14.6. лабораторный практикум

14.6. лабораторный практикум

Тема «Профильные курсы информатики, ориентированные

на компьютерное моделирование»

Для усвоения старшеклассниками основ моделирования и формирования системно-информационных представлений, в качестве логической цепочки построения содержания обучения предлагается следующая: введение в системологию — методологические подходы исследования окружающего мира — метод моделирования — технологии построения информационных и компьютерных моделей.

Занятие 1

Тема «Методические особенности обучения элементам систе-мологии и теоретическим основам моделирования»

Дидактические цели: исследовательские.

Способы организации: практикум.

Технологии и методы обучения: работа с книгой (составление тематического тезауруса, матрицы идей), учебная дискуссия, поисковые упражнения, рецензирование.

Средства обучения: учебно-методическая и специальная литература [1 — 13, 15—24, 28, 31 — 34], программные средства [1—4, 7-9].

Предварительная подготовка студентов: выполнить логико-содержательный анализ учебной литературы базового курса информатики, обобщив его в матрице идей (табл. 14.1); изучить методологические принципы системного подхода и заполнить демонстрационную табл. 14.2.

Теоретические сведения

Основные понятия: система, надсистема, подсистема, структура, системный анализ, формализация, модель, моделирование, информационная модель.

Содержательно-методический анализ

Введение в системологию базируется прежде всего на изучении иерархичности систем. В процессе поиска с учащимися ответа на вопрос, что является простейшей частью системы (элементом), следует сделать вывод о зависимости предела членения системы от целей рассмотрения объекта как системы, от точки зрения на объект или от аспекта его изучения. Далее следует ввести понятия надсистема и подсистема, при этом сформировать представление о том, что возможность деления системы на подсистемы связана с вычленением совокупностей взаимосвязанных элементов, способных выполнять относительно независимые функции и подцели, направленные на достижение общей цели. После этого возникает возможность познакомить учащихся с компонентами системы и основными свойствами систем.

Изучение методологических подходов направлено на формирование представлений о возможностях применения системного, информационного и функционального подходов к исследованию явлений, процессов, объектов действительности. Следует подчеркнуть, что методологические подходы являются теоретической основой исследовательской деятельности, поэтому реализуются не сами по себе, а через такие методы, как: системный анализ, формализация, моделирование, метод «черного ящика». Метод моделирования позволяет упрощать модель по сравнению с объектом на основе конкретного сходства и различия. В познавательном процессе исследуемый объект заменяется моделью, имитирующей его структуру или функционирование. Изучение модели позволяет получать новую информацию об исходном объекте.

Старшеклассники должны усвоить, что виды моделирования разнообразны, так как зависят от используемых моделей и сферы их применения. Целесообразно познакомить учащихся с классификациями моделирования по разным признакам, в этой связи можно рассмотреть классификацию, которая излагается в теории систем.

Информатика исследует методологические принципы построения информационных моделей и манипулирования ими, хотя само построение и обоснование этих моделей — задача частных наук. Изучая понятие информационной модели, рекомендуем познакомить учащихся с понятием концептуальной модели, поскольку в зависимости от решения задачи одна и та же информационная модель порождает различные концептуальные модели, на основе которых могут быть построены новые информационные модели (хотя различие между информационными и концептуальными моделями условно, так как назначение любой модели — получение информации об объекте).

Дидактические материалы

I. Варианты заданий

Задание 1. Разработать конспект урока-лекции по заданной теме. Содержание конспекта должно включать в себя следующее:

1.1. Наименование учебной темы и часы.

1.2. Цели (образовательные, развивающие, воспитательные).

1.3. Основные понятия содержания обучения (рекомендуется составить понятийный словарь).

1.4. Предварительная подготовка учащихся (характеризуются знания, умения и навыки, на которых непосредственно базируется усвоение содержания учебного материала лекции).

1.5. Предварительная подготовка учителя (определяются практические задачи, которые решает учитель, готовясь к лекции).

1.6. Средства обучения (литература, представленная по разделам: учебники и учебные пособия для учащихся, пособия и методические рекомендации для учителя, дополнительная литература; технические и программные средства; дидактические материалы, в том числе набор демонстраций, выполненных с помощью современных технических средств, позволяющих проецировать изображение с экрана компьютера на демонстрационный экран).

1.7. Поэтапный план занятия с учетом временных затрат.

1.8. Содержание обучения (нужно обязательно выделить в тексте сведения, которые записывают учащиеся в рабочие тетради, а также расставить ссылки на использованную литературу).

1.9. Итоговые выводы занятия.

Примечание. Если предусмотрено использование обычной классной доски, то требуется представить набор изображений, которые будут последовательно создаваться на доске.

Тематика лекций

1. Введение в системологию.

2. Теоретические основы моделирования.

3. Информационное моделирование.

4. Модели представления знаний в системах искусственного интеллекта.

5. Введение в компьютерное моделирование.

6. Имитационное моделирование.

Задание 2. Разработать конспект комбинированного урока по заданной теме в соответствии с п.п. 1.1 — 1.8 задания 1. Следует учитывать специфику комбинированного урока, поэтому в конспекте нужно составить описание следующих основных элементов, составляющих методическую подструктуру урока:

2.1. Организация учащихся к занятиям.

2.3. Повторение и проверка знаний учащихся, выявление глубины понимания и степени прочности изученного материала и актуализация необходимых знаний и способов деятельности для последующей работы по осмыслению вновь изучаемого материала на текущем уроке.

2.4. Введение учителем нового материала и организация работы учащихся по его осмыслению и усвоению.

2.5. Первичное закрепление нового материала и организация работы по выработке у учащихся умений и навыков применения знаний на практике.

2.7. Подведение итогов урока и инструктаж по выполнению домашнего задания.

Тематика уроков

1. Системная классификация.

2. Язык программирования (управления учебным исполнителем) как логико-лингвистическая информационная модель.

3. Представление знаний в форме семантических сетей.

4. Компьютерное моделирование физических процессов и явлений.

5. Моделирование систем массового обслуживания.

6. Моделирование динамики численности популяций.

II. Структуризация учебной информации

Задание 1. Составить толковый словарь терминов (тезаурус), характеризующих элементы системы основных понятий или ядра содержания обучения заданной темы урока.

Задание 2. Установить взаимосвязи внутри сконструированной системы понятий заданной темы урока и внешние связи этой системы с понятиями базового курса информатики (табл. 14.2,14.3).

Таблица 14.2

Таблица 14.3

Методические рекомендации

Целесообразно по результатам выполненного студентами логико-содержательного анализа учебной литературы базового курса информатики провести учебную беседу с целью уточнения определений основных понятий темы и вариантов классификаций моделей, а также обоснования наиболее предпочтительного выбора учебной литературы. Возможна организация учебной деятельности по подгруппам, например, обучаемые первой подгруппы выполняют по вариантам задание 1, а второй — задание 2. Возможный прием — рецензирование работ студентов внутри подгруппы. В рамках дискуссии рекомендуется обсудить результаты учебной деятельности студентов по структуризации учебной информации, направленной на работу с системой понятий.

Занятие 2

Тема «Методика обучения технологическим приемам построения информационных и компьютерных моделей»

Дидактические цели: иллюстративно-исследовательские.

Способы организации: лабораторно-практическая работа.

Технологии и методы обучения: работа с книгой (тезирование, аннотирование), поисковые упражнения, рецензирование.

Средства обучения: учебно-методическая и специальная литература [1, 2, 5, 7, 8, 22—27, 29, 30, 31, 35, 36], программные средства [4—9].

Предварительная подготовка студентов: требуется ознакомиться с планом лабораторно-практической работы и выполнить п.п. 1—2 этого плана.

Теоретические сведения

Основные понятия: прототип, моделирование, принятие решения, компьютерный эксперимент.

Содержательно-методический анализ

В рамках профильного обучения информатике следует повторить и закрепить знания о технологической цепочке построения моделей, ранее усвоенные учащимися в базовом курсе информатики. Систематизация и обобщение знаний старшеклассников предполагает рассмотрение моделирования как вида человеческой деятельности, направленной на исследование объектов, явлений и процессов, и уточнение места моделирования в этой деятельности.

Формирование технологических приемов осуществляется в процессе освоения старшеклассниками следующих основных этапов моделирования. На первом этапе надо научить описывать задачу, под которой в самом общем смысле понимается проблема, требующая решения, а также формировать навыки определения цели моделирования, проведения анализа объекта моделирования. Второй этап предполагает формирование навыков создания информационных моделей, преобразования их в знаковые с учетом среды реализации, трансформирования их в компьютерные модели. В рамках третьего этапа следует научить четко составлять план моделирования, осуществлять моделирование сначала на тесте, а далее с реальными данными. Организация такой учебной деятельности направлена на формирование представлений о компьютерном эксперименте. Освоение учащимися последнего этапа заключается в том, что они анализируют результаты моделирования и учатся принимать обоснованные решения.

План работы

1. Выбрать, по согласованию с преподавателем, одну из предложенных тем уроков лабораторно-практических работ.

2. Изучить учебную, методическую и специальную литературу по информатике в соответствии с выбранной тематикой, составить аннотированный список литературы.

3. Освоить функциональное наполнение программных средств, которые предполагается использовать с целью выполнения практических заданий старшеклассниками или для оформления ими отчетов.

4. Выполнить задания 1 — 3, приведенные ниже, и представить письменные отчеты.

Дидактические материалы

I. Варианты заданий

Задание 1. Разработать конспект урока лабораторно-практических работ по заданной теме в соответствии с п.п. 1.1 —1.8 (занятие 1). Следует учитывать специфику урока лабораторно-практических работ, поэтому в конспекте нужно описать следующие основные этапы:

• вводная часть урока, на которой преподаватель формулирует цели занятия, дает задание, определяет вопросы, выполняет вместе с учащимися схему предстоящих действий;

• самостоятельная работа учащихся, организованная таким образом, чтобы они могли определить пути решения поставленных задач, наметить последовательность выполнения необходимых действий, решить поставленные задачи и составить отчеты;

• заключительная часть урока должна содержать прогнозируемый анализ хода выполнения и результатов работ учащихся, наиболее вероятные ошибки и причины их возникновения.

Задание 2. В целях эффективной организации деятельности обучаемых разработать инструктажные карты к выполнению заданий лабораторно-практической работы.

Задание 3. Разработать вариативные наборы заданий для лабораторно-практической работы, содержащие четкие формулировки заданий и ответы.

Тематика уроков лабораторно-практических работ

1. Выделение характеристик объекта и информационных связей между ними.

2. Построение древовидных и графовых моделей.

3. Построение табличных информационных моделей.

4. Построение продукционных моделей представления знаний.

5. Моделирование движения.

6. Моделирование колебаний.

7. Прогнозирование состояния экологических систем с помо-Щью компьютерных моделей.

II. Структуризация учебной информации

Дополнить вариативные наборы (задание 3) формально-логическими моделями решения прикладных задач с применением программных средств (табл. 14.4).

Таблица 14.4

Методические рекомендации

Для студентов, успешно справившихся с заданиями 1—3, рекомендуем дополнительное задание, выполнение которого направлено на структуризацию учебной информации. Целесообразно организовать внутри студенческой группы рецензирование вариативных наборов прикладных заданий, предложить студентам продемонстрировать использование инструктажных карт в учебном процессе.

Программные средства

1. Средства подготовки презентаций: PowerArt, PowerPoint, ClipArt и др.

2. Системы компьютерного моделирования: GPSS, CSSE и др.

3. Математические пакеты: Derive, MathCad, Mathematica и др.

4. Табличные процессоры: SuperCalc 5.0, Microsoft Excel и др.

5. Системы управления базами данных: MS Access, FoxPro и др.

6. Интегрированные системы: FrameWorks, Works 4.0 и др.

7. Система учебных исполнителей: Программно-методический комплекс по курсу информатики «Основы алгоритмизации» и др.

8. Системы программирования: Turbo Pascal, Delphi, Visual Basic, Turbo Prolog, Turbo C, Borland C++, Fort, JavaScript и др.

9. Текстовые редакторы: Lexicon, MS Word и др.

Литература к главе 14

Основная литература

1. Белошапка В. К. Информационное моделирование в примерах и задачах. — Омск: Изд-во Ом. гос. пед. ин-та, 1992.

2. Гейн А. Г., Юнерман Н.А. Информатика 10—-11 кл. // Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». — 1999. — № 40,43,46; 2000. — № 3.

3. Глинский Б.А. и др. Моделирование как метод научного исследования. — М.: Знание, 1965.

4. Захарова Т. Б. Профильная дифференциация обучения информатике на старшей ступени школы. — М.: МЦНТИ, 1997.

5. Информатика: Задачник-практикум: В 2 т. / Под ред. И. П. Семакина и Е.К.Хеннера. — М.: Лаборатория базовых знаний, 1999.

6. Информатика: Энциклопедический словарь для начинающих. — М.: Педагогика-Пресс, 1994.

7. Информационная культура: Кодирование информации. Информационные модели: 9—10 кл. — М.: Дрофа, 1996.

8. Компьютерные модели, вычислительный эксперимент: введение в информатику с позиций математического моделирования. — М.: Наука, 1988.

9. Могилев А. В., Пак И. И., Хеннер Е.К. Информатика: Учеб. пособие для студентов пед. вузов / Под ред. Е.К.Хеннера — М.: Академия, 1999.

10. Могилев А.В., Хеннер Е.К. О понятии «Информационное моделирование» // Информатика и образование. — 1997. — № 8.

11. Мороз А. Я. Кибернетика в системе современного научного знания. — Киев, 1988.

12. Острейковский В.А. Теория систем. — М.: Высш. шк., 1997.

13. Семакин И.Г. и др. Информатика: Базовый курс 7 — 9 кл. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999.

Дополнительная литература

14. Бабанский Ю. К. Методы обучения в современной общеобразовательной школе. — М.: Просвещение, 1985.

15. Белошапка В. К., ЛесневскийА. С. Основы информационного моделирования // Информатика и образование. — 1993. — № 6.

16. Бешенков С.А., ГейнА.Г., Григорьев С.Г. Информатика и информационные технологии. — Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. пед. ун-та, 1995.

17. Бигон М., ХарперДж., Таунсенд К. Экология: В 2 т. — М.: Мир, 1989.

18. Брусиленко Н.П. Метод статистического моделирования. — М.: Мир, 1970.

19. Брусиленко Н. П. Моделирование сложных систем. — М.: Наука, 1978.

20. Гейн А. Г., Данилина И. И., Шолохович В. Ф. Информатика (естественнонаучный профиль) // Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». — 1998. № 42. — С. 3—14.

21. Гейн А. Г., Сенокосов А. И. Информатика и основы вычислительной техники: Учеб. пособие для 8—11 кл. школ с углубленным изучением информатики // Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября».— 1998.-№43.-С. 7-29.

22. ГорсткоА.Б. Познакомьтесь с математическим моделированием. — М.: Знание, 1991.

23. Гулд X., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике: В 2 т. — М.: Мир, 1990.

24. Информатика: 9 кл. / Под ред. Н.В. Макаровой. — СПб.: Питер, 1999.

25. Основы экологии и природопользования. Компьютерный курс / б-Ф. Шолохович, А. Г. Гейн, С.В.Комов и др. — М.: Просвещение, 1995.

26. Островская Е. М. Моделирование на компьютере// Информатика и образование. — 1998. — № 7, 8; 1999. — № 1.

27. Пак Н.И. Компьютерное моделирование в примерах и задачах. — Красноярск: Изд-во Краснояр. гос. пед. ун-та, 1994.

28. Пекелис В.Д. Кибернетика от А до Я: Энциклопедия. — М., 1990.

29. Петрова Н. П. Маленькие модели большого мира (задачи на моделирование) // Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». — 1995.-№31.

30. Преподавание компьютерного курса «Основы экологии и природопользования» в общеобразовательной школе / В.Ф.Шолохович, С.В.Комов, АТ.Гейн, И.И.Данилина. — Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. пед. ун-та, 1994.

31. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры. — М.: Наука, 1997.

32. Чубарова Т.П. Моделирование и элементы системологии: Учеб. пособие для учащихся 11 кл. // Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». — 2000. — № 10, 13.

33. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем — искусство и наука. — М.: Мир, 1978.

34. Шнейдеров В. С. Занимательная информатика. — СПб.: Политехника, 1994.

35. Шуиукова Л. 3. Технология решения и подготовки задач на компьютере // Информатика и образование. — 1999. — № 7.

36. Яковлева Т. А. Технология компьютерного моделирования // Информатика и образование. — 1997. — № 5.