Визуализация знания как метод когнитивного подхода к обучению программированию Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

УДК 378.147

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЗНАНИЯ КАК МЕТОД КОГНИТИВНОГО ПОДХОДА К ОБУЧЕНИЮ ПРОГРАММИРОВАНИЮ

И. В. Баженова

Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 Е-mail: apkad@ya.ru

Приступая к изучению курса программирования, многие студенты-первокурсники испытывают значительные затруднения. В статье предлагается использовать для обучения программированию такие средства визуализации знания, как концептуальные и ментальные карты и визуализацию алгоритмов. Методика базируется на когнитивном подходе к обучению, позволяющем учитывать когнитивные особенности обучаемых.

Ключевые слова: обучение программированию, визуализация знания, концептуальные карты, ментальные карты, визуализация алгоритмов, когнитивные технологии.

KNOWLEDGE VISUALIZATION AS COGNITIVE METHOD IN PROGRAMMING

TRAINING

I. V. Bazhenova

Siberian Federal University 79, Svobodny prosp., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation Е-mail: apkad@ya.ru

The significant difficulties are faced by many first-year students when learning to program. This article considers a opportunity of using the mind maps, concept maps and algorithm visualizations on the programming course. The research based on the cognitive approach in learning theory.

Keywords: programming training, knowledge visualization, concept maps, mind maps, algorithm visualization, cognitive technology.

Организация эффективного процесса обучения программированию студентов-первокурсников является актуальной и сложной задачей для преподавателя высшей школы. Продолжающаяся реформа высшего образования, переход к новым образовательным стандартам (ФГОС ВПО 3 поколения) и их модернизация (ФГОС 3+) ставят перед высшей школой задачу подготовки специалистов, удовлетворяющих требованиям современного информационного общества и, в частности, профессиональным требованиям потенциальных работодателей. Курс программирования -необходимый компонент учебного плана, реализующего подготовку студентов инженерно-технических и физико-математических специальностей. Предметом нашего исследования является методика обучения базовому курсу программирования студентов-первокурсников математических направлений подготовки. В данной статье рассматривается необходимость включения в такую методику широкого спектра средств и методов визуализации.

Анализируя проблемы, возникающие в ходе обучения программированию студентов-первокурсников, можно разделить их на две группы с точки зрения субъектов образовательного процесса:

- Для преподавателя возникают трудности в первую очередь, из-за чрезвычайно разного уровня подготовки по программированию вчерашних абитуриен-

тов: от уровня незнания основ алгоритмической грамотности (что подтверждается результатами входного тестирования, проводимого в течение нескольких лет в Институте математики и фундаментальной информатики Сибирского федерального университета) до уровня практически профессиональных программистов.

- Для студентов это проблемы психологического характера: возникает противоречие между переходом во «взрослую», зачастую самостоятельную жизнь (для иногородних студентов) и неготовностью к самостоятельной жизни и учебной деятельности. Серьёзную проблему представляет низкая мотивация к обучению и слабая профессиональная осведомленность первокурсников.

Следует отметить, что это лишь часть проблем, с которыми приходится иметь дело и студентам, и преподавателям. Вышесказанное обуславливает актуальность исследований в области разработки эффективных предметных методик и стратегий преподавания базовых дисциплин, в частности, программирования.

Одной из возможностей, реализующих индивидуализацию обучения программированию, является использование когнитивных образовательных технологий. Когнитивные технологии, получающие все большее распространение в последние годы, базируются на успехах многих наук - нейрофизиологии,

биофизики, психологии, компьютерных наук. В исследовании [1, с. 5] дано следующее определение: «когнитивные технологии - способы и алгоритмы достижения целей субъектов, опирающиеся на данные о процессах познания, обучения, коммуникации, обработки информации». Главной целью их применения в учебном процессе и самообразовании служит существенное улучшение восприятия и понимания, и, следовательно, усвоения учебного материала. Важная роль в развитии и активизации когнитивных процессов обучаемых принадлежит средствам и методам визуализации.

Современные нейрофизиологические и психофизиологические исследования мозга человека показывают, что 80-90 % информации подавляющее большинство людей получают через органы зрения, т. е. являются «визуалами». Кроме этого, в эпоху Интернета возникает необходимость учета особенностей сенсорного восприятия и мышления современного поколения школьников и студентов, которое принято теперь называть «сетевым» или «цифровым поколением». На формирование мышления молодых людей оказывают влияние экспоненциально растущий поток информации, зачастую агрессивная визуальная среда, цифровые технологии, используемые ими с самого детства, постоянный доступ к компьютеру и Интернету. Для «сетевого поколения» характерно так называемое «клиповое» мышление и «панорамность восприятия». Это образное описание реально фиксируемых фактов того, что информация воспринимается и обрабатывается фрагментарно, теряется целостность и системность восприятия, способность к анализу и принятию решений. В то же время исследователи (например, Дон Тапскотт в своей известной книге «Grown up digital: how the Net Generation is changing the world») отмечают и положительные тенденции. Постоянное пребывание молодых людей в мультимедийной среде улучшает их зрительное восприятие и ориентацию в пространстве, способность ориентироваться и функционировать в виртуальном мире в условиях многозадачности и параллельности. Таким образом, в учебном процессе, субъектами которого являются представители «сетевого поколения», возрастает роль хорошо структурированной и визуализированной учебной информации.

Переход к постиндустриальному информационному обществу, широкое распространение информационно-коммуникационных технологий, многочисленные научные исследования в области психологии и искусственного интеллекта вызвали к жизни появление многих новых терминов, связанных с классическим дидактическим принципом наглядности: «визуальное мышление», «визуализация», «визуальная грамотность», «визуальная коммуникация», «визуальное обучение».

Российский психолог В. П. Зинченко предложил следующее определение понятия «визуальное мышление»: «Это человеческая деятельность, продуктом которой является порождение новых образов, создание новых визуальных форм, несущих определенную смысловую нагрузку и делающих значение видимым. Эти образы, как и слова языка, отличаются автоном-

ностью и свободой по отношению к объекту восприятия» [2]. Термин «визуальное мышление» ввел американский психолог Р. Арнхейм. Он определил его как мышление посредством визуальных операций. При этом визуальные образы существуют не как иллюстрации к мыслям автора, а становятся конечным проявлением самого мышления. Работы Арнхейма положили начало современным исследованиям о роли образных явлений в когнитивной деятельности.

Собственно термин «визуализация» используется в разных аспектах, например, различают внешнюю и внутреннюю визуализацию. Внешняя визуализация -это процесс представления информации, данных, знания в виде изображения с целью максимального удобства их восприятия, понимания и анализа. Результатом визуализации является визуальная модель - зрительно воспринимаемое представление (образ), имитирующее сущность объекта познания. В когнитивной психологии и философии под визуализацией понимается «вынесение в процессе познавательной деятельности из внутреннего плана во внешний план мыслеобразов, форма которых стихийно определяется механизмом ассоциативной проекции» [3]. Показательным является то, что такое определение появилось в ходе научных исследований в области искусственного интеллекта. Весьма близким по смыслу является интерпретация термина, данная А. А. Вербицким: «процесс визуализации - это свертывание мыслительных содержаний в наглядный образ; будучи воспринятым, образ может быть развернут и служить опорой адекватных мыслительных и практических действий» [4]. Таким образом, мы можем говорить о внешней визуализации (представлении готового образа, заданного извне) и внутренней визуализации (создании визуального образа внутри и продуцировании его во внешний мир). Кроме того, необходимо различать визуализацию знания, визуализацию информации и визуализацию данных.

Визуальная грамотность представляет собой целое направление современной педагогики, в котором исследуются проблемы развития навыков пользования визуальной и аудиовизуальной информацией. Визуальную грамотность можно рассматривать в разных аспектах: как процесс коммуникации между объектом и субъектом восприятия, как взаимодействие элементов зрительного образа с субъектом восприятия и как умение субъекта адекватно воспринимать и продуцировать зрительные образы [5]. В процессе визуальной коммуникации взаимодействуют три компонента: субъект, объект, средства коммуникации (или окружающая среда). Понятие «визуального обучения» можно трактовать как обучение на основе развития и использования визуального мышления обучаемых с использованием средств и методов визуализации.

В настоящее время существует огромное количество методов, принципов и научных подходов к визуализации. Например, Р. Ленглер и М. Эпплер создали весьма интересную и информативную классификацию методов визуализации, которую назвали «Периодической таблицей методов визуализации» [6]. В ней систематизировано более 100 методов. В образовательной практике используются как традиционные

методы визуального структурирования - различные типы диаграмм, графики, блок-схемы, графы, сети Петри, деревья (относящиеся в основном к визуализации данных и информации), так и более современные методы, позволяющие визуализировать знания, процессы и стратегии - «дорожные» карты (roadmaps), гиперболические деревья, визуальные метафоры, концептуальные карты, ментальные карты и т. д.

Важнейшее значение для процесса обучения имеют методы визуализации знания. Приведем следующее определение: «визуализация знаний - это набор графических элементов и связей между ними, используемый для передачи знаний от эксперта к человеку или группе людей, раскрывающий причины и цели этих связей в контексте передаваемого знания» [7]. Исходя из традиционной классификации знания как декларативного и процедурного, в курсе программирования целесообразно использовать следующую схему:

декларативное знание ^ визуализация понятий программирования и структур данных;

процедурное знание ^ визуализация алгоритмов.

Наиболее удобными средствами визуализации базовых понятий программирования являются концептуальные и ментальные карты.

Идея карты понятий или концептуальной карты (concept map) была предложена Д. Новаком, разработавшим метод обучения на их основе и развившем более раннюю концепцию семантической сети. Ключевые характеристики карт понятий следующие:

1) иерархическое отображение данных: наиболее важные и общие понятия располагаются выше, а менее общие понятия - ниже, главное понятие выносится на самый верх;

2) наличие между понятиями связей, изображаемых стрелками, которые принято подписывать для уточнения характера связи;

3) допустимость перекрёстных связей - они помогают видеть связи между разными частями одной и той же концептуальной карты;

4) наличие примеров событий и объектов, способствующих пониманию отображаемых понятий. Примеры обычно представляют гиперссылками на файлы или веб-сайты.

Ещё одним методом картирования (визуализации с помощью карт), эффективно применяемым в процессе обучения программированию, является техника ментальных карт (интеллект-карт). Идея ментальных карт (mind maps) заключается в одновременном использовании функций левого и правого полушарий мозга для достижения целостного и наглядного представления идеи. В её основе лежит необходимость привлечения чувственных, интуитивных, подсознательных возможностей мышления. Фактически, это переход от последовательного (текстового) изложения к сетевому (образному). Использование термина «mind mapping» связывается с именем Т. Бьюзена, американского психолога и популяризатора науки, предложившего данную технику. Суть ее заключалась в том, что для лучшего понимания любой проблемы, перед человеком эта проблема должна находиться в графическом представлении. Он предложил использовать ментальные карты -

специальные радиальные схемы, на которых изображены в виде логических связей все вопросы, касающиеся решаемой задачи или изучаемого понятия. Таким образом, человек мог охватить одним взглядом всю задачу в целом и интуитивно ее решить. Ментальные карты имеют следующие отличительные черты:

1) в центральном образе визуализируется объект внимания или изучения;

2) основные идеи, связанные с объектом изучения, расходятся от центрального образа в виде ветвей, которые поясняются ключевыми словами или образами;

3) основные идеи можно уточнить путем дальнейшего ветвления;

4) ветви формируют структуру дерева;

5) обход дерева позволяет визуализировать процесс решения задачи или ключевые характеристики изучаемого понятия.

Широкому внедрению рассмотренных методов визуализации в учебный процесс способствует существование и постоянное совершенствование соответствующего программного обеспечения, т. е. возможность компьютерной визуализации знания.

На рисунке приведена ментальная карта по теме «Указатели в языке программирования С++», созданная с помощью программы XMind. На ней в компактном виде отображены основные аспекты, связанные с понятием указателя, включая его объявление, разрешенные операции, применение и программную реализацию. Это пример электронного образовательного ресурса, используемого в курсе программирования для студентов ИМиФИ СФУ. Отметим, что на представленной карте часть информации с примерами программных кодов свернута. Главным преимуществом такого ресурса, на наш взгляд, является то, что студенты имеют возможность не просто ознакомиться с учебной информацией в удобном для восприятия виде, но и редактировать, модифицировать карту в соответствии с собственными когнитивными особенностями.

Важная роль в развитии алгоритмического мышления студентов, улучшении понимания изучаемых алгоритмов, формировании навыков практического программирования принадлежит визуализации алгоритмов. Возможности современного программного обеспечения, практически повсеместный доступ в Интернет, позволяют создавать динамическую визуализацию алгоритмов и пользоваться готовыми сетевыми ресурсами. Задача преподавателя - информировать и сориентировать студентов для поиска наиболее удачных и эффективных анимаций, реализующих изучаемые алгоритмы, например, алгоритмы сортировки элементов массива. В качестве примера рекомендованного к использованию интернет-ресурса можно привести портал Algo Viz (http://algoviz.org) [8]. Если же привлекать к созданию визуализации алгоритмов наиболее подготовленных студентов, можно предположить, что существенно усилится мотивация студентов к изучению теории и практики программирования. Подобный подход к обучению программированию поддерживается в базовом курсе программирования на языке С++ в ИМиФИ СФУ.

Ментальная карта по теме «Указатели в языке С++»

Таким образом, визуализация знания, выступая в качестве универсального метода, позволяющего преобразовать потоки информации, функционирующие в современном мире, в доступные для человеческого восприятия визуальные образы, является мощным инструментом познания. Использование разнообразных средств визуализации в обучении программированию позволяет значительно активизировать познавательную деятельность обучаемых, мотивировать их на самостоятельное овладение знаниями, пробуждать интерес к получению новых знаний. При этом достигаются следующие педагогические цели: развитие когнитивных способностей обучаемых, совершенствование их профессиональной подготовки, индивидуализация, дифференциация и повышение качества и эффективности процесса обучения.

Библиографические ссылки

1. Когнитивный вызов и информационные технологии / Г. Г. Малинецкий [и др.] // Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша. 2010. № 46. 28 с. ИИЬ: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2010-46 (дата обращения: 1.09.2014).

2. Зинченко В. П. Развитие зрения в контексте перспектив общего духовного развития человека // Вопросы психологии. 1988. № 6.

3. Минский М. Фреймы для представления знаний / пер. с англ. О. Н. Гринбаума ; под ред. Ф. М. Кулакова // М. : Энергия, 1979. 151 с.

4. Российская педагогическая энциклопедия: в 2 т. / под ред. В. В. Давыдова. М. : Большая российская энциклопедия, 1999.

5. Вербицкий А. А. Активное обучение в высшей школе: контекстный подход // М. : Высш. шк., 1991. 207 с.

6. Lengler R., Eppler M. A Periodic Table Of Visualization Methods [Электронный ресурс]. URL: http://www.visual-literacy.org/periodic_table/periodic_ table.html (дата обращения: 1.09.2014).

7. Магалашвили В. В., Бодров В. Н. Ориентированная на цели визуализация знаний // Educational Technology & Society. 2008. № 11(1).

8. Getting algorithm visualizations into the classroom / Shaffer C. A., at al. // Proceedings of the 42nd ACM Technical Symposium on Computer Science Education, 2011. P. 129-134.

References

1. Kognitivnihyj vihzov i informacionnihe tekhnologii / G. G. Malineckiyj [i dr.] // Preprintih IPM im. M. V. Keldihsha. 2010. № 46. 28 s. Available at: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2010-46 (date of visit: 1.09.2014).

2. Zinchenko V. P. Razvitie zreniya v kontekste perspektiv obthego dukhovnogo razvitiya cheloveka // Voprosih psikhologii. 1988. № 6.

3. Marvin Minsky A Framework for Representing Knowledge. Per. s angl. O. N. Grinbauma; Pod red. F. M. Kulakova. M. : Ehnergiya, 1979. 151 s.

4. Rossiyjskaya pedagogicheskaya ehnciklopediya : v 2-kh t. // pod red. V. V. Davihdova. M. : Boljshaya rossiyjskaya ehnciklopediya, 1999.

5. Verbickiyj A. A. Aktivnoe obuchenie v vihssheyj shkole: kontekstnihyj podkhod. M. : Vihsshaya shkola, 1991. 207 s.

6. Lengler R., Eppler M. A Periodic Table Of Visualization Methods. Available at: http://www.visual-literacy.org/periodic_table/periodic_table.htm (date of visit: 1.09.2014).

7. Magalashvili V. V., Bodrov V. N. Orientirova-nnaya na celi vizualizaciya znaniyj // Educational Technology & Society. 2008. № 11(1).

8. Getting algorithm visualizations into the classroom / Shaffer C.A., at al. // Proceedings of the 42nd ACM Technical Symposium on Computer Science Education, 2011, p. 129-134.

© Баженова И. В., 2014

УДК 021:378.4

СОВРЕМЕННЫЕ БИБЛИОТЕЧНЫЕ СЕРВИСЫ

Л. Д. Вовк, В. В. Зуенок

Научная библиотека Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, ул. Чайковского, 10 Е-mail: lib@sibsau.ru

Рассматриваются современные тенденции улучшения обслуживания пользователей, связанные с электронными сервисами и услугами. Представлены способы реализации этих сервисов в конкретной библиотеке.

Ключевые слова: электронные ресурсы, электронная книга, сайт, виртуальные выставки, консорциум, распределенный электронный каталог.

MODERN LIBRARY SERVICES

L. D. Vovk, V. V. Zuenok

Scientific Library of the Siberian State Aerospace University named after academician F. M. Reshetnev 10, Tchaikovsky str., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: lib@sibsau.ru

Affected by modern trends improve customer-related e-services. Presents ways to implement these services in a specific library.

Keywords: e-resources, e-book, website, virtual exhibitions, consortium, distributed electronic catalog.

В последнее время развитие университетской библиотеки связано с активным внедрением новых способов обмена информацией, созданием собственных информационных ресурсов, автоматизацией библиотечных процессов, организацией доступа пользователей к мировым информационным ресурсам. В связи с возросшей информационной потребностью клиентов, не мыслящих своей жизни без интернет и электронных полнотекстовых ресурсов, библиотекам пришлось пополнять свои фонды требуемого вида материалом, т. е. организовывать электронную библиотеку. В научной библиотеке СибГАУ эта работа ведется уже на протяжении нескольких лет. Электронную библиотеку условно можно разделить на три составные части: электронную коллекцию собственной генерации, приобретенные ресурсы (платные или тестовые) и другие вспомогательные электронные базы (электронные каталоги, виртуальные выставки, и т. п.)

Принимая во внимание ст. 1274 часть 4 гражданского кодекса РФ, касающуюся авторского права, научная библиотека оцифровывает и переводит в pdf-формат методические пособия преподавателей нашего вуза, авторефераты диссертаций, защита которых проходит в СибГАУ, тем самым защищая эти издания от исправлений. Регулярно пополняется фонд методических и учебных пособий в электронном варианте при сотрудничестве с ЦОО и кафедр. Вся коллекция систематизирована и заархивирована на сервере электронного читального зала, а также часть её передана на сервер Дистанционного Образования для слияния.

Следующей немаловажной частью электронной библиотеки является организация доступа к различным ресурсам посредством консорциума НЭИКОН: зарубежные и русскоязычные книги, периодика, электронные издания. Библиотека обеспечивает поиск этих ресурсов, заключение договоров и контрактов, а также доступ к ним, который организовывается раз-