Методика обучения трехмерному компьютерному моделированию в курсе информатики профильной школы

Тарасова, Ольга Александровна

Темы диссертаций по педагогике » Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)

автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Методика обучения трехмерному компьютерному моделированию в курсе информатики профильной школы

Автореферат

Автор научной работы: Тарасова, Ольга Александровна
Ученая степень: кандидата педагогических наук
Место защиты: Санкт-Петербург
Год защиты: 2005
Специальность ВАК РФ: 13.00.02

Диссертация

Автореферат диссертации по теме "Методика обучения трехмерному компьютерному моделированию в курсе информатики профильной школы"

На правах рукописи УДК: 37.016:004

Тарасова Ольга Александровна

МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ ТРЁХМЕРНОМУ КОМПЬЮТЕРНОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ В КУРСЕ ИНФОРМАТИКИ ПРОФИЛЬНОЙ ШКОЛЫ

13.00.02-теория и методика обучения и воспитания (информатика, уровень общего образования)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена на кафедре информатики государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А.И. Герцена».

Научный руководитель:

доктор педагогических наук, Ирина Викторовна Симонова Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Виктор Васильевич Александров кандидат педагогических наук, доцент Юлияна Францевна Титова

Ведущая организация

Санкт-Петербургский государственный университет Аэрокосмического приборостроения

Защита состоится «17» ноября 2005 года в «П.» часов на заседании Диссертационного Совета Д 212.199.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора педагогических наук в Российском государственном педагогическом университете им. А.И. Герцена (191186, г, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48, корп. 1, ауд. 237)

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

Автореферат разослан «12» октября 2005 г.

Ученый секретарь /

ДиссертационногоСовета ¿У » у И.В.Симонова

¿006 - 9 28793

11 \Soo6

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Проект Федерального компонента государственного образовательного стандарта по информатике предусматривает реализацию теоретического и практического компонентов теории моделирования пространственных объектов средствами трёхмерной компьютерной графики в школьном курсе информатики и информационных технологий. Трёхмерная компьютерная графика и процесс моделирования применяются в различных сферах человеческой деятельности, например, в машиностроении и архитектуре при проектировании машин, сооружений и интерьеров, при разработке специализированных инструментальных средств трёхмерного моделирования и компьютерных игр, при подготовке рекламных и научно-популярных клипов, создании мультфильмов. Общество предъявляет высокие требования к уровню подготовки человека, начинающего свой профессиональный путь в выше перечисленных сферах деятельности, что позволяет говорить о целесообразности обучения трёхмерному компьютерному моделированию в профильной школе.

Обучение компьютерному моделированию предусматривалось в предмете информатики уже на начальном этапе его внедрения в школу (А.Г. Гейн, В.Г. Житомирский, Б.В. Линецкий и др.). Н.В. Макаровой и Ю.А. Титовой разработана методика обучения моделированию и уточнено содержание обучения этому разделу, а именно: схема этапов моделирования, определение объекта моделирования, рассмотрение понятий объект, модель, система и др. Ю.А. Титовой разработана методика обучения двумерной компьютерной графике для учащихся основной школы. Разработкой элективных курсов в области компьютерного моделирования и компьютерной графики дня старших классов профильной школы занимались Л.А. Залогова, М.Ю. Монахов, С.Л Солодов, Г.Е. Монахова, А.В Копыльцов, И.Г. Семакин, Е.К. Хеннер. Построением методической системы обучения векторной графике и её реализацией в форме учебного спецкурса на этапе профильного обучения выполнено О.Ю. Илья-шенко. В.В. Александрова разработала методику обучения трехмерному моделированию с использованием конечного набора базовых форм для условий дополнительного образования.

В исследовании Е.Ю. Тихомировой выявлены условия использования компьютерного сопровождения процесса изучения геометрического материала для развития обобщенных пространственных представлений учащихся. В этом исследовании разработана методика, включающая этап трёхмерного компьютерного моделирования при обучении геометрическому материалу в 1 - б классах.

Исследования, посвященные непосредственно разработке содержания обучения трёхмерному компьютерному моделированию в курсе информатики и информационных технологий для профильной школы, практически отсутствуют. В связи с этим проблема обучения трёхмерному компьютерному моделированию в школьном курсе информатики и ш^Фармп""""""-™ технологий

является актуальной.

РОС НАЦИОНАЛЬНА»

библиотека

Цель исследования: разработать методику обучения трёхмерному компьютерному моделированию учащихся старшей ступени и подготовить их к осуществлению переноса полученных знаний, умений и навыков в другие предметы.

Объектом исследования является процесс обучения школьников трёхмерному компьютерному моделированию в профильной школе.

Цель исследования определяет предмет исследования, которым является методика обучения трёхмерному компьютерному моделированию в курсе информатики и информационных технологий профильной школы.

Проблема и цель исследования определили необходимость решения следующих задан:

■ анализ состояния проблемы обучения разделу «Компьютерная графика», в частности «Трёхмерная компьютерная графика», который является одним из элементов содержания обучения на этапе профильной подготовки учащихся 10-11 классов;

■ отбор содержания раздела «Трёхмерное компьютерное моделирование» в рамках курса информатики и информационных технологий профильной школы;

■ определение условий включения этого раздела в курс информатики технологического и физико-математического профиля, а также базового курса информатики на старшей ступени обучения;

■ разработка методики обучения данному разделу с учетом условий технологического, физико-математического профилей и базового курса информатики и информационных технологий;

■ апробация разработанной методики обучения в ходе проведения педагогического эксперимента;

■ обработка и анализ полученных результатов.

В процессе решения задач исследования использовались следующие методы: теоретический анализ психолого-педагогической, методической, научной литературы по проблеме исследования; беседы с учителями, совместная разработка компьютерной поддержки к люкам и выявление причин затруднений при решении задач предметных областей; проведение интегрированных уроков математики и информатики с использованием трёхмерных компьютерных моделей; теоретические и практические занятия по информатике с использованием разработанной методики; наблюдение за ходом учебной деятельностью учащихся; беседы и письменные опросы учащихся; психологическое тестирование учащихся (по методике Якиманской КС.).

■ развитию умений использовать среду трёхмерной компьютерной графики, у большинства учащихся можно достичь второго или третьего (творческого) уровня;

■ успешному решению учебных задач предметных областей, ориентированных на развитие пространственного мышления учащихся, если в основание ¡положить обучение моделированию трехмерных объектов с использованием ограниченного набора базовых форм и последующим переносом полученных знаний, умений и навыков в решение задач из других предметов и творческих заданий.

В процессе исследования были выделены следующие уровни развития умений использовать среду трёхмерной компьютерной графики

0. учащийся никогда не работал в среде или не может самостоятельно реализовать решение сформулированной учителем задачи при наличии пошагового описания ев выполнения;

1. учащийся может самостоятельно реализовать решение сформулированной учителем задачи при наличии пошагового описания её выполнения;

2. учащийся может самостоятельно реализовать решение сформулированной учителем задачи без наличия пошагового описания её выполнения;

методологии (Е.Я. Гсшант, Ю.К. Бабанский, П.И. Пидкасистый, Т.А. Ильина, С,А. Смирнов, А.Г. Пекун, A.A. Вербитский, Н.В. Борисова), работы в области методики преподавания информатики и разработки методических систем (В.В. Лаптев, М.П. Лапчик, И.В. Симонова, М.В. Швецкий), исследования по теории моделирования (В.А. Шгофф, Л.М. Фридман, Н.И. Кондаков, В.М. Ка-зиев), работы об использовании моделей и моделирования в обучении (И.В.Роберт, H.HL Пак, С.М. Танеев, A.A. Столяр, Д.Н. Кожевников, В.Н. Дубровский, В.В. Лапев, Э.Е. Нифантьев, Л.М. Туранова), работы, посвященные вопросам обучения компьютерной графике и компьютерном у моделированию (В.В. Александрова, И.А. Кузнецова, А.Н. Костиков, HB. Макарова, Н. Петрова, , Э.Т. Селиванова, Ю.А.Титова и др.), исследования развития пространственного мышления и представления (Н.С. Подходова, А.М. Сидгиков, Ю.Е.Тихомирова, И.С. Якиманская,), стандарт образования по информатике и информационным технологиям, концепция профильного обучения.

Исследование проводилось с 2002 по 2005 г.г. и включало в себя следующие этапы.

предметных областей и определены пути их преодоления при условии использования трёхмерных компьютерных моделей. Проводились интегрированные уроки математики и информатики. Были определены объект и предмет исследования, сформулированы цель, гипотеза, задачи исследования и определены методы их решения, разработано содержание обучения.

На втором этапе (2004 - 2005) проводился формирующий эксперимент, в ходе которого апробировались теоретический и практический компоненты обучения. Разработаны методические рекомендации для учителей и выделены уровни развитая умений использовать среду 3D Studio МАХ. Были проведены беседы и письменные опросы учащихся с целью выяснения их интересов, успеваемости и наличия трудностей при обучении математике, черчению и технологии, Для определения уровня развития пространственного мышления и влияния на него обучения трёхмерному компьютерному моделированию проводилось тестирование учащихся по методике НС. Якиманской. По завершении эксперимента осуществлялась количественная и качественная обработка материалов апробации, сформулированы общие выводы по проведенному исследованию. На защиту выносятся следующие положения:

1. Теоретическое обоснование целесообразности включения в курс информатики и информационных технологий на старшей ступени раздела, посвященного обучению трёхмерному компьютерному моделированию, основанное на основных положениях концепции профильного обучения и содержании стандарта по информатике и информационным технологиям.

2. Положение о возможности реализации методики обучения трёхмерному компьютерному моделированию в курсе информатики и информационных технологий в профильных классах:

• в условиях технологического и физико-математического профилей возможна реализация теоретического и практического компонентов;

• в условиях базового уровня среднего образования возможна реализация только практического компонента.

3. Методика обучения трёхмерному компьютерному моделированию, в практическом компоненте в следующей последовательности: от обучения моделированию через разработку объектов на основе базовых форм с дальнейшим переносом полученных знаний, умений и навыков в предметные области, ориентированные на развитие пространственного мышления учащихся, к реализации собственных творческих идей.

Научная новизна исследования заключается в том, что: обоснована необходимость включения раздела «Трёхмерное компьютерное моделирование» в школьный курс информатики и информационных технологий на старшей ступени обучения; разработано содержание теоретического и практического компонентов обучения, показана целесообразность построения методики обучения в практическом компоненте в следующей последовательности: от обучения моделированию через разработку объектов на основе базовых форм с дальнейшим переносом полученных знаний, умений и навыков в предметные

области, ориентированные на развитие пространственного мышления учащихся, к реализации собственных творческих идей.

Теоретическая значимость исследования заключается в следующем: доказана целесообразность выделения двух компоненте» в содержании обучения разделу «Трехмерное компьютерное моделирование» - теоретического и практического; выявлены условия использования методики обучения данному разделу в базовом курсе информатики на старшей ступени обучения, а также в профильном курсе для технологического и физико-математического профилей.

Практическая значимость исследования заключается в том, что: ■ разработана методика обучения трёхмерному компьютерному моделированию на уроках информатики и информационных технологий с междисциплинарной направленностью; в поддержку методики выпущено учебное пособие для учащихся; « для учителей информатики разработаны методические рекомендации по обучению разделу «Трехмерное компьютерное моделирование» с учетом различных условий обучения. Рекомендации об использовании результатов диссертационного исследования. Материалы могут быть использованы для работы в профильных классах, в общеобразовательных классах, а также в системе подготовки и повышения квалификации учителей информатики и учителей других предмете».

Достоверность результатов исследования обеспечивают теоретический анализ проблемы, результаты экспериментальной проверки, подтвердившей справедливость основных положений диссертации.

Апробация результатов исследования. Экспериментальная проверка разработанной методики осуществлялась в гимназии №261 (г. Санкт-Петербург) и в педагогическом колледже им. К. Д. Ушинского (г. Гатчина). Основные результаты исследования докладывались автором на «Первом съезде учителей и методистов Северо-Запада и Санкт-Петербурга», посвященном 300-легаю Санкт-Петербурга и 140-летию методической службы России (Санкт-Петербург, 2003 г.), на Герценовских чтениях (РГПУ им. А.И. Герцена, 2003, 2004 гг.).

Внедрение результатов осуществлено в период с 2002 по 2005 годы. Результаты исследования внедрены в образовательный процесс: I. В учебный процесс гимназии № 261 г. Санкт-Петербурга при изучении базового курса информатики и информационных технологий. П. В практику обучения студентов Гатчинского педагогического колледжа им. К .Д. Ушинского, получающих среднее специальное образование в области информатики. III.При обучении учащихся школы № 583 г. Санкт-Петербурга для технологического профиля.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа иллюстрирована рисунками и таблицами. Основной текст диссертации представлен на 161 странице.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы проблема, цели и задачи исследования, гипотеза и положения, выносимые на защиту, раскрываются научная новизна, теоретическая и практическая значимость исследования.

Первая глав» диссертации «Трёхмерное компьютерное моделирование в образовательном процессе средней школы» посвящена теоретическому обоснованию необходимости обучения разделу «Трёхмерное компьютерное моделирование» в профильной школе.

Теоретический анализ психолого-педагогической, методической, научной литературы (JIM. Фрццман, В.А. Штофф, HB. Макарова, Ю.А. Титова. В.В. Александрова и др.), приведенный в параграфе 1.1 «Основные определения и понятия», показал, что на сегодняшний день в теории моделирования сложилась система понятий: объект, модель, информационная модель, компьютерно-графическая модель и отношений меэеду этими понятиями. При введении понятий авторы руководствуются целями и задачами своих исследований. В предлагаемых ими определениях делается упор на конкретные свойства определяемого, что влечет за собой появление различных определений одного понятия.

Придерживаясь определения, данного Н.В. Макаровой и Ю.А. Тотовой. под объектом будем понимать любой предмет, процесс, явление материального или нематериального свойства.

Модель объекта А (оригинала) по определению Л.М. Фридмана - это объект В, подобный (аналогичный) оригиналу А, выбранный или построенный субъектом (человеком) К для одной из следующих целей:

1) замена А в мысленном (воображаемом) или реальном действии (процессе), исходя из того, что В более удобно для этого действия в данных условиях (модель-зя месгитель);

2) создание представления об объекте А (реально существующем или воображаемом) с помощью объекта В (модель-представление);

3) истолкование (интерпретация) объекта А в виде объекта В (модель-интерпретация);

4) исследование (изучение) объекта А с помощью объекта В, посредством изучения объекта В (модель исследовательская).

Согласно классификации Н.В. Макаровой модели можно разделить на материальные (реальные) и информационные (компьютерные).

Информационная модель (по Н.В. Макаровой) - это совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления и взаимосвязь с внешним миром.

Информационные модели обладают следующими свойствами: наглядность, обозримость основных свойств и отношений объектов, доступность для исследования, адекватность моделируемой системе, информативность, универсальность, полнота. Информационное моделирование обладает следующими функциями: познавательная (метод и средство познания), средство экспсри-

ментального исследования, развивающая, систематизирующая, средство сделать теорию наглядной. В связи с наличием у информационных моделей и информационного моделирования указанных выше характеристик, они заняли прочное место в образовательном процессе как средство обучения и как объект изучения.

Подклассом информационного (компьютерного) моделирования является компьютерно-графическое моделирование (КГМ), под которым, на основе исследования В.В. Александровой, мы понимаем моделирование пространственных объектов средствами трёхмерной компьютерной графики. Термин КГМ будет использоваться нами наравне с термином трёхмерное компьютерное моделирование.

КГМ, обладая выше перечисленными функциями информационных моделей, выполняет специфические для обучения функции: шггефирующую (является основой интеграции учебных дисциплин); демонстрационную (позволяет демонстрировать новые стороны учебного материала нетрадиционными средствами); имитационная (позволяет имитировать протекание явлений или процессов в динамике); функцию интерактивного взаимодействия пользователя с моделью; близости к форме воспринимаемого объекта.

Широкий спектр свойств трёхмерных компьютерных моделей и функций, выполняемых трёхмерным компьютерным моделированием, является основанием того, что они заняли определенное место в методике преподавания ряда школьных дисциплин.

В параграфе 1.2 «Использование трёхмерных компьютерных моделей в школьных предметах» проанализированы следующие подходы к обучению:

- без использования трёхмерных моделей;

- с использованием трёхмерных моделей на материальной основе;

- с использованием трёхмерных компьютерных моделей.

Необходимость использования в школе трёхмерных компьютерных моделей вытекает из закономерностей познавательного процесса учащихся (М.Н. Скаткин) и обладает рядом достоинств, поскольку дает возможность:

• повысить эффективность обучения за счет изучения процессов и явлений во времени посредством анимации, созданной в среде трёхмерной компьютерны! графики;

• разработать достаточное количество разнообразных моделей объектов с учетом поставленных целей и задач их использования;

• вынесения и рассмотрения моделей по частям.

Трёхмерные компьютерные модели используются на уроках в большей степени как средство демонстрации динамики изучаемых процессов и закономерностей, а также как средство иллюстрации пространственных фигур и их комбинаций.

В условиях, сложившихся на сегодняшний день, значительная часть демонстрационных материалов должна готовиться учителем самостоятельно при активном участии учеников. Цри этом, как показано в исследовании Д.Н. Кожевникова, необходимо учитывать педагогико-эргономические требования к

Рис. 1. Педагогико-эргономические требования к проектированию

моделей

проектированию моделей (рис. 1) и специфические требования, продиктованные особенностями содержания учебного предмета.

Однако исследователи отмечают, что использование таких моделей в качестве средства демонстрации не всегда является целесообразным (И.В. Роберт, СМ. Танеев, A.A. Столяр, Ю.Е. Тихомирова). В исследовании Ю.Е. Тихомировой уточнены условия включения компьютерного сопровождения в учебный процесс. Наравне с компьютерными демонстрационными моделями необходимо использовать таблицы, схемы, чертежи, рисунки и иллюстрации на бумажной основе и, применяя компьютерные ЗО-модели в обучении, учитывать цели и задачи конкретного урока и предмета в целом. Более того, по утверждению В.Н. Дубровского, «постоянно снабжая ученика готовыми, пусть очень красивыми и правильными рисунками, тем более 3D моделями, мы, в конце концов, начинаем тормозить дальнейшее развитое пространственного мышления».

В связи с этим необходимо перевести обучение на новый образно-наглядно-действенный уровень восприятия информации, что невозможно без обучения учащихся трёхмерному компьютерному моделированию как процессу. Для этого учащиеся должны сами разрабатывать модели, изучать объекты и явления посредством их моделирования. Это подтверждается психологическими и педагогическими исследованиями (параграф 1.3 «Теоретическое обоснование необходимости обучения трёхмерному компьютерному моделированию в школе»). Так, согласно теории учебной деятельности научиться чему-нибудь, усвоить что-либо можно лишь в процессе деятельности. В результате активной деятельности субъекта формируется любое психическое образование, в том числе и графические образы. По словам Н. Петровой, «лучше предоставить ребенку анимационный пакет как программную среду, позволяющую ему, например, самостоятельно смоделировать сечение куба, чем давать ему возможность пользоваться готовой учебной моделью того же сечения или обучающей программой с заготовками сечений и движения объектов в яро-

стран стае. Иначе, облегчив работу воображения учеников, учитель детрени-рует его, то есть ограждает учащихся от развития воображения». В исследовании Ю.Е. Тихомировой доказано, что процесс моделирования трехмерных геометрических объектов в компьютерной среде при определенных условиях способствует развитию пространственных представлений учащихся.

Возможности действенного овладения моделированием можно реализовать в различных школьных предметах. Моделирование объектов на уроках информатики целесообразно с точки зрения эффективности образовательного процесса и реализации современного образовательного стандарта этой предметной области. С позиций современного образовательного стандарта, на уроках информатики и информационных технологий учащиеся должны разрабатывать не только абстрактные трёхмерные модели, но и модели, относящиеся к предметным областям, например, математике, черчению, биологии, технологии, химии. В связи с этим в содержание обучения по нашей методике включаются прикладные задачи таких предметных областей как математика, черчение, технология и задания на разработку демонстрационных объектов.

Вопросам отбора содержания обучения, используемым методам, формам и средствам, а также разработке методических рекомендаций для учителей посвящена вторая глава диссертации «Методика обучения трёхмерному компьютерному моделированию в курсе информатики и информационных технологий профильной школы».

Анализ стандарта образования по информатике и информационным технологиям, проведенный в параграфе 2.1 «Содержание обучения трёхмерному компьютерному моделированию» позволил сделать следующие выводы:

• содержание обучения трёхмерному компьютерному моделированию должно меняться в количественном и в качественном отношении в зависимости от особенностей образовательной ступени;

• содержание обучения должно иметь личностный смысл, деятельностный характер и практическую направленность;

• в содержании большинства разделов предмета «Информатика и информационные технологии» должны быть реализованы межпредметные связи.

При отборе содержания обучения трёхмерному компьютерному моделированию нами учитывались выше указанные положения.

В соответствии с современным подходом к формированию содержания школьного предмета информатики и информационных технологий, включенных в стандарт образования, нами разработана методика обучения разделу «Трёхмерное компьютерное моделирование» в базовом и профильном вариантах. Методика включает два компонента: теоретический и практический.

Теоретический компонент реализуется через рассмотрение алгоритмов трехмерной компьютерной графики на теоретическом уровне. Его целесообразно вводить в условиях технологического и физико-математического профилей, поскольку он требует значительной математической и технической подготовки учащихся. Внедрение теоретического компонента обучения трбх-

мерной компьютерной графике способствует разрешению противоречия между существующими требованиями к шкодам с профильной и профессиональной направленностью и отсутствием развитого математического аппарата в школьном курсе геометрии, необходимого для полноценного формирования понятий трёхмерной компьютерной графики.

Практический компонент реализуется через освоение среды 3D Studio МАХ. Он доступен учащимся как базового, так и профильного уровня ступени среднего (полного) образования. Внедрение практического компонента в курс информатики и информационных технологий позволяет корректировать недостатки «традиционного» подхода к изложению базовых предметов и дает возможность доступно изложить все предусмотренные для рассмотрения в них объекты и явления. В этом аспекте методику обучения целесообразно построить в следующей последовательности: 1) обучение моделированию через разработку объектов на основе базовых форм; 2) перенос полученных знаний, умений и навыков в другие предметы посредством решения задач предметных областей (математика, черчение, технология); 3) реализация собственных творческих идей.

* проверка письменных работ учащихся;

* проведение зачетных занятий по теоретическому материалу

* постановка проблемных вопросов на сопоставление алгоритме« и их реализацию

'проведение тестирования;

'наблюдение за учебной работой учащихся;

•запись трудностей и вопросов учащихся;

'запись результатов обучения

постановка за- • создание ситуации

дач для самое- успеха на уроках;

толепмюйре- в

ализэции алп>- ограничение време-ригмов на язы- ни выполнения раках програм- боты мирования

Рис. 2. Методы обучения, раскрывающие деятельность учителя

пассивные I активные

т т

•восприятие «помощь «наблюде теоретической другим ние за дей-учащимся во время урока после выполнения своей работы;

'свобода в выражении своих впечатлений и наличие возможности разговаривать с другими учащимися

запись основных содержательных моментов, касающихся теоретического материала, самостоятельно или под диктовку учителя;

'самостоятельная работа с литературой и составление конспекта по теме, предложенной учителем:

'метод обучающих наглядных примеров

информации на

слух;

• наблюдение за действиями учителя

ствиями других учащихся

• активность во время проведения лекций с элементами проблемы:

• разработка собственной трехмерной сцены;

•участие з конкурсах трехмерных моделей (на свободную тему), созданных в изучаемой программной среде, защита работы;

•разработка мультимедий-

но пользование идей и сюжетов других учащихся

ных проектов

Рис. 3. Методы обучения, раскрывающие деятельность учащихся

В основе отбора задач и заданий предметных областей, ориентированных на развитие пространственного мышления учащихся, лежит классификация, ориентирующаяся на деятельность учащегося и обладающая следующими признаками: 1) степень самостоятельности, 2) характер деятельности учащихся. По уровням учебно-познавательной деятельности учащихся задачи указанных выше предметных областей классифицируются на репродуктивные, ре-продуктивно-поисковые и творческие.

Таблица 1

Учебный материал теоретического компонента Понятия, изучаемые в теоретическом компоненте Закрепление понятий, изучаемых в теоретическом компоненте

Алгоритмы построения отрезка и прямой линии. графический примитив, инкремент-ные алгоритмы растеризации ЛР №1 (создание сцены из графических примитивов), ЛР №2 (составление «сложных» объектов из «простых» частей, можно провести параллель с понятием графический примитив); ЛР №3 (построение графического примитива «сфера» и его деформаций); ЛР №4 (вывод отрезка средствами 3D Studio МАХ)

Алгоритм Бре-зенхема для генерации окружности. растровая развертка Рисование круга при выводе сферы в окнах проекций - ЛР №1 - 6, №8 -10

Алгоритмы вывода фигур. фшура, 4-связность, 8-связность, внутренне-определенные области, гранично-определенные области, математическое описание контура, полигон ЛР №4 (рисование полигонов: треугольник, квадрат, прямоугольник, трапеция, ромб при решении задач предметных областей)

Алгоритмы заполнения фигур с использованием стилей, кистей и текстур. текстура, тексел, кисть, мировые координаты, видовые координаты, координаты проецирования, экранные координаты ЛР №5,7,8,10 (назначение объектам текстурированного материала); заполнение фигур определенным стилем во всех ЛР.

В заключении параграфа 2.1 приведена таблица, отражающая понятия, формируемые в теоретическом компоненте обучения трехмерному компьютерному моделированию и способы их закрепления при реализации практического компонента. Указанная взаимосвязь теоретического и практического компонентов на примере некоторых разделов темы «Математические основы растровой графики» показана в Таблице 1.

В параграфе 2.2 «Методы, формы и средства обучения» и в параграфе 2.3 «Методические рекомендации к преподаванию раздела «Трёхмерное компьютерное моделирование»» выделены две труппы методов обучения теоретическому и практическому компонентам: 1) методы, раскрывающие деятельность учителя (рис. 2); 2) методы, раскрывающие деятельность учащихся (рис. 3).

При обучении практическому компоненту выделены уровни развития умений использовать выбранную программную среду (3D Studio МАХ), обозначенные на стр. 5 автореферата.

Опыт показал, что переход от разработки объектов декоративной пластики к самостоятельному решению задач предметных областей, сформулированных учителем, осуществляется за счет использования метода обучающих наглядных примеров и наблюдения за действиями учителя. Переход от самостоятельного решения задач предметных областей, сформулированных учителем, к самостоятельному решению творческих задач, сформулированных самими учащимися, осуществляется за счет разработок учащимися собственных трехмерных сцен и участия в конкурсах трёхмерных моделей (на свободную тему), созданных в изучаемой программной среде (см. рис. 4).

Самостоятельное решение > творческих задач

Разработка объектов декоративной пластики

Самостоятельное решение задач предметных областей

1) обучающих наглядных примеров;

2) наблюдение за действиями учителя

1) разработка собственной трехмерной сцены;

2) участие в конкурсах трехмерных моделей (на свободную тему);

3) разработка мультимедийных проектов

Рис. 4. Развитие уровней умения использовать

среду трбхмерной компьютерной графики

При обучении трёхмерному компьютерному моделированию наиболее целесообразно использовать следующие формы обучения: информационная (классическая) и проблемная лекция, практическое занятие и самостоятельная работа. При освоении инструментария среды трёхмерной компьютерной графики рекомендуется индивидуальная работа учащегося за компьютером. Эксперимент показал, что работу в парах или группах следует проводить при разработке объектов, состоящих из большого количества частей и разрабатывающихся с использованием известных учащимся инструментов и модификаторов.

В качестве средств обучения используются: дипактичтекис средства:

- пособие «Компьютерное моделирование пространственных форм в среде 3D Studio МАХ»;

- тексты лабораторных работ с пошаговым описанием разработки трёхмерных объектов и необходимыми иллюстрациями (в электронном или бумажном варианте);

- изображения базовых форм, объектов - образцов, смоделированных на основе этих базовых форм (к ним относятся электронные изображения объектов декоративной пластики и рисунки, представляющие собой контуры этих обьекгсж);

- набор задач из предметных областей, ориентированных на развитие пространственного мышления учащихся (математика, черчение, технология), с соответствующим демонстрационным материалом (файлами и иллюстрациями к пропедевтическим задачам предметных областей); инструментальные средства:

- компьютер с процессором Pentium 200 МГц или выше под управлением операционной системы Windows 95 / 98 / NT и 64 Мбайт оперативной памяти с установленной средой трёхмерной компьютерной графики (3D Studio МАХ 3.0);

- проектор и демонстрационный экран.

В параграфе 2.3 «Методические рекомендации к преподаванию раздела «Трёхмерное компьютерное моделирование»» приведено тематическое планирование каждого компонента обучения. Разработана система оценки результатов обучения. Оценка результатов обучения теоретическому компоненту осуществляется индивидуально на основе устного опроса учащихся. Оценка результатов обучения практическому компоненту предполагает составление таблиц на каждом этапе освоения выбранной компьютерной среды, отражающих уровень самостоятельности учащихся, выполненную работу, возникшие трудности и затраченное время. Пример таблицы на примере разработки одного из объектов приведен ниже (Таблица 2). Оценивая разработку объекта или решение задач, ориентированных на развитие пространственного мышления учащихся, учитель должен учитывать указанные в таблице данные. Для получения оценки «отлично» учащийся должен разработать эстетически привлекательный объект или решить все задачи за промежуток времени, зара-

нее обозначенный учителем. Итоговая оценка по практическому компоненту выставляется на основе оценок, полученных на протяжении обучения. Обязательным условием получения итоговой оценки является выполнение учащимися творческого задания.

Таблица 2

№ п/п <т> лл Ур. сам-ти* Голова Уши Мордочка II Нижи. Губа

1 2

1. Учащийся 1 С С + 0) + 0) + (1) + (2) + (2)

2. Учащийся 2 П НП +(1) + 0) + (2) + (2) + Г2)

Таблица 2 (продолжение

№ п/п Ф.И. Глаза Нос Брови Трудности Кол-во уроков

1. Учащийся 1 + (2) + (2) + (2) 3,5

2. Учащийся 2 + (2) + (2) + (2) уши; с представлением объекта во всех окнах проекций 4

Замечания. * Уровень самостоятельности отмечен буквами: С - полностью самостоятельная работа; НП - учащийся нуждается в незначительной помощи; П - учащийся не может создать объект или его часть без учителя. ** Внутри таблицы плюсом обозначается разработанная часть объекта, в скобках указывается номер занятия, на котором это было сделано.

Третья глава «Педагогический эксперимент» посвящена описанию эксперимента и его результатов. Основной задачей этапов педагогического эксперимента является сбор и анализ эмпирической информации, необходимой для уточнения гипотезы исследования и её проверки.

В параграфе 3.1 «Задачи и этапы проведения эксперимента» поставлена цель педагогического эксперимента; выделены этапы его проведения; сформулированы задачи, методы и результаты каждого этапа эксперимента.

Параграф 3.2 «Поисковый и констатирующий этапы эксперимента» посвящен поисковому и констатирующему этапам эксперимента, которые проводились в 2002 - 2003 годах на базе 10 класса гимназии №261 г. Санкт-Петербурга и были направлены на:

- выделение содержания предметных областей, для которого целесообразно компьютерное сопровождение;

- апробацию основных элементов методаки обучения трёхмерному компьютерному моделированию в школьном курсе информатики и информационных технологий.

На поисковом и констатирующем этапах эксперимента внедряло! практический компонент обучения в виде цикла лабораторных работ.

Проведенный эксперимент позволил сделать следующие выводы:

1. На начальном этапе обучения работе в среде трехмерной компьютерной графики нецелесообразно предлагать учащимся самостоятельно решать задачи предметных областей, ориентированных на развитие пространственного мышления. Они могут решать их только при постоянной помощи со стороны учителя.

2. Задачи предметных областей, ориентированных на развитие пространственного мышления учащихся, целесообразно предлагать для самостоятельного решения после знакомства с инструментарием среды трёхмерной компьютерной графики на основе внешне привлекательных трёхмерных объектов, например, объектов декоративной пластики, разработанных В.В. Александровой.

3. Решение задач предметных областей на уроках информатики и информационных технологий способствует:

■ осуществлению межпредметных связей;

■ развитию пространственного мышления учащихся;

■ развитию исследовательских умений учащихся;

■ формированию умения правильно изображать пространственные фигуры в окнах проекций.

4. Эффективность процесса обучения решению задам предметных областей, ориентированных на развитие пространственного мышления учащихся, повышается, если:

■ последовательно осваивать инструментарий программной среды;

■ в процессе освоения инструментария решать задачи других предметных областей под руководством учителя;

■ самостоятельно решать задачи предметных областей на компьютере.

5. Наблюдения и собеседование с учителями математики позволили сделать вывод, что пропедевтическое решение задач из области стереометрии повышает мотивацию изучения этого предмета и делает обучение стереометрии более успешным.

Формирующий этап эксперимента (параграф 3.3 «Формирующий этап эксперимента») проводился в 2004 - 2005 годах на базе Гатчинского педагогического колледжа им. К.Д Ушинского при подготовке будущих учителей ' информатики и был направлен на:

- внедрение разработанной методики обучения трёхмерному компьютерному моделированию;

- разработку методических рекомендаций к проведению раздела и составление его тематического планирования;

- выделение уровней развития умений использовать учащимися выбранную компьютерную среду на протяжении всего процесса обучения;

- выявление изменений в развитии пространственного мышления учащихся после обучения трёхмерному компьютерному моделированию по разработанной методике.

На формирующем этапе эксперимента внедрялись два компонента обучения (теоретический и практический).

Подтверждено предположение о формировании творческого уровня развития умений использовать среду трёхмерной компьютерной графики, в частности 3D Studio МАХ. Для этого, после проведения практических занятий, записывались и анализировались данные об уровнях умений.

Данные о начальном уровне развития умений были получены в результате бесед с учащимися. На начальном этапе обучения трёхмерному компьютерному моделированию 23 % учащихся владели инструментарием среды на уровне знакомства, остальные учащиеся имели 0 уровень развития умений использовать среду. После выполнения лабораторной работы №2 46% учащихся перешли на первый уровень развития умений. При решении задач предметных областей к лабораторной работе №3 38% учащихся достигли второго уровня развития умений. При разработке Объекта Ks2 9% учащихся проявляли творческие способности, внося свои элементы в разрабатываемый объект.

Поскольку при разработке объектов декоративной пластики учащимся предоставлялось пошаговое описание, то максимальный уровень, которого можно достичь при этом - первый. Исключение составляют редкие случаи, когда учащийся вносит что-то свое в разрабатываемый объект. При решении задач предметных областей, ориентированных на развитие пространственного мышления учащихся, можно достичь второго уровня, поскольку к сформулированным задачам не предоставляется пошаговое описание. Третьего уровня учащиеся достигают, решая самостоятельно сформулированные задачи. В связи с этим, как показал эксперимент, каждый из выделенных этапов обучения считается необходимым для достижения творческого уровня развития умений.

Рост уровня развитая умений использовать выбранную программную среду при разработке объектов декоративной пластики можно проследить по диаграмме (см. рис. 5). По рис. 5 можно увидеть равномерный рост числа учащихся, имеющих первый уровень развития умений, и уменьшение количества учащихся, имеющих нулевой уровень. На этапе разработки Объекта №3 все

■ 0 уровень

■ 1 уровень & 2 уровень □ 3 уровень

Этап обучения

Рис. 5. Диаграмма уровня развития умений использовать среду трехмерной компьютерной графики при разработке объектов декоративной пластики

Задачи ЛР Ш

■О уровень ■ 1 уровни ЕЭ 2 уровень ВЗуро»»»

Эгап обучения

Рис. 6. Диаграмма уровня развития умений использовать среду

трёхмерной компьютерной графики при решении задач предметных областей: математика (стереометрия), черчение, технология

обучаемые достигли 1 уровня развития умений. На этапе разработай Объекта №2 некоторые (9%) обучаемые достигли третьего уровня. Разрабатывая собственные трёхмерные сцены, большинство учащихся (95 %) показали достижение 3 уровня.

Рост уровня развития умений использовать среду трёхмерной компьютерной графики при решении задач предметных областей, ориентированных на развитие пространственного мышления учащихся (математика, черчение, технология), представлен на рис. 6. По диаграмме на рис. 6 наблюдается:

1. равномерный рост числа учащихся, имеющих 1 уровень развития умений и равномерное уменьшение количества учащихся, имеющих 0 уровень развития умений;

2. неравномерное увеличение количества обучаемых, имеющих 2 уровень развития умений и неравномерное уменьшение числа обучаемых, имеющих 1 уровень развития умений.

Обозначенная неравномерность связана с непостоянством в проявлении уровней развитая умений, которое объясняется трудностями, возникающими при решении указанных выше задач предметных областей.

С целью проверки предположения о развитии пространственного мышления учащихся посредством обучения по предлагаемой методике, на начальном и конечном этапах обучения проводилось тестирование на основе метода диагностики развития пространственного мышления, предложенного И.С. Якиманской. Данные, полученные в результате тестирования, характеризуются стабильностью, т.е. средние значения количества верно выполненных заданий до и после обучения примерно одинаковы. Однако, в ответах учащихся на начальном и конечном этапах обучения наблюдались отличия, свидетельствующие о повышении уровня развития пространственного мышления и о переносе приобретенных знаний в другие предметные области. Так,

Рис.7

глядя на рис. 7 на начальном этапе обучения большинство учащихся видели в изображенных фигурах плоскую и объемную фигуры. На завершающем этапе обучения они указывали на то, что первая фигура может быть видом сверху какой-либо объемной фигуры.

Появилась вариативность при решении задач на разрезание плоских фигур. Некоторые учащиеся приводят два решения задач теста И.С. Якиманской.

Говоря об общих количественных изменениях, следует отметить, что на завершающем этапе обучения 47% обучаемых предъявили больше верных решений, чем на начальном этапе обучения. Это свидетельствует о повышении уровня развития их пространственного мышления. Наравне с этим 29% человек показали более низкий уровень развития пространственного мышления, чем в первый раз. Мы считаем, что это связано с меньшим количеством времени, отведенным на выполнение заданий. Показатели остальных 24 % обучаемых остались неизменными.

Таким образом, подтвердились предположения:

1) о повышении уровня развития пространственного мышления у значительного числа учащихся посредством изучения трехмерного компьютерного моделирования по предлагаемой методике;

2) о переносе полученных в результате обучения знаний, умений и навыков в предметные области, ориентированные на развитие пространственного мышления учащихся.

Формирующий этап эксперимента позволил сделать следующие выводы:

1. Учащимся необходим инструмент для разработки наглядной основы к задачам из области геометрии и черчения. Таким инструментом может быть программа 3D Studio МАХ или аналогичная ей среда трёхмерной компьютерной графики.

2. Обучение работе в компьютерной среде по предлагаемой методике способствует развитию пространственного мышления учащихся и переносу полученных знаний, умений и навыков в предметные области, ориентированные на развитие пространственного мышления учащихся.

3. Выделены уровни развитая умений использовать среду трёхмерной компьютерной графики, в частности, 3D Studio МАХ, и показана возможность достижения третьего (творческого) уровня в результате обучения по предлагаемой методике.

4. К разделу «Трёхмерное компьютерное моделирование» разработаны тематическое планирование и методические рекомендации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данное исследование направлено на разработку методики обучения трёхмерному компьютерному моделированию в школьном курсе информатики и информационных технологий профильной школы. В результате проведенного исследования были получены следующие выводы:

- раздел, посвященный изучению трёхмерного компьютерного моделирования, целесообразно включить в курс информатики и информационных технологий на старшей ступени обучения;

- предлагаемая методика обучения трёхмерному компьютерному моделированию может быть реализована в курсе информатики и информационных технологий в условиях технологического и физико-математического профилей (теоретический и практический компоненты), в условиях базового уровня среднего образования (практический компонент);

- обучение трёхмерному компьютерному моделированию, в практическом компоненте должно осуществляться в следующей последовательности: 1) обучение моделированию через разработку объектов на основе базовых фс^рм; 2) перенос полученных знаний, умений и навыков в предметные области, ориентированные на развитие пространственного мышления учащихся; 3) реализация собственных творческих идей;

- реализация методики обучения трёхмерному компьютерному моделированию в выше указанной последовательности будет способствовать: 1) достижению второго или третьего (творческого) уровня развития умений использовать среду трёхмерной компьютерной графики у большинства учащихся; 2) успешному решению учебных задач предметных областей, ориентированных на развитие пространственного мышления учащихся. Основные положения диссертационного исследования отражены в следующих публикациях:

1. Александрова В.В., Симонова И.В., Тарасова O.A. Компьютерное моделирование пространственных форм в среде 3D Studio МАХ. - СПб.: Изд-во: «Анатолия», 2003.-319 с. (19,94 / 6.65 пл.)

2. Тарасова O.A. Опыт обучения и использования 3D-графики в школе // Информационная образовательная среда: состояние, проблемы, перспективы: Материалы 1 Съезда методистов и учителей Северо-Запада (секция «Информатизация образования»). 5 марта 2003 г. - СПб., СПбГУПМ, 2003 - 119 -122 с. (0,19 пл.)

3. Тарасова O.A. Стереометрия на уроках информатики в школе // Телекоммуникации, математика и информатика - исследования и инновации. Выпуск 7. Мехрузовский сборник научных трудов. - СПб: ЛГОУ им. A.C. Пушкина, 2003 -182 -185 с. (0,19 пл.)

4. Тарасова O.A. Компьютерно-графическое моделирование в процессе школьного образования /,' Математическое моделирование: естественнонаучные, технические и гуманитарные приложения. Сб. научных трудов / Под ред. Ю.А. Пичугина, A.B. Копыльцова. - СПб: ЛГУ им. A.C. Пушкина, 2004. -184 -187 с. (0,19 пл.)

5. Тарасова O.A. О содержании обучения компьютерно-графическому моделированию на уроках информатики в профильных классах // Теоретические и методические проблемы обучения в школе и вузе. Межвузовский сборник научных трудов. - СПб.-Мурманск, 2005. -112-117 с. (0,31 п.л.)

6. Тарасова O.A. Опыт обучения компьютерно-графическому моделированию на уроках информатики // Теоретические и методические проблемы обучения в школе и вузе. Межвузовский сборник научных трудов. - СПб.-Мурманск, 2005. - 117 -121 с. (0,25 п. л.)

Подписано в печать f3.fi?. <?£Г. Формат бумаги 60*84/16 Бумага офсетная. Объем печ. л. Тираж экз. Заказ № 7?

191023, Санкт-Пегербург, наб. р. Фонтанки д.78. ___ Ризограф НОУ «Экспресс»

1199 78

РНБ Русский фонд

2006-4 22793

Содержание диссертации автор научной статьи: кандидата педагогических наук, Тарасова, Ольга Александровна, 2005 год

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТРЁХМЕРНОЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ.

§1.1 Основные определения и понятия.

§1.2. Использование трёхмерных компьютерных моделей в школьных предметах.

§1.3. Теоретическое обоснование необходимости обучения трёхмерному компьютерному моделированию в школе.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ ТРЁХМЕРНОМУ КОМПЬЮТЕРНОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ В КУРСЕ ИНФОРМАТИКИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОФИЛЬНОЙ

ШКОЛЫ.

§2.1 Содержание обучения трёхмерному компьютерному моделированию.

§2.2. Методы, формы и средства обучения.

§2.3. Методические рекомендации к преподаванию раздела

Трёхмерное компьютерное моделирование".

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ.

§3.1. Задачи и этапы проведения эксперимента.

§3.2. Поисковый и констатирующий этапы эксперимента.

§ 3.3. Формирующий этап эксперимента.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

Введение диссертации по педагогике, на тему "Методика обучения трехмерному компьютерному моделированию в курсе информатики профильной школы"

Обучение компьютерному моделированию предусматривалось в предмете информатики уже на начальном этапе его внедрения в школу (А.Г. Гейн, В.Г. Житомирский, Е.В. Линецкий и др.). Н.В. Макаровой и Ю.Ф. Титовой разработана методика обучения моделированию и уточнено содержание обучения этому разделу, а именно: схема этапов моделирования, определение объекта моделирования, рассмотрение понятий объект, модель, система и др. Ю.Ф. Титовой разработана методика обучения двумерной компьютерной графике для учащихся основной школы. Разработкой элективных курсов в области компьютерного моделирования и компьютерной графики для старших классов профильной школы занимались JI.A. Залогова, М.Ю. Монахов, C.JI. Солодов, Г.Е. Монахова, A.B. Копыльцов, И.Г. Семакин, Е.К. Хеннер. Построением методической системы обучения векторной графике и её реализацией в форме учебного спецкурса на этапе профильного обучения выполнено О.Ю. Ильяшенко. В.В. Александрова разработала методику обучения трёхмерному моделированию с использованием конечного набора базовых форм для условий дополнительного образования.

Проблема и цель исследования определили необходимость решения следующих задач: анализ состояния проблемы обучения разделу «Компьютерная графика», в частности «Трёхмерная компьютерная графика», который является одним из элементов содержания обучения на этапе профильной подготовки учащихся 10-11 классов; отбор содержания раздела «Трёхмерное компьютерное моделирование» в рамках курса информатики и информационных технологий профильной школы; определение условий включения этого раздела в курс информатики технологического и физико-математического профиля, а также базового курса информатики на старшей ступени обучения; разработка методики обучения данному разделу с учетом условий технологического, физико-математического профилей и базового курса информатики и информационных технологий; апробация разработанной методики обучения в ходе проведения педагогического эксперимента; обработка и анализ полученных результатов.

В процессе решения задач исследования использовались следующие методы: теоретический анализ психолого-педагогической, методической, научной литературы по проблеме исследования; беседы с учителями, совместная разработка компьютерной поддержки к урокам и выявление причин затруднений при решении задач предметных областей; проведение интегрированных уроков математики и информатики с использованием трёхмерных компьютерных моделей; теоретические и практические занятия по информатике с использованием разработанной методики; наблюдение за ходом учебной деятельностью учащихся; беседы и письменные опросы учащихся; психологическое тестирование учащихся (по методике Якиманской И.С.).

Для решения поставленных задач и достижения цели исследования была сформулирована следующая гипотеза: обучение трёхмерному компьютерному моделированию в курсе информатики и информационных технологий профильной школы будет способствовать: развитию умений использовать среду трёхмерной компьютерной графики, у большинства учащихся можно достичь второго или третьего (творческого) уровня; успешному решению учебных задач предметных областей, ориентированных на развитие пространственного мышления учащихся, если в основание положить обучение моделированию трёхмерных объектов с использованием ограниченного набора базовых форм и последующим переносом полученных знаний, умений и навыков в решение задач из других предметов и творческих заданий.

В процессе исследования были выделены следующие уровни развития умений использовать среду трёхмерной компьютерной графики:

0. учащийся никогда не работал в среде или не может самостоятельно реализовать решение сформулированной учителем задачи при наличии пошагового описания её выполнения;

3. учащийся может самостоятельно формулировать задачи (или систему задач) и решить их на компьютере в предлагаемой программной среде. Теоретико-методологической базой диссертации являются работы в области методологии (Е.Я. Голант, Ю.К. Бабанский, П.И. Пидкасистый, Т.А. Ильина, С.А. Смирнов, А.Г. Пекун, A.A. Вербитский, Н.В. Борисова), работы в области методики преподавания информатики и разработки методических систем (В.В. Лаптев, М.П. Лапчик, И.В. Симонова, М.В. Швецкий), исследования по теории моделирования (В.А. Штофф, Л.М. Фридман, Н.И. Кондаков, В.М. Казиев), работы об использовании моделей и моделирования в обучении (И.В.Роберт, Н.И. Пак, С.М. Танеев, A.A. Столяр, Д.Н. Кожевников, В.Н. Дубровский, В.В. Лапев, Э.Е. Нифантьев, Л.М. Туранова), работы, посвященные вопросам обучения компьютерной графике и компьютерному моделированию (В.В. Александрова, И.А. Кузнецова, А.Н. Костиков, Н.В. Макарова, Н. Петрова, Э.Т. Селиванова, Ю.Ф. Титова и др.), исследования развития пространственного мышления и представления (Н.С. Подходова, A.M. Сидтиков, Ю.Е. Тихомирова, И.С. Якиманская,), стандарт образования по информатике и информационным технологиям, концепция профильного обучения.

Исследование проводилось с 2002 по 2005 г.г. и включало в себя следующие этапы.

На первом этапе (2002 - 2003 г.г.) проходили поисковый и констатирующий эксперименты, в ходе которых выполнен теоретический анализ психолого-педагогической, методической, научной литературы, определены направления разработки проблемы обучения моделированию в школьном курсе информатики. Анализ стандарта образования по информатике и информационным технологиям позволил выявить требования к уровню знаний, умений и навыков учащихся в области трёхмерного компьютерного моделирования. В ходе интервьюирования учителей и совместной разработки компьютерной поддержки к урокам были определены темы, соответствующего предмета и типы задач предметных областей, при решении которых у учащихся возникают трудности. Были выявлены причины возникновения трудностей при решении задач предметных областей и определены пути их преодоления при условии использования трёхмерных компьютерных моделей. Проводились интегрированные уроки математики и информатики. Были определены объект и предмет исследования, сформулированы цель, гипотеза, задачи исследования и определены методы их решения, разработано содержание обучения.

На втором этапе (2004 - 2005) проводился формирующий эксперимент, в ходе которого апробировались теоретический и практический компоненты обучения. Разработаны методические рекомендации для учителей и выделены уровни развития умений использовать среду 3D Studio МАХ. Были проведены беседы и письменные опросы учащихся с целью выяснения их интересов, успеваемости и наличия трудностей при обучении математике, черчению и технологии. Для определения уровня развития пространственного мышления и влияния на него обучения трёхмерному компьютерному моделированию проводилось тестирование учащихся по методике И.С. Якиманской. По завершении эксперимента осуществлялась количественная и качественная обработка материалов апробации, сформулированы общие выводы по проведенному исследованию.

На защиту выносятся следующие положения: 1. Теоретическое обоснование целесообразности включения в курс информатики и информационных технологий на старшей ступени раздела, посвященного обучению трёхмерному компьютерному моделированию, основанное на основных положениях концепции профильного обучения и содержании стандарта по информатике и информационным технологиям.

• в условиях базового уровня среднего образования возможна реализация только практического компонента.

Теоретическая значимость исследования заключается в следующем: доказана целесообразность выделения двух компонентов в содержании обучения разделу «Трёхмерное компьютерное моделирование» - теоретического и практического; выявлены условия использования методики обучения данному разделу в базовом курсе информатики на старшей ступени обучения, а также в профильном курсе для технологического и физико-математического профилей.

Практическая значимость исследования заключается в том, что: разработана методика обучения трёхмерному компьютерному моделированию на уроках информатики и информационных технологий с междисциплинарной направленностью; в поддержку методики выпущено учебное пособие для учащихся; для учителей информатики разработаны методические рекомендации по обучению разделу «Трёхмерное компьютерное моделирование» с учетом различных условий обучения.

Рекомендации об использовании результатов диссертационного исследования. Материалы могут быть использованы для работы в профильных классах, в общеобразовательных классах, а также в системе подготовки и повышения квалификации учителей информатики и учителей других предметов.

Апробация результатов исследования. Экспериментальная проверка разработанной методики осуществлялась в гимназии №261 (г. Санкт-Петербург) и в педагогическом колледже им. К. Д. Ушинского (г. Гатчина). Основные результаты исследования докладывались автором на «Первом съезде учителей и методистов Северо-Запада и Санкт-Петербурга», посвященном 300-летию Санкт-Петербурга и 140-летию методической службы России (Санкт-Петербург, 2003 г.), на Герценовских чтениях (РГПУ им. А.И. Герцена, 2003, 2004 гг.).

Внедрение результатов осуществлено в период с 2002 по 2005 годы.

Результаты исследования внедрены в образовательный процесс: I. В учебный процесс гимназии № 261 г.Санкт-Петербурга при изучении базового курса информатики и информационных технологий.

- loll. В практику обучения студентов Гатчинского педагогического колледжа им.

К.Д. Ушинского, получающих среднее специальное образование в области информатики.

III.При обучении учащихся школы № 583 г. Санкт-Петербурга для технологического профиля.

Заключение диссертации научная статья по теме "Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)"

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

1. Основной задачей рассматриваемых этапов педагогического эксперимента является сбор и анализ эмпирической информации, необходимой для точной формулировки гипотезы исследования и её проверки.

2. Сформулированы цели, задачи, предположения педагогического эксперимента, описана структура и основные этапы опытно-экспериментального исследования. Выбраны методы и средства проверки результатов исследования.

3. Отражены методика проведения и результаты всех этапов педагогического эксперимента. На поисковом и констатирующем этапах педагогического эксперимента определена последовательность построения методики обучения трёхмерному компьютерному моделированию. На формирующем этапе педагогического исследования с помощью диагностической методики, предложенной И.С. Якиманской, подтверждено, что предлагаемая методика способствует развитию пространственного мышления и переносу полученных знаний, умений и навыков в другие предметы.

- 150 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• раздел, посвященный изучению трёхмерного компьютерного моделирования, целесообразно включить в курс информатики и информационных технологий на старшей ступени обучения;

• предлагаемая методика обучения трёхмерному компьютерному моделированию может быть реализована в курсе информатики и информационных технологий в условиях технологического и физико-математического профилей (теоретический и практический компоненты), в условиях базового уровня среднего образования (практический компонент);

• обучение трёхмерному компьютерному моделированию, в практическом компоненте должно осуществляться в следующей последовательности: 1) обучение моделированию через разработку объектов на основе базовых форм; 2) перенос полученных знаний, умений и навыков в предметные области, ориентированные на развитие пространственного мышления учащихся; 3) реализация собственных творческих идей;

• реализация методики обучения трёхмерному компьютерному моделированию в выше указанной последовательности будет способствовать: 1) достижению второго или третьего (творческого) уровня развития умений использовать среду трёхмерной компьютерной графики у большинства учащихся; 2) успешному решению учебных задач предметных областей, ориентированных на развитие пространственного мышления учащихся.

Раздел «Трёхмерное компьютерное моделирование» можно пополнить задачами на разработку анимированных сцен (процессов и явлений, изучаемых в других предметах) с целью формирования прочных знаний, умений и навыков в области разработки анимации и внесения динамики в обучение другим предметным областям.

Список литературы диссертации автор научной работы: кандидата педагогических наук, Тарасова, Ольга Александровна, Санкт-Петербург

1. Александрова B.B. Методика обучения компьютерно-графическому моделированию пространственных базовых форм. Дисс. на соискание уч. степ, кандидата пед. наук. Санкт-Петербург, 2002. - 139 с.

2. Александрова В.В., Симонова И.В., Тарасова O.A. Компьютерное моделирование пространственных форм в среде 3D Studio МАХ. СПб.: Изд-во: «Анатолия», 2003. - 319 с.

3. Анисимов H.H. Основы рисования. М. Изд-во: «Стройиздат», 1974 - 156 с.

4. Бабанский Ю.К. Оптимизация процесса обучения, общедидактический аспект. М.: Педагогика, 1977. - 254 с.

5. Болбат О.Б. Формирование профессионально значимых качеств при изучении инженерной графики в образовательной системе школа вуз: Автореф. дис. канд. пед. наук. - Новосибирск, 2002. - 22 с.

6. Борисова Н.В. Новые технологии активного обучения: Сб. образоват.-проф. программ / Н.В. Борисова, H.A. Морозова, A.JI. Смятских; Под науч. ред. Н.В. Борисовой. М., 2000. - 71 с.

7. Борисова Н.В. Педагогические особенности создания и внедрения системы активных методов обучения в институте повышения квалификации: Автореф. дис. канд. пед. наук. М, 1987. - 26с.

8. Ботвинников А.Д. Графические задачи с элементами конструирования: Методич. рекомендации и учебные задания. М., 1985. - 61 с.

9. Ботвинников А.Д. Сборник задач по черчению: Пособие для учителей. -М.: Просвещение, 1973. 224 с.

10. Ботвинников А.Д. Сборник практических задач по черчению: Пособие для учителей. 2-е изд., испр. - М.: Просвещение, 1964. - 348 с.

11. Ботвинников А.Д. и др. Черчение: Учебник для 7-8 классов общеобразовательных учреждений / А.Д. Ботвинников, В.Н. Виноградов, И.С. Вышне-польский. 6-е изд. - М.: Просвещение; АО «Московские учебники», 1996. - 222 с.

12. Бочкин А.И. Методика преподавания информатики: Учебное пособие. -Мн.:Выш.Шк., 1998.-431 с.

13. Браун Ю.С. Содержание подготовки учащихся старших классов к применению технологий мультимедиа в учебной деятельности: Автореф. дис. канд. пед. наук. М., 2002. - 22 с.

14. Бушмелева H.A. Методика обучения элементам вычислительной геометрии и компьютерной графики будущих учителей информатики: Автореф. дис. канд. пед. наук. М., 2001. - 23 с.

15. Вербитский A.A. Активное обучение в высшей школе: контекстный подход. -М.: Высшая школа, 1991.-207 с.

16. Верзилин Н.М. Об определении и классификации методов обучения. // Советская педагогика. 1957. - №8.

17. Выбор методов обучения в средней школе. / Под ред. Ю.К. Бабанского -М., 1981.

18. Галыгина И.В. Методика обучения информационному моделированию в базовом курсе информатики: Автореф. дис. канд. пед. наук. М., 2001. — 23 с.

19. Танеев С.М. Формирование графической грамотности учащихся при обучении решению планиметрических задач в условиях компьютерной поддержки: Автореф. дис. канд. пед. наук. Омск, 2004. - 23 с.

20. Голант Е.Я. Методы обучения в советской школе. М.: Учпедгиз, 1957. -152 с.

21. Гребенников К.А. Компьютерная графика как средство профессиональной подготовки специалистов дизайнеров (на материалах среднего профессионального образования): Автореф. дис. канд. пед. наук. - Елец, 2002. - 25 с.

22. Гриценко Л.И. Влияние типа познавательной деятельности учащихся старших классов на усвоение ими знаний: Автореф. дисс. канд. пед. наук. -Красноярск, 1972. 28 с.

23. Далингер В.А. Компьютерные технологии в обучении геометрии. // Информатика и образование. 2002. - №8. - С. 71 - 77.

24. Данилов М.А. Процесс обучения в советской школе. М.: Учпедгиз, 1960.

25. Дидактика средней школы: Некоторые проблемы соврем, дидактики. / Под ред. М.Н. Скаткина. 2-е изд. - М.: Просвещение, 1982. - 319 с.

26. Дубровский В.Н. Стереометрия с компьютером. // Компьютерные инструменты в образовании. 2003. - №6.

27. Жигачева H.A. Графовое моделирование структур решений сюжетных задач в курсе алгебры 7 класса: Автореф. дис. канд. пед. наук. Омск, 2000. -18 с.

28. Залогова J1.A. Компьютерная графика. Практикум / JT.A. Залогова. 2-е изд.- М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2005. 320 с.

29. Залогова Л.А. Компьютерная графика. Элективный курс: Учебное пособие / Л.А. Залогова. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. - 212 с.

30. Зверев И.Д. Теория и практика методов обучения в современных условиях общеобразовательной школы. М., 1975.

31. Иванцивская Н.Г., Буров В.Г. Графическое моделирование процессов и объектов: Учеб. пособие. Новосибирск: Изд во НГТУ, 1997. - 139 с.

32. Извозчиков В.А., Бережной Л.Н., Слуцкий A.M. Межпредметные связи и информатика. Методич. рекомендации. Санкт-Петербург, 1992. 44 с.

33. Ильина Т.А. Педагогика. Курс лекций. М.: Просвещение, 1984 - 496 с.

34. Ильяшенко О.Ю. Методика обучения векторной графике в школьном курсе информатики. Дисс. на соискание уч. степ, кандидата пед. наук. Санкт-Петербург, 2004. 200 с.

35. Информатика. 9 класс. / Под ред. Н.В. Макаровой. Спб: Питер Ком, 1999.- 304 с.

36. Информатика: Учебник. 3-е перераб. изд. / Под ред. проф. Н.В. Макаровой. - М.: Финансы и статистика, 2001. - 768 с.

37. Информационная образовательная среда: состояние, проблемы, перспективы: Материалы 1 Съезда методистов и учителей Северо-Запада (секция

38. Информатизация образования»). 5 марта 2003 г. СПб: СПбГУПМ, 2003. -200 с.

39. Казиев В.М., Казиев К.В. Основы математического и инфологического моделирования в примерах. // Информатика и образование. 2004. - №1. - С. 39.

40. Кийко С.И. Опорные конфигурации в стереометрии и их использование при обучении решению задач: Автореф. дис. канд. пед. наук. М., 1998. -18 с.

41. Кожевников Д.Н. Создание и использование комплекса моделей атомов и молекул для изучения строения вещества в курсе химии средней школы: Автореф. дис. канд. пед. наук. М., 2004. - 22 с.

42. Кондаков Н.И. Логический словарь-справочник. М.: «Наука», 1975. - 720 с.

43. Копыльцов A.B. Компьютерное моделирование: сферы и границы применения. Практикум. СПб.: СМИО Пресс, 2005. - 144 с.

44. Копыльцов A.B. Компьютерное моделирование: сферы и границы применения. Методика. СПб.: СМИО Пресс, 2005. - 224 с.

45. Костиков А.Н. Методика обучения компьютерной графике будущих учителей информатики на основе компетентностного подхода. Дисс. на соискание уч. степ, кандидата пед. наук. Санкт-Петербург, 2003. 231 с.

46. Костицын В.Н. Моделирование на уроках геометрии: Теория и методические рекомендации / В.Н. Костицын. М.: ВЛАДОС, 2000. - 158 с.

47. Кругликов С. А. Методика преподавания математики с использованием информационных технологий и компьютерных продуктов учебного назначения: Автореф. дис. канд. пед. наук. -М., 2003. 23 с.

48. Кузин B.C. Изобразительное искусство и методика его преподавания в школе. Уч-к. 3-е издание. М.: АГАР, 1998. - 336 с.

49. Лаптев В.В., Рыжова Н.И., Швецкий М.В. Методическая теория обучения информатике. Аспекты фундаментальной подготовки. СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета, 2003. - 352 с.

50. Лаптев В.В., Швецкий М.В. Методическая система фундаментальной подготовки в области информатики: теория и практика многоуровневого педагогического университетского образования. СПб.: Издательство Санкт-Петербургского университета, 2000. - 508 с.

51. Лапчик М.П. и др. Методика преподавания информатики: Учеб. пособие для вузов по специальности 030100 «Информатика». / М.П. Лапчик, И.Г. Семакин, Е.К. Хеннер; Под общ. ред. М.П. Лапчика. М.: Академия, 2001. -621 с.

52. Лернер И.Я. Дидактические основы методов обучения. М.: Педагогика, 1981.

53. Ли К. 3D Studio МАХ (версии 4, 5, 6, 7) для дизайнера. Искусство трехмерной анимации. Platinum Edition: Пер. с англ. / Ким Ли и др. К.: ООО «ТИД «ДС»», 2005. - 896 с.

54. Лихачев В.Н. Компьютерные модели в школьном курсе химии: Автореф. дис. канд. пед. наук. М., 2003. - 15 с.

55. Макарова Н.В. Программа по информатике (системно-информационная концепция). СПб.: Питер, 2001. - 64 с.

56. Макарова O.E. Использование компьютерных моделей при изучении раздела «Молекулярная физика» в средней школе: Автореф. дис. канд. пед. наук.-М., 2003.- 16 с.

57. Марченко М.Н. Развитие способностей к дизайнерской деятельности (на материале обучения студентов художественно-графического факультета технической и компьютерной графике): Автореф. дис. докт. пед. наук. — М., 2002.-40 с.

58. Монахов М.Ю., Солодов СЛ., Монахова Г.Е. Учимся проектировать на компьютере. Элективный курс: Практикум. М.: БИНОМ Лаборатория Знаний, 2005 - 172 с.

59. Муратов К.К. Методические основы обучения учащихся 8-9 классов новым технологиям средствами моделирования: Автореф. дис. канд. пед. наук.-М., 1999.-17 с.

60. Нифантьев Э.Е., Ахлебинин А.К., Лихачев В.Н. Компьютерные модели в обучении химии. // Информатика и образование. 2002. - №7. - С. 77 - 85.

61. Обойщикова И.Г. Обучение моделированию учащихся 5-6 классов при изучении математики: Автореф. дис. канд. пед. наук. Саранск, 2002. - 19 с.

62. Основы дидактики. / Под ред. Б.П. Есипова. М.: Просвещение, 1967.

63. Основы информатики и вычислительной техники: Пробный учебник для 10 11 классов средней школы / А.Г. Гейн, В.Г. Житомирский, Е.В. Линецкий и др. - 2-е изд. - М.: Просвещение, 1992. - 254 с.

64. Павлова A.A., Корзинова Е.И. Графика в средней школе. М.: Владос, 1999.-95 с.

65. Павлова Л.В. Активизация учебно-познавательной деятельности студентов технического вуза с использованием комплекса занимательных заданий по инженерной и компьютерной графике: Автореф. дис. канд. пед. наук. М., 2003.

66. Пак Н.И. О технологии компьютерного моделирования в образовании. // Педагогическая информатика. 1994. - №1. - С. 47 - 53.

67. Педагогика высшей школы. — Л.: Изд-во Ленингр. госуд. пед. ин-та, 1974. -116с.

68. Педагогика / Ю.К. Бабанский и др.; под ред. Ю.К. Бабанского. 2-е изд. -М.: Просвещение, 1988.-478 с.- 15772. Педагогика: Учеб. пособие. Под ред. Пидкасистого 2-е изд. - М.: РПА, 1996.-602 с.

69. Педагогика: педагогические теории, системы, технологии: Учеб. пособие для студ. сред. пед. учеб. заведений. / С.А. Смирнов, И.Б. Котова, E.H. Шиянов, Т.И. Бабаева и др.; Под ред. С.А. Смирнова. 2-е изд., испр. и доп. - М.: «Академия», 1999. - 544 с.

70. Пекун А.Г. Технология активных методов обучения. Минск, 1992. - 117 с.

71. Пидкасистый П.И. Самостоятельная деятельность учащихся. М.: Педагогика, 1972.- 184 с.

72. Полунина И.Н. Интеграция курсов математики и информатики как фактор оптимизации общепрофессиональной подготовки в средней профессиональной школе: Автореф. дис. канд. пед. наук. Казань, 2003г.-18 с.

73. Роберт И.В. Средства новых информационных технологий школе. // Информатика и образование. - 1989. - №2. - С. 61 - 66.

74. Роберт И.В, Теоретические основы создания и использования средств информатизации образования: Автореф. дис. докт. пед. наук. -М., 1994.

75. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики: Пер. с англ. -М.: Мир, 1989.-512 с.

76. Ростовцев H.H. Учебный рисунок. М., 1976.

77. Рыбченко JI.M., Александрова О.М. Основные направления развития содержания образования в Российской Федерации. Содержание образования в системе государственных образовательных стандартов.

78. Селевко Г.К. Современные образовательные технологии: Учебное пособие. -М.: «Народное образование», 1998. 256 с.

79. Селиванова Э.Т. Методика обучения основам компьютерного моделирования в педагогическом вузе и школе. Дисс. на соискание уч. степ, кандидата пед. наук. Новосибирск, 2000. 144 с.

80. Семакин И.Г. Преподавание базового курса информатики в средней школе: Метод, пособие / И. Семакин, Т. Шеина 2-е изд. - М.: БИНОМ. Лаборатория Знаний, 2004 - 540 с.

81. Смирнов Г.Б. Знакомство с перспективой. // Юный художник. 1979. - №1, 2,3.

82. Смолкин A.M. Методы активного обучения. М.: Высшая школа, 1991. -207 с.

83. Сокольникова Н.М. Изобразительное искусство: Учебник для уч. 5 — 8 кл.: В 4 ч. Ч. 1. Основы рисунка. Обнинск: Титул, 1998. - 96 с.

84. Солодовиченко JI.H. Дидактические основы композиционного компьютерно-графического моделирования в подготовке студентов: Автореф. дис. канд. пед. наук. Караганда, 2001. - 26 с.

85. Стандарт основного общего образования по информатике и информационным технологиям. // Информатика и образование. 2004. - №4. - С. 2 - 35.

86. Столяр A.A. Педагогика математики: Учебное пособие для физ. мат. фак. пед. ин-тов. Минск: Выш. шк., 1986. -414 с.

87. Страбыкина JI.A. Формирование геометрических понятий в средней школе с использованием компьютера: Автореф. дис. канд. пед. наук. Киров, 2003. -19 с.

88. Тарасова O.A. Стереометрия на уроках информатики в школе // Телекоммуникации, математика и информатика — исследования и инновации. Выпуск 7. Межвузовский сборник научных трудов. СПб: ЛГОУ им. A.C. Пушкина, 2003 - 182 - 185 с.

89. Тарасова O.A. Опыт обучения компьютерно-графическому моделированию на уроках информатики // Теоретические и методические проблемы обучения в школе и вузе. Межвузовский сборник научных трудов. СПб,-Мурманск, 2005.- 117-121 с.

90. Титова Ю.Ф. Методика обучения моделированию в базовом курсе информатики. Дисс. на соискание уч. степ, кандидата пед. наук. Санкт-Петербург, 2002.-201 с.

91. Тихомирова Ю.Е. Условия использования компьютерного сопровождения для развития обобщенных пространственных представлений при изучении геометрии: Автореф. дис. канд. пед. наук. СПб., 2004. - 22 с.

92. Тонких С.А. Графическое моделирование как дидактическое средство: психосемиотический аспект (на материале изучения общетехнических дисциплин в педагогическом вузе): Автореф. дис. канд. психологич. наук. М., 1991.-20 с.

93. Туранова Л.М. Методическая система курса «Компьютерная графика и геометрическое моделирование» для педагогического образования: Автореф. дис. канд. пед. наук. -М., 1998. 18 с.

94. ЮЗ.Федорец Г.Ф. Межпредметные связи в процессе обучения. Учеб. пособие. Ленинград, 1983. - 88 с.

95. Фридман Л.М. Наглядность и моделирование в обучении. М.: Знание, 1984.-80 с.- 160105. Шаповаленко С.Г. Вопросы дальнейшего совершенствования методов обучения и методов управления педагогическим процессом в общеобразовательной школе. М., 1983.

96. Шестаков А.П. Профильное обучение информатике в старших классах средней школы на примере курса "Компьютерное математическое моделирование": Автореф. дис. канд. пед. наук. Омск, 1999.

97. Широкова Н.Г. Содержание подготовки учащихся к применению технологий компьютерной графики (на примере профильного курса информатики): Автореф. дис. канд. пед. наук. М., 2000.

98. Широкова Н.П. Формирование умений старшеклассников решать задачи межпредметной направленности на основе информационных технологий: Автореф. дис. канд. пед. наук. Пенза, 2001.

99. Штофф В.А. Гносеологические проблемы моделирования: Автореф. дис. докт. философ, наук. J1., 1964. -32 с.

100. Шуман Г. Изучение геометрических тел средствами компьютерной графики. // Компьютерные инструменты в образовании. 2003. - №6.

101. Элективные курсы в профильном обучении: Образовательная область «Информатика» / Министерство образования РФ Национальный фонд подготовки кадров. - М.: Вита-Пресс, 2004. - 112 с.

102. Якиманская И.С. Принцип активности в педагогической психологии. // Вопросы психологии. — 1989. №6.

103. Якиманская И.С. Развитие пространственного мышления школьников — М.: Педагогика, 1980 240 с.