На правах рукописи

УДК 373.1

Лёвкин Антон Николаевич

Технология проектирования и применения

компьютерных обучающих программ по химии

для средней школы

на основе имитационного моделирования

Специальность 13.00.02 - «Теория и методика обучения и

воспитания (химия)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Санкт-Петербург - 2002 2 Диссертация выполнена на кафедре методики обучения химии Российского государственного педагогического университета им. А.И.

Герцена.

Научный руководитель: заслуженный работник Высшей школы РФ, доктор педагогических наук, профессор Н.Е. Кузнецова

Официальные оппоненты: доктор педагогических наук, зав.

лабораторией педагогических технологий института профессионально-технического образования РАО В.И. Сопин кандидат педагогических наук, доцент, зам. директора института дополнительного образования РГПУ им. А.И. Герцена А.Ю. Жегин

Ведущая организация: Ленинградский областной институт развития образования

Защита состоится 16 мая 2002 г. в 17.30 на заседании диссертационного совета Д 212.199.22 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Российском государственном педагогическом университете имени А.И. Герцена по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48, корп. 2, ауд. 251.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке РГПУ им. А.И. Герцена.

Автореферат разослан 11 мая 2002 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат химических наук, доцент Г.В. Некрасова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования.

Успех преобразований в России во многом связан с обеспечением перехода от индустриального к постиндустриальному, информационному обществу. Поэтому среди целей и задач школьного образования называется создание предпосылок и условий для полноценного вхождения в открытое информационно-образовательное мировое пространство, а реализация этого процесса предполагает более глубокую информатизацию и компьютеризацию общего образования, освоение новейших компьютерных и программных средств, новых информационных и телекоммуникационных технологий.

Процесс информатизации образования, поддерживая интеграционные тенденции познания окружающей действительности и ее различных закономерностей в разных ее предметных областях, актуализирует разработку разнообразных методических подходов к использованию потенциала новых информационных технологий для развития личности обучаемого, повышения уровня его образованности, развития творческих способностей и критического мышления. При использовании компьютеров в предметном обучении важной задачей является формирование умений разрабатывать с помощью компьютера стратегию поиска решений как учебных, так и практических задач, прогнозировать процесс и объяснять результаты модельного решения учебных проблем.

Несмотря на экономические трудности и отсутствие должного финансирования, в нашей стране идет активное освоение школами новых информационных технологий, осуществляются попытки применить их в предметном обучении. Многие школы оснащены соответствующими компьютерными классами, рынок программных продуктов постепенно насыщается прикладными программными средствами. Разрабатываются теория, методики и технологии компьютерного обучения, интенсивно развиваются исследования по проблеме внедрения информационных технологий в предметное обучение. Особую значимость для нашего исследования имели труды Н.Е. Астафьевой, А.П. Беляевой, В.П. Беспалько, Г.А. Бордовского, Я.А. Ваграменко, В.И. Гриценко, А.П. Ершова, Р. Гмоха, А.Ю. Жегина, Е.С. Заир-Бек, Т.П. Зайченко, В.А. Извозчикова, А.О.

Кривошеева, А.А. Кузнецова, Н. Е. Кузнецовой, В.В. Лаптева, В.С. Леднева, Е.И. Машбица, В.М. Монахова, М.С. Пак, Б.Н. Паньшина, И.В. Роберт, В.В.

Рубцова, Т.А. Сергеевой, Б.Я. Советова, В.П. Соломина, В.И. Сопина, Н.Ф.

Талызиной и других ученых по вопросам методологии проектирования и использования программных средств, информационных технологий в обучении.

Анализ литературы по теории компьютерного обучения химии, а также данные констатирующего эксперимента убедительно показали, что новые информационные технологии обучения (НИТО) существенно оптимизируют процесс усвоения знаний и умений, формируют компьютерное мышление и творческую деятельность. Использование компьютеров в обучении химии индивидуализирует самостоятельную работу учащихся, способствует гуманизации обучения. Моделирование химических объектов и процессов на микро- и макроуровнях по заданным параметрам, в соответствии с целями и задачами обучения, создает уникальные условия для развития воображения, творческого и пространственного мышления, мотивации учения.

Вместе с тем, в обучении химии компьютеризация не достигла необходимого уровня развития. Недостаточен арсенал программных средств, слабо разработаны современные технологии компьютерного обучения химии с учетом специфики данного предмета. Приоритетным в настоящее время является компьютерное обеспечение личностно-ориентированного развивающего обучения, что требует разработки его методолого-теоретических основ, создания и применения новых интерактивных программ по химии и новых технологий обучения.

В системе мирового химического образования созданы определенные комплексы программно-педагогических средств (ППС), обучающего, тренингового и контролирующего характера. Однако, они плохо адаптированы к преподаванию химии в современной Российской школе. Анализ разных российских и зарубежных обучающих компьютерных программ по химии показал, что в программном комплексе имеется мало моделирующих программ. Метод моделирования и комплекс разнообразных моделей традиционно, очень давно и активно используется в обучении химии для изучения ее микро- и макрообъектов для рассмотрения и свойств веществ на всех уровнях их химической организации. В обучении химии также активно используются разные модели и методы модельного описания и объяснения электронного строения веществ, механизмов и закономерностей химических реакций. В разработку методики моделирования в обучении химии значительный вклад внесли современные химики-методисты: В.П. Гаркунов, Н.Е. Кузнецова, Н.И. Пилипко, И.М. Титова. Метод компьютерного моделирования во многом мог бы усилить наглядность обучения химии, в преподавании которой в последние годы значительно возросла доля вербальных методов обучения.

Вместе с тем, метод компьютерного моделирования в обучении химии в отечественных школах почти не используется из-за неразработанности теории, методологии и технологии создания соответствующих ППС и новых, соответствующих идее моделирования, информационных технологий их использования. В теории и методике обучения химии нет ни одной диссертации по созданию программных педагогических средств (ППС) и разработке НИТО на основе имитационного моделирования. Теория, методология и технология имитационного моделирования, весьма перспективного как для познания химии, так и в предметной методике для создания компьютерных программ, практически не разработаны. Именно поэтому они стали предметом данной диссертации и определили её актуальность.

Вместе с тем, в настоящее время в системе информатизации образования обозначился ряд противоречий, требующих своего разрешения:

- между социально-педагогическими требованиями повышения компьютерной культуры и низким уровнем ее формирования в общеобразовательной школе, и особенно в предметном обучении;

- между необходимостью широкой информатизации общества, которую призвана реализовать прежде всего общеобразовательная школа и её слабой материально-технической базой;

- между необходимостью широкого использования компьютера как инструмента развивающего предметного обучения химии и недостаточной разработанностью методологии и технологии создания и применения современных обучающих программно-педагогических средств (ППС) по химии;

- между обязательным изучением в школе предмета «Основы информатики и вычислительной техники» и весьма ограниченным и необязательным использованием знаний компьютера в процессе изучения отдельных учебных предметов, в том числе химии для решения прикладных образовательных задач;

- между наличием достаточно большого количества программных продуктов по химии на международном рынке и невозможностью или неэффективностью их использования в нашей системе обучения химии, построенной на иных идеях и концепциях, в рамках лидирующей предметной системе обучения.

Все сказанное выше определяет выбор темы, её актуальность и современность проведенного исследования.

Цель исследования: разработать и экспериментально апробировать технологию проектирования и применения компьютерных моделирующих программ для развивающего личностно-ориентированного обучения химии, повышающую его эффективность.

Объектом исследования выступают программные педагогические средства по химии и процесс их использования в обучении химии в средней школе.

Предметом исследования являются методические основы и технологии разработки обучающих компьютерных программ по химии на основе имитационного моделирования и их применения в процессе личностно-ориентированного развивающего обучения химии.

Гипотеза исследования.

Эффективность обучения химии повысится если будут:

научно обоснованы и внедрены в практику обучения компьютерные моделирующие программы, направленные на динамическую визуализацию химических объектов;

разработаны новые информационные технологии обучения химии, реализующие метод имитационного моделирования;

научно обоснованы принципы и создана методика разработки компьютерных обучающих программ, обеспечивающих модельное изучение и трансформацию химических объектов на микро- и макроуровнях их структурной организации; оптимальное соотношение в обучении вербального и визуального, а также виртуального и реального химического эксперимента;

разработаны и внедрены в целостный процесс обучения химии и его методическую систему новые компьютерные технологии на основе имитационного моделирования, обеспечивающие трехмерное модельное описание и объяснение микрообъектов, статическое и динамическое усиление визуализации в обучении химии и предусматривающие включение учащихся в активную продуктивную деятельность по решению различных познавательных задач.

В соответствии с целью и гипотезой исследования были поставлены следующие задачи:

- проанализировать состояние и перспективы развития компьютерного обучения химии в мировой образовательной практике;

- определить место компьютерного обучения химии в системе современного химического образования;

- выявить преимущества компьютерного обучения химии при использовании программных средств и новых информационных технологий на основе имитационного моделирования;

- выявить и обосновать принципы создания и особенности применения компьютерных программ, направленных на реализацию их важнейших функций и преимуществ;

- разработать технологию применения созданных нами и адаптированных моделирующих компьютерных программ;

- осуществить экспериментальную проверку эффективности компьютерных обучающих программ созданных на основе метода имитационного моделирования и технологии их применения и дать разностороннюю оценку результатов педагогического эксперимента.

Теоретико-методологической основой исследования являются:

- концепции и теории информатизации общества и образования (Н.Е.

Астафьева, Я.А. Ваграменко, Б.С. Гершунский, В.М. Глушков, А.П.

Ершов, В.А. Извозчиков, В.С. Леднев, Е.И. Машбиц, В.М. Монахов, Е.С.

Полат, Б.Я. Советов и др.);

- кибернетическая теория обучения, теория управления, положения о сущности информационных технологий, разработанные в педагогике, психологии и методике обучения (С.Ф. Артемьева, Т.В. Габай, Т.П. Зайченко, В.С. Леднев, В.В. Лаптев, А.Я. Лернер, И.А. Липанова, Е.И. Машбиц, В.П. Соломин, В.И. Сопин, Н.Ф. Талызина, О.К.

Тихомиров и др.);

- теория, методика и технологии компьютерного обучения химии (Р.

Гмох, А.Ю. Жегин, Е.Ю. Зашивалова, Н.Е. Кузнецова, А.Р. Наумов, Е.Ю. Раткевич и др.).

Для решения поставленных задач и проверки выдвинутой гипотезы использовались следующие методы:

1. Методы теоретического исследования: междисциплинарный анализ и синтез педагогической, научно-технической, психологической, дидактической и методической литературы по проблеме исследования; обобщение, сравнение, абстрагирование, прогнозирование, моделирование систем и процессов.

интервьюирование, наблюдение, собеседование, изучение массового и передового опыта, оценивание продуктов деятельности преподавателей, педагогический эксперимент.

3. Статистические методы обработки данных эксперимента, графическое представление результатов.

На защиту выносятся:

1. Теоретико-методические основы создания и применения компьютерных обучающих программ на основе метода имитационного моделирования в обучении химии.

2. Технология использования ППС в развивающем обучении химии и условия её реализации.

3. Позитивные результаты компьютерного обучения химии, отражающие его эффективность.

Научная новизна заключается в следующем.

1. Впервые в методике обучения химии разработана методическая система, объединяющая проектирование и применение компьютерных обучающих программ по химии на основе метода имитационного моделирования.

2. Разработаны теоретико-методические основы проектирования и применения компьютерных обучающих программ на основе имитационного моделирования.

3. Создана технология проектирования и применения компьютерных обучающих программ на основе метода имитационного моделирования.

4. Предложены критерии эффективности применения компьютерных обучающих программ по химии на основе метода имитационного моделирования.

Теоретическая значимость исследования состоит в следующем:

- методически реализованы идеи: компьютеризации, интеграции, дифференциации, индивидуализации обучения; принципы использования имитационного моделирования: целевой установки, достоверности информации, алгоритмизации, адекватности, личного участия в пооперационном исследовании, визуализации; осуществлены системный, личностно- деятельностный, информационно-кибернетический и технологический подходы;

- определены специфические особенности компьютерных технологий обучения и требования к их проектированию;

- разработаны теоретическая модель проектирования и применения компьютерных обучающих программ на основе имитационного моделирования и соответствующая технология обучения;

- предложена обобщенная классификация программных педагогических Практическая значимость исследования.

1. Создан пакет ППС для применения их в средней школе на уроках химии («Аналитик» для работы на уроках по теме «Реакции ионного обмена», «МW Demo» для работы по теме «Атомно-молекулярное учение»).

2. Разработан комплект технологических карт уроков по химии с применением программных педагогических средств (ППС).

3. Разработаны методические рекомендации по применению компьютерных обучающих программ по химии на основе имитационного моделирования.

4. Разработаны способы контроля эффективности обучения химии при использовании компьютерного имитационного моделирования, создан комплект контрольных работ.

Этапы исследования. Научно-исследовательская деятельность осуществлялась с 1997 г. по 2001 г.

На первом этапе (1997-1998 гг.) изучалось состояние проблемы в теории и практике, анализировались нормативные документы органов народного образования, изучался опыт передовой педагогической практики по использованию компьютерных программ в учебном процессе; была разработана гипотеза; установлена область применения ожидаемых результатов; намечены условия, способствующие эффективному овладению информационными технологиями в процессе обучения; разработаны методы реализации отдельных блоков модели информационной технологии.

Составлена программа констатирующего и формирующего экспериментов, определены их формы, методы и сроки проведения. Обобщены результаты изучения состояния проблемы в современных условиях.

На втором этапе (1998-1999 гг.) разрабатывалась модель информационной технологии в процессе обучения химии; исследовалось влияние выделенных дидактических условий на эффективность обучения учащихся;

проектировались и создавались компьютерные обучающие программы («Аналитик», «MW»); апробировался комплекс других целесообразных ППС сопровождения учебного процесса; проведена корректировка концепции, методики и программы исследования; выполнен констатирующий эксперимент, обобщены его результаты.

На третьем этапе (1999 – 2001 гг.): определены показатели оценивания достижений учащихся и изменения уровня компьютерной грамотности, эффективности использования новых видов информационных технологий в учебном процессе; проведен формирующий эксперимент; осуществлен качественный и количественный анализ полученных результатов. Выполнены статистическая и математическая обработка, систематизация и обобщение экспериментальных данных; сформулированы выводы; завершено оформление работы.

Апробация результатов исследования.

Материалы диссертации докладывались на XLV, XLVI, XLVII Всероссийских научно-практических конференциях в РГПУ им. А.И.

Герцена в 1998, 1999 и 2000 г.г., на Международном семинаре в Ополе (Польша) в 1998 и 1999 гг.

Проектирование компьютерных обучающих программ проводилось на базе Александровского лицея г. Санкт-Петербурга. Применение компьютерных обучающих программ в практике преподавания осуществлялось на уроках химии и информатики в средней школе № Кировского района, в средней школе №89 Калининского района, в школе №298 Фрунзенского района, а также на практических занятиях с учителями химии в рамках курсов повышения квалификации учителей в СПбГУПМ и на спецкурсе «Новые информационные технологии в обучении химии» в научно-методических центрах Фрунзенского и Выборгского районов г. СанктПетербурга, при чтении лекций по курсу «Современные технологии обучения химии» для студентов факультета химии в РГПУ им. А.И. Герцена.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяется проблема, цель, объект, предмет, задачи и гипотеза исследования;

раскрывается научная новизна, теоретическая и практическая значимость исследуемой проблемы; характеризуются этапы и методы исследования;

приводятся данные об апробации и внедрении результатов исследования в практику.

В первой главе – «Компьютерные технологии и педагогические программные средства в предметном обучении» - определяются важнейшие тенденции и направления развития компьютерного общего, в том числе химического образования, определяются исходные основания исследования, уточняется и актуализируется понятийно-терминологический аппарат исследования: уточняются понятия «технология обучения», «новые информационные технологии», «новые информационные технологии обучения», «компьютерное обучение», «компьютерные обучающие программы», «программные педагогические средства (ППС)», «имитационное моделирование» и другие важные для данного исследования понятия. В работе рассмотрены особенности и характерные черты компьютерных технологий обучения, важные для проектирования и применения создаваемых и используемых компьютерных обучающих программ по химии. Рассматривается роль компьютера и эволюция компьютерных технологий обучения химии.

Анализ литературы по исследуемой проблеме доказывает, что применение новых информационных технологий в процессе отбора, накопления, систематизации и передачи знаний – одна из значимых отличительных черт формирующейся современной системы образования.

Компьютеризация предметного обучения прошла в нашей стране уже достаточно долгий путь и сейчас курс «Основы информатики и вычислительной техники» является не только обязательным учебным предметом, но и становится метапредметом (В.Ф. Шолохович), то есть дисциплиной, используемой для освоения других учебных предметов и дисциплин. В последнее десятилетие XX века были подготовлены условия и теоретические предпосылки для широкого внедрения компьютерных технологий в предметное обучение. Проведены психолого-педагогические исследования, позволяющие научно обоснованно, эффективно и оптимально использовать компьютер в учебном процессе. Это должно вызвать кардинальные изменения в теории и практике компьютерного преподавания отдельных предметов, в понимании прикладной роли компьютера и его функциональных возможностей в предметном обучении, их адаптивности к специфике содержания и особенностям изучения предмета. Именно это остро ставит вопрос о методологической основе компьютеризации, о роли и месте компьютерных технологий в современном развивающем предметном обучении. Вместе с тем, недостаточное материально-техническое обеспечение школ (в том числе компьютерами) тормозило разработку прикладных компьютерных обучающих программ по разным учебным предметам и развитие методики компьютерного обучения. Методических исследований относительно использования компьютера в предметном обучении немного.

Еще меньше методических работ, связанных с созданием прикладного программного обеспечения.

компьютерного обучения, их особенности и классификация применительно к изучению химии в средней школе. В первой главе дан обзор существующих классификаций ППС, отмечены особенности каждой из групп ППС. Анализ литературы и передового педагогического опыта показал, что перспективными в последнее время становятся программные средства, реализуемые как инструментальные системы, позволяющие преподавателю и учащимся самостоятельно составлять задания для компьютерного обучения.

Сопоставление различных систем классификаций ППС позволила авторам предложить новую обобщенную классификацию ППС по химии.

В главе I также раскрыта специфика компьютерных обучающих программ по химии и особенности технологии их применения в педагогическом процессе. Различные аспекты компьютеризации обучения химии раскрываются в работах Р. Г. Андрейчук, А. К. Ахлебиина, С.А. Герус, Р. Гмоха (Польша), И.Л. Дрижуна, А.Ю. Жегина, Е.Ю. Зашиваловой, Н.Е.

Кузнецовой, М.С. Пак, Е.Ю. Раткевич и других исследователей. Анализ литературы позволил определить неразработанные вопросы и наиболее целесообразные и эффективные подходы для развития процесса компьютерного обучения химии, отобрать учебный материал для создания ППС и осуществления компьютерного обучения. В качестве перспективного пути развития компьютерного обучения химии мы выделяем компьютерное имитационное моделирование, которое эффективно для создания нового поколения программных средств и компьютерных технологий. Термин «имитационное моделирование» достаточно устоялся в теории моделирования.

Из имеющихся определений этого понятия в науке выбрано следующее.

Имитационное моделирование - процесс конструирования модели реальной системы и постановки экспериментов на этой модели с целью понять поведение системы или оценить различные стратегии, обеспечивающие функционирование данной системы.

Перспективность имитационного моделирования определяется использованием системного подхода и направленностью на создание различных модельных систем, замещающих реальные объекты и процессы.

Благодаря широкому диапазону применения в разных сферах естественнонаучного познания, имитационное моделирование становится одним из мощных инструментов анализа функционирования сложных процессов и систем. Идея использования компьютерного имитационного моделирования в отечественной дидактике предложена Н.Е. Кузнецовой, И.А.

Липановой, Н.В. Майоровой применительно к обучению экономическим дисциплинам. Вместе с тем, применение имитационного моделирования в компьютерном обучении еще очень незначительно. В процесс обучения химии оно пока не введено, что сдерживается неразработанностью теоретикометодологических и технолого-методических основ этого процесса.

Специфика ППС по химии связана со спецификой предмета. Предмет, в арсенале которого большой комплекс символико-графических модельных средств, активно используются химический эксперимент, методы модельного изучения макро- и микрообъектов, обуславливает благоприятные возможности для внедрения компьютерного обучения, для комплексного сочетания компьютерного обучения с другими его видами и формами, для полифункционального использования компьютерных программ, созданных на основе метода имитационного моделирования.

Современная позиция ведущих психологов и педагогов (Н.Е. Астафьевой, А.П. Беляевой. Г.А. Бордовского, Б.С. Гершунского, Е.И. Машбица, В.В.

Рубцова, Б.Я. Советова, О.К. Тихомировой и других ученых) состоит в том, что компьютер рассматривается не только как универсальное средство обработки информации, но и как эффективное средство формирования личности, что весьма важно для реализации целей данного исследования. Данное исследование опиралось также на концепцию «Логико-психологические основы использования компьютерных учебных средств в процессе обучения», разработанную коллективом сотрудников лаборатории психологии компьютерного обучения под руководством В. В. Рубцова. В основу этой концепции развивающего компьютерного обучения положен деятельностный подход, раскрывающий своеобразие компьютера как средства организации и развития учебной деятельности.

Во второй главе – «Технология проектирования и применения компьютерных обучающих программ на основе имитационного моделирования» излагаются концептуальные основы и дается теоретическая модель проектирования и применения компьютерных обучающих программ на основе имитационного моделирования. Анализ литературы и передового педагогического опыта, выполненный в первой главе диссертации, позволил сделать вывод, что в настоящее время не существует единых технологий проектирования и применения ППС по химии. Среди НИТО новой и перспективной является технология имитационного моделирования, ставшая ведущей в данной работе.

Для создания такой технологии прежде всего были разработаны концептуальные основы проектирования и применения компьютерных обучающих программ по химии основанные на методе имитационного моделирования, которые включают в себя: руководящие идеи исследования, дидактические закономерности, принципы и теоретико-методические положения личностно-ориентированного развивающего компьютерного обучения. Принципы составили ядро концепции проектирования и применения компьютерных обучающих программ на основе метода имитационного моделирования. Разработанные концептуальные положения и теоретическая модель данного исследования послужили теоретикометодологическими основами для создания соответствующей методической системы и технологии компьютерного обучения химии.

В концепции имитационного моделирования ППС и соответствующих технологий были заложены следующие идеи:

– интеграции, взаимосвязи и взаимного влияния общеучебных, компьютерных и химических знаний, умений и навыков учащихся;

– адаптации имеющихся прикладных моделирующих программных продуктов общего и профессионального назначения к современному образовательному процессу обучения химии;

– индивидуализации и дифференциации компьютерного обучения химии;

– компьютерной визуализации химических объектов и процессов, использования виртуальных моделей для представления различных реальных и абстрактных объектов при изучении химии, усиления роли имитационного моделирования в обучении химии;

– активизации познавательной деятельности учащихся на основе усиления наглядности и проблемности компьютерного обучения, увеличения в составе компьютерных технологий доли самостоятельной работы учащихся, в том числе творческо-поисковой.

На основе анализа литературы и данных педагогического эксперимента в диссертации выделены закономерности, реализуемые в процессе предметного компьютерного обучения:

единство взаимосвязи и взаимодействия основных компонентов методической системы предметного обучения;

единство обучающей деятельности педагога, компьютера и учебной деятельности учащихся.

Из общих дидактических и специфических для компьютерного обучения закономерностей вытекают соответствующие дидактические и методические принципы, составляющие основу технологии компьютерного обучения. В организации предметного компьютерного обучения в школе мы руководствовались как общедидактическими принципами, так и впервые введенными и обоснованными нами специфическими принципами имитационного компьютерного моделирования, особенно важными для данного исследования. Это следующие принципы:

1. Принцип целевой установки (предполагает четкую формулировку цели и указание границ, в которых осуществляется процесс моделирования и пооперационные действия его выполнения).

2. Принцип достоверности информации (информация должна соответствовать поставленным целям и принципам научности и доступности, должна быть в минимальном, но достаточном количестве для достижения запланированных результатов).

3. Принцип алгоритмизации (имитационное моделирование осуществляется в соответствии с определенным алгоритмом, в котором четко отражена последовательность выполнения действий с ППС).

4. Принцип адекватности (предусматривает отображение разработанной моделью реального события, процесса или объекта, а также изучаемых их сторон).

5. Принцип личного участия (от личностного участия учащегося зависит результат применения операций и приемов на каждом этапе моделирования или выполнения операций, начиная от их количества и заканчивая их очередностью).

6. Принцип пооперационого исследования (предполагает включение различного рода операций, их достаточность и их четкую логическую последовательность для оптимального достижения поставленных целей).

7. Принцип визуализации (отражает наглядное представление реальных объектов, абстрактных и теоретических понятий в виде моделей, их замещающих).

Основные идеи, принципы и концепция исследования раскрывались и конкретизировались следующими методическими положениями:

1. Отбор учебного материала для создания компьютерных обучающих программ по химии на основе метода имитационного моделирования и технологии последующего применения таких программ осуществляется с учетом целей и задач обучения химии, специфики учебного материала, целесообразности применения компьютерного обучения, условий реализации дидактико-методических принципов.

2.

Работа с компьютерными обучающими программами строится с помощью новых информационных технологий и в русле развивающего личностно-ориентированного обучения. Поэтому внедрение компьютерных обучающих программ на основе метода имитационного моделирования предусматривает разработку и реализацию специальной технологии.

3. Метод имитационного моделирования призван полноценно реализовать наглядность и доступность учебного материала при обучении химии, возможность модельного изучения химических объектов. Он предполагает деятельностный подход и реализуется при активном и сознательном участии учащихся. Умения, сформированные в ходе имитационного моделирования, рассматриваются как знания в действии, а их методологических знаний. Последовательно выработанные частные умения должны обобщаться в общеучебные (логическая операция компьютерные, а также специальные прикладные умения постоянно развиваются, совершенствуются и переносятся в новые условия, что способствует развитию личности и творческого опыта учащихся в учебной деятельности.

4. Имитационное моделирование в процессе обучения химии выполняет разные функции, оно является: а) средством разностороннего изучения химических объектов (веществ, химических реакций); б) ориентировочной основой действий для овладения способами добывания и применения знаний; в) объектом самостоятельной деятельности по созданию моделей;

г) основой для самостоятельного составления компьютерных программ;

д) средством актуализации и интеграции знаний и умений.

5. Использование технологии проектирования и применения химических компьютерных обучающих программ на основе имитационного моделирования отвечает требованиям личностно-ориентированного обучения, так как позволяет: четко дифференцировать учебный материал по уровню сложности; усваивать учебный материал в индивидуальном темпе, учитывая личностные особенности учащихся.

6. В процесс создания компьютерных моделирующих программ и технологий и их применения могут быть включены и сами обучаемые. Их участие в том или ином разделе и этапе проектирования и реализации ППС определяется их мотивами, интересами и уровнем владения необходимыми химическими и компьютерными знаниями и умениями.

Разработанная на основе нашей концепции теоретическая модель компьютерного обучения химии (схема 1) составила ориентировочную основу проектирования и применения компьютерных обучающих программ по химии на основе метода имитационного моделирования. Её конкретизировала методическая система компьютерного обучения химии, определяющая логику процесса обучения, структуру и характер деятельности его участников (ведущей здесь является компьютерная деятельность учащихся). Учитывая алгоритмический характер технологии компьютерного обучения был разработан следующий алгоритм деятельности учащегося.

Алгоритм компьютерного моделирования химических объектов 1. Постановка или усвоение поставленной учебной задачи моделирования, мотивы ее реализации и определение формы ее предъявления.

2. Выбор исходной модели (моделей), адекватных цели и характеру изучаемого объекта, раскрывающей его структуру (основные компоненты, существенные связи и отношения).

3. Описание моделируемого объекта, его строения и свойств и интеграция модельной формы его предъявления (например: объемной, шаростержневой, символико-графической и т.д.).

Схема 1. Теоретическая модель компьютерного обучения химии на основе имитационного моделирования Интегративные цели компьютерного обучения химии:

- формирование химико-информационной грамотности;

- развитие умений самостоятельного поиска и организации информации с помощью компьютеров;

- развитие пространственного воображения и творческих способностей;

- формирование ценностного отношения к самостоятельной компьютерной деятельности и к возможностям компьютерной техники.

Технология проектирования и применения компьютерных обучающих программ Принципы проектирования и применения компьютерных программ Общедидактические принципы, а также: принцип целевой установки, принцип достоверности информации, принцип алгоритмизации, принцип адекватности, принцип личного участия, принцип пооперационого исследования, принцип визуализации.

Технология проектирования компьютерных обучающих программ на основе имитационного моделирования Коррекция и отладка программы 4. Определение функции данной модели в изучении конкретного учебного материала; применение выбранных моделей в направлении реализации поставленной учебной задачи.

5. Определение основных процедур моделирования химических объектов, модельного его описания и объяснения, последовательности выполнения этих процедур.

6. Возможная компьютерная трансформация компьютерных моделей с целью получения дополнительной информации об изучаемом объекте.

7. Решение разноуровневых познавательных задач, основанных на методе моделирования в процессе собственной деятельности учащихся, рефлексия и самооценка ее результатов.

8. * Включение в творческую деятельность по созданию ППС и составлению заданий по компьютерному моделированию.

Для полноценного обучения химии с целесообразным включением в этот процесс компьютерного моделирования необходимо проектирование соответствующих информационных технологий обучения, представленных в структуре технологизированной методической системы обучения.

Технология проектирования и применения компьютерных обучающих программ на основе имитационного моделирования опирается на имеющиеся исследования (Е.С. Заир-Бек, В.И. Гриценко, В.А. Извозчиков, Н.Е. Кузнецова, Б.Н. Паньшин и др.) и ряд теоретико-методических положений, приведенных в диссертации.

Разработка любой компьютерной обучающей программы комплексный трудоемкий процесс, имеющий свою технологию поэтапного создания. Комплексный характер создания программного продукта обуславливает возможность оценить его в различных аспектах. Выделены следующие аспекты разработки ППС: методологический; информационный;

эргономический; технологический.

имитационного моделирования химических объектов, важных для обучения. К таковым относятся:

1. Моделирование химических микрообъектов.

2. Лабораторное моделирование (виртуальные лаборатории).

Во II главе диссертации рассматривается методика работы с конкретными компьютерными программами на основе:

а) имитационного моделирования и модельного изучения микрообъектов и некоторых макрообъектов;

б) имитационного моделирования лабораторных операций и химического эксперимента.

В исследовании использовались как готовые программные продукты, адаптированные нами для обучения химии в условиях отечественной средней школы (HyperChem), так и собственные спроектированные нами («Аналитик»). В рамках исследования были рассмотрены программы HyperChem (HyperCube Inc., www.hyper.com), Chem3D Ultra (CambridgeSoft.Com, URL: www.camsoft.com), ACD/3D (Advanced Chemistry Development Inc., URL: www.acdlabs.com) 3D Grapher (RomanLab Software, URL: www.romanlab.com). Для работы с учащимися была выбрана программа HyperChem, которая имеет большие дидактические возможности и сравнительно легко может быть адаптирована к школьному курсу химии.

Программа HyperChem является системой моделирования молекул. Она была адаптирована нами к условиям и задачам обучения органической химии в средней школе. К каждому уроку разрабатывались подробные инструкции для учащихся на русском языке, в которых всегда даются цели и алгоритмы действий с программой. В диссертации приводятся конкретные (в том числе вариативные) алгоритмы действий учащихся для работы с этой программой, инструкция для работы с ней на уроке, а также методика проведения уроков по имитационному моделированию микрообъектов в русле личностноориентированного развивающего обучения. Еще одним примером программ, позволяющих моделировать микрообъекты в динамике и, таким образом, представлять процессы, протекающие в микромире, является спроектированная и разработанная нами в рамках исследования программа «MW» для изучения веществ на макроуровне, для их идентификации и экспериментирования с ними.

В диссертации подробно рассматривается методика работы с программой «Аналитик» (рис. 1), позволяющей совершенствовать умение решать задачи с элементами качественного анализа. Особенность этой компьютерной программы в том, что она может быть отнесена к инструментальным системам. Учитель или методист может войти в редактор задач, доступ в который открывается после введения специального пароля. После загрузки такого редактора появляется окно, в котором можно генерировать новые задачи или корректировать старые, составлять уравнения реакции, которые затем программа будет проверять у учащихся и т.д.

Рисунок 1. Окно программы «Аналитик»

Ход и алгоритм работы с программой, инструкция для учащихся, примеры уроков с использованием этой программы приводятся в диссертации. Еще одним примером лабораторного имитационного моделирования, рассматриваемым в диссертации, является компьютерная программа ChemLab, также ориентированная на изучение основ аналитической химии. В диссертации описана технология работы с такой виртуальной химической лабораторией.

В третьей главе - «Экспериментальное исследование результативности предложенной технологии проектирования и применения компьютерных обучающих программ по химии на основе имитационного моделирования» описывается экспериментальная база, организация, этапы проведения, содержание, осуществление и результаты педагогического эксперимента.

Целью констатирующего этапа эксперимента было оценить материально-технические ресурсы проведения исследования, перспективы данной работы, психолого-педагогические и методические условия нашего исследования, а также состояние компьютерного обучения химии и его влияние на качество знаний учащихся. Констатирующий этап эксперимента осуществлялся в СПбГУПМ и в перечисленных нами базовых школах, в Центре информационной культуры Кировского района г. Санкт-Петербурга.

Проведено анкетирование учителей и учащихся.

Анализ анкет учителей показал, что учителя, в отличие от учащихся, в основном плохо владеют компьютером. Средний балл самооценки по пятибалльной шкале, приведенной в анкете составил 2,23 баллов.

Наблюдается следующая корреляция, связанная со стажем работы учителя: чем выше стаж, тем менее уверенно учителя обращаются с компьютером. Таким образом, пожилые учителя гораздо реже используют компьютер в своей работе, что вполне естественно. Большинство школ не имеет современной компьютерной техники в достаточном количестве, хотя практически уже в каждой школе имеется кабинет информатики с IBM – совместимыми компьютерами (85,7%). Большая часть учителей химии не использует компьютер в своей деятельности (35,7%). Те же учителя, которые прибегают к помощи компьютера, чаще всего используют его в основном только для печатания дидактических материалов и других документов в текстовом редакторе (57,1% из 64,3% учителей, использующих компьютер).

Учителя предпочли бы использовать компьютер для тестирования и контроля знаний (как показало собеседование, учителя считают, что это может частично освободить их от рутинного труда по проверке знаний), для моделирования химических объектов (возрастает наглядность обучения, повышается интерес учащихся к этой теме). Оптимальная доля учебного времени, рекомендуемая учителями, для работы с компьютером составила от 5 до 25%, в среднем 16,5%.

Полученные результаты отражены в диаграммах 1 – 2.

1- компьютер не используется; 2 – компьютер используется для печатания материалов; 3компьютер используется для создания презентаций; 4 – компьютер используется для работы с таблицами; 5 – компьютер используется для демонстраций ППС.

Анализ анкет учащихся показал, что учащиеся 11 классов в основном считают, что могут использовать прикладные программы и обладают достаточной готовностью использовать компьютер в предметном обучении (средний балл 3,1). К сожалению, 100% опрошенных нами учащихся ответили, что компьютер практически не используется в предметном обучении, хотя желание использовать его как инструмент познания проявили 83,3% опрошенных учащихся. С точки зрения учащихся, еще не участвовавших в нашем эксперименте, перспективным является применение компьютера для моделирования микрообъектов и закрепления знаний в форме тренинга.

Компьютерное моделирование химических экспериментов вызвало опасение, что это вызовет сокращение и без того малого числа лабораторных и практических работ. Получение новых знаний с помощью компьютера было названо перспективным 69,2 % учащихся, но многие справедливо отметили, что получение новых знаний должно происходить комплексно, не только с помощью компьютера, но и с помощью различных других средств обучения. Многие учащиеся высказали мнение, что наиболее приемлемо для них изучать учебный материал с помощью и учителя, и товарищей и компьютера. Доля учебного времени, отводимая на работу с компьютерными программами изменяется в широких пределах: от 0% до 90%, такой разброс можно объяснить юношеским максимализмом. В среднем, учащиеся предпочли бы заниматься с использованием компьютерных обучающих программ 33,9% учебного времени, отводимого на изучение химии.

Самооценка учащихся степенью владения компьютером (по пятибалльной шкале) представлена на диаграмме 3. Как видно из диаграммы, примерно 70% учащихся считают, что они владеют основными компьютерными навыками (по пятибалльной шкале 3 балла и выше), что дает возможность применять компьютер в предметном обучении.

В ходе поискового этапа педагогического эксперимента особое внимание уделялось методам наблюдения, интервьюирования, экспертной оценке учителей, включенных в компьютерное обучение, анкетирования учителей и учащихся. Были составлены технологические карты уроков, а также проведена проверка некоторых самостоятельных работ учащихся, участвовавших в эксперименте. Поисковый этап эксперимента позволил отработать режим действий по работе с компьютерными обучающими программами, ввести коррективы в содержание компьютерных программ и в инструкции по их использованию. Данные этого этапа эксперимента послужили основой для составления программы формирующего этапа эксперимента.

Главная цель формирующего этапа педагогического эксперимента – с помощью целостной методической системы обучения химии проверить эффективность комплекса ППС и применяемых в ней технологий компьютерного обучения на практике, выявить их влияние на усвоение важнейших теоретических знаний, на развитие экспериментальнопрактических компьютерных умений и на динамику интереса к познанию химии с помощью компьютера.

участвовали учащиеся школ №№ 89, 298, 387 г. Санкт-Петербурга.

В ходе формирующего эксперимента были использованы методы сравнения достижений учащихся контрольной и экспериментальной групп, а там где речь шла о формировании компьютерных умений использовался метод наблюдения за самостоятельной работой учащихся и анализа ее результатов. В ходе формирующего эксперимента использовались статистические, сочетаемые с методом качественного методического анализа.

Моделирование микрообъектов (молекул) было произведено с помощью программы HyperChem. По содержанию такие уроки носил обобщающий характер, они проводились в конце учебного года в 10 и в 11 классах на базе имеющихся знаний о строении веществ.

(Например, в 11-м классе в курсе общей химии в ходе изучения темы «Типы гибридизации и пространственно-электронное строение молекул веществ», в 10-м классе на обобщающем уроке по теме «Кислородсодержащие органические вещества»). В течение одного урока учащимся требовалось составить объемные модели достаточно обширного ряда веществ. Полученные модели учащиеся разворачивали в наиболее оптимальном ракурсе, трансформировали их, давали их описание, вставляли их как графический объект в отчет, напечатанный в текстовом редакторе. Во время работы с компьютерной программой, учащиеся контрольной группы занимались изучением учебного материала, не используя компьютер.

Ход урока «Имитационное моделирование молекул».

Постановка цели урока. Формирование мотивов деятельности. Формулировка задач работы и определение проблемы, которую предстоит решить в ходе 5 мин. созданию моделей молекулы и работы действий по работе с компьютерной Наблюдение за работой учащихся, 20 мин. консультативная помощь, стимуляция творческой деятельности учащихся.

Инструктирование по оформлению 10 мин. результатов работы. Индивидуальная Подведение итогов урока, рефлексия результатов, совместное планирование 5 мин.

экспериментальной группы) или повторительно -обобщающего урока (для учащихся контрольной группы) проводилась контрольная работа для определения произошедших изменений уровня знаний, умений и навыков по теме «Строение вещества». Первое задание контрольной работы предполагает узнавание молекул некоторых веществ и их идентификацию по представленным моделям, второе задание выявляет знание пространственной конфигурации молекул, умение представлять их модели в пространстве и умение изобразить эту модель графически, третье задание в данной работе выявляет знание пространственной конфигурации молекул тех или иных веществ и умение увидеть причинно-следственную связь между электронным и пространственным строением молекул, умение объяснить эту взаимосвязь.

Для объективной оценки результатов эксперимента была выбрана трехбалльная шкала оценок (за правильный и полный ответ выставлялась оценка 1, за правильный, но неполный – оценка 0,5, за неправильный или отсутствие какого-либо ответа – 0). Результаты контрольной работы обрабатывались методами математической статистики и сведены в таблицу (см. таблицу 2, с.23). Значение коэффициентов изменчивости vЭ и vК по каждому из вопросов контрольной работы близки друг к другу и не превышают 10%.

Из данных таблицы можно сделать следующие выводы:

1. В экспериментальных классах по всем трем вопросам, характеризующим уровень определенных знаний учащихся о строении молекул веществ и степень сформированности умений моделировать их, получен определенный прирост знаний по отношению к контрольным группам.

2. Поскольку максимальная величина параметра t14 = 5,31 (р = 0,05), то можно утверждать, что прирост знаний не случаен, а получен в результате применения экспериментальной методики компьютерного обучения.

3. Знания в экспериментальных классах более равномерны, чем в контрольных.

Качественный анализ результатов работы показал, что учащиеся в экспериментальных группах быстрее и точнее узнают модели молекул изученных веществ, точнее изображают модели молекул, учитывая валентные углы и соотношения размеров атомов. Визуализация моделей молекул способствовала более осознанному усвоению материала, развитию пространственного мышления учащихся. Это показали результаты ответов по 3-му вопросу, где надо было проследить взаимосвязь электронного и пространственного строения молекул органических и неорганических веществ. Кроме того, результаты собеседования с учащимися показывают повышение интереса к изучаемому материалу и к работе с компьютером. Таким образом, можно сделать вывод об эффективности обучения с применением имитационного компьютерного моделирования.

Средние оценки контрольной работы по итогам имитационного моделирования микрообъектов (а) и их статистическая обработка (б) 1-ый 2-ой 3-ий вопрос 1-ый 2-ой 3-ий Примечание. «тех» - технический класс, «хб» – химико-биологический, «мп» музыкально-педагогический классы.

Имитационное моделирование лабораторного практикума по решению задач с элементами качественного анализа было проведено с помощью созданной нами программой «Аналитик» (при изучении тем: «Реакции ионного обмена» в 9-ом классе и «Качественные реакции органических веществ» в 10-ом классе). С программой работали учащиеся 9-го технического и 10-го музыкально-педагогического классов школы № Кировского района и 10-в (химико-биологического) класса школы № Калининского района г. Санкт-Петербурга. Перед проведением уроков по лабораторному моделированию и после них проводилась контрольная работа и её анализ.

В течение одного урока учащиеся смогли решить от 5 до аналитических задач, в зависимости от индивидуального темпа работы.

Параллельно учащиеся контрольной группы самостоятельно работали над решением задач с элементами качественного анализа, не используя компьютер. Через некоторое время после такого урока учащимся обеих групп предлагалась контрольная работа. Во всех группах коэффициент усвоения учебного материала оказался выше 0,7 (70%), что говорит об удовлетворительном уровне усвоения знаний как в экспериментальных, так и в контрольных группах. Однако, во всех трех экспериментальных группах коэффициент усвоения оказывается намного выше, не опускаясь ниже 0,8 (80%), что, несомненно говорит о большей эффективности обучения в группах, где использовалось компьютерное имитационное моделирование лабораторных операций.

Методический анализ количественных данных показал, что учащиеся экспериментальных групп находили более рациональные пути решения экспериментальных аналитических задач, выполняли задания быстрее и более экономично. Учащиеся контрольных групп при решении этих задач часто не до конца продумывали последовательность операций, не учитывали все возможные взаимодействия между реагентами. Однако, количество ошибок при написании уравнений реакций оказалось примерно одинаковым, как в контрольной, так и в экспериментальной группе. Это говорит о том, что компьютерное моделирование при более высоком усвоении экспериментальных знаний и умений в меньшей мере отразилось на умении грамотно выразить решение задачи в виде химических уравнений, что потребовало коррекции в требованиях к решению задач.

Результаты формирующего этапа педагогического эксперимента показали, что в экспериментальных группах в результате моделирования молекул:

- повысился уровень знаний о пространственном строении молекул веществ, усовершенствовались умения использовать эти знания для решения учебных проблем;

- усовершенствовались умения по моделированию молекул неорганических и органических веществ;

- усовершенствовались прогностические умения учащихся, возросло количество учащихся, которые могли показать взаимосвязь пространственного и электронного строения вещества.

В результате моделирования лабораторных операций, в частности, моделирования решения задач с элементами качественного анализа повысился уровень рациональности решения задач, возросло количество учащихся, которые не только правильно выполняли действия в различных ситуациях, но и могли переносить знания и умения в новые условия.

Различные формы проведения педагогического эксперимента и результаты, полученные на его формирующем этапе, подтверждают приемлемость разработанной методической системы по компьютерному обучению химии на основе имитационного моделирования и ее влияние овладение химией, на развитие личности учащихся.

По результатам теоретического и экспериментального исследования обозначенной нами научной проблемы в соответствии с поставленными целями и задачами исследования дано заключение.

ВЫВОДЫ

1. В соответствии с выбранными идеями, подходами и общими и специфическими принципами использования имитационного моделирования разработана концепция исследования, теоретическая модель компьютерного обучения химии, технология проектирования и применения компьютерных обучающих программ по химии на основе имитационного моделирования. Концепция и теоретическая модель послужила ориентировочной основой для построения методической системы компьютерного обучения. В соответствии с ними уточнены уточнено содержание и дано определение понятия «имитационное моделирование» применительно к обучению химии, а также уточнен терминологический аппарат исследования.

2. Актуальными и перспективными ППС в обучении химии являются компьютерные программы, построенные на основе имитационного моделирования, позволяющие моделировать микрообъекты (при изучении строения молекул, механизмов органических реакций и т.д.) и макрообъекты (химический эксперимент в виртуальных лабораториях).

3. Внедрение новой технологии проектирования и применения компьютерных обучающих программ по химии, основанных на методе имитационного моделирования, работа с ними, способствует развитию личности учащихся так как расширяет возможности личностноориентированного развивающего обучения, позволяет развивать познавательные творческие способности учащихся, повышает их интерес к предмету за счет межпредметной интеграции химии и информатики.

4. Результаты педагогического эксперимента показали, что в экспериментальных группах в результате моделирования химических объектов повысился уровень знаний об электроном и пространственном строении молекул веществ, усовершенствовались умения по моделированию молекул неорганических и органических веществ, развивались прогностические умения учащихся, возросло количество учащихся, которые могли показать взаимосвязь пространственного и электронного строения вещества.

5. В результате моделирования лабораторных операций, в частности, моделирования решения задач с элементами качественного анализа повысился уровень экспериментальных и компьютерных умений, рационального решения задач, возросло количество учащихся, которые не только правильно выполняли действия в различных ситуациях, но и могли переносить знания и умения в новые условия.

6. Различные формы проведения педагогического эксперимента и результаты, полученные на его формирующем этапе, подтверждают доступность и эффективность разработанной нами методической системы по компьютерному обучению химии, основанной на методе имитационного моделирования.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Имитационное моделирование как важнейший метод проектирования интерактивных технологий в обучении химии // Актуальные проблемы реформирования химического и химико –педагогического образования (Материалы XLV Герц. чтений 13-16 мая 1998г.).- СПб.: РГПУ им.А.И.Герцена, 1998. (в соавт.). – С. 111- 2. Имитационное моделирование как один из методов проектирования обучающих программ по химии // Aktuln otzky vuky chemie IX. Чехия, Gaudeamus, 2000. – С. 109-111 (в соавт.) 3. Имитационное моделирование как один из методов проектирования компьютерных обучающих программ // Aktualne problemy edukacji chemicznej. Польша, Opole, 1999. – С. 128-130 (в соавт.) 4. Типы компьютерных программ в системе интерактивного обучения химии // Materiay midzinarodowego seminarium problemw dydaktyki chemii. Opole, 1998. – С. 90-93. (в соавт.) 5. Учет требований к качеству современных обучающих компьютерных программ // Актуальные проблемы многоуровнего химико-педагогического и химического образования. Материалы XLVII Герценовских чтений. СПб:

издательство РГПУ им. А.И. Герцена, 2000. – С. 7-9. (в соавт.) 6. Закрепление знаний о генетической связи между классами органических веществ // Химия в школе. – 2000. – №5. – С. 63-68.

7. Методическая аранжировка опытов с этиленом // Химия в школе. – 2001. – №8. – С. 61-62. ( в соавт.) 8. Сборник вопросов и задач по химии для средней общеобразовательной школы / Под общ. ред А.В. Суворова. – СПб.: СпецЛит, 1999. – 276 с. (в соавт.)