Южно-Уральский государственный гуманитарно-педагогический университет
Формирование профессиональной ИКТ-компетентности при обучении программированию будущих учителей информатики и ИТ-специалистов
Я.Ю. Гафуанов
Г.Б. Поднебесова
Челябинск, Российская Федерация
Аннотация
Рассматриваются вопросы формирования профессиональной ИКТ-компетентности будущих учителей информатики и ИТ-специалистов при изучении программирования. Представлена методика организации эффективного обучения программированию на основе положений проблемно-семиотического подхода, современных ИТ-технологий и системы упражнений в рамках 8ТБМ-образования. Приведены результаты эксперимента по внедрению описанной методики на базе кафедры ИИТиМОИ ЮУрГГПУ (г. Челябинск).
Ключевые слова: информатика; компьютерные науки; обучение программированию; «перевернутые классы»; проблемно-семиотический подход; 8ТБМ-образование; ИКТ-компетентность; специальные компетенции преподавателей информатики.
Y.Yu. Gafuanov, G.B. Podnebesova. The formation of professional ict-competence in teaching programming to future teachers of informatics and IT-Experts
The research aims to identify conditions for the formation of professional ICT-competence when learning programming and to experimentally verify their effectiveness. This is especially relevant in the context of the changing requirements for IT-experts and computer science teachers. The analysis of the current state and problems of professional training of IT-experts and computer science teachers is based on: 1) scientific works of recognized experts in the field of teaching computer sciences and, in particular, programming; 2) current orders of the Government of the Russian Federation on the approval of the teacher's professional standard and the program “Digital Economics of the Russian Federation”; 3) educational programs in relevant areas; 4) the authors' personal experience reflected in the relevant research articles. In the research, a number of scientific methods were used.
To identify the conditions for the effective formation of professional ICT-competence, a general scientific analysis method was applied. To verify the identified factors in specially created and controlled conditions, a pedagogical experiment was conducted. The research was carried out in several phases. The first phase included a general analysis of programming teaching systems and the formation of professional ICT-competence in the framework of training future informatics teachers and IT-experts in higher education institutions. During the second phase, the conditions for the effective formation of professional ICT-competence in the context of teaching programming were identified. The first condition is the possibility of constructing a process of teaching programming on the basis of the problem- semiotic approach. The second condition is the use of STEM-technology. The third condition is the use of specialized video content in accordance with the trends of modern IT-technologies (the flipped classroom concept). At the third phase of the research, a qualitative assessment of the effectiveness of the selected conditions was made. For this, an approach was applied in which the main measurement criterion is the characteristic of advancing to higher levels of professional ICT-competence, which implies the formation of special competencies decomposed into knowledge, abilities, and skills. This approach allowed formalizing the assessment process and proving the hypothesis about the influence of the selected conditions on the effectiveness of the formation of professional ICT-competence using statistical measurement (a chi-square test). Thus, the research allows considering the application of the problem-semiotic approach, modern IT-technologies, and exercises within the framework of STEM-education as effective conditions for the formation of professional ICT-competence when teaching programming to future computer science teachers and IT-experts.
Keywords: informatics; computer science; teaching programming; flipped classroom; problem-semiotic approach; STEM-education; ICT-competence; special competencies of informatics teachers.
В настоящее время наблюдается тенденция перехода к информационному обществу. Информатизация проникает во все области профессиональной деятельности. В 2017 г. Правительством Российской Федерации при поддержке успешных российских высокотехнологических компаний была разработана и утверждена программа по созданию условий для перехода страны к цифровой экономике [1]. Большинство организационных структур используют достижения информационных технологий (ИТ) для обеспечения бесперебойной работы департаментов своих подразделений (кадры, финансы, производство и безопасность), которые могут находиться на другом конце света. Активное применение средств информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) ведет к существенному повышению эффективности работы организаций. Сфера образования не является исключением. Еще в 2004 г. началась реализация масштабного федерального проекта «Информатизация системы образования», благодаря которому сегодня персональные компьютеры с доступом в интернет стали одним из основных средств осуществления образовательного процесса.
Зарождается новая система подготовки кадров для четвертой промышленной революции, которая получила название «Индустрия 4.0». «Индустрия 4.0» - это новая парадигма глобального внедрения киберфизических систем и инструментов в производственные и социальные процессы, быт, досуг, трудовые отношения. С высокой вероятностью такое внедрение повлечет за собой коренные изменения в экономике, промышленности и человеческом социуме в целом. Иными словами, это концепция массового использования киберфизических систем для обеспечения нужд человеческого общества. Реализация концепций данной парадигмы в рамках перехода к цифровой экономике и информационному обществу ставит перед существующей системой образования задачу постоянной подготовки высококвалифицированных специалистов в области ИТ, в частности программистов. Проблема подготовки программистов существует с середины XX в. Причиной ее возникновения являлась автоматизация и механизация производства и, как следствие, острая нехватка операторов персональных компьютеров (ПК) [2. С. 13-18]. Сегодня обучение программированию является серьезным вызовом, продиктованным нуждами ИТ-индустрии, испытывающей нехватку профессионалов, обладающих необходимыми знаниями, навыками и опытом. Основная проблема заключается в сопоставимости срока жизненного цикла технологии со сроком обучения специалиста. Угроза утраты актуальности полученных в ходе обучения знаний и навыков на момент окончания учебного заведения становится все более ощутимой. Так, образовательный процесс должен постоянно перестраиваться с точки зрения актуализации учебных программ и переосмысления традиционных подходов к обучению в соответствии с текущими требованиями к специалистам сферы информационных технологий [3. С. 14-19].
Подготовка будущих учителей и ИТ-специалистов невозможна без высококвалифицированных преподавателей компьютерных наук, обладающих знаниями и навыками применения средств ИКТ в образовательном процессе. Использование достижений информационно-коммуникационных технологий в качестве эффективного средства обучения требует от преподавателя дополнительных знаний и умений - ИКТ-компетентности. Под ИКТ-компетентностью понимают уверенное владение всеми составляющими навыками ИКТ-грамотности для решения задач учебной деятельности [4]. В свою очередь, ИКТ-грамотность - это использование цифровых технологий, инструментов коммуникации и / или сетей для получения доступа к информации, управления ею, ее интеграции, оценки и создания для функционирования в современном обществе [5].
Выделяют следующие уровни овладения ИКТ-компетентностями:
1) базовый - накапливаются базовые знания, умения и владение, необходимые для знакомства с компьютерной грамотностью (минимальное применение ИКТ-средств);
2) технологический - информационно-коммуникационные технологии становятся инструментом в осуществлении прикладной деятельности, например, при оценке качества, средств и форм представления в глобальной сети Интернет программно-технологического и информационного обеспечения;
3) профессиональный - способность преподавателя решать свои профессиональные задачи с использованием ИКТ [6. С. 189-191].
Очевидно, что овладение ИКТ-компетентностями на профессиональном уровне должно стать одним из приоритетных направлений при подготовке будущих преподавателей информатики. Однако одно лишь наличие пользовательских навыков работы с персональным компьютером и мультимедиа-средствами для преподавателя на сегодняшний день не является достаточным. Профессиональную ИКТ-компетентность в соответствующей области профессиональной деятельности (в данном случае в преподавании компьютерных наук) отражает предметно-педагогическая ИКТ-компетентность. В профессиональном стандарте педагога один из элементов компетентности предметно-педагогического компонента обозначен следующим образом: «Конструирование виртуальных и реальных устройств с цифровым управлением (технология, информатика)» [7]. Очевидно, что для создания устройств с цифровым управлением преподавателю необходимы навыки программирования. Более того, перед системой образования на сегодняшний день стоит задача подготовки высококвалифицированных программистов, что означает необходимость формирования у студентов соответствующих специальных компетенций. Учитель должен владеть этими компетенциями, в противном случае подготовка студентов к будущей профессиональной деятельности разработчиков будет носить поверхностный характер, что приведет к существенному разрыву между содержанием обучения и реальными требованиями, предъявляемыми к программисту на рабочем месте. Таким образом, целесообразно включить в понятие «предметно-педагогическая ИКТ-компетентность» владение профессиональными компетенциями, формируемыми при углубленном изучении программирования, которое советский ученый, пионер теоретического и системного программирования, создатель Сибирской школы информатики Андрей Петрович Ершов определил как вторую грамотность [8]. В свою очередь, известнейший теоретик в области разработки языков программирования, профессор компьютерных наук Швейцарской технической школы и создатель языков программирования Паскаль, Модула-2 и Оберон Никлаус Вирт в своей приветственной речи на открытии Международной конференции по преподаванию информатики ШС8Б высказал идею о том, что программирование является, возможно, самой важной дисциплиной постиндустриальной эры. Изучение программирования на углубленном уровне дает будущему преподавателю возможность использования языков программирования как инструмента для решения своих профессиональных задач, например, для организации личного информационного пространства и разработки электронного учебно-методического комплекса. Необходимым условием для этого является сформированность ряда специальных компетенций у будущих учителей информатики, основными из которых являются:
1) СК-2: способность использовать математический аппарат, методологию программирования и современные компьютерные технологии для решения практических задач получения, хранения, обработки и передачи информации;
2) СК-5: способность использовать современные информационные и коммуникационные технологии для создания, формирования и администрирования электронных образовательных ресурсов [9].
Развитие данных компетенций происходит в процессе изучения таких дисциплин, как:
1) информационные системы;
2) основы математической обработки информации;
3) программирование;
4) web-дизайн и др.
Федеральные государственные образовательные стандарты высшего образования по направлениям подготовки «Информационные системы и технологии» и «Педагогическое образование» определяют, что выпускник обязан владеть знаниями, умениями и практическим опытом в области объектно ориентированного, логического и web-программирования [10. С. 45-48]. Такой опыт позволяет будущему преподавателю лучше разбираться в тонкостях реального процесса разработки программных продуктов и, соответственно, качественнее обучать программированию студентов (будущих ИТ-специалистов). Более того, учитель, занятый параллельно практикой в области программирования, безусловно, владеет наивысшим уровнем ИКТ-компетентности. Однако сформировать необходимый для профессионального программирования уровень знаний и навыков при подготовке преподавателя информатики очень непросто. Проблема заключается в противоречиях между существующими образовательными программами, на основе которых построено обучение программированию, и реальными задачами, которые ставятся перед специалистами по программированию, имеющими профессиональную занятость в современной ИТ-индустрии. Для устранения этих противоречий необходимо провести переосмысление существующих методик обучения программированию с точки зрения отражения в содержании обучения аспектов реального процесса создания программного продукта и действий, выполняемых профессиональными программистами в ходе этого процесса.
Существует множество различных методик обучения программированию. Высшие учебные заведения аккумулируют многолетний опыт ведения учебной деятельности для разработки эффективных образовательных программ. Например, в основе подготовки профессиональных программистов на базе Томского государственного университета лежат следующие основные принципы: фундаментальность (ориентированность на концептуальные долговременные закономерности), профессионализм (развитие определенного подхода к решению профессиональных задач), широта образовательного профиля (расширение набора специализаций с учетом нюансов местного рынка труда), а также развитие общего культурного уровня (общая эрудиция, способность к эффективной коммуникации и т.д.) [11. С. 8-16]. Помимо общих подходов к обучению программированию, в достаточной степени используются инновационные, заключающиеся в применении различных технологий. Так, обучение программированию в Томском государственном педагогическом университете проходит с использование системы Ejudge [12. С. 109-111]. Данное средство позволяет автоматически проверять корректность разработанных программ. Программное обеспечение устанавливается на сервере и имеет web-интерфейс, позволяющий работать с системой из любого места с доступом в интернет. В Ejudge встроены компиляторы для большинства популярных языков программирования. Также имеется возможность задавать предельные значения на время работы программы и использовать память, что позволяет наряду с правильностью выходных данных проверить эффективность программы.
Методика обучения программированию базируется на научном подходе. В настоящее время в обучении программированию применяются такие подходы, как системный, деятельностный, когнитивный, проблемный, семиотический и др. Положения каждого из перечисленных подходов частично или полностью находят свое отражение при построении учебного процесса, однако проблемный и семиотический подходы в силу ряда причин могут быть признаны основополагающими [13. С. 216-217]. Суть проблемного подхода заключается в решении неких «проблемных» ситуаций (задач), т.е. данный подход в полной мере опирается на практическую составляющую. Безусловно, в процессе профессиональной разработки программного обеспечения ставится некая общая цель, для достижения которой формулируются задачи, декомпозирующиеся, в свою очередь, на подзадачи. Соответственно, суть деятельности специалиста-разработчика сводится к решению этих подзадач. Применение семиотического подхода продиктовано знаковой природой языков программирования. Без знания синтаксиса языка программирования и понимания его семантики не получится написать даже простейшую программу. Суть применения семиотического подхода сводится к развитию у обучающихся специальных знаково-символических действий (замещение, кодирование, схематизация и моделирование), необходимых как для будущего специалиста в области разработки программного обеспечения, так и для будущего учителя. Умение выделять алгоритмические структуры из рассуждений в формулировках задач (детализировать процесс перевода алгоритма решения с естественного языка на формальный язык программирования и выделять его подэтапы) также является определяющим в процессе программирования.
Важнейшим условием, влияющим на качество обучения программированию, является раскрытие реального процесса разработки программного обеспечения. Процесс программирования не может быть раскрыт только с помощью статичных обучающих материалов (учебники, слайд-презентации, конспекты лекций и др.). Они могут быть полезны во время представления законченной программы, но не для демонстрации динамического процесса ее разработки. Для этой цели лучше всего подходят видеозаписи работы профессионального программиста в ходе решения некоторой задачи (захват изображения на экране монитора с комментариями). Просматривая такие видеозаписи, обучающиеся видят, как опытный специалист среди возможных методов решения задачи выбирает оптимальный, обращается к онлайн-документации, осуществляет отладку и оптимизацию программы для получения эффективного и хорошо читаемого программного решения. Для создания видеозаписей могут быть использованы такие программы, как Flash Back Express или OBS Studio. Они не имеют ограничений по длительности записи и не накладывают на видео в качестве водяного знака свой логотип. Также имеются встроенные средства обработки видео.