Разработка и актуализация образовательных модулей в области информационных технологий

Полный текст

Введение

Цифровые компетенции, понимаемые как способность уверенно, эффективно и безопасно выбирать и применять инфокоммуникационные технологии в разных сферах жизни [1, с. 19], универсальны и сегодня нужны каждому обучающемуся независимо от предметной области. Это признается на самом высоком уровне. Цифровая трансформация утверждена как национальная цель развития Российской Федерации на период до 2030 года указом президента [2]. Приказом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (далее – Минобрнауки) [3] внесены системные изменения в федеральные государственные образовательные стандарты высшего образования, предполагающие добавление или изменение формулировок общепрофессиональных компетенций в категориях информационной культуры, информационно-коммуникационных технологий для профессиональной деятельности, информационной и библиографической культуры. В соответствии с поручениями президента РФ от 31 декабря 2020 года образовательные программы высшего образования по всем специальностям и направлениям подготовки должны быть дополнены разделами по изучению технологий искусственного интеллекта [4].

Все это ставит перед вузами Российской Федерации целый ряд задач по актуализации образовательных программ и учебных планов. Причем внедрение новых дисциплин и разделов предполагается не только для первокурсников, но и для студентов, зачисленных до 2021 года. Зачастую студенты уже изучили дисциплины, в рамках которых целесообразно формировать цифровые компетенции, что делает исполнение рекомендаций Минобрнауки нетривиальной задачей и обусловливает актуальность исследования.

Задачи исследования:

– проанализировать модуль «Введение в информационные технологии», рекомендованный Министерством науки и высшего образования [5];

– проанализировать исследования в области цифровой грамотности россиян для выявления востребованного содержания дисциплин, связанных с информационными технологиями;

– разработать структуру и содержание дисциплин модуля «Введение в информационные технологии» для подготовки специалистов транспортной отрасли.

Теоретической базой послужили исследования в области цифровой грамотности (S. Carretero Gomez, R. Vuorikari, Y. Punie; Ю.В. Веселов; К.А. Скляров, А.М. Ходунов, А.В. Акопян, А.В. Воротынцева, Л.Н. Комышова), а также исследования использования информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) в образовании (Я.А. Ваграменко, Б.С. Гершунский, В.П. Делия, И.В. Роберт, В.В. Сибирев, Е.В. Ширшов и др.); изучение процесса формирования информационной культуры и информационной компетентности личности на различных ступенях в системе непрерывного образования (С.Г. Антонова, М.Г. Вохрышева, Д.Б. Гаджимагомедова, М.В. Горячева, А.В. Добудько, Н.Б. Зиновьева, С.К. Каракозов, А.В. Хуторской, Г.Б. Паршукова и др.).

Методы исследования: анализ педагогической литературы и исследований в области цифровой грамотности.

Материалами для авторского модуля «Введение в информационные технологии» стали разработанные рабочей группой под председательством А.В. Пролетарского прототипы рабочих программ модулей «Введение в информационные технологии», «Информационные технологии и программирование» [5] и «Системы искусственного интеллекта» [6], которые Министерство образования и науки рекомендовало включить в образовательные программы высших учебных заведений.

Практическая значимость исследования состоит в том, что содержание модуля «Введение в информационные технологии» может быть использовано для формирования цифровых компетенций студентов транспортных вузов, а также послужить хорошей основой для достижения целей по изучению технологий искусственного интеллекта во всех образовательных программах высшего образования.

Моделирование содержания авторского модуля, внедряемого в образовательные программы по подготовке кадров для транспортной отрасли, проводилось на основе анализа текущего содержания образовательных программ специалитета, разработанных в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (далее – СамГУПС) по специальностям укрупненной группы специальностей и направлений подготовки 23.00.00 на 2021 год приема [7] и целей по изучению технологий искусственного интеллекта во всех образовательных программах высшего образования, упомянутых в поручениях президента Российской Федерации [4].

Несмотря на то, что российским вузам были предоставлены прототипы рекомендуемых к внедрению образовательных модулей, каждой образовательной организации предстояло переработать их в соответствии со спецификой реализуемых программ и направлений подготовки. Рабочей группой СамГУПС были подробно рассмотрены предложенные прототипы. В первую очередь интерес представляет рабочая программа модуля «Введение в информационные технологии» [5], так как связанная с ним компетенция «Способен понимать принципы работы современных информационных технологий и использовать их для решения задач профессиональной деятельности» является общей для всех образовательных программ ФГОС третьего поколения, по которым ведется подготовка в университете: программ бакалавриата 09.03.01 Информатика и вычислительная техника, 09.03.02 Информационные системы и технологии, 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника, 20.03.01 Техносферная безопасность, 23.03.01 Технология транспортных процессов, 27.03.01 Стандартизация и метрология, 38.03.01 Экономика, 38.03.02 Менеджмент, 38.03.03 Управление персоналом, а также программ специалитета 23.05.01 Наземные транспортно-технологические средства, 23.05.03 Подвижной состав железных дорог, 23.05.04 Эксплуатация железных дорог, 23.05.05 Системы обеспечения движения поездов и 23.05.06 Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей. В прототипе указано, что модуль «Введение в информационные технологии» принадлежит базовой части основной профессиональной образовательной программы и должен изучаться студентами первого курса бакалавриата или специалитета в течение двух семестров в объеме 216 академических часов.

Модуль «Введение в информационные технологии» разделен на блоки, представленные в таблице 1. Формулировки в таблице достаточно общие, предполагающие высокую степень свободы вуза в выборе конкретного программного обеспечения.

 

Таблица 1 – Содержание модуля «Введение в информационные технологии», структурированное по дисциплинам согласно прототипу

№ п/п	Тема (название)	Виды занятий, часы
		Лекции	Семинары	Лабораторные работы	Самостоятельная работа	Практика
1 семестр – Основы информационных технологий
1	Введение в информационные технологии	4	8	8	4	–
2	Технические средства и программное обеспечение ЭВМ	6	10	10	4	–
3	Технические средства и программное обеспечение ЭВМ	4	8	8	4	–
4	Компьютерные сети. Базы данных	3	8	8	4	–
5	Экзамен	–	–	–	8	–
	Итого за семестр	17	34	34	24	18
2 семестр – Профильное программное обеспечение для решения задач профессиональной деятельности
6	Работа с профильным программным обеспечением для решения задач профессиональной деятельности	–	6	10	4	–
7	Работа с профильным программным обеспечением для решения задач профессиональной деятельности	–	2	6	4	–
8	Работа с профильным программным обеспечением для решения задач профессиональной деятельности	–	4	8	4	–
9	Работа с профильным программным обеспечением для решения задач профессиональной деятельности	–	5	10	4	–
10	Зачет	–	–	–	4	–
	Итого за семестр	0	17	34	20	18

 

Однако в представленном там же, в Письме Министерства науки и высшего образования РФ № МН-5/4611, содержании модуля, структурированном по темам, видно, чем именно, по замыслу авторов, должен наполняться этот курс. В первом семестре изучаются классические для курса информационных технологий темы, такие как основные понятия информатики, алгебра логики, системы счисления, аппаратные и программные средства ЭВМ, базы данных, системы управления базами данных (СУБД) [5]. На наш взгляд, интерес представляют темы «Технологии разработки программ» и «Основы структурного программирования», предлагаемые для изучения в середине семестра в блоке «Технические средства и программное обеспечение ЭВМ» в отрыве от тем второго семестра, тесно связанных с программированием.

Во втором семестре темы семинаров в блоке «Работа с профильным программным обеспечением для решения задач профессиональной деятельности» звучат как «Нахождение минимального и максимального элементов в строке (столбце) матрицы с использованием подпрограмм», «Обработка квадратных матриц с использованием функций» и т.д. В следующем блоке «Разработка и отладка приложений по обработке строковой информации» речь идет о СУБД, а далее в блоке «Разработка и отладка приложений с использованием структур, универсальных модулей и нескольких форм», судя по формулировкам тем семинаров, изучается программирование на языке СИ (далее – СИ).

На наш взгляд, предлагаемый прототип образовательного модуля является несколько перегруженным, кроме того, темы, связанные с матрицами, наводят на мысль, что за основу берутся языки программирования, сегодня являющиеся скорее учебными, такие как Pascal. Изучение СИ большинством студентов (подчеркнем, речь не только о технических специальностях) в эпоху нереляционных СУБД, больших данных и блокчейна также выглядит атавизмом. На наш взгляд, это не отвечает духу времени и не может применяться в дальнейшей учебной и профессиональной деятельности.

Далее обратимся к рабочей программе модуля «Системы искусственного интеллекта». Согласно письму Минобрнауки [6], модуль может применяться при реализации основных образовательных программ высшего образования по всем специальностям и направлениям подготовки.

Объем модуля 108 часов. Среди его тем не только сугубо теоретические, такие как «Направления исследований в области систем искусственного интеллекта», но и практические: например, «Основы программирования для задач анализа данных», «Изучение отдельных направлений анализа данных», «Ансамбли моделей машинного обучения для задачи классификации» и т.д. Перечень ресурсов сети Интернет, рекомендуемых для самостоятельной работы при освоении модуля, состоит из трех пунктов: TensorFlow, PyTorch, KERAS. Все это библиотеки языка Python, предназначенные для машинного обучения и работы с нейронными сетями.

Вместе с тем в фондах оценочных средств предлагается проверка знаний путем решения логических задач вида: «Даны утверждения. Трудные дети нелогичны. Мы не презираем никого, кто не способен справиться с крокодилом. Мы презираем тех, кто нелогичен. Докажите, что из этих утверждений следует вывод: "Трудные дети способны справиться с крокодилом"». На наш взгляд, предложенный прототип несколько противоречив. Странно проверять знания в области искусственного интеллекта логическими задачами, которые изучаются в базовом курсе информатики за 10 класс [8, c. 219–224]. Изучать «Основы программирования для анализа данных» только в теории нецелесообразно. Изучать их на практике в рамках 108-часового курса, с учетом того, что ранее в модуле «Введение в информационные технологии» не предполагалось изучение языка программирования, решающего задачи машинного обучения, нереально – у студентов нет базовых знаний о синтаксисе языка, его возможностях и т.д.

Решение мы видим в следующем. Переместить в модуль «Введение в информационные технологии» основы программирования на языке, который сегодня используется для решения задач искусственного интеллекта – Python [9–12]. Это отвечает духу времени, коррелирует с задачами, поставленными поручениями президента РФ [4], соотносится с формулировкой компетенции «Способен понимать принципы работы современных информационных технологий и использовать их для решения задач профессиональной деятельности», закрепленной за модулем [13], и закладывает базу для дальнейшего практического знакомства с алгоритмами анализа больших данных и машинного обучения в модуле «Системы искусственного интеллекта». Одним из достоинств Python является синтаксическая ясность и большое количество подключаемых библиотек. На практике это позволит несколько сократить количество часов, отводимых на изучение программирования в модуле «Введение в информационные технологии» за счет отказа от изучения сложных механизмов, которые в современных языках реализуются базовыми функциями. Напомним, что модуль «Введение в информационные технологии» лишь частично состоит из тем, связанных с программированием, и отвечает также за формирование компетенций в области работы с прикладными пакетами программ, на что также необходимы часы.

В вузах цифровые компетенции нужны не только как содержательный компонент, но и как условие обучения [14, с. 25]. Сегодня электронные зачетки, электронное расписание, электронные курсы – данность. В настоящее время для полноценной учебы необходимо использовать инструментарий электронной информационно-образовательной среды (далее – ЭИОС) вуза, технологии асинхронно и синхронного взаимодействия и другие цифровые инструменты.

Решая задачу формирования и развития компетенции «Способен понимать принципы работы современных информационных технологий и использовать их для решения задач профессиональной деятельности» в Самарском государственном университете путей сообщения, мы выделили в модуле «Введение в информационные технологии» универсальную для всех первых курсов дисциплину «Цифровые технологии самообразования», в рамках которой студенты знакомятся со всеми возможностями ЭИОС. Она формирует часть указанной компетенции, а именно индикатор достижения компетенции «использует ресурсы электронной образовательной среды в рамках своей образовательной деятельности», связанной с обучением в вузе, является полностью практической и дистанционной. Такой подход позволяет с самого начала создать для студентов среду, максимально совпадающую с условиями самостоятельного образования, и освободить компьютерные классы вуза для специализированных занятий. Структура и содержание дисциплины «Цифровые технологии самообразования» представлены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Структура и содержание дисциплины «Цифровые технологии самообразования» в СамГУПС

№ п/п	Тема (название)	Виды занятий, часы
		Самостоятельная работа	Практика
1	Анализ основных возможностей цифрового университета и ЭИОС СамГУПС	1	2
2	Использование систем видеоконференцсвязи в учебном процессе	4	4
3	Использование электронных курсов в учебном процессе и самообразовании	10	10
4	Формирование и работа с сервисами портфолио обучающегося в ЭИОС	2	2
5	Использование электронных библиотек в процессе самообразования	4	4
6	Использование сервисов Microsoft Office 365 в учебном процессе и самообразовании	10	10
7	Обзор площадок MOOC и их использование в процессе самообразования	8,75	–
8	Зачет и подготовка к зачету	0,25
	Итого за семестр	72

 

Второй дисциплиной в модуле «Введение в информационные технологии» является «Информатика» (табл. 3).

 

Таблица 3 – Структура и содержание дисциплины «Информатика» в СамГУПС

№ п/п	Тема (название)	Виды занятий, часы
		Лекции	Лабораторные работы	Самостоятельная работа
Раздел 1. Общее понятие информатики. Технические и программные средства реализации информационных процессов и анализа проблемных ситуаций
1.1	Формы представления информации, алгоритмы обработки данных. Виды информации, способы кодирования информации различных типов, процессы и методы поиска, сбора, обработки, передачи и хранения информации. Свойства информации	2	–	2
1.2	Технические и программные средства реализации информационных процессов. Понятие аппаратных и программных средств. Классификация программного обеспечения. Служебные и прикладные программы. Виды лицензий. Цифровая этика и этикет. Авторское право. Поиск информации в базах данных	2	–	2
1.3	Яндекс 360. Работа с таблицами. Форматирование ячеек. Основные манипуляции с таблицами. Работа с адресацией листов и файлов. Расчетные операции в Яндекс таблицах (работа с формулами и функциями, основные статистические и математические функции, логические операции и т.д.). Создание и использование графиков и диаграмм. Работа с массивом данных. Сводные отчеты	2	10	12
1.4	Новые производственные технологии. Цифровое проектирование, математическое моделирование и управление жизненным циклом изделия или продукции	2	–	2
1.5	Цели и задачи защиты информации. Основные виды и источники атак на информацию. Основы и методы защиты информации. Методы и средства защиты от несанкционированного доступа к информации. Основы безопасной работы в локальных и глобальных сетях. Вирусы и антивирусные программы. Антивирусная защита информации. Особенности защиты информации	2	–	2
1.6	Создание цифрового контента. Сервисы графического дизайна: возможности и сфера применения. Инструментарий: шаблоны, элементы, шрифтовые сочетания. Основы композиции	–	2	2
1.7	Системы бизнес-аналитики. Чтение данных. Фильтрация, группировка и агрегирование данных. Создание интерактивных отчетов. Графики, тепловые карты	–	2	2
Раздел 2 Технические и программные средства построения алгоритмов решения поставленных задач и анализ результатов
2.1	Язык программирования высокого уровня. Редакторы кода и онлайн-сервисы, поддерживающие работу с языком программирования высокого уровня. Основы синтаксиса. JupiterNotebook. Ввод и вывод данных. Арифметические задачи	2	2	6
2.2	Типы данных: целые и вещественные числа. Операции с числами. Чтение чисел с плавающей точкой. Строки. Операции со строками. Методы строк. Списки. Операции со списками. Методы списков. Индексы, срезы и копии	2	8	12
2.3	Основные операторы языка программирования высокого уровня. Условный оператор. Логические выражения. Вложенные конструкции. Оператор цикла for. Инструкция range. Вложенные конструкции. Оператор цикла While. Инструкции break и continue. Вложенные конструкции	2	8	12
2.4	Зачет и подготовка к зачету	6
	Итого за семестр	108

 

При разработке содержания дисциплины мы руководствовались прототипом рабочей программы [5], результатами исследований в области цифровой грамотности граждан РФ [13; 15; 16] и особенностями существующих учебных планов.

В 2021 г. Высшая школа экономики (далее – ВШЭ) и Национальное агентство финансовых исследований (далее – НАФИ) независимо друг от друга провели два исследования на тему готовности граждан к цифровой трансформации, взяв за основу методику Европейского союза по оценке цифровых компетенций – DigCompSAT [17]. При этом ВШЭ предлагала анкету самодиагностики, т.е. пользователи сами оценивали свой уровень знаний и умений [16, с. 28–41]. В исследовании НАФИ [15] пользователю предлагались вопросы из предметной области с вариантами ответов, таким образом проверялись реальные знания, а не представления респондента об их наличии или отсутствии.

В обоих исследованиях вопросы группировались в соответствии с пятью критериями: информационная грамотность; коммуникативная грамотность; создание цифрового контента; цифровая безопасность; навыки решения проблем в цифровой среде. Самые низкие результаты россияне показали в сфере создания цифрового контента, в исследовании НАФИ – 59 процентных пунктов, против 65 и 67 процентных пунктов по другим критериям, в исследовании ВШЭ только 21,1% респондентов обладает базовыми компетенциями в этой сфере (показатель по другим критериям от 22,6% до 55%). Данный критерий демонстрирует компетенции человека по созданию и редактированию цифрового контента, навыки по работе с авторскими правами в Сети.

Несмотря на различие в подходах к измерению, оба исследования – и ВШЭ, и НАФИ – пришли к схожим результатам: около 60% респондентов обладают базовым уровнем цифровой грамотности («уверенный пользователь»). Согласно исследованию НАФИ, уровень за пандемийный 2020 год вырос, однако произошло это за счет перехода из группы с начальным уровнем цифровой грамотности в группу с базовым уровнем. Количество россиян с продвинутым уровнем цифровой грамотности практически не выросло. Это тревожный показатель, так как развитие экономики во многом зависит от доли специалистов высокотехнологичных отраслей в структуре общества [15].

Учитывая признанные указанными исследованиями проблемы россиян в сфере создания цифрового контента, мы включили в программу дисциплины «Информатика» изучение сервисов графического дизайна, позволяющих создавать публикации со статичной и анимированной графикой, видеопрезентации, инфографику и т.д. Отметим, что эти занятия стабильно вызывают живой интерес у студентов.

Кроме того, опираясь на данные исследований, мы включили в содержание лабораторных работ по информатике изучение офисных пакетов, которые остаются базовым функционалом при работе с компьютером – вопросы, связанные с работой в текстовых и табличных редакторах фигурируют в опросе НАФИ и предшествующем ему исследовании Росстата («Выборочное федеральное статистическое наблюдение по вопросам использования населением информационных технологий и информационно-телекоммуникационных сетей за 2013–2019 гг.» [18]) на тему цифровых компетенций.

Оставшиеся часы дисциплины «Информатика» занимает изучение языка программирования Python: от основ синтаксиса до структур данных, о чем подробнее говорилось выше.

Таким образом, в Самарском государственном университете путей сообщения мы формируем модуль «Введение в информационные технологии» из двух дисциплин: «Цифровые технологии самообразования» и «Информатика». Первая знакомит с инструментами обучения в вузе, вторая дает фундаментальные знания в области информационных технологий, опыт работы с прикладными пакетами программ, формирует компетенции, связанные с созданием цифрового контента, и закладывает основы знаний в области программирования, что создает хорошую базу для практического изучения систем искусственного интеллекта на старших курсах.

Изложенный подход к формированию компетенции «Способен понимать принципы работы современных информационных технологий и использовать их для решения задач профессиональной деятельности», реализуемый сегодня в СамГУПС, имеет достаточное количество отличий от прототипа модуля «Введение в информационные технологии», предложенного Минобрнауки. Главное из них – отказ от изучения задач нахождения минимального и максимального элементов в строке матрицы в пользу более современного языка программирования, вообще не оперирующего матрицами в общепринятом смысле слова.

Предвидя возражения, касающиеся важности изучения именно алгоритмов работы с данными, сортировок, поиска максимума и минимума вручную для понимания основ программирования, отметим следующее. На наш взгляд, дидактический принцип связи теории с практикой является одним из самых важных. Рассказывать взрослым людям, студентам вуза, теорию, которую трудно применить в современной разработке – значит, не только не дать им важных практических инструментов, но и привить неверное, возможно пренебрежительное, отношение к столь важной науке, как информатика. Как показывает практика, сегодняшние студенты не видят связи между достижениями в цифровой сфере и школьной информатикой. Визуально решение задач на обработку матриц и программы с текстовым интерфейсом очень далеки от разработки современных приложений. Показать обучающимся современный язык программирования и его прикладные возможности (к примеру, разработку чат-ботов, решение задач распознавания образов) нам кажется более важным, чем дать фундаментальные основы, повторяющие отчасти школьную программу.

Заключение

Изучив прототип модуля «Введение в информационные технологии», предложенный Министерством науки и высшего образования, и проанализировав исследования в области цифровой грамотности граждан России, а также руководствуясь дидактическим принципом связи теории с практикой, мы разработали структуру и содержание модуля «Введение в информационные технологии». В СамГУПС формирование компетенции «Способен понимать принципы работы современных информационных технологий и использовать их для решения задач профессиональной деятельности» реализуется в рамках двух дисциплин, общих для всех обучающихся первого курса: «Цифровые технологии самообразования» и «Информатика». Такая сепарация связана с четким делением целей курсов, первый направлен на изучение инструментов обучения, в том числе самостоятельное, второй охватывает общие цифровые компетенции. Актуализация дисциплины «Информатика» состоит во включении блока, отвечающего за компетенцию в сфере создания цифрового контента (табл. 3: 1.6, 1.7), и замене блока, направленного на изучение языков Pascal и СИ, на основы языка программирования Python, что позволяет заложить базу для изучения модуля «Системы искусственного интеллекта», который становится обязательным для всех специальностей и направлений подготовки.

Предложенный подход позволяет комплексно решить все задачи, поставленные распоряжениями президента РФ и Министерства науки и высшего образования РФ, при этом он органично вписывается в учебные планы за счет сокращения часов на изучение учебных языков программирования в пользу актуального языка программирования. В 2022/2023 учебном году в Самарском государственном университете путей сообщения были внедрены оба модуля: рассмотренный в статье «Введение в информационные технологии» на первом курсе и «Системы искусственного интеллекта» – на втором и четвертом. Безусловно, об эффективности подхода можно будет говорить только после того, как практика внедрения затронет одних и тех же студентов, что могло бы стать темой дальнейших исследований.

Об авторах

Ирина Викторовна Тюжина

Самарский государственный университет путей сообщения

Email: i.tyuzhina@samgups.ru

кандидат педагогических наук, доцент кафедры цифровых технологий

Россия, г. Самара

Сергей Васильевич Горбатов

Технический университет Уральской горно-металлургической компании

Email: s.gorbatov@tu-ugmk.com

кандидат педагогических наук, доцент, заведующий кафедрой информационных технологий

Россия, г. Верхняя Пышма, Свердловская область

Алексей Евгеньевич Казеев

Самарский государственный социально-педагогический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: kazeev_a@mail.ru

кандидат педагогических наук, доцент кафедры информатики, прикладной математики и методики их преподавания

Россия, г. Самара

Список литературы

Дополнительные файлы