Монография Павлодар Ж. К. Нурбекова теоретико-методологические основы обучения программированию Павлодар

Ж.К. НУРБЕКОВА

Теоретико-методологические основы обучения программированию
Монография

Павлодар
Ж.К. НУРБЕКОВА

Теоретико-методологические основы обучения программированию

Павлодар

УДК 004.45

ББК 32.973.26-018.1

Н 90
Рекомендовано ученым советом Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова
Рецензенты:

доктор педагогических наук, профессор Е.Ы.Бидайбеков (заведующий кафедрой информатики и прикладной математики Казахского национального педагогического университета имени Абая)

доктор технических наук, профессор С.Г.Григорьев (заведующий центром Информатики и информационных технологий в образовании Российской Академии Наук)

Нурбекова Ж.К.

Н90 Теоретико-методологические основы обучения программированию: Монография. - Павлодар, 2004. - 225 с.:ил.

ISBN - 9965-539-64-2
В данной работе рассматриваются методология обучения программированию, построение методической системы обучения программированию с применением методов информационного и математического моделирования, а также теоретические основы электронного обучения программированию.

Работа предназначена для преподавателей вузов, научных работников, аспирантов, магистрантов и студентов.

ББК-32.973.26-018.1

3232.973-01я73

ISBN 9965-539-64-2

Введение

Каждое очередное пятилетие приносит нам новый взгляд на программирование. Экстравагантный промежуточный этап в решении задачи, математическая головоломка, дело необычайной трудности, доступное лишь посвященным, своеобразное инженерное конструирование, особого рода логическое рассуждение, наконец, основа любой целеустремленной деятельности, вторая грамотность современного образованного человека.

А. П. Ершов

Современный этап развития общества характеризуется смещением общественных приоритетов в сторону информационной индустрии и информационных ресурсов, который ставит перед педагогической наукой проблему подготовки будущих специалистов к жизни в информационном обществе, адаптации студентов к новым условиям в обществе в процессе профессионального становления.

Проблема воспитания является главной задачей педагогической науки. Опорой независимой Республики Казахстан должна стать молодежь, воспитанная на непроходимых ценностях, как профессионализм, нравственность и интеллект.

Специалист с высшим образованием, не обладая информационной культурой, не имея знаний, умений и навыков работы в информационной среде, не будет осуществлять полноценную профессиональную деятельность.

Научно-технический прогресс в мире приводит к ускоренным темпам старения технических оснащений и научно-методических ресурсов системы образования. В то же время современные информационные технологии выступают в роли инструментальных средств для решения проблем науки и образования. Информатизация образования и общества в целом, позволяет развить интеллектуальные и творческие способности обучаемых и реализовать комплексную информационно-методическую поддержку учебного процесса.

Исследование проблем подготовки будущих специалистов в условиях информатизации образования нашли отражение в работах казахстанских ученых Е.Ы.Бидайбекова, Т.О.Балыкбаева, А.Е.Абылкасымовой, Ж.А.Караева, С.Кариева, А.А.Шарипбаева, Е.Ы.Медеуова, Г.Д.Жангисиной и других.

В настоящее время в соответствии с государственным образовательным стандартом изучение алгоритмов и программирования, так или иначе, входит в учебный план всех специальностей, то есть включается или как отдельный раздел или как подраздел раздела «Инструментарий технологии программирования». И одной из основных задач дисциплины «Информатика» является обучение студентов алгоритмизации профессиональных задач, основам программирования в информационных системах по областям. В этом случае дифференцированное обучение программированию является оптимальным, поскольку позволяет раскрыть как естественно-математическую, так и гуманитарную сторону этой науки.

Таким образом, одной из составляющей основ информационной культуры является владение основами программирования.

Известно мнение о том, что массовый пользователь компьютерной техники непрограммирующий и в последнее время при обучении информатике основной акцент делается на пользовательский аспект.

Современное преподавание информатики, новых информационных технологий студентам, специализирующимся по другим направлениям, сводится лишь к изучению пользовательских аспектов курса, т.е. освоению простейших способов обработки текстовой, табличной и др. информации.

Однако в этом случае роль и место программирования, заключающегося в развитии мышления и воспитания, игнорируется. Для овладения достаточного уровня знаний по информатике и для будущей полноценной профессиональной деятельности, важно умение использования возможностей прикладных программных продуктов таких, как создание дополнительных кодов (скриптов) для управления объектами в данной программной среде, необходимы и программистские навыки. Например, в Microsoft Word (Microsoft Excel) выполнение какой-либо задачи можно автоматизировать с помощью макроса (набора команд и инструкций, выполняемых как одна команда), который создается либо использованием средства для записи макросов, либо программированием в редакторе Visual Basic. Создание скриптов необходимо для полного использования и других технологий (Internet-технологии, Flash-технологии и другие).

Э.И.Кузнецов отмечает, что в специальную подготовку студентов должно быть включено изучение основ программирования. Это даст возможность использовать компьютер в качестве инструмента для решения задач. Обучение программированию наиболее подвержено дифференциации в зависимости от специальности. Для студентов гуманитарных и некоторых естественных специальностей оно не должно быть глубоким.… Для студентов специализирующих по физике, математике и особенно, информатике изучение программирования должно быть организовано с достаточной степенью глубины, чтобы будущие учителя этих специальностей могли использовать компьютер в качестве инструмента для решения задач^¹.

В научно-образовательном проекте «Информатика-21» целью ставится предоставление программистам (прежде всего «непрофессионалам»: физикам, химикам, экономистам, лингвистам…) ультрасовременных - простых, эффективных и мощных средств программирования^². Это также указывает на необходимость обучения их программированию.

Будущий специалист должен освоить средства информационных технологий в достаточном объеме, необходимом для полного использования компьютера.

Обучение программированию позволяет прививать умение упорядочения, структурирования данных и знаний, систематизации, понимать сущность информационного моделирования, способов представления данных, необходимые для использования современных информационных технологии для анализа изучаемых процессов и принятия решений.

В процессе обучения программированию студентам прививается и способность предвидеть последствия собственных действий, умения подчинять свои интересы к существующим нормам поведения в обществе. В педагогической литературе информатика определена и как наука о правилах целеустремленной деятельности человека.

Применение компьютера для решения задач и обработки потоков информации разной природы связано с освоением информационного моделирования и программирования.

Н.Вирт отмечал, что программирование является, возможно, самой важной дисциплиной постиндустриальной эры^³.

Проблемы теории, методики обучения программированию рассматривались многими учеными с конца 60-х годов ХХ века. Педагогические исследования С.И.Шварцбурда, В.М.Монахова, М.П.Лапчика, С.С.Минаева, А.П.Ершова, И.Н.Антипова, Л.С.Шварцбурда, Э.А.Кузнецова, М.В.Швецкого, С.Г.Григорьева, В.В.Гриншкуна и других были посвящены вопросам обучения программированию.

Изучение трудов ученых и состояния сегодняшнего преподавания программирования в ряде университетов, выявило несоответствие парадигмы программирования для обучения к будущей профессиональной деятельности, то есть вузовская дисциплина, и практика программирования не имеют связи.

Основной целью обучения программированию является привитие студентам культуры программирования, которая позволит им облегчить процесс разработки и сопровождения программ.

Курс информатики в высшей школе в целом предназначен для обобщения и углубления общеобразовательных знаний, полученных в предыдущей ступени образования. Поэтому содержание курса во-первых, должно отражать наиболее общие и фундаментальные понятия информатики и вычислительной техники, применения методологии информатики, информационных технологий в различных сферах человеческой деятельности, во-вторых, должно заложить фундамент общеобразовательных знаний.

Использование компьютера в качестве инструмента для решения задач предполагает не только использование прикладного программного обеспечения, но и умение программировать хотя бы на одном из языков программирования высокого уровня. Умение программировать должен быть дифференцированным в зависимости от профессиональной направленности. Это означает, что если для большинства специальностей необходимо понимание основных принципов программирования, умения создания простейших кодов во встроенной среде программирования, то для студентов специальностей физики, математики, информатики, компьютерной обработки информации и систем управления необходимы практика программирования и знание теории алгоритмов, методов информационного моделирования, достаточных для решения прикладных задач.

Таким образом, обучение программированию в системе курсов информатики в высшей школе приобретает необходимость для специальностей всех направлений. Обучение программированию в зависимости от специальности должно быть дифференцированным.

В условиях гуманизации и гуманитаризации общества, дифференциация обучения становится одним из важнейших направлений развития сферы образования. Это определяется и тем, что дифференциация образования играет большую роль в развитии индивидуализации обучения, способностей, познавательной активности учащихся и т.д.

Одной из задач в области образования является приведение методов обучения в соответствие с требованиями жизни. В условиях современного общества образование должно быть личностно-ориентированным. В этой связи возникает необходимость реализации индивидуализации и дифференциации обучения, усиления развивающей и воспитательной функции обучения.

Одним из требований к подготовке специалиста является востребованность его знаний на рынке, способность применения своих знаний, умений и навыков для решения конкретных проблем. В этой связи важно обучение деятельности самостоятельного приобретения новых знаний. В этом случае деятельность студента является продуктивной.

Методом познания действительности при обучении является модель реального объекта. В этом плане важным методом обучения является метод проектов и метод программированного обучения.

Среди организационных моделей изучения профильных приложений оптимальным представляется проектная модель индивидуальной деятельности. При методе проектов студенты, выполняя проектные работы, начинают активно создавать познавательные информационные продукты; думать и принимать решения в ситуациях, требующих выбора; работать с различными информационными ресурсами; осваивать новые технологии; работать в коллективе для достижения общей цели; самостоятельно принимать решения на основе анализа данных; реально использовать знания, умения и навыки; приобретая знания, обучать друг друга новым приёмам.

Определение видов профильных приложений и уточнение понятия информационной культуры обучаемого позволило выявить сущность связи между ними в целостном педагогическом процессе. Это взаимодействие раскрывается через структурные компоненты информационной культуры, являющиеся подсистемой профессиональной и общей культуры человека, связанной с ними едиными категориями культуры мышления, поведения, общения и деятельности.

Под профильными приложениями информатики понимают те ее приложения, которые способны формировать информационную культуру студента «в объеме, необходимом для нравственной рефлексии своего профессионального поведения в информационной среде, сознательном и ответственном отношении к определению целей и средств информационной деятельности, реализации творческих потенций личности с использованием современных информационных технологий»^⁴. К ним относят структуру и общие свойства научной информации, методологию научного познания; информационное моделирование в сферах профессиональной деятельности; универсальные и профессионально ориентированные средства информационных технологий.

Многие ученые (П.Я.Гальперин, Н.Ф.Талызина, В.П.Беспалько и др.) рассматривали программированное обучение как процесс управления на уровне психической деятельности человека и считают, что основу программированного обучения составляет управление учебным процессом путем построения его в полном соответствии с психолого-педагогическими знаниями. При методе программированного обучения осуществляется определение условий, в которых наилучшим образом раскрываются и корригируются познавательные возможности. Применение обогащающей модели программированного обучения создает оптимальные условия для безболезненной адаптации учащегося в образовательном пространстве, развития мотивационно-познавательной и интеллектуальной сфер, реабилитации и коррекции имеющихся нарушений.^⁵

В этой связи возникает необходимость исследований по применению современных достижений педагогической науки при обучении программированию.

В обучении программированию основным является построение информационных моделей. Изучение различных подходов к пониманию информационной культуры студентов позволило в качестве оптимальной методологии построения курса программирования выбрать информационное моделирование, которое должно придать данному курсу профильный характер, подготовить студентов к дальнейшему практическому использованию полученных знаний.

Обучение программированию в условиях профильной дифференциации способствует овладению студентами многими важными умениями информационной деятельности профильной направленности, что напрямую связано с решением задачи подготовки будущих специалистов. При этом формируются представления о моделировании как методе познания, об объектно-ориентированном информационном моделировании, об исследовании на компьютере информационных моделей из различных предметных областей.

Рассматривая обучение как форму информационного моделирования объекта познания, мы тем самым создаем условия для развития информационной культуры будущих специалистов.

Психолого-педагогические и дидактические основы дифференциации школьного образования исследованы во многих работах ученых (С.И.Шварцбурда, В.М. Монахова, Г.В. Дорофеева, В.В. Фирсова, и других). Различные подходы к дифференциации содержания обучения информатике предложены Н.В.Апатовой, С.А. Бешенковым, Т.А.Бороненко, М.В.Швецким, А.Г.Гейн, С.Г.Григорьевым, М.П.Лапчик, Т.И.Захаровой и другими).

В педагогической науке дифференциацию содержания образования разделяют на профильную и уровневую дифференциаций. В обучении программированию дифференциация обучения должно включать в себя дифференциацию обучения программированию по тематическим разделам и сложности. Для осуществления подобной дифференциации необходимо составить инвариантную и вариативную части содержания обучения программированию.

Современные прикладные программные продукты имеют встроенные языки программирования: языки создания макросов, языки сценариев и т.д., (например, VBA, ActionScript и т.д.). Поэтому, профильная дифференциация обучения программированию предусматривает, прежде всего, встроенные средства программирования для специальностей не информатико-математического профиля.

Современное программирование – это искусство описать задачу в доступной компьютеру форме и решить задачу с применением компьютера. В этой связи вариативная часть обучения программированию должна соответствовать уровню и условиям всеобщей информатизации, а также направлениям развития средств программирования.

В новом веке, в «эпоху создания всемирной информационной магистрали»^⁶, которое предусматривает создание новых рабочих мест, необходимо включение в вариативную часть обучения программированию по необходимости программирование для Интернета, Web-дизайн. Здесь наряду с обучением созданию гипертекстов, использованию макроязыка, для успешной реализации анимации для Интернет-среды обучать встроенным языкам сценариев типа Action Script .

Новая государственная политика в области образования предполагает решения проблемы фундаментальной подготовки специалистов в области информатики. Программирование как одна из предметных областей науки информатики имеет огромное значение при подготовке будущих специалистов. Фундаментальная подготовка специалистов в области программирования характеризуется целостностью, которая предполагает, во-первых, выявление сущностных оснований и связей в изучаемых объектах, во-вторых, обучение, ориентированное на внутренние связи системы курсов информатики и междисциплинарные связи.

Как известно, математика и программирование имеют общую основу, состоят из общих дисциплин таких, как теория вычислений, математическая логика, теория множеств, теория графов, теория вероятностей, теория информации. Поэтому, для будущих физиков, математиков, специалистов в области информатики вариативную часть курса составляет математическая основа программирования.

В целях фундаментализации, обучение программированию необходимо осуществлять на основе теоретического программирования, «математической дисциплины, изучающей математические абстракции программ, трактуемых как объекты, выраженные на формальном языке, обладающие определенной информационной и логической структурой и подлежащие исполнению на автоматических устройствах»^⁷.

Абстракция исполнения, по мнению Дейкстры, лежит в основе всего понятия «алгоритма» настолько глубоко, что обычно ее считают само собой разумеющейся и оставляют без внимания. Её назначение в том, чтобы сопоставлять между собой различные вычисления. Иначе говоря, она предоставляет нам способ осмысливания конкретного вычисления как элемента большого класса различных вычислений; мы можем отвлечься от взаимных отличий элементов такого класса и, руководствуясь определением класса в целом, высказывать утверждения, применимые к каждому его элементу, а, следовательно, справедливые и для конкретного вычисления, которое мы хотим рассматривать^⁸.

Модели вычислений, как модель последовательных программ с памятью, или операторных программ, и модель рекурсивных программ заложены в основе теоретического программирования и строятся над некоторой абстрактной системой , образованной предметной областью, конечным набором функциональных, предикатных символов с заданным для каждого символа числом его аргументов.

Обучение программированию предполагает привитие навыков построения подобных абстракций программ. Определение класса программ предполагает в свою очередь построение конструктивного объекта – схемы программы, задание конкретной предметной области и сопоставление набором конкретных функций и предикатов – интерпретацию, а также семантики - способа сопоставления каждой программе результатов ее выполнения. Таким образом, возникает необходимость изучения теории схем программ (функциональная эквивалентность, протокол выполнения программ, детерминанты (множество формальных протоколов), теоретические положения А.А.Ляпунова, Ю.И.Янова и др.), логическую теорию программ (методы доказательства правильности программ, метод Флойда, динамическая логика (логики Хоара) и др.), алгебраическую теорию программ, теорию формальных языков программирования и т.д.

Как мы видим, обучение программированию – как область педагогической науки требует тщательного и всестороннего исследования. Для построения целостной методической системы обучения программированию необходимы исследования всех компонент методической системы: целей обучения, содержание обучения, методов, форм и средств обучения как в условиях дифференциации образования предусматривающий, прежде всего, личностно-ориентированный подход, так и в условиях всемирной информатизации, которое предполагает технический прогресс на пути создания всемирной информационной магистрали.

следующая страница >>