Методика фундаменталізованого навчання об’єктно-орієнтованому програмуванню майбутніх фахівців у галузі інформаційних технологій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 378.14:372

Української інженерно-педагогічної академії

Методика фундаменталізованого навчання об'єктно-орієнтованому програмуванню майбутніх фахівців у галузі інформаційних технологій

Ірина Бардус, кандидат педагогічних наук, доцент, докторант кафедри креативної педагогіки та інтелектуальної власності

Анотація

якість програмування освіта фундаменталізація

Стаття присвячена проблемі підвищення якості навчання об'єктно-орієнтованому програмуванню майбутніх фахівців у галузі інформаційних технологій на засадах фундаменталізації освіти. Розроблено систему навчальних, розвивальних та виховних цілей навчання об'єктно-орієнтованому програмуванню за умови фундаменталізації освіти. Визначено умови фундаменталізації змісту навчання об'єктно-орієнтованому програмуванню майбутніх ІТ-фахівців. Описано методику організації продуктивної навчально-пізнавальної діяльності студентів під час лекційних та практичних занять.

Ключові слова: методика навчання; фундаменталізація; ІТ-фахівець; об'єктно-орієнтоване програмування; цілі навчання; зміст навчання; методи навчання; дидактичні засоби; продуктивна діяльність.

Annotation

Iryna Bardus, Ph.D. (Pedagogy), Associate Professor, Doctoral Student of the Creative Pedagogic and Intellectual Property Department

Method of fundamentalized teaching of object-oriented programming for future specialists in the field of informational technologies

The article is devoted to the problem of improving the quality of teaching of the object-oriented programming for future specialists in the field of information technologies based on fundamentalization of education.The conditions of fundamentalization of the object-oriented programming's learning, a content for the future IT specialists are determined. The first condition of fundamentalization is that the content of learning the object-oriented programming should contain the concepts about past, current and future technologies and methods of creating the software products, as well as the general-scientific and industry-specific fundamental laws and categories. The list of basic concepts of object-oriented programming and basic general-scientific and branch laws and categories for their substantiation is given. The second condition of fundamentalizing the content of learning the object-oriented programming is the presentation of basic concepts indicating the purpose, structure, principle of action, characteristics and the fundamental general-scientific and branch laws and categories. The third condition of the fundamentalization of education is the provision of productive educational and cognitive activity of students, which reflects the process of designing, modeling and developing the new or improved existing software, both in practical and in lecture classes. The organization method of productive educational and cognitive activity of students during lectures and practical classes is described. The method and didactic means of training for the improvement of existing ones and the creation of new IT products are developed. The implementation of the method and didactic means for improving the basic IT product during the learning of object-oriented programming during the lecture classes is considered on the example of the topic "Organization of inheritance mechanisms in classes ". An example of applying the method of creating new IT products for organizing the productive educational and cognitive activity of students at practical classes during the studying of the topic "The concept of virtual functions and polymorphism" is given. Consequently, the goals, content, methods and didactic means of learning the object-oriented programming based on the fundamentalized approach will allow students to develop the professional competence of IT professionals to perform the productive professional activities in designing and creating new computer software.

Keywords: teaching methodology; fundamentalization; an IT specialist; the object-oriented programming; learning goals, a content of training; teaching methods; didactic means; productive activity.

Постановка проблеми. Підвищення якості професійної підготовки майбутніх фахівців у галузі інформаційних технологій (ІТ-фахівців) до продуктивної діяльності вимагає розроблення методики фундаменталізації комп'ютерних дисциплін, зокрема навчальної дисципліни “Об'єктно-орієнтоване програмування (ООП)”.

Аналіз основних досліджень і публікацій. Нами в роботі [6] обґрунтовано концепцію диференційно-інтегративної фундаменталізації професійної підготовки майбутніх ІТ-фахівців до продуктивної діяльності на основі філософських, природничих та математичних законів і понять. В роботах [3 - 5] нами розроблено зміст, методи та дидактичні засоби фундаменталізованого навчання майбутніх ІТ-фахівців. Перелічені компоненти методичної системи фундаменталізованої професійної підготовки майбутніх ІТ-фахівців розроблені у вигляді узагальнених структурно-функціональних моделей, які для застосування при навчанні об'єктно-орієнтованому програмуванню потребують конкретизації відповідно до предметної галузі навчальної дисципліни.

Метою статті є розробка методики фундаменталізованого навчання об'єктно-орієнтованому програмуванню майбутніх фахівців у галузі інформаційних технологій.

Виклад основного матеріалу. На сьогодні найпопулярнішою технологією створення програмних продуктів є програмування на основі об'єктно-орієнтованої парадигми, яка дозволяє просто і швидко підвищити їх продуктивність і надійність [1]. Тому при підготовці майбутніх ІТ- фахівців навчальна дисципліна “Об'єктно-орієнтоване програмування” є фундаментальною та обов'язковою для вивчення.

Метою фундаменталізованої професійної підготовки майбутніх ІТ-фахівців з об'єктно-орієнтованого програмування є формування у них професійних компетентностей виконувати продуктивну професійну діяльність з проектування програмного забезпечення, розробки архітектури, модулів та компонентів програмних систем.

Відповідно до поставленої мети та системи професійних компетентностей ІТ-фахівця [4] нами розроблено навчальні, розвивальні та виховні цілі навчання об'єктно-орієнтованому програмуванню.

Навчальними цілями дисципліни “Об'єктно-орієнтоване програмування” є: засвоєння необхідних знань з опанування сучасними технологіями аналізу, проектування та об'єктно-орієнтованої розробки програмних систем, вивчення складових частин об'єктно-орієнтованої парадигми, об'єктно-орієнтованої моделі та синтаксису мови об'єктно-орієнтованого програмування C++ (C#, Java), а також застосування об'єктно-орієнтованого підходу та методів узагальненого програмування до проектування і реалізації програмного забезпечення; отримання навичок використання класів, механізмів наслідування, інкапсуляції, поліморфізму при самостійній побудові програм різної складності з використанням структурно-модульного та об'єктно-орієнтованого методу програмування.

Традиційний зміст навчання об'єктно-орієнтованому програмуванню спрямований на те, щоб навчити студентів об'єктно-орієнтованої технології програмування на прикладі обраної мови програмування C++ (Java, C#), та охоплює наступні теми: “Парадигми програмування”, “Класи”, “Організація класів і особливості роботи з об'єктами”, “Особливості механізму перевантаження операторів”, “Організація механізмів успадкування в класах”, “Поняття про віртуальні функції та поліморфізм”, “Робота з шаблонними функціями та класами” [7, 8].

Відповідно до розробленої нами моделі змісту фундаменталізованої професійної підготовки майбутніх ІТ-фахівців [5] зміст навчання об'єктно-орієнтованому програмуванню має містити поняття про минулі, сучасні та перспективні технології та методи створення програмних продуктів, а також загально-наукові і галузеві фундаментальні закони й категорії. Фундаментальними загально-науковими засадами об'єктно-орієнтованого програмування є філософські та математичні закони і категорії, які лежать в основі проектування, моделювання та реалізації програмних продуктів на основі об'єктно-орієнтованої парадигми. До галузевих фундаментальних законів і категорій належать поняття з інших комп'ютерних дисциплін та раніше вивчені з цієї ж дисципліни. В (табл. 1) нами наведено список базових понять з об'єктно-орієнтованого програмування та фундаментальні загально-наукові і галузеві закони й категорії для їх обгрунтування.

Однією з умов фундаменталізації змісту навчання об'єктно-орієнтованому програмуванню є структурування навчального матеріалу на основі виділення логічної структури, систематизації і впорядкування знань, визначення фундаментальних понять і зв'язків між ними. Для цього кожне базове поняття про об'єктно-орієнтоване програмування необхідно подавати у вигляді моделі: P={R(f), S(f), D(f), H(f)}, де R(f) - призначення, S(f) - структура, D(f) - принцип дії, H(f) - характеристики, f - фундаментальні загально-наукові та галузеві закони і категорії.

Нарис. 1 представлено приклад фундаменталізованого поняття навчальної дисципліни “Об'єктно-орієнтоване програмування” у вигляді семантичної моделі поняття “клас”.

Ще однією умовою фундаменталізації освіти є забезпечення продуктивної навчально-пізнавальної діяльності студентів, яка відображає

Таблиця 1. Список базових понять навчальної дисципліни “Об'єктно-орієнтоване програмування” та фундаментальних загально-наукових і галузевих законів і категорій для їх обґрунтування

процес проектування, моделювання та розроблення нового чи удосконалення вже існуючого програмного забезпечення, як на практичних, так і на лекційних заняттях.

Через те, що навчально-пізнавальна діяльність студента у ВНЗ відображає процес набуття суб'єктивно нових знань про предмети, які об'єктивно вже відомі, тому наведена вище модель P={R(f), S(f), D(f), H(f)} може бути використана для представлення понять про існуючі методи та технології об'єктно-орієнтованого програмування під час продуктивної навчально-пізнавальної діяльності студентів.

Оскільки для створення нових програмних продуктів з покращеними характеристиками на основі вже існуючих достатньо змінити структуру або принцип дії останніх, тому при організації продуктивної діяльності студентів із засвоєння нового матеріалу доцільно базові поняття про методи та технології об'єктно-орієнтованого програмування виводити на основі раніше вивчених.

Рис. 1. Семантична модель поняття “клас”

При цьому, доцільно застосувати ретроспективний аналіз розвитку методів і технологій програмування, а також відомого програмного забезпечення [2]. Системний ретроспективний аналіз методів і технологій програмування дозволяє визначити основні причини виникнення (нові характеристики) кожного покоління із зазначенням нового призначення, структури, принципу дії, та згодом визначити перспективи їх розвитку.

Наступним кроком, розглянемо методи та дидактичні засоби, які доцільно використовувати для організації продуктивної навчально-пізнавальної діяльності студентів на лекційних та практичних заняттях.

Нами у роботі [3] розроблено метод та дидактичні засоби навчання удосконаленню вже існуючих та створенню нових ІТ-продуктів.

Розглянемо реалізацію методу та відповідних дидактичних засобів удосконалення базового ІТ- продукту при навчанні об'єктно-орієнтованому програмуванню під час лекційних занять на прикладі теми “Організація механізмів успадкування в класах”.

Перше знайомство студентів із поняттям “успадкування в класах” доцільно здійснити на лекції, запропонувавши їм розв'язати наступне завдання: “Два класи з частково ідентичними властивостями та функціональністю, наприклад “Автомобіль” та “Мотоцикл”. Вони мають колеса та двигун, можуть рухатись за їх допомогою по дорозі. Але їх кількісні та якісні покажчики є різними. Крім того, вони мають велику різницю у загальній компоновці частин корпусу та містять специфічні структури та функціональність (наприклад, автомобіль має кузов та двері, а мотоцикл - підставку для підтримки у нерухомому стані).

Дублювання коду призводить до ускладнення програми, збільшенню її розміру та появленню потенційних помилок у майбутньому при модифікаціях такого коду або додаванні інших класів, що також будуть поділяти ці властивості та функціональність. Треба реорганізувати їх структуру таким чином, щоб уникнути дублювання коду та даних у обох класах і забезпечити надійний механізм модифікації загального для всіх класів коду”.

Викладач за допомогою евристичних питань повинен підвести студентів до наступних висновків.

Кожен клас можна представити як множину властивостей цього класу (значень та функцій). Всі об'єкти (екземпляри) одного класу містять один і той самий набір цих властивостей. Якщо два класи А та М мають частково однакові властивості, їх можна представити у вигляді множин властивостей, що частково перетинаються: А о М = S, де S - це множина властивостей, що містяться у обох вихідних класах.

Таким чином, S с А А a S с М, тобто S є підмножиною множин А та М.

Рішенням задачі буде створення нового класу на основі множини S, що буде містити загальні властивості для обох вихідних класів, та забезпечення зв'язку між класами таким чином, щоб такі зв'язані класи могли розділяти одну й ту ж саму функціональність.

З позицій філософських категорій класи А та М є проявом категорії “особливе” відносно класу S, для яких він, в свою чергу, буде проявом категорії “загальне”. Конкретні об'єкти класів А та М будуть проявом категорії “конкретне”.Далі викладач робить висновок, що у об'єктно-орієнтованому програмуванні такий зв'язок між класами має назву “успадкування”. Клас, що містить загальні властивості, має назву “базовий клас”, або “суперклас”, а класи, що наслідують ці властивості та додають свої власні, мають назву “похідні класи”, або “підкласи”.

Класи можуть бути організовані у деревовидні ієрархії, де деякі з них можуть бути як підкласами для одних, так і суперкласами для інших класів. Таку ієрархію можна представити у вигляді спрямованого ациклічного графу з напівстепенем 1 (деревовидного графу).

Всі властивості (значення та функції), що успадковані класом від своїх суперкласів, доступні для зовнішнього користувача класу як власні властивості, тобто для нього не має різниці, де саме (у якому з класів) визначена та чи інша властивість - вона завжди доступна таким чином, ніби міститься безпосередньо у цьому конкретному класі.

Узагальнити та підсумувати теоретичний матеріал доцільно, побудувавши разом із студентами семантичну модель поняття “успадкування класів”, наведену на рис. 2.

Наступним кроком розглянемо застосування методу створення нових ІТ-продуктів [3] для організації продуктивної навчально-пізнавальної діяльності студентів на практичних заняттях на прикладі теми “Поняття про віртуальні функції та поліморфізм”.

Прикладом такої задачі може бути: “Створити програму на C++, використовуючи ООП- парадигму, що відображає на екрані довільну кількість геометричних фігур, запитуючи у користувача такі дані:

1) тип геометричної фігури (прямокутник, рівносторонній трикутник, коло);

2) координати (x, у) центру фігури;

3) дані, специфічні для фігур: висота (h) та ширина (w) для прямокутника, довжина сторони (l) для рівностороннього трикутника, радіус (г) для кола;

4) колір фігури”.

Розв'язати цю задачу відповідно до методу [3] можна за наступним алгоритмом.

Спочатку треба створити модель предметної області, яка буде реалізована в рамках даної задачі. Очевидно, що до неї входять три сутності - прямокутник, рівносторонній трикутник та коло. Кожна з цих сутностей може бути представлена окремим класом - Rectangle, Triangle, Circle.

Аналізуючи склад властивостей кожного з класів, можна дійти висновку, що деякі з них є загальними (філософська категорія “Загальне”) для всіх класів, а саме - координати центру фігури та її колір. Решта властивостей є специфічними (філософська категорія “Особливе”) для кожного з класів. Загальні для всіх класів властивості треба виділити в окрему сутність - створити загальний клас “Геометрична фігура” (Figure), що буде базовим класом для решти класів.

Для того, щоб вивести на екран фігуру, треба надати кожній з них метод для такої операції. Цей

Рис. 2. Семантична модель поняття “успадкування класів”

метод буде робити одне й те ж саме - малювати свою фігуру на екрані, тому, з одного боку, він має міститися у базовому класі (Figure). З іншого боку, спосіб виведення для кожної фігури повинен бути свій, оскільки кожна фігура має власні особливості. Тому цей метод однозначно має бути реалізований у кожному з специфічних класів геометричних фігур. Для того, щоб застосувати такий підхід, треба використати таку специфічну ООП-конструкцію, характерну для С++, як віртуальний метод. У базовому класі Figure треба створити віртуальний метод render(). Оскільки реалізації цього методу у базовому класі не буде, він повинен бути не просто віртуальним, а суто віртуальним, тобто створеним з особливою декларацією (=0), що вказує на відсутність реалізації у даному класі та обов'язковість такої реалізації у всіх похідних класах. У решті класів, що представляють конкретні геометричні фігури, треба задекларувати той самий метод, але вже з повноцінною реалізацією, специфічною для даної фігури.

Останнім кроком треба створити частину загальної програми, що буде циклічно запитувати дані у користувача, створювати екземпляри відповідних класів геометричних фігур та викликати їх метод render() для виведення їх на екран.

Висновки з даного дослідження і перспективи подальших розвідок у даному напрямку

Отже, розроблені на основі фундаменталізованого підходу цілі, зміст, методи та дидактичні засоби навчання об'єктно-орієнтованому програмуванню дозволять сформувати у студентів професійні компетентності ІТ-фахівця виконувати продуктивну професійну діяльність з проектування і створення нового програмного забезпечення комп'ютерної техніки.

Література

1. Бадд Т Обьекіно-ориеніированное программирование в действии / Т Бадд. - СПб.: Питер, 1997. - 464 с.

2. Бардус І. О. Визначення закономірностей розвитку програмного забезпечення комп'ютерної техніки як умова фундаменталізації професійної підготовки майбутніх фахівців у галузі інформаційних технологій / І. О. Бардус // Наукові записки Бердянського державного педагогічного університету. Педагогічні науки: зб. наук. пр. - Бердянськ: ФО-П Ткачук О.В., 2017. - Вип. 3. - С. 94-101.

3. Бардус І. О. Методи фундаменталізованого навчання майбутніх фахівців у галузі інформаційних технологій виконувати продуктивну діяльність /

І.О. Бардус // Ключові питання наукових досліджень у сфері педагогіки та психології у ХХІ ст.: Збірник тез наукових робіт учасників міжнародної науково- практичної конференції (м. Львів, 26-27 січня 2018 року). - Львів: ГО “Львівська педагогічна спільнота”, 2018. - Ч.1.- С. 53-56.

4. Бардус І. О. Структура та зміст професійної компетентності фахівців у галузі інформаційних технологій / І. О. Бардус // Проблеми інженерно- педагогічної освіти. Збірник наукових праць. Вип. 5455. - Харків, Українська інженерно-педагогічна академія (УІПА), 2017. - С. 55-64.

5 . Бардус І. О. Фундаменталізація змісту професійної підготовки майбутніх фахівців у галузі інформаційних технологій до продуктивної діяльності / І. О. Бардус // Наукові записки Тернопільського національного педагогічного університету імені Володимира Гнатюка. Серія: педагогіка. - 2017. - №»3. - С. 74-81.

6. Бардус І. О. Філософські засади концепції фундаменталізації професійної підготовки майбутніх фахів ців у галузі інформаційних технологій / І. О. Бардус // Проблеми інженерно-педагогічної освіти. Збірник наукових праць. - Вип. 52-53. - Харків, Українська інженерно-педагогічна академія (УІПА), 2016. - С. 7-17.

7. Бублик В. В. Об'єктно-орієнтоване програмування: [Підручник] / В. В. Бублик. - К.: ІТ-книга, 2015. - 624 с.

8. Грицюк Ю. І. Об'єктно-орієнтоване програмування мовою С++ : навч. посібн. / Ю. І. Грицюк, Т. Є. Рак. - Львів: Вид-во ЛДУ БЖД, 2011. - 404 с.

Размещено на Allbest.ru