 5. Структура перевернутого электронного учебника Вопросная часть учебника проектируется на основе ментальных схем предметной области с элементами трехмерного текста и/или ментального учебника (описание которых представлено выше) либо в формате учебника-транс- формера, о чем пойдет речь далее. В задачной части удобно использовать когнитивные модели электронного репетитора [16; 20]. Как правило, эта часть содержит три основных раздела: «Решатель», «Тренажер», «Контролер». Еще один важный элемент - это скрытый от пользователя модуль индивидуальных учебных маршрутов, в котором фиксируется протокол работы ученика с учебником. Компонент «Решатель» предназначен для решения задач, задаваемых самим учеником. Практически это аналог пакетов прикладных программ или программных продуктов типа MathCad или MatLab, позволяющих осуществлять решение поставленных пользователем задач. Однако в нашем случае «Решатель» может показывать и объяснять ход решения задачи, анализируя оптимальный и другие возможные варианты решения. Компонент «Тренажер» генерирует тематические задачи для их предъявления обучаемому. Пользователю предоставляется возможность ввести итоговое решение задачи либо получить подсказку в случае затруднений или неправильного ответа. Правильные и неправильные ответы фиксируются с пометками использованных подсказок и запоминаются в специальной базе со статистическим механизмом. Это необходимо для более «разумного» генерирования заданий, в которых у большинства пользователей возникали сложности. «Контролер» имеет традиционные функции. Его примечательной особенностью является визуализированный характер. Он показывает динамику изменений сформированности ментальных структур ученика по предметной области по отношению к эталонной (заданной учителем). На рис. 6, а показан пример экспертной ментальной схемы по теме одного из разделов элементарной физики. А на рис. 6, б иллюстрируется уровень сформированности этой схемы у ученика на основе сеансов его работы с учебником (выделенные вершины и связи в схеме). Рис. 6. Визуализация динамики процесса обучения: а - экспертная ментальная схема; б - ментальная схема ученика Для повышения качественных характеристик учебника в него можно закладывать элементы искусственного интеллекта, психолого-педагогические закономерности и прочие интерфейсные сервисы. В частности, полезно ввести закон забывания информации, который допускает «стирание» по прошествии некоторого периода времени отдельных сформированных связей в уче- нической ментальной структуре (рис. 6, б). Таким образом, можно представить обобщенный алгоритм создания пере- вернутого электронного учебника в следующем виде: 1. Строится ментальная схема темы. 2. Для каждой оконечной вершины формируются контрольные вопросы и задания. 3. Для каждого вопроса создается ответ в виде информационного сообще- ния с ссылками на материалы смежных учебных элементов. Информацион- ный материал строится в «перевернутом» виде: от ответа на вопрос до общей теории по восходящей линии. Формат представления текста (трехмерный текст, ментальный учебник, учебник-трансформер и пр.) выбирается из дидактических целей и функций учебника. 4. Для каждого задания строится ментальная схема решения задачи. По ней разрабатываются «Решатель», «Тренажер», «Контролер». 5. Далее все как обычно: создается программный продукт и проводится тестирование. Учебник-трансформер. Идеи ментальных электронных учебников могут оказаться полезными для создания учебников нового поколения. Представляется, что необходимые предпосылки для организации и эф- фективной самообразовательной деятельности поколения Z создает трансфор- мационный подход к обучению [3; 13; 17]. Трансформационный подход в учебном процессе позволяет самому обуча- ющемуся настроить (трансформировать) обучение под свои учебные потреб- ности, с учетом своих предпочтений, желаний и возможностей. Электронный учебник-трансформер можно спроектировать путем создания многовариантного представления его содержания, соответствующего замыслам преподавателя и предпочтениям обучающегося. Не ограничивая общности, можно рассмотреть, например, три направления вариативности содержания: по психотипу восприятия информации; по когнитивным стилям мышления; по методам обучения [3; 17]. Безусловно, технология создания образовательных ресурсов-трансформеров трудоемка. Действительно, содержание каждой учебной темы или раздела необходимо представлять в большом количестве вариантов [8]. Но при подобной структурной композиции учебника появляется возможность каждому обучающемуся его трансформировать под свои учебные возможности, сформировать индивидуальную учебную дорожную карту [1]. При этом учебниктрансформер обеспечивает произвольное текущее конструирование содержания и последовательности обучения методом проб и ошибок, посредством выбора подходящего контента для удовлетворения личностных притязаний и предпочтений. Трудно реализующим компонентом учебника-трансформера является кине- стетический аспект обучения. Возможно, технологии дополненной реальности и дополненной виртуальности [7] позволят преодолеть эти сложности. А пока, в дополнение к электронному ресурсу, можно предложить использовать учебные натурные средства обучения. Их удобно создавать с помощью технологии 3D-протетипирования с использованием 3D-принтера [17]. При этом представляется целесообразным вовлекать самих обучаемых в процесс их создания. Учебные ресурсы-трансформеры могут удачно войти в состав перевернутых учебников, предоставляя обучаемым возможность находить нужную информацию для ответов на заданные вопросы и учиться решать задачи по разным вариантам трансформации учебного содержания. Результаты и дискуссия. Первые пробные перевернутые учебники и учебники-трансформеры по отдельным разделам элементарной математики и информатики были апробированы среди учащихся одной из школ города Красноярска. Наблюдения и опрос учеников показали высокий гуманистический и дидактический потенциал этих разработок. На рис. 7 в качестве примера показана ментальная схема темы «Площадь треугольника», по которой был разработан перевернутый учебник. В режиме «Тренажер» программа генерирует для пользователя тематическую задачу. Каждый неправильный ответ фиксируется и запоминается программой. Кроме того, каждая подсказка уменьшает стоимость правильного ответа и увеличивает стоимость неправильного. После получения ответа от пользователя программа предлагает посмотреть решение и правильный ответ. Программа сохраняет опыт работы с учениками и в последующем чаще генерирует те задания, в которых у пользователя больше ошибок или для ре- шения которых он использует больше подсказок. Если пользователь использует программу впервые, ему предлагается пройти вводное тестирование. Оно выявляет уровень сформированности знаний ученика по заданной теме. Этот этап позволяет системе более целенаправленно выстраивать стратегию обучения, подбирать «нужные» задачи. При этом эталон- ным (целевым) индикатором выступает экспертная ментальная схема (рис. 7). Правильно решенная учеником задача визуализирует сформированность некоторой части его ментальной схемы. Чтобы добиться сформированности полной схемы, обучаемому следует научиться решать задачи на все возможные маршруты эталонной схемы. Таким образом, в процессе взаимодействия с программным продуктом обучающий может наблюдать зеркально зафиксированный уровень своих умений решать задачи по заданной теме в сравнении с эталонной схемой. Заключение. Трансформационные и перевернутые электронные учебники нового типа принимают на себя функции электронного репетитора за счет трех позиций: - структурирования и представления учебной информации в формате предметных ментальных схем в перевернутом виде, соответствующем предпочтениям цифрового поколения Z; - ментальных схем, каждая из которых является экспертной системой, самообучающейся на основе знаний экспертов и опыта общения с учениками; - вариативности настройки текста под психологические предпочтения обучаемого, где фрагменты учебного материала представляются в визуальной, ассоциативно-контекстной и аудиальной, а также в других формах. Их основные преимущества заключаются: - в визуализации не только учебной информации, но и когнитивной структуры мышления самого обучаемого по заданной теме; - предоставлении ученику не только нужной информации, но и подсказ-ки, пояснения и управления его самообразовательной деятельностью с помощью элементов искусственного интеллекта; - интерактивности и возможности совместной работы с учителем уда-ленно за счет совместного анализа протоколов учебной деятельности каждого ученика в процессе его самообразования. Процесс обучения с использованием подобных электронных средств обучения проходит в несколько этапов. На этапе интуитивного обучения целесообразно учебный материал представлять в виде метальных схем. На этапе систематизации важно его закрепить (почаще активировать ментальные схемы предыдущего этапа обучения) с помощью решения частных задач и информационного описания (теории) знаний предметной области. Какие треугольники являются прямоугольными? Как найти площадь прямоугольного треугольника? Как по формуле Герона найти S? Какие бывают типы треугольников? Как найти S равностороннего треугольника? Как найти S, если заданы две стороны и угол? Какие треугольники являются равносторонними? Рис. 7. Концептуальная ментальная схема нахождения площади треугольника Учебники, реализующие вышеназванные положения и принципы, наце- лены в первую очередь на удовлетворение самообразовательных потребностей обучаемого, развитие его мышления с помощью мотивационных элементов, характерных для цифрового поколения Z. Таким образом, использование трансформационных и перевернутых электронных учебников позволяет не только автоматизировать процесс обучения без реального контакта с учителем, но и способствует значительному повышению мотивации учащихся к самообучению. Материалы статьи могут быть полезны для разработчиков электронных обучающих ресурсов, а также для учителей, желающих использовать электронные учебники нового поколения.

Об авторах

Николай Инсебович Пак

Красноярский государственный педагогический университет имени В.П. Астафьева; Казахский национальный педагогический университет имени Абая

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

доктор педагогических наук, профессор, заведующий кафедрой информатики и информационных технологий в образовании

Российская Федерация, 660049, Красноярск, ул. Ады Лебедевой, 89; Республика Казахстан, 050010, Алма-Ата, пр. Достык, 13

Екатерина Георгиевна Потупчик

Гимназия № 9 города Красноярска

Email: e-katerina-gp@mail.ru

учитель информатики

Российская Федерация, 660001, Красноярск, ул. Мечникова, 13

Людмила Борисовна Хегай

Красноярский государственный педагогический университет имени В.П. Астафьева

Email: hegail@yandex.ru

кандидат педагогических наук, доцент, доцент кафедры информатики и информационных технологий в образовании

Российская Федерация, 660049, Красноярск, ул. Ады Лебедевой, 89

Список литературы