На правах рукописи

КОНСТАНТИНЯН Тигран Каренович

СИСТЕМА ОБУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИКЕ БУДУЩИХ УЧИТЕЛЕЙ

ХИМИИ И БИОЛОГИИ, ОСНОВАННАЯ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ

ТЕХНОЛОГИИ ГРАФИЧЕСКОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Специальность 13.00.02 – теория и методика обучения и воспитания

(информатика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Москва – 2011

Работа выполнена на кафедре информатизации образования Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования города Москвы «Московский городской педагогический университет»

Научный руководитель: доктор педагогических наук, профессор Гриншкун Вадим Валерьевич

Официальные оппоненты: доктор педагогических наук, профессор Есаян Альберт Рубенович кандидат педагогических наук, доцент Рыбаков Даниил Сергеевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Ленинградский государственный университет им. А.С. Пушкина»

Защита диссертации состоится «22» июня 2011 года в 12.00 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 850.007.03 при ГОУ ВПО города Москвы «Московский городской педагогический университет»

и ГОУ ВПО «Тульский государственный педагогический университет имени Л.Н. Толстого» по адресу: 127512, г. Москва, ул. Шереметьевская, д.29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО города Москвы «Московский городской педагогический университет» по адресу:

129226, г. Москва, 2-й Сельскохозяйственный проезд, д.4.

Автореферат размещен на сайте www.mgpu.ru Автореферат разослан « » мая 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор педагогических наук, профессор А.Я. Фридланд

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Приоритетным направлением развития современной педагогической науки является совершенствование подготовки студентов педагогических вузов, ведущее к осознанному, эффективному и творческому использованию средств информационных технологий.

Возрастающая потребность в специалистах, способных эффективно использовать информационные технологии, ставит новые задачи в организации и модернизации общего и специализированного образования и, как следствие, собственно процесса подготовки преподавателя, способного решать новый класс профессиональных задач.

К настоящему времени уже создан значительный теоретический фундамент, позволяющий в достаточно широком контексте рассматривать проблему информатизации образовательного процесса, выявлены психологические основы использования компьютерной техники в учебном процессе. Вместе с тем ряд вопросов подготовки студентов естественнонаучных факультетов педагогических вузов в области методики обучения и воспитания школьников в условиях информатизации образования проработан в недостаточной мере. В частности, возникает необходимость критического осмысления отечественного и зарубежного опыта подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии.

В настоящее время для подготовки таких педагогов используются достаточно общие по своему характеру системы обучения информатике, предназначенные для педагогических вузов, в целом. В числе авторов, посвятивших свои научные труды становлению и развитию курса информатики для педагогических вузов, можно отметить Т.А. Бороненко, С.Г.

Григорьева, В.Е. Жужжалова, А.А. Кузнецова, М.П. Лапчика, И.В. Левченко, А.В. Могилева, Н.И. Пака, Е.К. Хеннера и других.

Среди авторов работ, посвятивших свои научные исследования качественному улучшению методологической базы профильного обучения будущих учителей химии, следует отметить Е.Я. Аршанского, Е.И Евстафьеву, Ю.В. Железнякову С.Н. Милюкову, М.К. Толетову, И.А.

Тюлькова, Г.А. Шипареву и других. Основам профильного обучения будущих учителей биологии посвятили свои труды Н.С. Бендиковская, О.Ю. Бурцева, Ю.В. Жданова, Н.М. Лисун, Е.А. Никишова, Е.А. Филиппов, Г.Г. Швецов и другие.

Большинство подобных работ не затрагивают возможности применения современных информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) при обучении будущих учителей химии и биологии, в то время как полноценное современное образование невозможно представить без постоянно усиливающегося влияния ИКТ и относимых к ним электронных образовательных ресурсов (ЭОР) на формирование содержания и методологии подготовки будущих педагогов. Этот факт подтверждается в работах Е.С. Артемьева, Г.И. Егоровой, А.А. Журина, Е.Б. Ивановой, А.Н.

Левкина, В.Н. Лихачева, О.В. Рогожина, О.В. Романовой, А.А.

Сыромятникова, Т.П. Третьяковой применительно к подготовке учителей химии и в работах Е.С. Гладкой, Т.И. Крылова, А.С. Лысенко, О.Н.

Стефаненко, Е.А. Филиппова применительно к подготовке учителей биологии.

Работа педагога в школьном классе химии или биологии связана с навыком проведения демонстраций различного рода явлений, например, химических реакций или развития организмов под влиянием факторов роста, а также клеточных превращений, наблюдаемых лишь при наличии соответствующего оборудования. В связи с этим особое место при подготовке педагогов в области химии и биологии занимают информационные технологии, связанные с созданием наглядных виртуальных демонстраций. Существенными возможностями с точки зрения проведения демонстраций обладают виртуальные лаборатории, создание которых может осуществляться с использованием технологии графического программирования. С учетом этого особенности их разработки и использования должны найти соответствующее отражение при подготовке учителей химии и биологии в области информатики.

программирование, предназначенное для написания программ для компьютера или вычислительного устройства, в котором вместо текстового описания алгоритма используется графическое описание. К графическому программированию можно отнести генерацию кода по блок-схемам.

Графическому программированию посвятили свои исследования Е.А.

Балыко, Д.М. Ксенофонтов, Н.Б. Куншина, В.Е. Махов, П.М. Михеев, Р.Г.

Насырова, Д.В. Погодин, А.И. Потапов, Ф.В. Потемкин, А.Г. Самойлов, Г.Г.

Сергеев, И.А. Степаненко, Д.С. Шантырь и другие.

Виртуальными лабораториями называются программно-аппаратные комплексы, позволяющие проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном отсутствии таковой. Среди авторов, посвятивших свои исследования виртуальным лабораториям, следует отметить Д.А. Бобылева, О.А. Великосельского, Е.А. Гаджиеву, К.С. Гамбург, С.В.

Григорьеву, В.А. Зелепухину, П.Г. Круга, С.Е. Лозовского, О.И. Ляша, А.В.

Меженина, А.Э. Панфилова, П.А. Рахмана, Н.Г. Шилова. В то же время проблемы изучения технологии графического программирования с целью последующего создания и применения виртуальных лабораторий до сих пор не решены применительно к курсу информатики для будущих учителей химии и биологии.

Анализ методической системы обучения информатике будущих учителей химии и биологии свидетельствует о:

недостаточной подготовке педагогов к использованию информационных технологий и, в частности, виртуальных лабораторий в последующей профессиональной деятельности;

– отсутствии методов обучения технологии графического программирования, предусматривающих подготовку педагогов к созданию и применению виртуальных лабораторий, соответствующих реальным экспериментам;

– необходимости поиска программных средств и технологий для создания виртуальных лабораторий, использование которых было бы возможно в качестве средств обучения.

Таким образом, имеет место противоречие между необходимостью формирования у будущих учителей химии и биологии в процессе обучения информатике знаний и умений в области создания виртуальных демонстраций химических и биологических экспериментов, с одной стороны, и, с другой стороны, отсутствием методической системы подготовки по информатике студентов химических и биологических специальностей педагогических вузов, предусматривающей обучение графическому программированию как технологии создания виртуальных лабораторий.

Приведенное выше противоречие позволяет сформулировать проблему исследования, заключающуюся в необходимости разработки методической системы обучения информатике для студентов – будущих учителей химии и биологии, способствующей приобретению знаний и умений в области графического программирования и создания наглядных виртуальных демонстраций, необходимых для последующей профессиональной деятельности.

Целью исследования является совершенствование методической системы обучения информатике студентов педагогических вузов, обучающихся по специальностям «учитель химии» и «учитель биологии», направленное на формирование знаний и умений в области создания наглядных виртуальных демонстраций химических и биологических экспериментов с использованием технологии графического программирования.

Объект исследования: система обучения информатике будущих учителей химии и биологии в педагогических вузах.

Предмет исследования: содержание, методы и средства обучения технологии графического программирования в рамках курса информатики для студентов педагогических вузов, обучающихся по специальностям «учитель химии» и «учитель биологии».

Гипотеза исследования: если система обучения информатике будет предусматривать знакомство с технологией графического программирования, то это будет способствовать формированию у будущих учителей химии и биологии готовности к созданию и использованию виртуальных лабораторий и наглядных виртуальных демонстраций химических и биологических экспериментов, что, в конечном итоге, будет влиять на повышение эффективности последующей профессиональной деятельности выпускников педагогических вузов.

Цель, объект, предмет и гипотеза исследования обусловили необходимость решения следующих задач:

1. Проанализировать специфику подготовки и выявить особенности обучения информатике будущих учителей химии и биологии в педагогическом вузе;

2. Определить возможности применения технологии графического программирования при создании виртуальных лабораторий по химии и 3. Определить цели и принципы подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии;

4. Разработать содержание и методы обучения технологии графического программирования в курсе информатики для студентов химических и биологических специальностей педагогических вузов;

5. Выявить программные и технические средства, необходимые для обучения технологии графического программирования в курсе информатики;

6. Экспериментально проверить эффективность системы обучения информатике будущих учителей химии и биологии.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: анализ педагогической литературы по химии, биологии, информатике; изучение литературы в области графического программирования; анализ вузовских стандартов, учебников и учебных пособий по курсу информатики будущих учителей химии и биологии; статей и докладов по тематике работы; изучение и обобщение педагогического опыта; анализ учебного процесса и учебно-познавательной деятельности;

экспериментальный метод при апробации курса в учебном процессе.

Теоретико-методологической основой исследования являются научные труды:

– в области философии и психолого-педагогической науки (Ю.К.

Бабанского, В.П. Беспалько, Л.С. Выготского, П.Я. Гальперина, В.В.

Давыдова, В.В. Краевского, А.Н. Леонтьева, И.Я. Лернера, М.Н. Скаткина, Н.Ф. Талызиной, Л.М. Фридмана, и др.);

– в области информатизации образования (С.Г. Григорьева, В.В.

Гриншкуна, Т.Ю. Ильиной, К.К. Колина, В.М. Монахова, С.В. Патоковой, И.В. Роберт, Н.В. Сафроновой, О.К. Филатова, И.А. Щербакова и др.);

методики обучения информатике (С.А. Бешенкова, Т.А. Бороненко, А.Р. Есаяна, В.Е. Жужжалова, О.Ю. Заславской, Т.Б. Захаровой, А.А.

Кузнецова, И.В. Левченко, А.Я. Фридланда);

– в области обучения технологии графического программирования (В.В. Андреева, Е.Т. Володарского, А.Г. Калашникова, В.И. Королькова, А.В.

Пеца, Ю.М. Туза, Г.Н Уварова, А.М. Умнова, Д.В. Чупрова, R. Baecker, A.

Berztiss, M. Brown, R. Chandhok, C. Christensen, O. Clarisse, R. Grafton, T.

Ichikawa, E. Jungert, R. Korfhage, B. A. Myers, A. Sareen, R. Sedgewick, D.

Smith, W. Sutherland, M. Zloof, и др.).

Научная новизна исследования состоит в следующем:

1. Обосновано, что графическое программирование является эффективной технологией для создания химических и биологических демонстраций и виртуальных лабораторий, значимых с точки зрения обучения химии и биологии;

2. Выявлено, что знакомство с технологией графического программирования при обучении информатике в сочетании с применением виртуальных лабораторий способствует эффективному формированию у педагогов готовности к использованию указанных средств в обучении школьников химии и биологии;

3. Определены принципы обучения технологии графического программирования в рамках курса информатики для студентов педагогических вузов, ориентированные на моделирование реальных химических и биологических экспериментов, значимых для профессиональной деятельности учителей химии и биологии.

Теоретическая значимость исследования заключается в том, что обоснована необходимость введения раздела «Технология графического программирования при создании виртуальных лабораторий» в содержание курса информатики для будущих учителей химии и биологии. Определены принципы подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии, включающей обучение технологии графического программирования, в частности, принципа графического представления учебного материала при создании виртуальных лабораторий.

Практическая значимость исследования состоит в том, что отобраны учебные материалы по технологии графического программирования, необходимые будущим учителям химии и биологии, сформированы методы обучения технологии графического программирования для создания виртуальных лабораторий и реальных демонстраций по курсам химии и биологии, в частности, разработаны лабораторные работы по информатике по созданию наглядных демонстраций в среде LabVIEW, отражающих изменение температуры растений в зависимости от комнатной температуры, зависимость скорости реакции окисления цинка от температуры, а также другие лабораторные работы.

Достоверность результатов исследования обеспечивается опорой на основные положения педагогики и психологии, апробацией материалов исследования в реальном учебном процессе по информатике в рамках подготовки будущих учителей химии и биологии в педагогическом вузе, итогами педагогического эксперимента.

Экспериментальной базой исследования являлась кафедра информатизации образования Института математики и информатики ГОУ ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет».

Экспериментальное обучение студентов проводилось с 2007 по 2011 годы в Институте естественных наук ГОУ ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет». Исследование включало в себя три этапа.

На первом этапе (2007-2008 г.г.) было изучено теоретическое и практическое состояние проблемы обучения информатике студентов – будущих учителей химии и биологии, исследованы различные теории обучения путем анализа учебной, философской, психолого-педагогической, методической и специальной литературы, периодических изданий и статей по тематике исследования; выявлены возможные подходы к обучению технологии графического программирования в курсе информатики.

На втором этапе (2008-2009 г.г.), исходя из проделанной работы, были определены цели, задачи, основные методы, объект, предмет исследования, сформулирована гипотеза исследования, выявлены основные компоненты экспериментальной технологии. На этом же этапе подготовлены дидактические и методические материалы и проведена их апробация, структурирован учебный материал, разработано содержание раздела курса информатики «Технология графического программирования при создании виртуальных лабораторий».

На третьем этапе (2009-2011 г.г.) проводились экспериментальное обучение по разработанной методике с целью выявления ее эффективности;

обработка полученных данных на основе математической статистики; анализ, систематизация, обобщение, содержательная интерпретация и оформление диссертационного исследования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Внедрение раздела, посвященного технологии графического программирования, в курс информатики для будущих учителей химии и биологии способствует формированию у будущих педагогов готовности к использованию наглядного моделирования химических и биологических экспериментов в виртуальных лабораториях для более качественного обучения школьников химии и биологии;

2. Учет принципа графического представления учебного материала при создании виртуальных лабораторий, а также других выявленных принципов при обучении технологии графического программирования способствует повышению интереса студентов к изучению информатики и, как следствие, способствует формированию у учителей потребности к применению информационных и телекоммуникационных технологий в педагогической деятельности;

программирования LabVIEW в рамках реализации предложенной методической системы способствует эффективному обучению студентов информатике и влечет за собой развитие у будущих педагогов профессиональных качеств, значимых для визуализации химикобиологических экспериментов.

исследования. Основные результаты исследования апробированы на XVI, XVIII и XIX Международных научных конференциях «Информационные технологии в образовании (ИТО)» (Москва, 2006, 2008, 2009), на Международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2009), Первой международной конференции «Образование в сфере нанотехнологий: современные подходы и перспективы» (Москва, 2010), научных семинарах и заседаниях кафедры информатизации образования Института математики и информатики ГОУ ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет» (2007Результаты диссертационного исследования внедрены в процесс подготовки студентов – будущих учителей химии и биологии в ГОУ ВПО г.

Москвы «Московский городской педагогический университет».

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в печатных работах, в том числе в 3 работах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована проблема и гипотеза, определены объект, предмет, цель и задачи исследования, изложены научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, раскрыты положения, выносимые на защиту, обозначены этапы исследования, данные об апробации и внедрении его результатов.

В первой главе «Особенности обучения информатике будущих преподавателей химии и биологии» отмечается, что в современных условиях содержание высшего образования должно отвечать непрерывно развивающимся вызовам современного общества в сфере решения профессиональных проблем образования в реальных ситуациях педагогической деятельности. Соответственно, высокая профессиональная и социальная значимость инновационных подходов к подготовке будущих учителей химии и биологии диктует необходимость оптимального сочетания традиционных методов преподавания с современными педагогическими подходами, отвечающими глобальным тенденциям информатизации современного общества, использованию информационных и телекоммуникационных технологий в профессиональной деятельности педагогов. Показана перспективность использования технологии графического программирования в курсе информатики для студентов естественнонаучных дисциплин, в частности, будущих учителей химии и биологии.

Современное обучение невозможно представить без постоянно усиливающегося влияния информационно-коммуникационных технологий и электронных образовательных ресурсов. В качестве примера рассмотрена методика Т.В. Ивченко и Л.П. Лисовской формирования практических навыков использования электронных образовательных ресурсов будущих учителей биологии, разработанная в ГОУ ВПО «Калужский государственный университет им. К. Э. Циолковского».

Отмечается, что наряду с основными подходами к обучению информатике будущих учителей химии и биологии, предполагающих использование электронных образовательных ресурсов на протяжении всего этапа обучения студенты сталкиваются с необходимостью визуализации экспериментов, создаваемых при помощи виртуальных лабораторий. При этом возникает необходимость выявления основных нереализованных возможностей виртуальных лабораторий, предназначенных для обучения информатике будущих учителей химии и биологии.

В диссертации детально описаны различные варианты реализации виртуальных лабораторий и возможности их использования для обучения информатике будущих учителей химии и биологи. Приведена схема типовой виртуальной лаборатории, а также перечислены требования, необходимые для создания полноценной обучающей виртуальной лаборатории.

Отмечается, что при проектировании виртуальных лабораторий зачастую отдельно не упоминается о технологии их создания и программном обеспечении, применяемом при построении подобных средств обучения.

Однако, программное обеспечение, применяемое при построении виртуальных лабораторий, является немаловажной частью в процессе обучения будущих учителей химии и биологии. Среди общепринятых в мировой практике средств создания виртуальных лабораторий наиболее часто применяется технология графического программирования. Однако, данная технология недостаточно востребована в отечественной системе образования и требует более детального рассмотрения в разрезе обучения информатике студентов – будущих учителей химии и биологии.

В этой же главе подробно описывается технология графического программирования и возможности ее использования в обучении информатике будущих учителей химии и биологии. Отмечается, что традиционные языки программирования при создании виртуальных лабораторий сложны в изучении и использовании, требуют навыков, которыми многие студенты – будущие учителя химии и биологии чаще всего не обладают. Приводится подробное описание различных языков программирования, в том числе использующих технологию графического программирования. Описываются преимущества и недостатки, а также приводится сравнительная классификации систем программирования виртуальных лабораторий, используемых при обучении информатике будущих учителей химии и биологии. В результате сделан вывод о предпочтительности использования системы обучения информатике будущих учителей химии и биологии с использованием технологии графического программирования с применением достаточно развитой программной оболочки LabVIEW.

Выявлены возможности применения технологии графического программирования с использованием оболочки LabVIEW в обучении информатике студентов – будущих учителей химии и биологии. В частности, указаны технологии создания приложений для сбора информации и обработки визуального представления измеряемых и рассчитываемых величин. Приведены примеры использования электронных мультимедийных средств обучения, дидактические возможности разработки автоматизированных лабораторных практикумов, а также специфика применения подобных практикумов на базе реального лабораторного и промышленного оборудования.

Программные приложения и виртуальные лаборатории, создаваемые в LabVIEW, носят название виртуальных инструментов. Рассмотрено применение виртуальных инструментов в образовательном процессе, а также понятие фактора активности учащихся в контексте обучения будущих учителей химии и биологии технологии графического программирования.

Проведен анализ требований к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы подготовки выпускника педагогического вуза по направлению 032400 – «учитель биологии» и 032300 – «учитель химии». Выявлены межпредметные связи информатики при обучении будущих учителей химии и биологии (табл. 1).

Государственный образовательный стандарт Дидактический потенциал методов Биология, учитель Химия, учитель химии Понятие информации, общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации Технические и программные средства Общеобразовательные Средний реализации информационных процессов дисциплины Модели решения функциональных и Очень высокий вычислительных задач Языки и программирование, алгоритмы Высокий Рассмотрены дидактические подходы и концепции обучения информатике будущих учителей химии и биологии c использованием технологии графического программирования. Наряду с традиционными методическими средствами описаны современные информационные и телекоммуникационные технологии, связанные с созданием виртуальных лабораторий. Указывается, что в качестве основного направления при создании учебных виртуальных лабораторий преобладают методы графического программирования LabVIEW.

Во второй главе «Формирование системы обучения информатике будущих учителей химии и биологии» сформулированы основные цели обучения технологии графического программирования в рамках соответствующего раздела курса информатики для будущих учителей химии и биологии, среди которых отмечаются:

– обучение различным подходам к созданию виртуальных лабораторий, в том числе использующих технологию графического программирования;

– обучение выбору оптимального метода построения виртуальных лабораторий, визуализирующих химические реакции и биологические процессы, а также определению границ их применения;

– ознакомление с технологией графического программирования, которая затем может быть перенесена в педагогическую практику в школе;

– формулировка системы профессиональных навыков и умений создавать виртуальные лаборатории с использованием технологии графического программирования;

– обучение созданию виртуальных лабораторий с использованием технологии графического программирования;

– формирование умений выделять положительные и отрицательные подходы в процессе создания виртуальных лабораторий;

– формирование умений отбирать существующие подходы к построению виртуальных демонстраций;

– вовлечение студентов в деятельность по применению технологии графического программирования в совершенствовании существующих виртуальных демонстраций;

– формирование у обучающихся мотивации для внедрения технологии графического программирования при создании виртуальных лабораторий в деятельность учителя химии и учителя биологии.

Отмечается, что в курсе информатики, в программе обучения которому значительное место отводится использованию прикладных программ, большую роль играет реализация личностно-ориентированной модели обучения. Эта модель, разрабатываемая в настоящее время в ряде психологопедагогических, дидактических и методических исследований, направлена, в том числе, и на создание условий для максимального раскрытия индивидуальных особенностей студентов педагогических вузов – будущих учителей химии и биологии.

В данной главе рассмотрены вопросы разработки содержания и методов обучения информатике будущих учителей химии и биологии, основанных на использовании технологии графического программирования.

Основными элементами содержания обучения предлагаемому разделу курса информатики «Технология графического программирования при создании виртуальных лабораторий» являются:

1. Графическое программирование с использованием оболочки LabVIEW;

2. Манипулирование данными в LabVIEW;

3. Базовые элементы виртуальной химической и биологической лаборатории;

4. Простейшая виртуальная лаборатория по химии и биологии;

5. Публикация в локальной сети виртуальных лабораторий по химии и биологии, созданных с использованием оболочки LabVIEW;

6. Виртуальные демонстрации в среде LabVIEW, отображающие реальные химические реакции и биологические процессы;

7. Использование аппаратного обеспечения, входящего в состав среды 8. Визуализация электрокардиограммы с помощью LabVIEW.

Приведено подробное описание каждого из элементов содержания, проанализирована начальная подготовка учащихся, с которой они подойдут к изучению информатики. Студенты-химики будут изучать информатику на протяжении всего третьего курса (по 75 часов аудиторных занятий и самостоятельных работ), пройдя до этого полный курс математики, физики и общей химии, а студенты-биологи – во втором семестре первого курса (по часов аудиторных занятий и самостоятельных работ) одновременно с математикой после ознакомления в предыдущем семестре с основами гистологии, эмбриологии, зоологии и химии.

В диссертации подробно рассматриваются основные характеристики среды графического программирования LabVIEW, касающиеся создания виртуальных автоматизированных лабораторных практикумов. Отмечены основные преимущества этого средства разработки компьютерных программ:

1. Гибкость создаваемых приложений при построении измерительных систем, которая обеспечивается студентом в зависимости от требований решаемой задачи, используемой компьютерной платформы, необходимости насыщения системы дополнительными средствами анализа и отображения данных;

2. Высокие эргономические показатели виртуальных инструментов, создаваемых в LabVIEW;

3. Отсутствие особых требований к знанию языков программирования и владению сложными технологиями программирования. Применение графического программирования позволяет разрабатывать виртуальные лаборатории с использованием наглядных блок-схем и диаграмм;

4. Широкий набор инструментов для разработки внешнего вида виртуальной лаборатории, работающей с измерительным и управляющим оборудованием, а также для обработки результатов эксперимента, разработки сетевых приложений, обработки SQL-запросов, поддержки удаленных баз данных, создания CGI (Common Gateway Interface), использования вебсервера;

5. Возможность включения разрабатываемых приложений в программные модули, написанные на других языках программирования, в числе которых Pascal, C, C++ и другие популярные языки;

Подробно описаны этапы обучения графическому программированию и изучаемые темы. Показано, как студенты – будущие учителя химии и биологии знакомятся с основными понятиями терминалов виртуальных инструментов, которые представляют собой области функции, через которые передается информация. Описаны создаваемые студентами комплексы виртуальных лабораторий, наглядно демонстрирующие химические реакции и биологические процессы. В качестве примера показано, как функционирует виртуальная лаборатория, позволяющая определять зависимость температуры растений от комнатной температуры, или как с помощью виртуальной лаборатории становится возможным изучение скорости химической реакции (рис. 1, 2).

Рисунок 1. Виртуальная лаборатория, позволяющая определять зависимость температуры растений от комнатной температуры, построенная студентами в рамках изучения технологии графического программирования.

Рисунок 2. Виртуальная лаборатория, созданная студентами на занятиях по информатике, позволяющая изучать скорость и проявления химической реакции.

Наряду с разработкой приведенных выше демонстраций, были созданы и другие лабораторные работы по информатике, в числе которых:

1. Знакомство со средой графического программирования LabVIEW.

Функциональные элементы блок-диаграммы и способы их соединения;

2. Создание виртуального инструмента на базе шаблона LabVIEW.

Запуск виртуальной лаборатории;

3. Манипулирование данными в виртуальной лаборатории. Изменение сигнала. Способы преобразования данных различного типа. Обработка сигнала;

4. Добавление возможности чтения и записи в файл результатов проводимого эксперимента;

5. Публикация создаваемой виртуальной лаборатории на веб-сервере.

Проверка работы виртуальной лаборатории с компьютеров студентов.

В рамках исследования проведена проверка эффективности использования графического программирования при обучении информатике будущих учителей химии и биологии.

Экспериментальное исследование проводилось в период с 2007 по учебные годы на базе кафедры информатизации образования при обучении студентов – будущих учителей химии и биологии в Институте естественных наук ГОУ ВПО города Москвы «Московский городской педагогический университет».

В результате констатирующего эксперимента было установлено, что при изучении курса информатики будущими учителями химии и биологии вопросы, связанные с технологией графического программирования и виртуальными лабораториями, ранее не рассматривались и необходимо разработать методическую систему обучения технологии графического программирования с применением виртуальных лабораторий.

Итогами поискового эксперимента явились: формирование гипотезы исследования и построение методической системы обучения студентов специальностей «учитель химии» и «учитель биологии» разделу «Технология графического программирования при создании виртуальных лабораторий» курса информатики. Необходимо отметить, что данный раздел можно рассматривать как самостоятельный специальный курс.

Формирующий эксперимент был посвящен проверке гипотезы исследования. Для этого были выбраны критерии экспериментального исследования, выполнены анализ и математическая обработка результатов эксперимента. На изучение нового раздела курса информатики будущим учителям химии было отведено 24 часа, из них 6 часов лекций, 8 часов лабораторных работ и 10 часов самостоятельной работы; будущим учителям биологии было отведено 18 часов, из них 4 часа лекций, 6 часов лабораторных работ и 8 часов самостоятельной работы. Всего в эксперименте участвовало 79 студентов. В экспериментальную группу будущих учителей химии вошло 22 студента, в группу по биологии – 19 студентов, которые обучались по предложенной методической системе с использованием технологии графического программирования. В контрольной группе будущих учителей химии обучалось 20 студентов, биологии – 18 студентов. Была использована методика В.П. Симонова для оценки эффективности образовательного процесса, в основу которой положены понятия степени обученности, а также критерий оценки коэффициента усвоения учебного материала.

экспериментальных групп будущих учителей химии и биологии в начале и в конце изучения курса информатики. Критерием оценки являлись ответы на заранее подготовленные контрольные вопросы, направленные на выяснение визуализации химических и биологических демонстраций. Каждому студенту задавалось по 8 вопросов. Результаты оценивались по специальной шкале, согласно которой общая сумма баллов не может превышать значения 80. Таким образом, максимальное число баллов для одного вопроса равнялось 10. Требования по оценке были приняты на I (высшем) уровне, предложенным В.П. Симоновым, предъявляемым к студентам, в частности, будущим учителям химии и биологии. В ответах студентов учитывались факторы будущей профессиональной педагогической деятельности с применением современных информационных и телекоммуникационных технологий при демонстрации различных химических и биологических явлений. Результаты срезов показаны на рис. 3.

Рисунок 3. Среднее значение полученных баллов по ответам на контрольные вопросы студентами-химиками и студентами-биологами в начале (слева) и в конце (справа) обучения информатике.

Анализ проведенного исследования выявил рост степени обученности графическому представлению учебного материала при визуализации химических и биологических демонстраций по информатике в обеих (экспериментальной и контрольной) группах студентов – будущих учителей химии и биологии. Общий рост объясняется более глубоким пониманием технологии графического представления виртуальных лабораторий. В то же время в экспериментальных группах степень обученности повысилась значительнее, что свидетельствует об эффективности обучения информатике с применением технологии графического программирования при создании виртуальных демонстраций по химии и биологии.

Результативность учебного процесса не может оцениваться только одним критерием. Для проверки эффективности предложенной методики обучения технологии графического программирования проводились контрольные работы в экспериментальных и контрольных группах будущих учителей химии и биологии, состоящие из вопросов по общему курсу информатики. Их результаты приведены в табл. 2, 3. Приведенные в этих таблицах значения xi, yi – оценки в баллах контрольных и экспериментальных групп студентов, соответственно. Были составлены пары (xi, уi) и проведено сравнение их элементов между собой по величине. Паре присваиваивался знак «+», если xi уi и «0», если хi=yi.

Результаты выполнения заданий контрольной работы при проверке эффективности обучения информатике будущих учителей химии Результаты выполнения заданий контрольной работы при проверке эффективности обучения информатике будущих учителей биологии Для оценки эффективности предложенной методики был применен критерий 2 (хи-квадрат). Нулевая гипотеза Н0 имела вид: уровень знаний обучающихся не повысился после применения предложенной методической системы обучения технологии графического программирования в разделе курса информатики для специальностей «учитель химии» и «учитель биологии» при альтернативной гипотезе Н1: уровень знаний учащихся повысился после применения предложенной методической системы.

Согласно данным таблицы 2: 2хим=6,6; согласно таблицы 3: 2био=8,49. Для уровня значимости =0,05 при =2 критическое значение 2кр =5,99.

Следовательно, выполняются оба неравенства 2хим > 2кр и 2био> 2кр. В соответствие с правилом принятия решения по критерию «хи-квадрат»

нулевая гипотеза отклоняется на уровне значимости =0,05 и принимается альтернативная гипотеза. Это позволяет сделать вывод об эффективности предложенной методической системы обучения графическому программированию с использованием виртуальных лабораторий.

экспериментальных группах будущих учителей химии и биологии.

Контрольная работа у химиков показала, что 54% студентов получили оценку «отлично», 43% – «хорошо», 5% – «удовлетворительно». У биологов 53% – «отлично», 41% – «хорошо», а 6% – «удовлетворительно».

На формирующем этапе эксперимента уровень знаний в области графического программирования и умений использовать виртуальные лаборатории у студентов – будущих учителей химии и биологии в экспериментальных группах оказался выше, чем в контрольных группах.

Таким образом, обучение информатике, включающее знакомство с технологией графического программирования, способствует формированию у будущих учителей химии и биологии готовности к созданию и использованию виртуальных лабораторий и виртуальных демонстраций, что является значимым с точки зрения повышения эффективности профессиональной педагогической подготовки будущих учителей химии и биологии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного теоретического и экспериментального исследования были получены следующие основные результаты:

1. На основе анализа специфики обучения информатике будущих учителей химии и биологии и исследования возможностей применения наглядных химических и биологических демонстраций в педагогической деятельности в школе обоснована необходимость введения в курс информатики раздела «Технология графического программирования при создании виртуальных лабораторий»;

2. Сформулированы принципы подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии с использованием технологии графического программирования и виртуальных лабораторий, такие как принцип графического представления учебного материала при создании виртуальных лабораторий, принцип упорядоченности структуры виртуальной лаборатории, принцип визуализации виртуальных лабораторий и другие принципы;

3. Определены цели и содержание обучения технологии графического программирования и виртуальным лабораториям в курсе информатики. В содержание обучения включены основные понятия технологии графического программирования при создании виртуальных лабораторий с использованием оболочки LabVIEW, среди которых понятия виртуального инструмента, блок-схемы виртуального прибора, передней панели виртуального прибора и другие;

4. Разработаны методы обучения информатике для студентов химических и биологических специальностей педагогических вузов, основанные на учете выявленных принципов, включающие моделирование реальных химических реакций и биологических процессов с использованием технологии графического программирования и оболочки LabVIEW;

5. Разработан учебный материал в виде системы проверочных и лабораторных работ по информатике, направленных на создание наглядных демонстраций. В частности, созданы лабораторные работы по информатике, предусматривающие создание студентами наглядной демонстрации, изображающей изменение температуры растений в зависимости от комнатной температуры, наглядной демонстрации в среде LabVIEW, изображающей зависимость скорости реакции окисления цинка от температуры и других демонстраций с применением технологии графического программирования;

6. Экспериментально обосновано, что система обучения информатике, предусматривающая знакомство с технологией графического программирования, способствовала формированию у будущих учителей химии и биологии готовности к созданию и использованию виртуальных лабораторий и наглядных виртуальных демонстраций химических и биологических экспериментов, что, в конечном итоге, способствовало повышению эффективности последующей профессиональной деятельности выпускников педагогических вузов.

Дальнейшего исследования требуют вопросы совершенствования обучения технологии графического программирования для профильной подготовки учителей химии, биологии, физики, разработки электронных учебников, дополнительных наглядных шаблонов и демонстраций, повышающих эффективность использования технологии графического программирования в сочетании с виртуальными лабораториями в педагогической деятельности в школе.

Основные положения диссертационного исследования отражены в следующих публикациях автора:

Публикации в изданиях, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

1. Использование графического программирования при подготовке преподавателей естественных наук. // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия «Информатизация образования». / М.: РУДН, – 2008, №2. С. 108-112.

2. Фактор активности в процессе обучения графическому программированию с использованием LabVIEW. // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия «Информатизация образования». / М.:

РУДН, – 2009, №4. С. 102-106.

3. Виртуальные лаборатории LabVIEW для обучения информатике будущих учителей химии и биологии. // Вестник Московского городского педагогического университета. Серия «Информатика и информатизация образования». / М.: МГПУ, – 2011, №1. С. 146-150.

Научные публикации в других изданиях и материалы конференций.

4. Методы LabVIEW в современном обучении. // В сб.: XVI Международная конференция «Информационные технологии в образовании (ИТО-2006)»: Сборник трудов участников конференции». Часть V. / М.:

БитПро – 2006. С. 166-167.

5. Визуализация наномира методами графического программирования в процессе обучения информатике преподавателей химии и биологии. // В сб.:

XVIII Международная конференция «Информационные технологии в образовании (ИТО-2008)»: Сборник трудов участников конференции. Часть II. / М.: МИФИ – 2008. С. 78-79.

6. LabView в учебном процессе информатики при подготовке преподавателей биологии. // В сб.: XIX Международная конференция «Информационные технологии в образовании (ИТО-2009)»: Сборник трудов участников конференции. Часть II / М.: МИФИ – 2009. С. 26-27.

7. Обучающая технология LabVIEW при обработке сигналов биомедицинского происхождения. // Материалы международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине», Волгоград/ Волгоградcкий ГТУ – 2009, С. 33.

8. Обучение студентов естественнонаучных дисциплин методам графического программирования с использованием оболочки LabView. // Материалы Первой международной конференции «Образование в сфере нанотехнологий: современные подходы и перспективы» / M. – 2010, С. 137.

9. Обучение информатике с применением технологии графического программирования на основе оболочки LabVIEW. // Современные проблемы науки и образования (приложение «Педагогические науки»). – 2011. №6. C. 9.