Формирование программно-алгоритмической компетентности бакалавров информационных направлений при обучении программированию

Актуальность темы исследования. Современный этап развития общества
характеризуется широким внедрением компьютерной техники, новых
информационных технологий, телекоммуникаций, различных видов
документальной связи во все сферы жизнедеятельности человека. Переход к
рыночной экономике обусловил необходимость не столько в специалистах
информационных технологий (ИТ-специалистах), сколько в высоких
профессионалах на стыке управленческих, экономических и информационных
задач.
Гармоничное сочетание информационных технологий и экономики
заключает в себе обучение по направлению «бизнес-информатика», являющееся
относительно новым для образовательной системы России. Поэтому вопрос о
качестве профессиональной подготовки бакалавров по направлению «бизнес-
информатика» является сегодня одним из актуальных.
Среди современных информационных технологий программирование
играет особую роль в связи с интенсивным развитием и активным внедрением
программного и аппаратного обеспечения в бизнес.
В Национальном проекте «Образование», а также модели «Российское
образование – 2020», в федеральных государственных образовательных
стандартах (ФГОС ВПО) в качестве одной из важнейших ценностей граждан
выделено получение качественного образования. Именно оно призвано
обеспечить подготовку компетентного, мобильного и творческого специалиста.
Качество подготовки бакалавров, обучающихся по направлению «бизнес-
информатика», зависит от того, насколько учебный процесс ориентирован на
будущую профессиональную деятельность, которая связана с решением
разнообразных задач обработки, передачи, трансформации протекающих
информационных потоков и процессов в области бизнеса.
Для того чтобы успешно решать поставленные задачи, выпускник вуза
бизнес-информационного профиля должен обладать рядом компетенций и
навыков, подробно описанных в ФГОС ВПО, среди которых владение культурой
мышления, способность к обобщению, анализу, восприятию информации,
постановке цели и выбору путей ее достижения; к выполнению технико-
экономического обоснования проектов по совершенствованию и регламентацию
бизнес-процессов и ИТ-инфраструктуры предприятия; к проектированию и
внедрению компонентов ИТ-инфраструктуры предприятия, обеспечивающих
достижение стратегических целей и поддержку бизнес-процессов.
В основе решения профессиональных задач лежит построение различных
алгоритмов, их анализ, оценка и выбор наиболее эффективных вариантов
решения. Это обусловливает необходимость формирования компетенций
бакалавров, обучающихся по направлению «бизнес-информатика», в области
алгоритмизации и программирования как для решения профессиональных задач,
так и для подготовки конкурентоспособных специалистов в области
информационных систем.
Проблемы методики обучения программированию исследовались многими
учеными, такими, как Е.Г. Андросова [1], А.Г. Гейн [26], С.Г. Григорьев [29, 30],
А.П. Ершов [44-47], В.Е. Жужжалов [49, 50], А.А. Кузнецов [86, 87], И.С. Спирин
[151], М.Н. Лапчик, Е.К. Хеннер [91] и др. Авторами научных работ рассмотрены
цели, содержание, предложены методы обучения программированию.
О важности алгоритмической подготовки студентов информационных
специальностей сделан акцент в научных трудах Е.Ы. Бидайбекова [10],
В.Д. Голикова [27], В.П. Добрицы [39- 41], В.Н. Касаткина [78, 79], А.В. Копаева
[83], Н.А. Криницкого [84], Л.Н. Ланда [88], М.П. Лапчик [89, 90], И.В. Левченко
[92, 93], Л.Г. Лучко [100, 101], Н.А. Радюк [136], Н.М. Розенберга [142],
А.Л. Семенова [146], В.А. Успенского [162, 163], Г.В. Хамер [166], Б. Чада [172]
и других.
Разработка и реализация программных моделей различных
информационных процессов и систем, связанных с функционированием объектов
профессиональной деятельности, современному специалисту в области бизнес-
информатики возможны лишь при достаточно высоком уровне развития
когнитивных способностей, в частности алгоритмического стиля мышления.
На сегодняшний день уровень развития алгоритмического стиля мышления
бакалавров, обучающихся по направлению «бизнес-информатика», является не
только средством управления теми информационными объектами, которые они
будут преобразовывать с помощью алгоритма, но и средством самоуправления,
способом самостоятельного регулирования ими своей практической и
мыслительной деятельности. Именно поэтому достаточно высокий уровень
развития алгоритмического стиля мышления во многом рационализирует и
облегчает процесс формирования у бакалавров умений решать разного рода
профессионально ориентированные задачи, создает у них уверенность в своих
силах и способностях, что крайне важно в системе профессиональной подготовки.
Анализ литературных источников и опыт обучения программированию
показал, основные трудности возникают не при изучении синтаксиса и основных
конструкций языка программирования, а на первом этапе решения задач по
программированию, на этапе алгоритмизации. И связаны эти трудности со слабой
алгоритмической подготовкой, недостаточным уровнем сформированности
алгоритмического стиля мышления обучаемых и, как результат, неготовностью
воспринимать материал достаточно высокого уровня абстракции и логики.
В работах В.П. Беспалько [6, 7, 8], П.Я. Гальперина [24], С.Л. Рубинштейна
[143], А.Н. Леонтьева [95, 96], Н.Ф. Талызиной [154, 155, 156] и других научно
обосновано влияние алгоритмической деятельности на формирование
мыслительных операций. Опираясь на их труды, можно утверждать, что обучение
программированию и алгоритмизации формирует способы мыслительной
деятельности, развивает алгоритмический стиль мышления. Следовательно,
методика обучения программированию бакалавров по направлению «бизнес-
информатика» должна не просто учитывать это влияние, а целенаправленно
развивать когнитивные способности обучаемых.
Таким образом, при всем многообразии исследования вопроса о построении
методик обучения программированию бакалавров информационных направлений
отсутствует научно обоснованная методика обучения программированию,
нацеленная на развитие когнитивных способностей обучаемых и формирующая
необходимые в современных условиях компетенции в области алгоритмизации и
программирования в процессе их предметной подготовки.
Изучение требований образовательных документов и современного
общества, анализ научной и научно-методической литературы, посвященной
исследованию понятиям «компетентность» и «компетенция», а также вопросу
формирования компетентности в области алгоритмизации и программирования,
позволили сформулировать интегрированное понятие «программно-
алгоритмическая компетентность” и сделать вывод о необходимости ее
формирования у бакалавров по направлению «бизнес-информатика» при
обучении программированию.
Все вышесказанное позволило определить противоречия между:
 на социально-педагогическом уровне: потребностью в специалистах
с высоким уровнем программно-алгоритмической компетентности, уверено
владеющих методами и инструментальными средствами разработки программ и
способных проектировать и внедрять компоненты ИТ-инфраструктуры
предприятия, и недостаточной методической базой подготовки в области
программирования бакалавров направления бизнес-информатика;
 на научно-педагогическом уровне: необходимостью развивать
когнитивные способности бакалавров направления бизнес-информатика при
обучении программированию и отсутствием модели обучения, направленной на
развитие их когнитивных способностей с помощью средств и методов
алгоритмизации и программирования.
 на научно-методическом уровне: между возможностью повысить
программно-алгоритмическую компетентность бакалавров направления бизнес-
информатика за счет когнитивных технологий и отсутствием методики их
применения при обучении программированию в современных условиях.
Выявленные противоречия позволили определить проблему исследования,
обоснованную на разработке методики обучения программированию бакалавров,
обучающихся по направлению «бизнес-информатика», опирающейся на
когнитивные средства обучения и обеспечивающей формирование их
программно-алгоритмической компетентности.
Цель исследования. Теоретически обосновать и разработать методику
обучения программированию бакалавров по направлению «бизнес-информатика»,
нацеленную на развитие когнитивных способностей обучаемых, способствующую
достижению требуемого уровня сформированности программно-алгоритмической
компетентности.
Объект исследования. Процесс обучения программированию бакалавров
по направлению «бизнес-информатика».
Предмет исследования. Формирование программно-алгоритмической
компетентности при обучении программированию бакалавров по направлению
«бизнес-информатика».
Гипотеза исследования заключается в том, что необходимый уровень
сформированности программно-алгоритмической компетентности при обучении
программированию бакалавров по направлению «бизнес-информатика» будет
обеспечен, если в процессе их предметной подготовки использовать методику, в
которой:
 выявлена сущность программно-алгоритмической компетентности
бакалавров по направлению «бизнес-информатика», определены средства ее
диагностики;
 разработана модель обучения программированию, направленная на
развитие когнитивных способностей бакалавров, и определены ее процессуальные
стадии;
 в процессе обучения программированию используются наглядные и
натурные алгоритмические тренажеры; алгоритмические анимации и
алгоритмические ментальные карты; специальная система многоэтапных задач
для формирования и развития алгоритмического стиля мышления бакалавров по
направлению «бизнес-информатика».
Задачи исследования:
1. Выявить проблемы обучения программированию, современные
требования к профессиональной подготовке в области программирования
будущих специалистов, обучающихся по направлению «бизнес-информатика».
Провести сравнительный анализ методик обучения программированию.
2. Выявить сущность программно-алгоритмической компетентности,
определить условия ее формирования и развития и средства диагностики.
3. Построить модель обучения программированию бакалавров по
направлению «бизнес-информатика», направленную на развитие их когнитивных
способностей с помощью средств и методов алгоритмизации и
программирования.
4. Обосновать необходимость применения наглядных и натурных
алгоритмических тренажеров, алгоритмических анимаций и алгоритмических
ментальных карт, комплекса многоэтапных задач при обучении
программированию бакалавров по направлению «бизнес-информатика» для
повышения их уровня программно-алгоритмической компетентности. Создать
комплекс наглядных и натурных алгоритмических тренажеров, анимационных
роликов и базу многоэтапных задач для обучения программированию бакалавров
по направлению «бизнес-информатика».
5. Разработать методику обучения программированию бакалавров по
направлению «бизнес-информатика», нацеленную на развитие их когнитивных
способностей и обеспечивающую необходимый уровень сформированности их
программно-алгоритмической компетентности.
6. Провести педагогический эксперимент в целях подтверждения
эффективности предложенной методики обучения программированию бакалавров
по направлению «бизнес-информатика» и основных положений диссертационного
исследования.
Этапы исследования. Исследование проводилось в несколько этапов в
период с 2008 по 2015 г. и включало следующее:
 2008–2010 гг. – изучение современного состояния исследуемой
проблемы; анализ методической и психолого-педагогической литературы по теме
исследования, выявление и обоснование сущности программно-алгоритмической
компетентности; обоснование необходимости применения наглядных и натурных
алгоритмических тренажеров, анимационных роликов и комплекса многоэтапных
задач;
 2009–2012 гг. – построение модели обучения программированию,
нацеленную на развитие когнитивных способностей обучаемых; построение
методики обучения программированию бакалавров по направлению «бизнес-
информатика» в контексте формирования их программно-алгоритмической
компетентности, создание учебно-методических материалов для обучения
программированию бакалавров по направлению «бизнес-информатика»;
 2012–2015 гг. – проведение экспериментального обучения
программированию бакалавров по направлению «бизнес-информатика» в группах
Института экономики и финансов АПК Красноярского государственного
аграрного университета, количественная и качественная обработка результатов
эксперимента; теоретическое обобщение и интерпретация результатов
диссертационного исследования, формулировка выводов, оформление
диссертации.
Методологической основой исследования проблемы являются:
 контекстный подход (A.A. Вербицкий [18]), способствовавший
введению профессиональной направленности в содержание и средства обучения
программированию для формирования программно-алгоритмической
компетентности;
 компетентностный подход к образованию (В.И. Байденко [2],
Э.Ф. Зеер [54], И.А. Зимняя [55], A.M. Новиков [112], В.Л. Матросов [105],
Г.В. Мухаметзянова [109], A.B. Хуторской [167], В.Д. Шадриков [174],
Л.В. Шкерина [177] и др.), позволивший определить цели и результаты обучения
программированию;
 информационный подход к обучению (А.Г. Гейн [26], Н.И. Пак [115],
И.А. Полетаев [123], Г.Н. Степанова [152], и др.), который обеспечил выявление
структурной особенности алгоритмического стиля мышления;
 деятельностный подход и теория развивающего обучения
(Л.С. Выготский [21, 22], В.В. Давыдов [34, 35], О.Б. Епишева [42],
Л.В. Занков [52], В.П. Зинченко [56], А.Н. Леонтьев [95, 96], Е.И. Лященко [102],
А.А. Столяр [153], З.И. Слепкань [149], Н.Ф. Талызина [154], Д.Б. Эльконин [179]
и др.), позволивший выделить активные методы и технологии при обучении
программированию в качестве приоритетных;
 теория поэтапного формирования умственных действий
(М.Б. Волович [19], П.Я. Гальперин [24], Н.Ф. Талызина [156] и др.), которая
способствовала выделению комплекса многоэтапных задач в качестве основного
средства обучения;
 методологические исследования по вопросу применения ИКТ в
образовательном процессе (С.Г. Григорьев [29, 30], В.В. Гриншкун [31, 32],
А.П. Лапчик [89], В.Р. Майер [103], С. Пейперт [120], М.И. Рагулина [134,135],
И.В. Роберт [137, 138], Э.Г. Скибицкий [148] и др.), способствовавшие
повышению уровня понимания учебного материала за счет визуализации
абстрактных понятий.
Теоретической основой исследования являются:
фундаментальные работы в области:
 теории и методики обучения информатике в школе и вузе (Г. Буч [15],
В.А. Крюков [85], А.А. Кузнецов [86, 87], М.П. Лапчик [89], Н.И. Пак [116],
М.Н. Лапчик, И.Г. Семакин [157], И.В. Роберт [137-140] и др.), позволившие
выделить предметную область исследования;
 психолого-педагогических исследований познавательно-поисковых
процессов и концепции учебной мотивации (П.Я. Гальперин [24], Е.П. Ильин [57],
А.Н. Леонтьев [95, 96], А.К. Маркова [104], Р.С. Немов [110], Ж. Пиаже [121],
К. Роджерс [141], С.Л. Рубинштейн [143], Н.Ф. Талызина [155, 156] и др.),
обеспечившие комплексное рассмотрение проблемы мотивации обучения
программированию;
 теоретических основ природы информации (Б.В. Бирюков [11],
Л. Бриллюэн [14], И.И. Гришкин [33], К.К. Колин [82], Дж. фон Нейман [164],
В.Н. Тростников [159], А.Д. Урсул [160, 161], К. Черри [173], К.Э Шеннон [176],
У.Р. Эшби [181] и др.), позволившие конкретизировать понятие «учебный
процесс»;
 психологии восприятия, запоминания информации и мышления
(Л.М. Веккер [17], Л.С. Выгодский [21, 22], М.В. Гамезо [25], П.И. Зинченко [56],
П. Линдсей [98], А.П. Лурия [99], Д.А. Норман [113], А.Ф. Самойлов [145],
И.М. Сеченов [147] и др.), способствовавшие исследованию сущности процессов
восприятия, запоминания и обработки информации;
 теории развития когнитивных способностей (М.И. Башмаков [3],
В.Г. Болтянский [12], М.Б. Волович [19], В.А. Далингер [36], А. Пардала [119],
Н.А. Резник [3], Л.М. Фридман [165], А.Я. Цукарь [171] и др.), позволившие
определить методы и средства развития когнитивных способностей обучаемых.
Методы исследования:
 теоретические: анализ философской, психолого-педагогической,
научно-методической литературы по теме исследования; изучение и анализ
государственных образовательных стандартов, опыта преподавания, учебных
пособий и программ по программированию для бакалавров, обучающихся по
информационным направлениям, в том числе по направлению «бизнес-
информатика»; анализ, сравнение, систематизация и обобщение собственного
многолетнего опыта преподавания программирования;
 эмпирические: проведение педагогических измерений (наблюдение,
анкетирование, интервьюирование, опросы студентов и преподавателей,
собеседование, оценивание уровня алгоритмического стиля мышления и уровня
подготовки обучаемых по программированию); педагогический эксперимент и
анализ экспериментальной деятельности.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечены
основными положениями исследования, достижениями психолого-
педагогической науки, а также методологическими положениями
информационного, деятельностного, компетентностного подходов к обучению;
рациональным сочетанием теоретических и эмпирических методов исследования,
соответствующих его цели и задачам; сравнительным анализом современной
педагогической практики; количественным и качественным анализом результатов
педагогического эксперимента.
Научная новизна исследования заключается в том, что:
 введено понятие программно-алгоритмической компетентности
бакалавров по направлению «бизнес-информатика», отражающей качество их
подготовки в области алгоритмизации и программирования, которая представляет
собой интегральное свойство личности, характеризующееся определенным
уровнем развития алгоритмического стиля мышления; проявляющееся в
разнообразных формах программно-алгоритмической деятельности; включающее
знания в области алгоритмизации и программирования; умения разрабатывать и
отлаживать эффективные алгоритмы и программы с использованием
современных технологий программирования; владение методами разработки
программных комплексов для решения задач бизнеса.
 определены и обоснованы условия формирования, критерии и уровни
сформированности программно-алгоритмической компетентности (критический,
допустимый, оптимальный) бакалавров по направлению «бизнес-информатика»;
 разработана модель обучения программированию бакалавров по
направлению «бизнес-информатика», нацеленная на развитие их когнитивных
способностей; определены ее процессуальные этапы: этап формирования
ментальных алгоритмических схем; этап формирования алгоритмических
модельных образов; этап формирования алгоритмических понятийных образов;
 разработана методика обучения программированию бакалавров по
направлению «бизнес-информатика», нацеленная на формирование их
программно-алгоритмической компетентности, в основе которой лежит научно
обоснованная структурная модель обучения программированию бакалавров по
направлению «бизнес-информатика».
Теоретическая значимость исследования состоит в том, что:
 теория компетентностного подхода расширяется за счет введения понятия
программно-алгоритмической компетентности бакалавров по направлению
«бизнес-информатика», определения условий ее формирования и развития, а
также средств ее диагностики;
 вклад в теорию и методику профессионального образования обеспечивают
доказанные положения:
а) о необходимости применения наглядных и натурных алгоритмических
тренажеров при обучении программированию бакалавров по направлению
«бизнес-информатика» на этапе формирования ментальных
алгоритмических схем;
б) о целесообразности применения алгоритмических анимаций и
алгоритмических ментальных карт при обучении программированию
бакалавров по направлению «бизнес-информатика» на этапе формирования
алгоритмических модельно-понятийных образов;
в) об эффективности использования специального комплекса многоэтапных
профессионально ориентированных задач.
Практическая значимость:
 разработанная методика обучения программированию, нацеленная на
развитие когнитивных способностей обучаемых и обеспечивающая необходимый
уровень сформированности их программно-алгоритмической компетентности,
реализуется в учебном процессе бакалавров по направлению «бизнес-
информатика» Института экономики и финансов АПК Красноярского
государственного аграрного университета;
 создано методическое обеспечение процесса обучения программированию
бакалавров по направлению «бизнес-информатика», нацеленного на развитие
когнитивных способностей обучаемых, которое включает комплекс наглядных и
натурных алгоритмических тренажеров для формирования ментальных схем;
комплекс анимационных роликов для формирования модельно-понятийных
образов; комплекс многоэтапных профессионально ориентированных задач по
курсу программирования; электронный учебно-методический комплекс по курсу
“Алгоритмизация и программирование”, основанный на алгоритмических
ментальных картах;
 предложенная методика обучения программированию может быть
использована для повышения квалификации учителей информатики и
преподавателей программирования, а также при обучении программированию
бакалавров информационных и экономических направлений.
Апробация и внедрение результатов исследования. Теоретические
положения и практические результаты обсуждались на семинарах Института
математики, физики, информатики КГПУ им. В.П. Астафьева (Красноярск, 2011–
2014), международных (Болгария, Польша, США, Казахстан; Москва, Санкт-
Петербург, Новосибирск, Горно-Алтайск, 2008–2013), всероссийских
(Красноярск, Ачинск, Нижневартовск, 2008–2012) и других конференциях.
Внедрение результатов исследования осуществлялось через публикацию учебных
пособий, учебных программ, статей в научных сборниках и журналах.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Программно-алгоритмическая компетентность бакалавров по
направлению «бизнес-информатика», отражающая качество их подготовки в
области алгоритмизации и программирования, представляет собой интегральное
свойство личности,
 характеризующееся определенным уровнем развития алгоритмического
стиля мышления,
 проявляющееся в разнообразных формах программно-алгоритмической
деятельности,
 включающее знания в области алгоритмизации и программирования;
умения разрабатывать и отлаживать эффективные алгоритмы и программы с
использованием современных технологий программирования; владение методами
разработки программных комплексов для решения задач бизнеса.
2. Модель обучения программированию бакалавров по направлению
«бизнес-информатика» способствует развитию их когнитивных способностей,
если
 в ней выделены следующие процессуальные этапы: этап формирования
ментальных алгоритмических схем, этап формирования модельных образов, этап
формирования понятийных образов;
 на стадии формирования ментальных алгоритмических схем
используются наглядные и натурные алгоритмические тренажеры;
 на стадии формирования модельно-понятийных образов используются
алгоритмические анимации и алгоритмические ментальные карты;
 используется специальная система многоэтапных задач.
3. Методика обучения программированию бакалавров по направлению
«бизнес-информатика», построенная на основе информационной модели развития
их когнитивных способностей и структурной модели формирования
программно-алгоритмической компетентности, обеспечивает необходимый
уровень сформированности программно-алгоритмической компетентности
будущих специалистов в области бизнес-информатика.