Статья на тему «Информационные технологии в обучении математике: «Электронные учебники математики»

• §1. Информационные технологии в обучении математике

Информационная технология обучения - это педагогическая технология, использующая специальные способы, программные и технические средства (кино, аудио- и видеосредства, компьютеры, телекоммуникационные сети) для работы с информацией. Информационные технологии могут использовать компьютер (от англ. computer - вычислитель) как одно из возможных средств. Технология обучения, использующая компьютер, называется компьютерной технологией.

По мнению Т.И.Юхтиной компьютерные технологии развивают идеи программированного обучения, открывают совершенно новые, еще не исследованные технологические варианты обучения, связанные с уникальными возможностями современных компьютеров и телекоммуникаций.

Компьютерная технология может осуществляться в следующих трех вариантах:

-  как «проникающая» технология (применение компьютерного обучения по отдельным темам, разделам для отдельных дидактических задач);

-  как основная, определяющая, наиболее значимая из используемых в данной технологии частей;

-  как моно технология (когда все обучение, включая все виды диагностики, мониторинг, опираются на применение компьютера).

В настоящее время во многих учебных заведениях разрабатываются и используются как отдельные программные продукты учебного назначения, так и автоматизированные обучающие системы по различным учебным дисциплинам, которые включают в себя комплекс учебно-методических материалов (демонстрационных, теоретических, практических, контролирующих), а также и компьютерные программы, которые управляют процессом обучения.

К программным продуктам учебного назначения относятся электронные варианты следующих учебно-методических материалов:

а) компьютерные презентации иллюстрационного характера;

б) электронные словари-справочники и учебники;

в) лабораторные практикумы с возможностью моделирования реальных процессов;

г) программы-тренажеры;

д) тестовые системы.

В сфере обучения, особенно с появлением операционной системы Windows , открылись новые возможности. Прежде всего, это доступность диалогового общения в так называемых интерактивных программах. Стало осуществимым широкое использование графики (рисунков, схем, диаграмм, чертежей, карт, фотографий). Применение графических иллюстраций в учебных компьютерных системах позволяет на новом уровне передавать информацию обучаемому и улучшить ее понимание. Учебные программные продукты, использующие графику, способствуют развитию таких важных качеств, как интуиция, образное мышление.

В современном обучении активно используются технологии мультимедиа (от англ. multimedia - многокомпонентная среда), которая позволяет использовать текст, графику, видео и мультипликацию в интерактивном режиме, что расширяет области применения компьютера в учебном процессе.

Гипертекст (от англ. hyper text - сверхтекст), или гипертекстовая система, - это совокупность разнообразной информации, которая может располагаться не только в разных файлах, но и на разных компьютерах. Основная черта гипертекста - это возможность переходов по так называемым гиперссылкам, которые представлены либо в виде специально оформленного текста, либо определенного графического изображения. Современную гипертекстовую обучающую систему отличает удобная среда обучения, в которой легко находить нужную ин­формацию, возвращаться к уже пройденному материалу и т. п. Использование динамического, т. е. изменяющегося, гипертекста позволяет провести диагностику обучаемого, а затем автоматически выбрать один из возможных уровней изучения одной и той же темы. Гипертекстовые обучающие системы представляют информацию так, что и сам обучаемый, следуя графическим или текстовым ссылкам, может использовать различные схемы работы с материалом. Все это создает условия для реализации в таких курсах дифференцированного подхода к обучению.

Использование в электронных изданиях различных информационных технологий дает весомые дидактические преимущества электронной книге по сравнению с традиционной: в технологии мультимедиа создается обучающая среда с ярким и наглядным представлением информации, что особенно привлекательно для школьников; осуществляется интеграция значительных объемов информации на едином носителе; гипертекстовая технология благодаря применению гиперссылок упрощает навигацию и предоставляет возможность выбора индивидуальной схемы изучения материала; технология ИОС(Информационная образовательная система) на основе моделирования процесса обучения позволяет дополнить учебник тестами, отслеживать и направлять траекторию изучения материала, осуществляя, таким образом, обратную связь.

Новый импульс информатизации образования дает развитие информационных телекоммуникационных сетей. Глобальная сеть Internet обеспечивает доступ к гигантским объемам информации, хранящимся в различных уголках нашей планеты. Многие эксперты рассматривают технологии Internet как революционный прорыв, превосходящий по своей значимости появление персонального компьютера.

К числу базовых обычно относят следующие технологии Internet :

- WWW ( o т англ. World Wide Web - Всемирная Паутина) - технология работы в сети с гипертекстами;

- FTP (от англ. File Transfer Protocol - протокол передачи файлов) - технология передачи по сети файлов произвольного формата;

- IRC (от англ. Internet Relay Chat - поочередный разговор в сети) - технология ведения переговоров в реальном масштабе времени, дающая возможность разговаривать с другими людьми по сети в режиме прямого диалога;

- E - mail , электронная почта - целая серия услуг: 1) отправка и прием электронных писем, которые доставляются абонентам электронной почты в любую точку земного шара в течение нескольких часов; 2) информационное обслуживание по пересылке абонентам сети обзоров, сводок и иных справочных материалов от различных фирм и организаций;

- телеконференции - технология получения и отсылки материалов дискуссий, в которых могут принимать участие люди, разделенные большими расстояниями.

Специфика технологий Internet заключается в том, что они предоставляют громадные возможности выбора источников информации: базовая информация на серверах сети; оперативная информация, пересылаемая по электронной почте; разнообразные базы данных ведущих библиотек, научных и учебных центров, музеев; информация о гибких дисках, компакт-дисках, видео- и аудиокассетах, книгах и журналах, распространяемых через Internet-магазины.

Средства телекоммуникации, включающие электронную почту, глобальную, региональные и локальные сети связи и обмена данными, могут предоставить в целях обучения широчайшие возможности: оперативную передачу на разные расстояния информации любого объема и вида; интерактивность и оперативную обратную связь; доступ к различным источникам информации; организацию совместных телекоммуникационных проектов; запрос информации по любому интересующему вопросу через систему электронных конференций.

Наиболее характерными чертами Интернет - обучения являются: гибкость, модульность, массовость. На этом базисе при умелой организации работы и, конечно, определенных затратах, образование на основе Интернет обеспечивает:

• индивидуальный подход к обучаемому;

• параллельность обучения с другой деятельностью обучаемого;

• экономическую эффективность обучения в целом и для отдельного обучаемого;

• социальное равноправие обучающихся независимо от места жительства, социального статуса, состояния здоровья;

• новую, творческую роль преподавателя по разработке учебных курсов и координации познавательного процесса.

Основные цели и направления применения информационных технологий обучения. Конкретные программные и технические средства, относящиеся к перечисленным выше информационным технологиям, активно разрабатываются (зачастую параллельно) и используются в различных учебных заведениях.

По мнению исследователей, основными педагогическими целями использования информационных технологий обучения являются:

• Развитие личности обучаемого, подготовка к самостоятельной продуктивной деятельности в условиях информационного общества.
• Развитие алгоритмического мышления благодаря особенностям общения с компьютером.
• Развитие коммуникативных способностей на основе выполнения совместных проектов.
• Развитие творческого мышления за счет уменьшения доли репродуктивной деятельности.
• Формирование умений принятия оптимальных решений в сложной ситуации.
• Развитие навыков исследовательской деятельности.
• Формирование информационной культуры, умений осуществлять обработку информации (при использовании текстовых, графических и табличных редакторов, локальных и сетевых баз данных).

Сущность компьютера - в его универсальности, в способности к имитации. Его многоликость и многофункциональность - залог того, что он может удовлетворить множество потребностей. Но при всех своих возможностях компьютер остается средством повышения эффективности человеческой деятельности. Как информационное средство он предназначен для информационного обслуживания потребностей человека. В том, как сделать это обслуживание наиболее продуктивным именно для учебно-педагогического процесса, и состоит главный вопрос всей многоплановой проблемы совершенствования образования на базе информационных технологий. Успешное его решение будет способствовать повышению качества и степени доступности образования всех уровней - от школы до систем подготовки и переквалификации специалистов, интеграции национальной системы образования в научную, производственную, социально-общественную и культурную информационную инфраструктуру мирового сообщества.

Применение современных информационных технологий в образовании позволяет:

• индивидуализировать подход и дифференцировать процесс обучения;

• контролировать обучаемого с диагностикой ошибок и обратной связью;

• обеспечить самоконтроль учебно-познавательной деятельности;

• сократить время обучения за счет трудоемких вычислений на компьютере;

• демонстрировать визуальную учебную информацию;

• моделировать и имитировать процессы и явления;

• проводить лабораторные работы, эксперименты и опыты в условиях виртуальной реальности;

• прививать умение в принятии оптимальных решений;

• повысить интерес к процессу обучения, используя игровые ситуации.

2. Электронный учебник

Электронный учебник (даже самый лучший) не может и не должен заменять книгу. Так же как экранизация литературного произведения принадлежит к иному жанру, так и электронный учебник принадлежит к совершенно новому жанру произведений учебного назначения. И так же как просмотр фильма не заменяет чтения книги, по которой он был поставлен, так и наличие электронного учебника не только не должно заменять чтения и изучения обычного учебника, а напротив, побуждать учащегося взяться за книгу.

Именно поэтому для создания электронного учебника недостаточно взять хороший учебник, снабдить его навигацией (создать гипертексты) и богатым иллюстративным материалом (включая мультимедийные средства) и воплотить на экране компьютера. Электронный учебник не должен превращаться ни в текст с картинками, ни в справочник, так как его функция принципиально иная. Считает Е.С.Полат.

Электронный учебник должен максимально облегчить понимание и запоминание (причем активное, а не пассивное) наиболее существенных понятий, утверждений и примеров, вовлекая в процесс обучения иные, нежели обычный учебник, возможности человеческого мозга, в частности, слуховую и эмоциональную память, а также используя компьютерные объяснения.

Текстовая составляющая должна быть ограничена — ведь остаются обычный учебник, бумага и ручка для углубленного изучения уже освоенного на компьютере материала.

По мнению В.Н.Агеева при создании электронных учебников следует руководствоваться основными принципами.

Перечислим некоторые из

• Принцип квантования: разбиение материала на разделы, состоящие из модулей, минимальных по объему, но замкнутых по содержанию.
• Принцип полноты: каждый модуль должен иметь следующие компоненты:
  • теоретическое ядро,
  • контрольные вопросы по теории,
  • примеры,
  • задачи и упражнения для самостоятельного решения,
  • контрольные вопросы по всему модулю с ответами,
  • контрольная работа,
  • контекстная справка,
  • исторический комментарий.

• Принцип наглядности: каждый модуль должен состоять из коллекции кадров с минимумом текста и визуализацией, облегчающей понимание и запоминание новых понятий, утверждений и методов.
• Принцип ветвления: каждый модуль должен быть связан гипертекстными ссылками с другими модулями так, чтобы у пользователя был выбор перехода в любой другой модуль. Принцип ветвления не исключает, а даже предполагает наличие рекомендуемых переходов, реализующих последовательное изучение предмета.
• Принцип регулирования: учащийся самостоятельно управляет сменой кадров, имеет возможность вызвать на экран любое количество примеров (понятие ``пример" имеет широкий смысл: это и примеры, иллюстрирующие изучаемые понятия и утверждения, и примеры решения конкретных задач, а также контрпримеры), решить необходимое ему количество задач, задаваемого им самим или определяемого преподавателем уровня сложности, а также проверить себя, ответив на контрольные вопросы и выполнив контрольную работу, заданного уровня сложности.
• Принцип адаптивности: электронный учебник должен допускать адаптацию к нуждам конкретного пользователя в процессе учебы, позволять варьировать глубину и сложность изучаемого материала и его прикладную направленность в зависимости от будущей специальности учащегося, применительно к нуждам пользователя генерировать дополнительный иллюстративный материал, предоставлять графические и геометрические интерпретации изучаемых понятий и полученных учащимся решений задач.
• Принцип компьютерной поддержки: в любой момент работы учащийся может получить компьютерную поддержку, освобождающую его от рутинной работы и позволяющую сосредоточиться на сути изучаемого в данный момент материала, рассмотреть большее количество примеров и решить больше задач. Причем компьютер не только выполняет громоздкие преобразования, разнообразные вычисления и графические построения, но и совершает математические операции любого уровня сложности, если они уже изучены ранее, а также проверяет полученные результаты на любом этапе, а не только на уровне ответа.
• Принцип собираемости: электронный учебник (и другие учебные пакеты) должны быть выполнены в форматах, позволяющих компоновать их в единые электронные комплексы, расширять и дополнять их новыми разделами и темами, а также формировать электронные библиотеки по отдельным дисциплинам (например, для кафедральных компьютерных классов) или личные электронные библиотеки студента (в соответствии со специальностью и курсом, на котором он учится), преподавателя или исследователя.

3. Методические рекомендации по разработке электронного учебника

Основные этапы разработки электронного учебника

Основными этапами разработки электронных учебников являются:

•     Выбор источников

•     Заключение договоров с авторами о праве на переработку

•     Разработка оглавления и перечня понятий (индекса)

•     Переработка текстов в модули по разделам и создание контекстной справки (Help)

•     Реализация гипертекста в электронной форме

•     Разработка компьютерной поддержки

•     Отбор материала для мультимедийного воплощения

•     Разработка звукового сопровождения

•     Реализация звукового сопровождения

•     Подготовка материала для визуализации

•     Визуализация материала

На первом этапе разработки электронного учебника целесообразно подобрать в качестве источников такие печатные и электронные издания, которые

• наиболее полно соответствуют стандартной программе,
• лаконичны и удобны для создания гипертекстов,
• содержат большое количество примеров и задач,
• имеются в удобных форматах (принцип собираемости).

На втором этапе заключения договоров из полученного набора источников отбираются те, которые имеют оптимальное соотношение цены и качества.

На третьем этапе разрабатывается оглавление, т.е. производится разбиение материала на разделы, состоящие из модулей, минимальных по объему, но замкнутых по содержанию, а также составляется перечень понятий, которые необходимы и достаточны для овладения предметом (двух– или трехуровневый индекс).

На четвертом этапе перерабатываются тексты источников в соответствии с оглавлением, индексом и структурой модулей; исключаются тексты, не вошедшие в перечни, и пишутся те, которых нет в источниках; разрабатывается система контекстных справок (Help); определяются связи между модулями и другие гипертекстные связи.

Таким образом, подготавливаются проект гипертекста для компьютерной реализации.

На пятом этапе гипертекст реализуется в электронной форме.

В результате создается примитивное электронное издание, которое уже может быть использовано в учебных целях. Многие именно такое примитивное электронное издание и называют электронным учебником.

На шестом этапе разрабатывается компьютерная поддержка: определяется, какие математические действия в каждом конкретном случае поручаются компьютеру и в какой форме должен быть представлен ответ компьютера; проектируется и реализуется интеллектуальное ядро (специальный комплекс программ, реализующих математические операции в численной и символьной формах); разрабатываются инструкции для пользователей по применению интеллектуального ядра ЭУ(Электронный учебник) для решения математических задач (правила набора математических выражений и взаимодействия с интеллектуальным ядром).

В результате создается работающий электронный учебник, который обладает свойствами, делающими его необходимым для студентов, полезным для аудиторных занятий и удобным для преподавателей.

Интеллектуальное ядро целесообразно сделать так, чтобы его можно было заменять на более мощный компьютерный пакет типа DERIVE, Reduce, MuPAD, Maple V и т.п.

Теперь электронный учебник готов к дальнейшему совершенствованию (озвучиванию и визуализации) с помощью мультимедийных средств.

На седьмом этапе изменяются способы объяснения отдельных понятий и утверждений и отбираются тексты для замены мультимедийными материалами.

На восьмом этапе разрабатываются тексты звукового сопровождения отдельных модулей с целью разгрузки экрана от текстовой информации и использования слуховой памяти учащегося для облегчения понимания и запоминания изучаемого материала.

На девятом этапе разработанные тексты звукового сопровождения записываются на диктофон и реализуются на компьютере.

На десятом этапе разрабатываются сценарии визуализации модулей для достижения наибольшей наглядности, максимальной разгрузки экрана от текстовой информации и использования эмоциональной памяти учащегося для облегчения понимания и запоминания изучаемого материала.

На одиннадцатом этапе производится визуализация текстов, т.е. компьютерное воплощение разработанных сценариев с использованием рисунков, графиков и, возможно, анимации (нужно иметь в виду, что анимация стоит очень дорого).

Аппаратное и программное обеспечение разработки электронного учебника

С.А. Христочевский говорит, что вычислительные машины появились сравнительно недавно, в середине прошлого столетия. Они были "святая святых" особой касты людей (математиков и программистов), которые (единственные) могли их достаточно эффективно использовать. Потом круг пользователей расширился, в первую очередь, за счет ученых, использовавших вычислительные машины для проведения машинных экспериментов. Всегда широкий круг работающих на компьютерах специалистов пытался использовать их в учебном процессе. Прорыв был совершен академиком А.П. Ершовым, выдвинувшим лозунг "Программирование - вторая грамотность". Как раз к тому времени появились и первые персональные компьютеры, которые можно было разместить в учебных заведениях.

Первые опыты использования вычислительных машин в образовании заключались в попытках воспроизведения на компьютерах дозированных кусков текста учебника или сводились к обучению программированию. Последние годы внимание общества буквально приковано к использованию средств вычислительной техники, или к использованию информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) в учебном процессе. Все эти годы наблюдаются завышенные ожидания буквально у всех. Родители, педагоги, ученики, студенты ждут, что знания будут сами собой усваиваться без излишних хлопот и труда; что не надо готовиться к лекциям, семинарам, урокам, что их ученики будут самые лучшие и т.д. Хотелось бы, чтобы процесс информатизации образования, использования ИКТ протекал без излишних эмоций и приносил действительно положительные результаты.

Один из современных мифов связан с разработкой и использованием электронных учебников.

Термин ЭУ заменил многие другие сменяющие друг друга термины. Можно назвать ППС (педагогические программные средства), ПСУН (программные средства учебного назначения), АОС (автоматизированные обучающие системы) и др. В связи с тем, что особенно успешных разработок массовых ЭУ еще нет, можно предположить, что на смену этому термину придет новый. Возможно, что это будет уже появившийся ИОР (информационный образовательный ресурс).

Текущее положение ЭУ. Прогресс в области средств информатики  приводит к массовому распространению мультимедийных персональных компьютеров, которые могут работать не только с текстом, но и с графикой (с иллюстрациями) очень высокого качества, со звуком и видео. Одновременно произошел переход от гибких дисков как основных носителей информации к ZIP и прочим дискетам емкостью более 100 Мб, к CD-ROM - 650 Мб, к DVD-ROM, а также появилась возможность размещать большие объемы информации во Всемирной паутине.

В связи с появлением мощных авторских средств для разработки мультимедийных приложений произошел переход от использования языков программирования к достаточно простым скриптовым системам, значительно упростился процесс отладки программных средств. Теперь создание мультимедийных продуктов стало возможным для большого числа разработчиков.

Как следствие, на компакт-дисках (CD-ROM), во Всемирной паутине, на дискетах появилось большое число информационных ресурсов образовательного характера, большая часть которых объявляется электронными учебниками (изданиями, пособиями и т.д.).

При первых попытках разработать электронный учебник использовалось так называемое прямое программирование на одном из языков типа FORTRAN, C и т.п. В роли программистов выступали студенты старших курсов и аспиранты. Они покидали кафедры вместе с исходными текстами программ. В результате эти программы нельзя было модернизировать, изменять и они быстро устаревали.

Позднее пришла пора так называемых оболочек, представлявших из себя универсальные среды для наполнения методическими материалами. Хотя оболочки не требовали непосредственного программирования и, в принципе, каждый преподаватель мог подготовить электронный учебник, ничего заслуживающего внимания создано не было по трем причинам.

Во–первых, в то время концепции, относящиеся к электронным учебникам, находились в зачаточном состоянии.

Во–вторых, не существовало так называемых систем символьной математики.

В–третьих, персональные компьютеры еще не имели надлежащего распространения. В те годы были заложены основы современных представлений о том, каким должен быть электронный учебник.

В 90–е годы с развитием аппаратного и программного обеспечения компьютеров появились средства, действительно позволяющие создавать подлинные электронные учебники. Мы имеем в виду

• операционные системы Windows и OS/2, в которых стало возможным программирование на высоком уровне, использующее DLL и OLE;
• мультимедийные средства;
• системы символьной математики.

Наряду с этим, персональные компьютеры перестали быть роскошью и проникли в систему образования, хотя и без надлежащего программного обеспечения.

Роль оболочек теперь может выполнить пакет Microsoft Office. Прямое программирование требуется для его связи с какой–нибудь имеющейся системой символьной математики, а также для разработки новой системы символьной математики. Для программирования необходим пакет Delphi. Все методическое содержание может быть подготовлено в печатном виде. Для быстрого представления печатных материалов в электронной форме необходим сканнер и пакет FineReader. Для ускорения работы очень полезен микрофон и пакет распознавания речи DragonDictate.

Все программное обеспечение должно быть лицензионным.

Компьютер должен иметь очень хороший монитор и мощный системный блок с полным набором мультимедийных компонент.

Для работы группы необходим профессиональный лазерный черно–белый принтер и среднего класса копировальный аппарат.

•  

Электронный учебник необходим для самостоятельной работы учащихся при очном и, особенно, дистанционном обучении потому, что он

• облегчает понимание изучаемого материала за счет иных, нежели в печатной учебной литературе, способов подачи материала: индуктивный подход, воздействие на слуховую и эмоциональную память и т.п.;
• допускает адаптацию в соответствии с потребностями учащегося, уровнем его подготовки, интеллектуальными возможностями и амбициями;
• освобождает от громоздких вычислений и преобразований, позволяя сосредоточиться на сути предмета, рассмотреть большее количество примеров и решить больше задач;
• предоставляет широчайшие возможности для самопроверки на всех этапах работы;
• дает возможность красиво и аккуратно оформить работу и сдать ее преподавателю в виде файла или распечатки;
• выполняет роль бесконечно терпеливого наставника, предоставляя практически неограниченное количество разъяснений, повторений, подсказок и проч.

Учебник необходим студенту, поскольку без него он не может получить прочные и всесторонние знания и умения по данному предмету.

Электронный учебник полезен на практических занятиях в специализированных аудиториях потому, что он

• позволяет использовать компьютерную поддержку для решения большего количества задач, освобождает время для анализа полученных решений и их графической интерпретации;
• позволяет преподавателю проводить занятие в форме самостоятельной работы за компьютерами, оставляя за собой роль руководителя и консультанта;
• позволяет преподавателю с помощью компьютера быстро и эффективно контролировать знания учащихся, задавать содержание и уровень сложности контрольного мероприятия.

Электронный учебник удобен для преподавателя потому, что он

• позволяет выносить на лекции и практические занятия материл по собственному усмотрению, возможно, меньший по объему, но наиболее существенный по содержанию, оставляя для самостоятельной работы с ЭУ то, что оказалось вне рамок аудиторных занятий;
• освобождает от утомительной проверки домашних заданий, типовых расчетов и контрольных работ, передоверяя эту работу компьютеру;
• позволяет оптимизировать соотношение количества и содержания примеров и задач, рассматриваемых в аудитории и задаваемых на дом;
• позволяет индивидуализировать работу с обучающимися, особенно в части, касающейся домашних заданий и контрольных мероприятий.

• используемой литературы
  1. Агеев В.Н. Электронная книга: Новое средство социальной коммуникации. М.: 1997.
  2. Башарин В.Ф. Педагогическая технология: что это такое? Специалист, 1993. - № 3.
  3.  Гречихин А.А., Древс Ю.Г. Вузовская учебная книга: Типология, стандартизация, компьютеризация. М.: Логос, 2000.
  4. Мильчин А.Э. Издательский словарь–справочник. М.: Юристъ, 1998.
  5. Новые педагогические и информационные технологии в системе образования: Учеб. пособие для студ. пед. вузов и системы повыш. квалиф. пед. кадров  Е.С. Полат, М.Ю. Бухаркина, М.В. Моисеева, А.Е. Петров  Под ред. Е.С. Полат. - М.: «Академия», 2001.
  6. Полат Е.С. Педагогические технологии XXI века Современные проблемы образования. – Тула, 1997.
  7. Темербекова А.А. Методика преподавания математики. – Горно-Алтайск: РИО «Универ-Принт», 2002
  8. Субботин М.М. Новая информационная технология: Создание и обработка гипертекстов. М., 1992
  9. Христочевский С.А, Электронные мультимедийные учебники и энциклопедии. Информатика и образование, 2000, 2,
  10. Чернилевский Д. Технология обучения в средней специальной школе. – Киев, 1990
  11. Юхтина Т.И. Информационные технологии в обучении // Учебное пособие по методике преподавания математики. - Горно-Алтайск, 1997.
  12. http://articles.excelion.ru/science/info/24833259.html