Текст книги "Организация современной информационной образовательной среды. Методическое пособие"

Материально-техническое обеспечение дисциплины

1) аудитории, оборудованные мультимедийным демонстрационными комплексами;

2) компьютерные классы с выходом в Интернет;

3) методический кабинет;

4) медиазал;

5) учебно-методический ресурсный центр;

6) необходимый комплект лицензионного программного обеспечения.

Современные направления развития информационных технологий

Цель освоения дисциплины

Формирование у магистрантов по направлению подготовки «Педагогическое образование» систематизированных знаний о современных направлениях развития отрасли информационных технологий, в том числе в Российской Федерации;

готовности их к реализации полученных знаний в ходе педагогической деятельности при обучении предмету "Информатика" на углубленном уровне в образовательных организациях и исследовательской деятельности в сфере образования.

Место дисциплины в структуре образовательной программы

Дисциплина относится к обязательным курсам вариативной части учебного плана магистерской программы, изучается в первом, втором и третьем семестрах. Её изучение направлено на подготовку магистрантов к выполнению педагогической и научно-исследовательской деятельности в современных условиях. Освоение её является основой для подготовки магистрантов к научно-исследовательской практике, выполнению выпускных работ, и в целом к итоговой государственной аттестации.

Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

– способность самостоятельно приобретать и использовать, в том числе с помощью информационных технологий, новые знания и умения, непосредственно не связанные со сферой профессиональной деятельности (ОК-5);

– готовность использовать знание современных проблем науки и образования при решении профессиональных задач (ОПК-2);

– способность анализировать результаты научных исследований, применять их при решении конкретных научно-исследовательских задач в сфере информатизации образования, самостоятельно осуществлять научное исследование (СК-1);

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

 знать:

– современные направления развития информационных технологий в Российской Федерации и их влияние на систему образования;

– роль средств информационных технологий в профессиональной и научно-экспериментальной педагогической деятельности;

– теоретические основы информатики, влияющие на развитие отрасли информационных технологий.

 уметь:

– анализировать изменения в социальной и педагогической деятельности, связанные с влиянием отрасли информационных технологий;

– осуществлять сбор, анализ и интерпретацию данных научно-экспериментальной педагогической деятельности;

– использовать функциональные возможности современной информационной образовательной среды для организации научно-экспериментальной педагогической деятельности.

 владеть:

– научными основами и современными средствами информационных технологий и использовать их в профессиональной и научной деятельности.

Структура и содержание дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 9 зачетных единицы, т. е. 324 часа, из них аудиторных – 102 часа.

Содержание разделов дисциплины

Введение.

Теория. Предмет “информатика” и его соотношение с фундаментальными и прикладными научными дисциплинами. Математические основы компьютерных наук.

Практика. Входной тест остаточных знаний по курсу информатики.

Исторические аспекты и современное состояние отрасли информационных технологий в мире и Российской Федерации.

Теория. Информационные революции, прорывы и потери; научные и технологические. Анализ причин неравномерности развития отрасли информационных технологий в разных странах, в том числе и России. Перспективные направления развития отрасли информационных технологий в Российской Федерации.

Стратегия развития отрасли информационных технологий в Российской Федерации.

Теория. Перспективные планы развития отрасли в Российской Федерации. Роль государственных структур в развитие отдельных направлений ИТ-отрасли. Изменения в системе образования, необходимые для успешной реализации стратегии.

Практика. Работа с правовой базой «Консультант» или «Гарант». Поиск и работа с нормативными правовыми актами в информационной сфере. Математические и технические основы информационных технологий. Теория. Информация: три основных подхода к определению. Сигнал, шум, содержание сигнала. Кодирование. Аналоговый и цифровой способы кодирования. Цифровые коды: прямой, инверсный, без возврата к нулю, манчестерское кодирование. Сжатие: кодирование Хаффмана, алгоритмы группы Lempel-Ziv. Кодирование с восстановлением. Коды Хэмминга и Рида-Соломона

Практика. Решение задач на кодирование по уровням сложности.

Информационное моделирование.

Теория. Моделирование как общий подход к постановке и решению прикладных задач. Модели, виды моделей. Информационные модели. Математические модели. Популяционная динамика. Жесткие и мягкие математические модели. Динамические структурно устойчивые и структурно неустойчивые модели. Имитационное моделирование.

Практика. Математическое моделирование. Вычислительный эксперимент. Имитационное моделирование. Разработка агентных, дискретно-событийных, системно-динамических моделей. Эксперименты. Оптимизация.

Развитие архитектурных решений современных компьютеров. Операционные системы.

Теория. Схемотехника. Логические схемы и их реализация. СБИС. Архитектуры ЭВМ: Фон-Неймана и гарвардская. Шинно-модульный принцип, его реализации. Краткая история развития вычислительных шин общего назначения. Шина PCI Express. Архитектура ARM. Шины ввода-вывода: USB, SATA, SAS.

Практика. Установка и настройка ОС Windows, ОС Linux. Использование средств виртуализации. Файловые системы. Диагностика и обслуживание. Основы системного администрирования.

Основы программирования.

Теория. Программирование. Строгое и нестрогое определение алгоритма. Машины Тьюринга и Поста, тезис Черча. Вычислимые функции. Оценка алгоритмов, классы сложности. Типы данных. Структуры данных и их применение: стеки, списки, бинарные деревья. Алгоритмы поиска и сортировки. Практика. Программирование как область деятельности. Организация производственного процесса, системы контроля версий. Проектирование, разработка, отладка и тестирование приложений. Взаимодействие с библиотеками. Использование интегрированных сред программирования, в т. ч. визуальных.

Числовая информация и способы ее обработки

Теория. Числа и вычисления. Кодирование целых чисел. Операции над целыми числами. Кодирование чисел с плавающей точкой. Операции над числами с плавающей точкой. Сбор и обработка числовых данных. Статистические критерии и методы. Параметрические и непараметрические критерии. Сравнение выборок, корреляция, регрессия.

Практика. Численное моделирование, математические модели. Вычислительные методы. Метод бисекции, преобразование Лагранжа. Основы организации обработки статистической информации. Статистические критерии.

Текстовая информация и способы ее обработки

Теория. Текст. Таблица кодировки ASCII, кодовые страницы. Кодировка UNICODE. Конечные автоматы. Регулярные выражения. Классификация. Байесовские фильтры. Ядерные методы классификации. Язык. Морфология языка. Словари. Хэширование и поиск.

Практика. Обработка текста с помощью регулярных выражений: поиск и замена. Лингвистические средства и алгоритмы. Контент-анализ.

Основы книжного и информационного дизайна. Дизайн печатного издания – от текста до книги. Форматы, шрифты, макетирование, иллюстрирование.

Графическая информация и способы ее обработки

Теория. Графика. Цветовые модели и охват моделей. Кодирование и хранение графических изображений. Сжатие с потерями и без потерь. Обработка растровых изображений, фильтры. Рисование примитивов, алгоритмы Брезенхема. ЗБ-графика. Мировая и видовая системы координат. Преобразования. Алгоритмы удаления невидимых частей. Модель освещенности и материалы. Текстуры.

Практика. Графика: фильтры, цветовые модели, выделение, траектории. Цветокоррекция, ретушь.

Графика: 3D модели зданий, мебели. Графика: программирование 3D-графики, библиотека OpenGl. Проекции, матрицы, освещение, материалы. Шейдеры.

Визуализация. Применение различных видов диаграмм. Визуализация сложных динамических процессов.

Мультимедиа

Теория. Звук и видео. Кодирование потоковых аудио и видео данных. Способы кодирования без потерь и с потерями. Группы алгоритмов MPEG. Синтез мелодий.

Практика. Отработка приемов обработки звуковых файлов в специализированных средах. Основы звукорежиссуры.

Информационные системы

Теория. Системы управления базами данных. Реляционная алгебра, нормальные формы, проектирование БД. Запросы. Язык SQL. Информационные системы: понятие, виды, архитектура. Организация процесса разработки. Проектирование интерфейса. Построение интерфейса: командная строка, WIMP, жестовые интерфейсы.

Практика. Проектирование ИС. Профессиональная подготовка специалиста по информационным системам (квалификационные требования и личностные качества).

Телекоммуникационные сети.

Теория. Сети. Основные принципы организации: цифровое кодирование, пакетная коммутация. Модели сетевого обмена: DOD и ISO/OSI. Основные сетевые технологии уровня доступа к среде: локальные и магистральные. Ethernet и сети CSMA/CD. Стек TCP/IP. Протокол IP – адресация, маршрутизация, ARP, DHCP. Протоколы TCP и UDP, взаимодействие приложений, порты и сеансы. Прикладные протоколы: DNS, SMTP, HTTP, BGP/OSPF. Управление сетями.

Практика. Основы настройки и управления телекоммуникационными сетями. Профессиональные компетенции. Сценарии, языки сценариев. Основы взаимодействия компонентов web-приложений. Методы проектирования и отладки web-приложений. Элементы приложений web 2.0

Основы информационной безопасности

Теория. Криптография. Понятия шифрования, шифра, криптосистемы. Математические основы шифрования. Стойкость, виды стойкости. Методы шифрования с открытым и закрытым ключом. Односторонние преобразования. Электронно-цифровая подпись. Сертификаты и доверие. Методы обмена ключами и организация защищенного канала. HTTPS/SSL/TLS. Безопасность. Аспекты обеспечения безопасности. Понятия угрозы, уязвимости, атаки. Основные угрозы и уязвимости, способы борьбы с ними.

Практика. Вредоносное программное обеспечение. Средства выявления и устранения влияния вредоносного ПО. Социальная инженерия и организационно-правовые меры безопасности.

Интеллектуальные системы

Теория. Интеллектуальные системы. Машинное обучение с учителем и без учителя. Выявление закономерностей. Моделирование рассуждений. Логика. Онтологии: словари, тезаурусы, семантические сети. Агенты. Прямой и обратный вывод.

Практика. Реализация алгоритмов CART и APRIORI на изучаемом языке программирования.

Правовое обеспечение информационной сферы

Теория. Изучение основных законов, регулирующих правоотношения в указанной сфере.

Обобщение.

Обобщающее занятие, подведение итогов самостоятельных работ, подготовка к итоговой аттестации.

Контрольное занятие.

Контроль изученного.

Образовательные технологии

При освоении студентами дисциплины «Современные направления развития информационных технологий» активно используются навыки самостоятельной аналитической работы с научной и учебной литературой по соответствующей тематике.

Поскольку магистрантам предстоит сравнить достаточно большой информационный контент по различным основаниям, следует обратить внимание на умения представить результаты сравнения в различных видах, табличном, графическом, в виде графа или слайдов презентации. Результаты сравнения по различным критериям могут стать составной выпускных квалификационных работ, поэтому выводы должны быть достаточно обоснованы. Аналитическую работу разбивают на тематические модули и результаты оформляются для каждого модуля отдельно. Затем рассматривают корреляцию нескольких модулей делают обобщенные выводы.

При такой деятельности уместно использовать дистанционные формы работы, где роль преподавателя консультационно-организационная. На семинарских занятиях проводить совместное обсуждение каждого тематического модуля. Для освоения как теоретического так и практического содержания предусмотрены видеолекции преподавателей, авторов современных учебников информатики, которые доступны в среде Интерент в любое время.

В ходе практических работ осваиваются новые программные средства научную основу, которых изучили на лекционных занятиях. Предусмотрены практикумы по всем направлениям информационных технологий, для самостоятельной работы в индивидуальном режиме.

Самостоятельная работа обучающихся

Виды самостоятельной работы

Введение

Анализ учебной литературы для обучения информатике на углубленном и базовом уровне в системе общего образования и далее ВО.

Исторические аспекты и современное состояние отрасли информационных технологий в мире и Российской Федерации.

Подготовка сообщения о прорывах и потерях отрасли в России. На основе анализа документальных материалов.

Стратегия развития отрасли информационных технологий в Российской Федерации.

Поиск документа в правовой системе и работа с ним. Цели, задачи, план реализации стратегии. Какие последствия для системы образования разных уровней ожидаются? Оценка положительных и отрицательных моментов в табличной форме.

Математические и технические основы информационных технологий

Дополнительная проработка теории по учебной литературе для вузов. Составление логико-структурной схемы взаимосвязи основных линий курса информатики. Подготовка разноуровневого дидактического материала по изученной теме. Подготовка проверочных работ, ориентированных на материалы итоговой аттестации выпускников.

Информационное моделирование

Дополнительная проработка теории по учебной литературе для вузов. Выполнение практических работ в среде имитационного моделирования AnyLogic. Подготовка контрольных материалов для проверки усвоения темы. Подготовка дополнительных практических работ по теме.

Развитие архитектурных решений современных компьютеров. Операционные системы.

Дополнительная проработка теории по учебной литературе для вузов. Выполнение практических заданий по установке различных операционных систем.

Основы программирования

Дополнительная проработка теории по учебной литературе для вузов. Выполнение практикума по программированию для углубленного уровня изучения информатики. Подготовка разноуровневого дидактического материала по изученной теме. Подготовка проверочных работ, ориентированных на материалы итоговой аттестации выпускников.

Числовая информация и способы ее обработки

Дополнительная проработка теории по учебной литературе для вузов. Выполнение практикума по статистической обработке данных для углубленного уровня изучения информатики.

Текстовая информация и способы ее обработки

Выполнение практикума по использованию регулярных выражений для углубленного изучения информатики. Подготовка разноуровневого дидактического материала по изученной теме. Подготовка проверочных работ, ориентированных на материалы итоговой аттестации выпускников.

Графическая информация и способы ее обработки

Выполнение двух практикумов по обработке графических изображений. Подготовка дополнительных практических заданий по теме.

Мультимедиа

Выполнение практикума по обработке звука. Основы звукорежиссуры.

Информационные системы

Дополнительная проработка теории по учебной литературе для вузов.

Телекоммуникационные сети

Выполнение практикума по организации работы в сети.

Основы информационной безопасности

Дополнительная проработка теории по учебной литературе для вузов. Подготовка разноуровневого дидактического материала по изученной теме и проверочных работ.

Интеллектуальные системы

Дополнительная проработка теории по учебной литературе для вузов.

Правовое обеспечение информационной сферы

Работа с первоисточниками. Подготовка разноуровневого дидактического материала по изученной теме. Подготовка проверочных работ.

Обобщение

Проведение колоквиумов по семестрам для систематизации изученного материала.

Контрольное занятие

Выполнение без помощи окружающих.

Примерные темы курсовых работ (проектов)

1. Современные подходы к определению содержания школьного курса информатики с опорой на передовые достижения ИТ-отрасли в мире.

2. Интеграция робототехники и естественно-научных предметов.

3. Использование средств ИТ в активизации познавательной деятельности школьников в области информатики.

4. Использование средств ИТ в деятельности учителя информатики и администрации образовательной организации.

5. Использование сервисов Web 2.0 на уроках информатики.

6. Развитие дистанционного образования по информатике.

7. Использование дистанционных форм обучения информатике.

8. Дистанционное обучение информатике детей с ограниченными возможностями здоровья.

9. Сетевые проекты по информатике для школьников.

10. Организация проектной деятельности на уроках информатики в старших классах.

11. Реализация задачного подхода на уроках информатики.

12. Система задач по разделу «Моделирование и формализация» профильного курса информатики.

13. Занимательные задачи для внеклассных мероприятий по информатике.

14. Формирование исследовательских умений на уроках информатики в старших классах.

15. Разработка содержания модуля «Информационные процессы» профильного курса информатики.

16. Разработка содержания модуля «Представление информации» профильного курса информатики.

17. Разработка содержания модуля «Информационные технологии» профильного курса информатики.

18. Разработка содержания модуля «Компьютер» профильного курса информатики.

19. Разработка содержания модуля «Алгоритмизация» профильного курса информатики.

20. Разработка содержания модуля «Программирование» профильного курса информатики.

21. Разработка курса по выбору «Технология создания сайтов» для учащихся старших классов.

22. Разработка курса по выбору «Обеспечение информационной безопасности при работе в сети» для учащихся старших классов.

23. Разработка курса по выбору «Анимация как средство моделирования динамических систем» для учащихся старших классов.

24. Разработка курса по выбору «Инструментальные средства создания web-ресурсов» для учащихся старших классов.

25. Разработка э курса по выбору «Защита информации» для учащихся старших классов.

26. Разработка курса по выбору «Социальные последствия информатизации» для учащихся старших классов.

27. Формирование и развитие ИКТ-компетенности учителей информатики

28. Участие учителя информатики в сетевых сообществах.

29. Дополнительное образование детей в области информатики.

30. Олимпиадное движение по информатике. Всероссийские олимпиады по информатике. История становления.

31. Международные олимпиады по информатике: история становления и отечественные достижения.

Оценочные средства

Входной диагностирующий контроль

Используется демонстрационный вариант теста для проведения ЕГЭ последнего года

http://www.fipi.ru/view/sections/228/docs/

Текущий контроль

Усвоение теории происходит систематическим выполнением небольших по объему проверочных работ, основной контроль усвоения как теории так и сформированности практических навыков происходит в ходе выпонения практикумов и сдаче их индивидуально преподавателю.

Практикумы располагаются по адресу:

http://metodist.lbz.ru/authors/informatika/ 8/

Средства текущего контроля (вопросы и задания) по разделам дисциплины:

Математические и технические основы информационных технологий.

1. Какие известные вам формулы, теоремы, алгоритмы лежат в основе информационных технологий? Составьте таблицу.

2. Проанализируйте полученную таблицу и выделите элементы таблицы, которые позволят доказать системообразующий характер информатики.

3. Изобразите общую методическую схему изучения информационных технологий в старшей школе.

4. Изобразите в виде схемы развитие философских концепций информации и связь с различными подходами к измерению информации.

5. Какие общие закономерности протекания информационных процессов в различных системах можно выделить?

6. Покажите связь теоретических вопросов кодирования информации и существующих информационных технологий.

7. Имена каких выдающихся ученых внесли наибольший вклад в развитие теоретической информатики?

Графическая информация и способы ее обработки.

1. Изобразите схематично преобразование графической, текстовой, звуковой информации в устройствах компьютера.

2. Какие практические навыки обработки графической информации с использованием графических редакторов должны быть сформированы у выпускников основной школы?

3. Какие из указанных навыков получат свое развитие в старшей школе?

Приведите примеры расчетных задач, которые должны уметь решать учащиеся основной и старшей школы по указанной теме

Текстовая информация и способы ее обработки.

1. Составьте таблицу изучения теоретических основ и формирования практических навыков по теме «Технология обработки текстовой информации» по трем ступеням (пропедевтика, основная школа, старшая школа).

2. Сформулируйте критерии, позволяющие выделить материал по теме «Технология обработки текстовой информации» для изучения на базовом и профильном уровнях.

Основы программирования.

1. Обоснуйте необходимость рассмотрения машины Тьюринга в контексте изучения основ алгоритмизации на профильном уровне.

2. Какие типовые алгоритмы необходимо обязательно рассмотреть в профильном курсе информатики?

3. Аргументируйте позиции в пользу структурного и объектно-оринтированного языков программирования, изучаемых в старшей школе. Сделайте выводы.

4. Какие организационные особенности изучения языка программирования можно использовать в старшей школе для повышения эффективности изучения основ программирования?

Информационное моделирование.

1. Опишите сферы применения системного подхода.

2. Найдите описание последствий игнорирования системного подхода в науке или на практике.

3. Подготовьте словарь изученных в данном параграфе терминов. Попробуйте изобразить схему взаимосвязи этих понятий.

4. Объясните на примерах проявление общесистемных закономерностей.

5. Объясните сущность объектно-ориентированного подхода в программировании.

Правовое обеспечение информационной сферы.

1. Чем обусловлена смена доминирующего вида деятельности в информационном обществе?

2. Составьте сравнительную таблицу изменений, происходящих в профессиональной деятельности людей и укладе жизни, связанных с развитием информационных и коммуникационных технологий.

3. Сформулируйте положительные и отрицательные стороны каждого изменения.

4. Попробуйте выделить области профессиональной деятельности не связанные с развитием и использованием информационных и коммуникационных технологий.

5. Опишите культурологические последствия глобализации общества.

6. Кратко охарактеризуйте законы, обеспечивающие информационную безопасность граждан и общество в целом.