автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Методика обучения теории параллельных вычислений в условиях двухступенчатой подготовки специалистов по информатике в педагогических вузах

Автореферат диссертации по теме "Методика обучения теории параллельных вычислений в условиях двухступенчатой подготовки специалистов по информатике в педагогических вузах"

РГ6 од

1 1 ¡!ОЯ 1338

На правах рукописи

Киров Сергей Николаевич

МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ ТЕОРИИ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ ПО ИНФОРМАТИКЕ В ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗАХ

13.00.02 теория и методика обучения информатике

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степеЕ кандидата педагогических наук

С АНКТ- ПЕТЕРБУРГ 1996

Работа выполнена в Российском государственном педагогическом университете имени А.И.Герцена

Научный руководитель:

Доктор Физико-математических наук, профессор - И.Л.ВРАТЧИКОЕ Официальные оппоненты:

Доктор технических наук,, профессор — С. А. ЯКОВЛЕВ

Ведущая организация - Институт информатизации образования

Министерства общего и проФессиокальног образования РФ

Защита состоится "¿1" ноября 1996 года в и> часов на заседании специализированного совета Д 113.05.09 Российского государственного педагогического университета им. А.И.Герцена по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб.р.Мойки, 48, корп.1, ауд.209.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке РГПУ.

Автореферат разослан "¿1_" 1996 г.

Ученый секретарь

Кандидат педагогических наук.

А.М.СЛУЦКИЙ

специализированного совета

3.И.Новосельцева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Информатизация общества предполагает широкое внедрение, средств вычислительной техники и новых информационных технологий в различные сферы жизни и деятельности человека, преобразует все структуры общества, оказывает большое влияние на систему образования, приводя к ее компьютеризации. В области компьютеризации образования в нашей стране необходимо отметить значение теоретических и практических исследований, проведенных В.М.Глушковым, А.П.Ершовым, Г.А.Звенигородским, В.А.Извозчиксвым, В.В.Лаптевым и другими учеными. За рубежом в области компьютеризации следует выделить работы Н.Вирта, Э.Дейкстры, Д.Кнута. Ч.Хоара.

Одной из составляющих частей компьютеризации образования является изучение информатики как учебной дисциплины в педагогических вузах. Однако, по настоящее время теоретические основы дисциплины "Основы инФорматик-и и вычислительной техники" в педвузах недостаточно разработаны, и следствием этого является ярко выраженная технологическая и прикладная направленность курса информатики в педагогических вузах. Такое углубление технологической направленности, тем не менее, не мсает быть беспредельным, т.к. неизбежно натолкнется на естественные ограничения, порожденные отсутствием или недостаточностью общенаучной базы. Подготовка специалистов по информатике должна производиться на основе программ, в которых преобладают Фундаментальные знания, которые в наименьшей степени подвержены старению.

Основы параллельных вычислений, конкурентного программирования, принципы построения альтернативных архитектур ЭВМ являются, на наш взгляд, одними из важных составляющих Фундаментального знания. Развитие средств вычислительной техники, компьютерных технологий, технологий программирования на современном этапе убедительно показывает, что проникновение идей параллелизма в каждую из этих областей будет в дальнейшем все более усиливаться. В наше время трудно встретить современный компьютер, в котором не использовалось, по крайней мере, отдельных элементов параллельной обработки. В персональных ЭВМ параллелизм проявляет себя в принципах Функционирования не только отдельных узлов ЭВМ (таких как графические акселераторы, сопроцессоры, контроллеры многочислен-

ных внешних устройств), но к в работе центрального процессора ПЭВМ.

Переход к параллельной обработке информации является своего рода неизбежным путем для развития вычислительной техники и информатики. Такой переход, сопровождаемый повышением скорости вычислений, приводит также к- значительному изменению алгоритмов решения задач и используемых структур данных, появлению новых языков и технологий программирования, изменению человеческого мышления в целом. Учет этих тенденций определяет жизненность и фундаментальность знаний, приобретаемых студентами в курсе информатики .

Обучение в курсе информатики архитектурам компьютерных систем, позволяющим организовать параллельную обработку информации, необходимо для того, чтобы расширить круг знаний студентов о современных компьютерных системах, микропроцессорах, направлениях их дальнейшего развития. Кроме того, этот курс имеет важное значение и в профессиональной подготовке учителя информатики, так как углубляет знания о персональных компьютерах и позволяет более осознанно оценивать возможности школьных компьютеров.

Предложенный 9.и.Кузнецов им курс "Структура я программное обеспечение ЭВМ" для студентов педагогических вузов, имеет целью дать представление о компьютере как о системе, представляющей неразрывное единство аппаратных и программных средств.

Следует отметить, что аппаратные средства компьютера автор предлагает рассматривать в этом курсе на уровне моделей логических элементов, узлов и их функциональных возможностей. Здесь же на Функциональном уровне дается представление о взаимодействии процессора и периферийных устройств и о возможности организации и исполнения параллельных процессов.

Изменение архитектуры ЭВМ оказывает непосредственное влияние на изменение технологии программирования. Появление и развитие альтернативных архитектур ЭВМ, вычислительных сетей выделило ряд новых направлений в разработке программного обеспечения - параллельного, конкурентного и распределенного программирования.

Таким образом, современные направления развития архитектуры ЭВМ приводят к потребности в изучении помимо вопросов теории и практики последовательного программирования (широко рассматривав-

мых в настоящее время в курсе информатики) новых технологий программирования .

Основу современной концепции школьного курса информатики составляет дифференциация обучения, в соответствии с которой содержание курса, не являясь единым для всех школьников, должно учитывать способности учащихся и из профессиональную направленность, которая имеет особое значение в старших классах. Таким образок, предпроФессиональная подготовка старшеклассников приобретает особую значимость.

В данной концепции из приведенного ряда направлений дифференциации выделим следующие: Зо^-курс, Вга1п-курс и Наг(3-курс. Первые два из них предполагают изучение парадигм программирования и операционных систем, Нагс1-курс предполагает изучение логических элементов ЭВМ и логического проектирования ЭВМ. Таким образом, возникает необходимость подготовки в педагогических вузах учителей, обладающих необходимыми знаниями в области названых курсов.

Сказанное выше определяет актуальность данного исследования и позволяет сформулировать проблему исследования, состоящую в разрешении противоречия между необходимостью Фундаментальной образовательной подготовки учителя информатики, одной из составляющих которой является обучение теории параллельных вычислений, и слезившейся системой его подготовки в педвузе.

Объектом исследования выступает учебный процесс подготовки учителя информатики в педагогическом вузе в условиях двухступенчатого образования.

Цель исследования состоит в разработке теоретической модели обучения теории параллельных вычислений в курсе информатики педагогического вуза в условиях двухступенчатого образования.

Определенный целью предмет исследования представляет собой теоретическая модель обучения теории параллельных вычислений в курсе информатики педвуза.

Теперь моано сформулировать тему исследования-. "Методика обучения теории параллельных вычислений в условиях двухступенчатой подготовки спецртлистов по информатике в педвузах".

Методика обучения теории параллельных вычислений в качестве основного на данном этапе компонента включает теоретическую модель обучения, имеющую структуру методической системы.

Под "методической системой" понимается введенный А.М.Пышкало термин, отражающий совокупность пяти связанных компонентов: целей обучения, содержания обучения, методов. Форм и средств обучения.

Реализация теоретической модели обучения теории параллельных вычислений в рамках учебного процесса позволит построить методическую систему обучения теории параллельных вычислений в педагогическом вузе.

Методическая система обучения архитектуре однопроцессорных ЭВМ будущих учителей информатики, основанная на использовании языков программирования низкого уровня, приведена в диссертационном исследовании Н.И.Рыжовой. Данная концепция опиралась на определение термина "архитектура ЭВМ" по Г.Майерсу, в силу чего система машинных команд (машинный язык) является определяющей частью архитектуры однопроцессорной ЭВМ. Стремление повысить производительность и эффективность ЭВМ всегда сопровождалось изменением в системе машинных команд. Именно система команд определяет интерфейс взаимодействия отдельных компонентов архитектуры, а значит, и уровень ее развития.

Сказанное выше позволяет выдвинуть гипотезу исследования, которая будет положена в основу концепции построения теоретической модели обучения теории параллельных вычислений.

Основными положениями, являющимися базисом при построении теоретической модели обучения теории параллельных вычислений являются:

~ концепция современного информационного общества и информатизации образования;

- концептуальный взгляд на предмет информатики как науки ;

- концепция школьного курса информатики;

- концепция многоуровневой подготовки специалиста по информатике в системе высшего педагогического образования;

- принципы профессионально-педагогической направленности обучения будущих учителей информатики.

Гипотеза исследования состоит в следующем-, теоретическая модель обучения теории параллельных вычислений может быть построена, если воспользоваться перечисленными выше концепциями и принципами , а также :

- технологией отбора содержания обучения теории параллельных вычислений;

- системным подходом, позволяющим выделить в ней 3 методические подсистемы: "Введение в теорию параллельных вычислений"."Параллельные вычисления в архитектурах компьютерных систем" и "Моделирование компьютерных систем"

- методом учебных информационных моделей.

Концепция исследования состоит в том, что построение теоретической модели обучения теории параллельных, вычислений основывается на учете следующих Факторов, определяющих ее содержание:

- основы теории взаимодействующих последовательных процессов;

- основы конкурентного программирования;

- альтернативные архитектуры компьютерных систем.

Проверке справедливости сформулированной гипотезы будет предшествовать обоснование утверждения: "Языки программирования являются средством обучения архитектуре компьютерных систем".

Данное утверждение базируется на известном высказывании Г.Ма-йерсл о том, что "мысленное компилирование" программ, написанных на языках высокого уровня, часто используется как средство изучения архитектуры компьютерных систем.

а) Утверждение является очевидным для обучения архитектуре машин языков высокого уровня.

б) Проверка справедливости утверждения отнесена к случаю изучения альтернативных архитектур ЭВМ (классификация альтернативных архитектур приведена в 51.6.2).

Для достижения поставленной цели исследования необходимо решить ряд задач.

Первая группа задач - методологического характера-.

1. Определить принципы отбора содержания теоретического и практического материала.

2. Подобрать такое определение информатики, которое позволило бы выпукло представить Фундаментальные вопросы данной науки, а также обосновать место данного курса в информатике как научной дисциплине и в информатике как учебной дисциплине, проследить его влияние на другие раздели учебного предмета информатики.*

3. Определить разделы информатики и математики, на которые опирается содержание обучения теории параллельных вычислений.

Вторая группа задач- - теоретического характера: построение теоретической модели обучения теории параллельных вычислений студентов педагогического вуза.

Третья группа задач - практического характера: она связана с определением путей практической реализации теоретических положений исследования, при этом необходимо:

X. Проверить и уточнить разработанные теоретические положения в условиях поискового эксперимента.

2. Разработать учебные материалы по данному разделу для преподавателей вузов по планированию и проведению учебных занятий.

Для проведения исследования использовались следующие методы-.

1. Анализ специальной литературы по математике, информатике, вычислительной технике и методике преподавания информатики.

2. Анализ учебных пособий и программ по информатике для школы и вуза.

■3. Изучение и обобщение зарубежного опыта изучения архитектуры компьютерных систем.

4. Изучение и обобщение педагогического опыта.

5. Метод экспертных оценок, поисковые и констатирующие эксперименты по проверке отдельных методических положений работы;

6. Построение модели методической системы обучения теории параллельных вычислений.

Научная новизна исследования:

Автором впервые разработана концепция и теоретическая модель обучения теории параллельных вычислений в курсе информатики и вычислительной техники педагогических ВУЗов.

Проведенное исследование и предложенные в нем теоретические подходы могут рассматриваться как основа для последующей их адаптации к школьному курсу информатики.

Теоретическая значимость исследований определяется научной новизной и характером работы, обозначившей круг специфических для преподавания информатики в педагогическом институте актуальных проблем, порожденных необходимостью усиления фундаментального направления в ее преподавании.

Практическая значимость полученных результатов заключается в разработке общей структуры лекционных, практических и лабораторных занятий при обучении теории параллельных вычислений в педвузе, на основе чего могут быть скорректированы учебные планы и программы подготовки студентов педагогического института в сфере информатики и вычислительной техники.

Внедрение результатов исследования - в рамках спецсеминара в 1994-95гг проводились занятия со студентами тьюторскоЯ группы РГПУ им.А.И.Герцена.

Апробация результатов исследования осуществлялась на научно-методических семинарах и конференциях по проблемам преподавания информатики Всесоюзном научно-практическом совещании {Омск. 1990 г.), 11-ой Всероссийской конференции "Компьютеры в образовании" (Санкт-Петербург, 1994), Всероссийской научно-практической конференции "Черноземье 95" (Воронеж, 1995), на заседаниях и семинарах кафедры информатики РГПУ км.А.И.Герцена.

Положения, виносимие на защиту.-

1) классификационные вопросы отбора содержания обучения теории параллельных вычислений;

2) теоретические основы построения курса "Теория параллельных вычислений";

3) содержание обучения теории параллельных вычислений при двухступенчатой подготовке специалистов по информатике в педвузе, представленное в виде трех разделов: "Введение в теории параллельных вычислений", "Параллельные вычисления в архитектурах компьютерных систем" и "Моделирование компьютерных систем".

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Последовательность решения основных задач исследования нашли отражение в структуре диссертационного исследования и логике его изложения.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии я приложений.

В первой главе настоящего исследования, названной "Теоретические основы отбора содержания обучения теории параллельных вычислений" рассмотрены следующие вопросы.•

1) Определение информатики как науки и учебной дисциплины;

Используемое нами определение информатики как науки дано в работах Т.А.Бороненко и Н.И.Риковой.

Информатика - это Фундаментальная естественная наука;

а) объектом информатики являются информационные процессы;

6j предметом информатики являются Формальные системы, описывающие информационные процессы и их отображение (путем построения информационных моделей (алгоритмов и структур данных)) на архитектуру вычислительных (компьютерных) систем;

в) основным методом информатики является вычислительный эксперимент.

Приведем используемое определение учебной дисциплины "информатика" предложенное М.В.Швецким: "информатика - это учебная дисциплина, предметом которой является результат дидактической переработки научных результатов, относящихся к систематическому изучению алгоритмов и структур данных, являющихся Формализованным описанием процессов накопления, передачи и обработки информации".

2) Концепция преподавания информатики в школе на основе дифференциации обучения;

Данная концепция основывается на выделении двух основных разделов школьной информатики: двухуровневого курса компьютерной грамотности и курса предпрофессиональной подготовки с учетом дифференциации. Обучение теории параллельных вычислений студентов педвузов сказывает влияние на следующие направления з предпрофессиональной подготовке школьников: программист (soft-, soft-user-курсы), конструктор ЭВМ (hard-курс).

3) Концепция многоуровневой подготовки специалистов по информатике в педагогических ВУЗах;

Рассматриваемая концепция опирается на работы Э.К.Кузнецова, И.А.Румянцева и М.В.Швецкого.

4) Принципы профессионально-педагогической направленности обучения информатике;

5) Технология отбора содержания обучения;

На основе анализа существующих на данный момент технологий отбора содержания обучения выделяется наиболее технологичный подход, предложенный В.П.Беспалько, который представляется шагом вперед по отношению к эмпирико-интуитивкому выведению критериев отбора учебного материала из дидактических принципов. Данный подход будет в дальнейшем использован нами для решения задачи отбора содержания обучения теории параллельных вычислений.

6) Теоретические элементы информатики, используемые при отборе содержания обучения теории параллельных вычислений:

- определение понятия и содержания теории параллельных вычислений ;

- классификация альтернативных архитектур ЭВМ;

- классификация парадигм программирования;

- особенности современных микропроцессоров;

- теория взаимодействующих последовательных процессов Хоара

(СЗР);

- семафоры Дейюстры и сигналы:

- мониторы Хоара;

- понятие сопрограммы и прерывания.

Во второй главе исследования рассмотренные ранее концепции используются для построения теоретической модели обучения теории параллельных вычислений, включающей в себя следующие элементы.

1) Цели обучения теории параллельных вычислений:

а) Обучить студентов основам конкурентного программирования с использованием языка программирования Мос}ша-2;

б) Расширить представления студентов о программировании как целенаправленной деятельности по разработке программы для ЭВМ, отвечающей спецификациям решаемой задачи в контексте конкурентного программирования;

в) Ознакомить студентов с альтернативными архитектурами компьютерных систем (в соответствии с классификацией альтернативных архитектур, приведенной в §1.6.2).

Заметим, что двухуровневая система подготовки специалистов требует раздельного Формулирования целей обучения для каждого из уровней (приведены в 52,1).

2) Выделение принципов и критериев отбора содержания.

3) Проведение отбора содержания обучения (рис.1)

В содержании обучения теории параллельных вычислений выделены следующие разделы:

а) Введение в теорию параллельных вычислений;

б) Параллельные вычисления в архитектурах компьютерных систем;

в) Моделирование компьютерных систем.

Теория параллельных вычислений

Операционные системы

параллельное ~рог раширование

__I !__

Конкурентное зрограммированке1

Теория взаимодействующих последовательных прсцесссЕ (СЭР)

Проектирование параллельных вычислительных систем (ВС)

Архитектура * Архитектура

микропроцессоров ВС . .

Классификация ВС

Введение в теорию параллельных вычислений

Основы теории СБР

Математические модели систем параллельных процессов

технология конкурентного программирования

Язык конкурентного программирования

сведение б архитектуру компьютерных систем

Построение модели компьютерной системы !-

Рис.1.Логическая структура обучения теории параллельных вычислений на первом (1) и втором (2) уровне подготовки специалистов по информатике в педвузе.

Содержание обучения теории параллельных вычислений, на наш взгляд, может быть лучше всего реализовано посредством языка конкурентного программирования Modula-2, отобранного нами в ходе анализа языков программирования. В связи с этим в исследовании приводится содержание курса по программированию на языке Modula-2.

4) Используемые методы обучения.

Раскрываются различные аспекты использования метода демонстрационных примеров (учебных информационных моделей), предложенного В.Б.Лаптевым и М.В.Швецким. при обучении конкурентному программированию. Рассматривается программирование как метод обучения конкурентному программированию.

5) Формы обучения

В параграфах, посвященных Формам обучения, определено содержание тем, соответствующих каждой Форме учебной деятельности: охарактеризовано содержание лекционных занятий, предложены лабораторные работы и упражнения.

6) средства обучения

Выделены средства обучения теории параллельных вычислений, такие как язык конкурентного программирования Modula-2 и справочник по архитектуре ЭВМ.

В третьей главе методами поискового и констатирующего эксперимента осуществляется проверка гипотезы и ее уточнение. Описано использование кибернетических и математических моделей при планировании учебного процесса, в том числе:

- использованы методы Факторного анализа при отборе содержания обучения;

- проведена оптимизация учебной программы по содержанию и по времени методами теории графов: с помощью алгоритма топологической сортировки получен вариант учебной программы, c. помошыо модифицированного алгоритма топологической сортировки выделены разделы курса "Теория параллельных вычислений", которым мояно обучать параллельно;

- приведен Фрагмент Формирующего эксперимента, в котором осуществлена оценка влияния применения упражнений по информатике при

обучении теории параллельных вычислений.

Е заключении приводятся основные выводы по результатам диссертационного исследования и даются рекомендации о возможности реализации теоретических и практических положений, выдвинутых в проведенном исследовании для подготовки учителей информатики.

В приложениях приведены тематический план раздела "Основы теории взаимодействующих последовательных процессов", программы на языках Pascal (диалект TURBO, версия 6.0) и BASIC (диалект M5X-BASIC), использованные для проведения Факторного анализа, топологической сортировки, проверки статистических гипотез параметрическими методами,

На основе результатов проведенного исследования можно сделать следующие выводи-.

В основу содержания обучения теории параллельных вычислений может быть положен теоретический материал, отобранный с помощью соответствующей технологии отбора содержания, которая долкна учитывать современные направления информатизации образования.

При разработке теоретической модели обучения теории параллельных вычислений необходимо учитывать современные направления в развитии информатики, вычислительной техники, педагогики и методики обучения информатике.

Результаты исследования могут быть использованы для построения методической системы обучения теории параллельных вычислений и реализации соответствующего курса для педагогических вузов с учетом их специфики.

Основные результаты исследования отражены в следующих работах :

1. Киров С.Н., Колесов Д.А., Широкова Л.П. К вопросу о принципах создания и реализации ППС //Тезисы докладов VII Республиканской научно-практической конференции. - Омск, 1991, с.56-57.

2. Киров С.Н., Колесов Д.А. Информационные технологии в эксплуатации учебного расписания //Тезисы докладов VII Республиканской научно-практической конференции. - Омск, 1991, с.174-175.

3. Киров С.Н. Курс "Теория параллельных вычислений" в педвузе // Тезисы докладов II Всероссийской конференции компьютеры в образовании. - СПб., 1994, с.34.

4. Киров С.Н. Изучение перспективных архитектур в курсе информатики педвузов //Тезисы докладов II Всероссийской научно-практической конференции "Чернсземье95". - Воронеж, 1995, с.99-101.

5. Киров С.Н. Построение курса "Теория параллельных вычислений" для педагогических вузов. Коллективная монография "Информационные технологии в системе непрерывного педагогического образования" . -СПб., 1996, с.175-179.