Методика проективно-рекурсивного обучения программированию студентов математических направлений подготовки

Актуальность исследования. В настоящее время перед высшей школой стоит задача эффективной, практико-ориентированной и системной подготовки специалистов, социально и профессионально адаптированных к вызовам информационного общества и требованиям работодателей, особенно в высокотехнологичных и наукоёмких сферах труда.
Важность этой задачи отмечена во многих государственных документах, например, в дорожной карте «Развитие отрасли информационных технологий на 2013-2018 гг.» указано на приоритетное «развитие человеческого капитала за счет повышения уровня образования в области информационных технологий, включая развитие физико-математического и профильного образования» [115].
Базовый курс программирования традиционно включается в учебные планы подготовки бакалавров математических направлений. С введением новых Федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования (ФГОС ВПО), ориентированных на компетентностную модель подготовки и оценивания результатов обучения выпускников вуза, значимость данного курса повышается в силу того, что он способствует формированию у них профессиональных и общекультурных компетенций. Так, в ФГОС ВПО по направлению подготовки 01.03.02 «Прикладная математика и информатика» указана «способность к разработке и применению алгоритмических и программных решений в области системного и прикладного программного обеспечения» как базовый структурный элемент компетентностной модели выпускника (ОПК-3, ПК-7), а «изучение и разработка языков программирования, алгоритмов, библиотек и пакетов программ» является профессиональной задачей, которую выпускник готов решать [118]. Важным аспектом обучения программированию является то, что программирование, как системная интеллектуальная деятельность, оказывает существенное влияние на развитие когнитивных способностей обучающихся, в том числе алгоритмического и системного мышления. Академик А.П. Ершов указывал на
5
такие качества программиста, как «способность планировать собственные действия, вырабатывать общие правила и способ их применения к конкретной ситуации, организовывать эти правила в осознанную и выразимую структуру» [58, с.99].
Вопросы теории и практики обучения программированию в школьном и вузовском образовании были поставлены в трудах многих видных отечественных и зарубежных ученых (А.П. Ершов, С. Пейперт, Э. Соловей, Л.А. Робертсон, В.М. Монахов, А.А. Кузнецов, А. Г. Гейн, И.Г. Семакин, Ю.А. Первин, Г.А. Звенигородский, Н.Д. Угринович, М.В. Швецкий, В.Е. Жужжалов, А.Р. Есаян, А. Шень и др.). Вместе с тем, следует отметить, что, в условиях смены парадигмы высшего образования, реализации новых ФГОС ВПО и профессиональных стандартов, традиционные методические системы обучения программированию не отвечают требованию стать метакогнитивным средством формирования профессиональных и общекультурных компетенций. Ряд исследований и учебных пособий посвящены методике обучения программированию студентов- математиков (А.Г. Кушниренко, Г.В. Лебедев, С.С. Лавров, И.А. Кудрявцева, А.Е. Люлькин, С.А. Григорьев, О.В. Смирнова, А.Н. Салангина и др.) [49], [78], [80], [83], [94], [144], [155]. Тем не менее, следует отметить, что основное внимание в них уделено содержательному компоненту методической системы – отбору специфических математико-ориентированных задач, что, несомненно, имеет практическую ценность, но недостаточно для полноценной методической системы обучения программированию в современных условиях. Как указывает И.В. Роберт, в условиях информатизации образования одним из направлений развития дидактики становится «разработка методических систем обучения, реализующих идеи конвергенции педагогической науки и наукоемких технологий и ориентированных на изменение структуры представления учебного материала, обеспечивающих отбор изучаемого материала адекватно личностным предпочтениям обучающегося …» [140, c.118].
Эффективная и продуктивная методика в любой предметной области, позволяющая повысить качество обучения, должна учитывать изменения,

6
происходящие в самих обучающихся. Современное поколение школьников и студентов сейчас принято называть «сетевым» или «цифровым» поколением. На формирование мышления этого поколения оказывают влияние экспоненциально растущий поток информации, зачастую агрессивная визуальная среда, использование цифровых технологий с самого детства, постоянный доступ в Интернет с помощью компьютеров и мобильных устройств. В психологических исследованиях используется понятие «клиповое» мышление». Это образное наименование реально фиксируемых фактов фрагментарности восприятия и обработки информации, утраты её целостности, ухудшения способности обучаемых к обобщению и систематизации. В этой связи необходимо пересмотреть методы и средства обучения программированию, которые отвечали бы возможностям и интересам современных студентов. Следует ожидать дидактического эффекта от удачных сочетаний традиционных технологий обучения с инновационными, опирающимися в большей степени на когнитивный подход в обучении, целью которого является развитие «всей совокупности умственных способностей и стратегий, делающих успешным процесс обучения и адаптации к новым ситуациям» [4]. Концепция когнитивного обучения в психолого-педагогической теории и практике сформировалась на основе классических работ отечественных и зарубежных ученых: Л.С. Выготского, С.Л. Рубинштейна, Э.Ч. Толмена, Дж.С. Брунера, Р.Ч. Аткинсона, Г.Э. Гарднера, Б.М. Теплова, М.С. Шехтера, Г. С. Альтшуллера, Б.М. Величковского и др.
В процессе обучения программированию первокурсников математических направлений подготовки возникает ряд проблем, обусловленных как объективными, так и субъективными причинами. Некоторые факторы, оказывающие влияние на процесс обучения программированию, способствуют этому процессу (например, совершенствование вычислительной техники и программного обеспечения, разнообразие технологий и платформ программирования), другие имеют негативный характер воздействия (например, сложность предметной области программирования). К тому же, фактическое отсутствие конкурса на математические специальности среди абитуриентов

7
определяет низкий уровень практических навыков программирования, неразвитые алгоритмическую культуру и системное мышление у многих студентов 1 курса. Серьёзную проблему представляет недостаточная мотивация студентов к учебной деятельности, обусловленная их слабой профессиональной осведомленностью и сложностью как собственно математических дисциплин, так и теории и практики программирования. Существенно повысить мотивацию студентов к обучению программированию, обеспечить качество обучения и достижение планируемых образовательных результатов возможно на основе проективно-рекурсивной стратегии (Н.И. Пак). Суть этой стратегии – в реализации двух базовых принципов. Принцип проективности можно сформулировать как «будущее определяет настоящее», т.е. будущая профессиональная деятельность обучающихся проецируется на настоящий учебный процесс, в ходе которого моделируются условия для решения возможных профессиональных задач с помощью реализации личного проекта. Принцип рекурсивности предполагает, что необходимым компонентом процесса обучения является создание самими обучающимися образовательных ресурсов, которые используются в этом же учебном процессе.
Таким образом, в процессе исследования проблемной области были выявлены следующие противоречия:
– на социально-педагогическом уровне: между требованиями современного общества, выраженными в ФГОС ВПО, профессиональных стандартах, к выпускникам математических направлений подготовки, обладающих сформированными компетенциями в области программирования, развитыми когнитивными способностями, и неготовностью традиционных методических систем обучения программированию обеспечить эти требования;
– на научно-педагогическом уровне: между необходимостью обновления методов и средств обучения программированию, учитывающих личностный потенциал и индивидуальные ментальные характеристики каждого студента и недостаточной теоретико-практической базой исследований в области

8
использования инновационных и когнитивных технологий в обучении студентов программированию;
– на научно-методическом уровне: между возможностью повысить эффективность подготовки студентов в предметной области программирования, развить их алгоритмическое и системное мышление за счет потенциала информационно-коммуникационных и когнитивных технологий, и отсутствием подобных методик обучения программированию в условиях реализации федеральных государственных образовательных стандартов.
Перечисленные противоречия определяют проблему исследования: какой должна быть современная методика обучения программированию студентов математических направлений подготовки, обеспечивающая достижение требуемых результатов обучения в условиях использования информационно- коммуникационных и когнитивных технологий и реализации ФГОС ВПО.
Объект исследования – процесс обучения программированию студентов математических направлений подготовки.
Предмет исследования – методика обучения программированию студентов-первокурсников математических направлений подготовки с использованием когнитивных технологий обучения на основе проективно- рекурсивной стратегии.
Цель исследования:
Теоретически обосновать и применить проективно-рекурсивную стратегию к обновлению компонентов методической системы обучения программированию студентов математических направлений подготовки, разработать методику их обучения с использованием когнитивных технологий, обеспечивающую достижение соответствующих ФГОС ВПО результатов обучения.
Постановка и анализ проблемы исследования, указанные объект и предмет исследования, а также поставленная цель позволяют сформулировать гипотезу исследования: проектируемые результаты обучения у студентов математических направлений подготовки при обучении программированию будут достигнуты,

9
если применить методику, опирающуюся на проективно-рекурсивные компоненты методической системы их обучения, в которой:
– целевой компонент определяется путем переориентации курса в средство достижения планируемых результатов обучения на трех уровнях: дисциплинарном, профессиональном и метадисциплинарном;
– содержательный компонент формируется на основе разноуровневых учебных элементов;
– технологический компонент содержит традиционные и когнитивные средства и методы, нацеленные на: а) смещение представления учебной информации от текстовой к образной форме за счет визуализации; б) вовлечение студентов в разработку электронного курса программирования в среде LMS MOODLE, программных продуктов для проектов межвузовской кооперации, ИТ- бизнеса, исследовательских проектов учебной практики; в) разработку и применение информационных ресурсов ментального типа (ментальные карты, концептуальные карты) как средств обучения и средств диагностики и контроля результатов обучения программированию;
– результативно-оценочный компонент содержит комплекс измерителей уровней алгоритмического и системного мышления, критериальных и порядковых оценок качества программных продуктов, оценок дисциплинарных, профессиональных и метадисциплинарных результатов обучения.
Для достижения поставленной цели и проверки сформулированной гипотезы исследования определим следующие задачи:
1. Выявить методические особенности, принципы и требования к процессу обучения программированию студентов математических направлений подготовки в современных условиях.
2. Обосновать проективно-рекурсивную стратегию и использование когнитивных технологий обучения студентов программированию.

10
3. Уточнить понятия «результаты обучения программированию», «алгоритмическое мышление», «системное мышление» в контексте когнитивного подхода.
4. Разработать структурно-логическую и процессуальную модели обучения программированию будущих бакалавров-математиков и на их основе осуществить обновление компонентов методической системы.
5. Разработать методику обучения программированию студентов- математиков с позиций проективно-рекурсивной стратегии обучения и использования когнитивных технологий.
6. Провести педагогический эксперимент по апробации методики проективно-рекурсивного обучения программированию студентов- математиков в реальном учебном процессе и оценить эффективность разработанной методики.
Теоретико-методологические основы исследования:
– концепция деятельностного подхода (Л.С. Выготский, А.Р. Лурия, А.Н.Леонтьев, П.Я. Гальперин, Д.Б. Эльконин, В.В. Давыдов, Л.В. Занков, А.В. Запорожец, Л.И. Божович, В.П. Зинченко и др.);
– концепция системного подхода (Б.Г. Ананьев, Б.Ф. Ломов, В.Г. Афанасьев, И.В. Блауберг, В.Н. Садовский, Э.Г. Юдин, Ю.К. Бабанский, П.И. Пидкасистый, В.В. Краевский, И.Я. Лернер, Г.П. Щедровицкий, А.Г. Асмолов, В.П. Беспалько, З.А. Решетова и др.);
– концепция компетентностного подхода (И.А. Зимняя, В.И. Байденко, Ю.Г. Татур, А.В. Хуторской, А.А. Вербицкий, А.П. Тряпицина, В.В. Сериков, Л.В. Шкерина и др.);
– концепция проективной стратегии в обучении (Н.И. Пак, Г.Л. Ильин, В.С. Безрукова, И.А. Колесникова, И.В. Богомаз и др.);
– фундаментальные труды и научные исследования в области когнитивной психологии (У. Найссер, Ж. Пиаже, Дж. Брунер, Дж. Андерсон, Р. Солсо, Ж.Ф. Ришар, Г.А. Саймон, А. Ньюэлл, Ф.Ч. Бартлетт, Ф. Джонсон-Лэйрд,

11
Б.М. Величковский, Л.М. Веккер, М.А. Холодная, К.А. Абульханова-Славская, К.В. Анохин, Т.В. Черниговская и др.);
– исследования в области теории, практики и методики обучения программированию (Д. Кнут, Э. Дейкстра, Н. Вирт, Б. Страуструп, А.П. Ершов, Г.С. Цейтин, А.Г. Гейн, А.Г. Кушниренко, И.Г. Семакин, Е.К. Хеннер, Н.Д.Угринович, М.П. Лапчик, К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, А.П. Шестаков, В.Е. Жужжалов, С.М. Окулов, Л.З. Шауцукова, А.А. Дуванов и др.).
Для проверки выдвинутой гипотезы и решения поставленных задач в процессе работы над диссертационным исследованием использовались следующие методы:
– теоретические (изучение, анализ и обобщение научной, методической, психолого-педагогической и специальной литературы в проблемной области; сравнительный анализ Федеральных государственных стандартов высшего профессионального образования 3 поколения и версии ФГОС ВПО 3+, учебных пособий и методических разработок по программированию; изучение материалов научно-практических конференций и материалов по теме исследования, представленных в сети Интернет; обобщение и систематизация педагогического опыта и научных положений по теме исследования; моделирование и педагогическое проектирование;
– эмпирические (наблюдение, опрос, анкетирование, тестирование, педагогический эксперимент, проектирование, реализация и апробация контента электронного курса, визуализация результатов эксперимента);
– статистические методы (количественный и качественный анализ результатов).
Организация и этапы исследования. Экспериментальная работа по теме исследования проводилась с 2011 по 2015 годы на базе Института математики и фундаментальной информатики Сибирского федерального университета (ИМиФИ СФУ). В педагогическом эксперименте участвовали 124 студента 1-го курса направлений подготовки 01.03.01 «Математика» и 01.03.02 «Прикладная математика и информатика», обучавшихся по дисциплинам «Основы

12
информатики», «Информатика и программирование», «Языки и методы программирования».
Этапы проведения эксперимента:
Первый этап (2011-2012 гг.) – концептуально-констатирующий. Включал в себя изучение предметной области, анализ литературы по теме исследования, проведение констатирующего эксперимента для выявления проблемы, целей, задач и методов исследования.
Второй этап (2012-2014 гг.) – поисково-формирующий: уточнение и корректировка теоретического обоснования методики, проектирование электронного обучающего курса, проведение формирующего эксперимента.
Третий этап (2014-2015 гг.) – заключительный: анализ и обобщение результатов педагогического эксперимента, формулирование основных положений исследования, оформление диссертации.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
1. Выполнено обоснование, моделирование и обновление компонентов методической системы обучения студентов программированию с позиции проективно-рекурсивной стратегии, обеспечивающее:
– индивидуализацию обучения;
– высокую мотивацию студентов к учебной и исследовательской деятельности;
– ответственность студентов за собственные результаты обучения и продукты учебной и проектной деятельности;
– профессионально-ориентированное обучение.
2. На этой основе теоретически обоснована, разработана и
экспериментально апробирована в реальном учебном процессе методика проективно-рекурсивного обучения программированию студентов математических направлений подготовки классических университетов, которая обеспечивает достижение результатов обучения:
– повышение уровней алгоритмического и системного мышления за счет использования когнитивных технологий;

13
– высокий уровень обученности программированию в виде знаний, понимания и умений в предметной области.
Теоретическая значимость исследования:
– уточнены понятия «алгоритмическое мышление», «системное мышление» на основе информационного и когнитивного подходов в современных условиях;
– предложена модель планируемых результатов обучения программированию студентов-математиков;
– сформулированы принципы отбора содержания методической системы на основе проективно-рекурсивной стратегии и когнитивных технологий обучения;
– с учетом данных принципов построена структурно-логическая и процессуальная модели обучения базовому курсу программирования студентов математических направлений подготовки;
– определены критерии оценки уровня сформированности алгоритмического и системного мышления и освоения базового курса программирования на основе предложенной модели результатов обучения программированию и компетентностного подхода.
Практическая значимость исследования:
– разработан и внедрен в реальный учебный процесс электронный обучающий курс «Программирование на языке С/С++» для студентов 1 курса Института математики и фундаментальной информатики СФУ. Курс разработан в системе дистанционного обучения Moodle, доступ по учетным записям сервисов СФУ после авторизации по ссылке: http://study.sfu-kras.ru/course/view.php?id=557;
– предложенные методические приемы и формы, разработанные визуальные средства обучения программированию могут быть использованы во вводных и базовых курсах программирования по другим направлениям подготовки бакалавров.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационного исследования обеспечиваются теоретико-методологическими основами исследования, опорой на современные научные достижения в области педагогики и когнитивной науки, анализом и обобщением педагогического опыта

14
преподавателей программирования, соответствием теоретических и эмпирических методов исследования поставленным целям и задачам, апробацией результатов исследования в реальном учебном процессе.
Личный вклад соискателя в получении результатов, изложенных в диссертации, состоит в самостоятельной работе по исследованию проблемной области, моделированию обновленных компонентов методической системы обучения программированию, разработке и апробации в реальном учебном процессе методики проективно-рекурсивного обучения программированию с использованием когнитивных технологий студентов-математиков, проектированию и реализации электронного обучающего курса «Программирование на С/С++», который используется для обучения первокурсников Института математики и фундаментальной информатики СФУ с 2012 г. по настоящее время. В процессе диссертационного исследования и реализации предложенной методики были опубликованы полученные результаты, в том числе, в журналах из перечня ВАК, разработаны и реализованы студенческие проекты под руководством автора в рамках межвузовской кооперации студентов и преподавателей разнопрофильных вузов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Обновление компонентов методической системы обучения студентов программированию с целью достижения планируемых результатов обучения и удовлетворения социальным и профессиональным требованиям к выпускникам математических направлений подготовки целесообразно осуществлять с позиций проективно-рекурсивной стратегии обучения.
2. Проективно-рекурсивные содержательный и технологический компоненты методической системы обучения студентов программированию, включающие традиционные и когнитивные средства и методы, обеспечивают:
– индивидуализацию процесса обучения;
– высокую мотивацию студентов к обучению;
– ответственность за собственные результаты обучения и продукты учебной деятельности;

15
– профессионально-ориентированное обучение.
3. Реализация в учебном процессе методики проективно-рекурсивного обучения программированию студентов математических направлений подготовки, использующая информационно-коммуникационные и когнитивные технологии, обеспечивает достижение планируемых результатов обучения.
Апробация результатов исследования. Материалы и результаты исследования обсуждались на межвузовском научно-исследовательском семинаре- вебинаре «Информационные технологии и открытое образование» на базе КГПУ им. В.П. Астафьева, на научно-методических семинарах базовой кафедры вычислительных и информационных технологий СФУ, отражены в публикациях и выступлениях на международных научных и научно-практических конференциях («Информационные ресурсы в образовании» – Нижневартовск, 2012 г.; «Современные материалы, техника и технология» – Курск, 2012 г.; «Человек, семья и общество: история и перспективы развития» – Красноярск, 2013 г.; «Решетневские чтения» – Красноярск, 2013 , 2014 гг.; «Фундаментальная информатика, информационные технологии и системы управления: реалии и перспективы. FIITM-2014» – Красноярск, 2014 г.), на Всероссийских конференциях с международным участием («Открытое образование: опыт, проблемы, перспективы» – Красноярск, 2011 г., «Информатика и информационные технологии» – Челябинск, 2013 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Интегрированная система профессионального образования: проблемы и пути развития» – Красноярск, 2012 г. По теме исследования опубликовано 14 работ ([6]–[19]), в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и опубликованы 3 работы, выполненные студентами под руководством автора [39], [46], [75].
Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс Института математики и фундаментальной информатики Сибирского федерального университета в виде электронного обучающего курса. Данный курс находится в открытом доступе, им могут воспользоваться студенты других направлений подготовки и преподаватели.

16
Структура диссертации. Работа состоит из введения, двух глав, которые включают семь параграфов, заключения, библиографического списка и приложений. Текст диссертации содержит 30 рисунков, 7 таблиц.