Методическое пособие Иваново 2003 Выходные данные

Вид материала

Методическое пособие

Содержание 11.1.2. Демонстрации физических процессов и явлений 11.1.3. Виртуальные лабораторные работы 11.1.4. Интерактивный задачник 11.1.5. Результаты внедрения комплекса в учебный процесс

Подобный материал:

• Выходные данные статьи, 126kb.
• Учебное пособие Иваново 2003 удк, 4072.99kb.
• Учебно-методическое пособие томск 2003 Корректор: Воронина, 785.4kb.
• Учебно-методическое пособие и задания для студентов дневного и заочного отделений специальности, 875.22kb.
• Учебно методическое пособие, 771.33kb.
• Н. Г. Чернышевского методическое пособие Саратов 2003 Методическое пособие, 3068.71kb.
• Методическое пособие Москва 2003 Цветкова И. В. Как составить и успешно реализовать, 2646.26kb.
• Учебно-методическое пособие по изучению дисциплины и выполнению письменной работы для, 316.68kb.
• Методическое пособие по курсу «Информатика» для студентов, обучающихся по всем направлениям, 1648.11kb.
• Учебно-методическое пособие Москва 2003 Учебно-методическое пособие разработано коллективом, 523.99kb.

Глава 11. Фрагменты электронных средств обучения для системы управления качеством образования

 

11.1. Комплекс программ для организации самостоятельной работы студентов по физике

 

Разработанный универсальный программный комплекс для обучения и контроля знаний по курсу физики удовлетворяет следующим требованиям:

• представление учебного материала ориентировано на удовлетворение запросов пользователя (удобная навигация по материалу, использование мультимедийных вставок и демонстраций, возможность интерактивного взаимодействия и т.д.);
  
• выполнение лабораторных и практических работ возможно на виртуальном лабораторном стенде;
  
• возможен автоматизированный контроль результатов учения и обучения при решении задач, прохождении тестов до и после выполнения практических работ, в процессе выполнения виртуальных лабораторных работ и других учебных процессов.
  

Программный комплекс состоит из пяти подсистем:

• гипертекстовый учебник, включающий в себя удобно структурированную и снабженную ссылками между различными частями текстовую информацию, мультимедийные вставки;
  
• подсистема демонстрации основных физических законов и явлений;
  
• подсистема, предоставляющая пользователю возможность выполнения лабораторных и практических работ на виртуальных стендах;
  
• подсистема оценки результатов обучения, интегрированная с подсистемой выполнения лабораторных работ;
  
• подсистема для интерактивного решения задач.
  

При реализации комплекса использованы современные гипертекстовые и JAVA-технологии. Гипертекстовые технологии позволили обеспечить удобный интерфейс для пользователя, быстрое перемещение по материалу, просмотр мультимедийных вставок, управление структурой учебных средств и последовательности изложения материала. Это позволяет использовать один и тот же учебный материал для аудитории разной степени подготовленности и для различных видов учебной деятельности (первичное обучение, переподготовка, тренинг, самостоятельное или факультативное изучение материала, работа со справочной системой). Гипертекстовый язык разметки документов наилучшим образом подходит для использования учебника в системах дистанционного обучения.

Ядро комплекса реализовано на объектно-ориентированном языке программирования JAVA, позволяющем легко создавать сложные приложения, организовывать работы в сети. Применение JAVA-технологии позволило свести к минимуму ручное программирование, повысить скорость создания и изменения программных модулей, улучшить наглядность и простоту процесса разработки.

Все виртуальные приборы, используемые в виртуальных лабораторных работах, описываются при помощи компонентной архитектуры JavaBeans, позволяющей создавать повторно используемые компоненты и собирать из них готовые приложения, как из первичных строительных блоков. Кроме того, архитектура JavaBeans имеет изощренную событийную модель, которая позволяет легко реализовать адекватную реакцию на все действия пользователя.

Использование вышеперечисленных технологий позволило обеспечить модульность и масштабируемость комплекса, гарантировать его устойчивую и безопасную работу в сети, в том числе в режиме дистанционного обучения.

 

11.1.1. Гипертекстовый учебник

 

Гипертекстовый учебник (рис.11.1) охватывает курс физики, преподаваемый в технических вузах.



Рис.11.1. Фрагмент гипертекстового учебника

 

Курс разбит на главы (физические основы механики, термодинамика и молекулярно-кинетическая теория вещества, электричество, магнетизм и электромагнетизм, волновая и квантовая оптика, элементы квантовой механики, ядерная физика) и отдельные смысловые части, переход между которыми осуществляется при помощи единого оглавления и перекрестных гиперссылок. Учебник снабжен иллюстрациями и демонстрациями основных физических законов и явлений.

 

11.1.2. Демонстрации физических процессов и явлений

 

Для иллюстрации материала были разработаны апплеты, демонстрирующие действие различных физических законов и явлений. При этом используются реальные формулы и законы, что обеспечивает их адекватное моделирование (рис. 11.2).



Рис. 11.2. Работа газа при изотермическом расширении

 

Использование таких приложений позволило значительно оживить процесс обучения, позволив обучаемому в интерактивном режиме проверять действие основных законов физики, в том числе и тех, которые трудно, а иногда и невозможно было бы воспроизвести реально. Все параметры моделируемого явления могут изменяться пользователем при помощи интуитивно понятного интерфейса. Разработано 20 демонстраций по различным разделам физики.

 

11.1.3. Виртуальные лабораторные работы

 

Немаловажным фактором, способствующим успешному пониманию физики (как, впрочем, и любой другой технической дисциплины), является выполнение лабораторных и практических работ. Однако нередко возникает ситуация, когда вопросы, связанные с современным экспериментом не находят адекватного отражения в учебных лабораториях. Это, прежде всего, связано со сложностью и дороговизной современного лабораторного оборудования. Одним из возможных вариантов решения этой проблемы является создание виртуальных лабораторных установок, которые по своим функциональным возможностям, внешнему виду, системе органов управления, были бы полностью идентичны реальному исследовательскому комплексу, являясь в то же время фактически его компьютерной моделью.



Рис. 11.3. Лабораторная работа «Определение коэффициента динамической вязкости воздуха методом Пуазейля»

 

Исходя из этих принципов был разработан программный комплекс, позволяющий учащемуся в интерактивном режиме выполнять лабораторные работы на виртуальном стенде (рис. 11.3). Компьютерные модели приборов, используемых в таких работах, имеют внешний вид реальных приборов и адекватно моделируют все внутренние процессы, протекающие в них. Применение таких виртуальных стендов позволило полностью автоматизировать выполнение лабораторных работ (производить контроль начальных знаний учащегося при помощи интерактивного теста; определить теоретический материал, требующий повторного изучения; выполнять лабораторную работу, контролируя правильность полученных опытным путем данных и результатов вычислений; выставлять оценки результатов обучения с помощью заключительных тестов и т.п.).

В процессе разработки виртуальных лабораторных работ была выявлена проблема, заключающаяся в том, что создание каждого нового приложения приходилось начинать заново, т.е. «с нуля», задавая алгоритм поведения приборов и их взаимодействие друг с другом. Применение такого подхода неэффективно и трудоемко, т.к. в различных лабораторных работах часто используются одни и те же приборы, и не имеет никакого смысла каждый раз разрабатывать алгоритм их функционирования. Кроме того, при создании таких программ помимо знаний квалифицированного программиста, необходим опыт преподавания конкретного предмета, для которого разрабатывается приложение, поэтому приходилось кооперировать действия преподавателя с действиями программистов. Также каждый раз возникает необходимость обработки теоретического материала для размещения его на web-сервере, подготовки контрольных вопросов для допуска к работе.

Для решения этой проблемы был разработан программный комплекс, позволяющий выполнить вышеизложенные задачи. Созданный набор виртуальных лабораторных приборов (например, для лаборатории по электричеству: амперметры, вольтметры, реостаты, выключатели и т.д.) хранится в банке виртуального лабораторного оборудования. Из этих виртуальных приборов собирается лабораторная установка и посредством математических формул определяет взаимодействия и функционирование всей установки. Возможно применение различных математических операций и функций, а также реакция на определенные действия пользователя. Использование такого подхода позволило свести к минимуму ручное программирование, повысить скорость создания и изменения виртуальных лабораторных работ, улучшить наглядность и простоту процесса разработки.

Далее посредством системы создания сопроводительных материалов обрабатывается теоретический материал, необходимый для выполнения лабораторной работы, определяются параметры контроля правильности выполнения лабораторной работы, а также создаются вопросы допуска и контрольные вопросы. В результате, генерируется HTML-страница, готовая для размещения на web-сервере.

На первом этапе компьютеризации лабораторных исследований создано 14 виртуальных стендов:

• изучение центрального столкновения шаров;
  
• изучение основного закона динамики вращательного движения на маятнике Обербека;
  
• определение момента инерции тела с помощью наклонной плоскости;
  
• определение ускорения силы тяжести при помощи физического маятника;
  
• определение коэффициента динамической вязкости воздуха методом Пуазейля;
  
• определение коэффициента Пуассона по методу Клемана-Дезорма;
  
• определение коэффициента Пуассона по скорости звука в газе;
  
• измерение сопротивлений при помощи моста Уитстона;
  
• определение времени соударения шаров;
  
• изучение полупроводникового диода с помощью осциллографа;
  
• определение диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков;
  
• определение удельного заряда электрона путем фокусировки пучка электронов продольным магнитным полем;
  
• исследование напряженности магнитного поля соленоида при помощи баллистического гальванометра;
  
• проверка закона Ампера и определение величин, характеризующих магнитное поле.
  

11.1.4. Интерактивный задачник

 

Решение задач, являясь одним из главных элементов при изучении физики, обычно вызывает затруднения у студентов и абитуриентов. Для решения проблемы разработаны Интернет-версии задачников по основным разделам физики (рис.11.4). Использование такого рода задачников позволило не только повысить уровень знаний, умений и навыков у студентов посредством индивидуального обучения, но и помогло преподавателям активизировать учебный процесс, опираясь на дифференцированный подход в зависимости от уровня знаний студента.



Рис. 11.4. Пример работы системы интерактивого решения задач

 

Задачи оформлены с помощью специально разработанных шаблонов. Вся задача разбивается на отдельные простейшие подзадачи (шаги), направляющие студента на правильный путь решения. Во время решения предусмотрена возможность использования теории электронного учебника, а также запроса подсказки на каждом шаге. В отдельных фреймах располагаются условия задачи, инструкции по использованию данной системы, а также помощь, выдаваемая по желанию обучаемого. Ход решения записывается и может быть полностью воспроизведен в любое время. Разработаны задачи по разделам механики, молекулярной физики и термодинамики, а также по темам электростатики, постоянного тока и магнетизма.

 

11.1.5. Результаты внедрения комплекса в учебный процесс

 

Эксперимент по выполнению лабораторных работ на виртуальных стендах, а также диалоговому решению задач по физике проводился в 2001-2002 учебном году со студентами различных специальностей. Лабораторные работы выполнялись в разных вариантах:

• только в компьютерной форме;
  
• после выполнения лабораторной работы на реальной установке;
  
• в режиме тренажера (перед выполнением работы на оборудовании лаборатории кафедры физики).
  

После выполнения работ студентам было предложено заполнить анкету.

 

Анкета для оценки качества лабораторного стенда

1. Понравилась ли Вам работа?
   
2. Приходилось ли Вам раньше выполнять подобные работы?
   
3. Достаточно ли теоретического введения для выполнения работы?
   
4. Какая часть работы оказалась наиболее трудной для понимания?
   
5. Какая часть работы оказалась наиболее интересной для Вас?
   
6. Какие навыки Вы приобрели в результате выполнения работы?
   
7. Помогает ли работа усвоить теоретический материал по данной теме?
   
8. Может ли данная работа заменить лабораторную работу на реальной установке?
   
9. В чем преимущества работы на компьютерном стенде перед работой в лаборатории механики?
   
10. В чем недостатки выполнения лабораторной работы на компьютере?
    
11. Согласны ли Вы с оценкой, выставленной компьютером? Если нет, то почему?
    

Обработка ответов студентов (рис. 11.5) позволила сделать следующие выводы:

• Студенты быстро адаптировались к условиям выполнения работ на первых занятиях. У большинства учеников не возникло затруднений психологического характера. Примерно десятая часть студентов замедленно включалась в новый вид деятельности;
  
• Наблюдалась корреляция успехов в обучении традиционными методами и с использованием компьютера;
  
• Почти все студенты проявили интерес к выполнению компьютерных заданий;
  
• Теоретическое введение обычно оказывалось достаточным для ответа на вопросы допуска к работе и для ее практического выполнения (для успешных ответов на контрольные вопросы требовалась предварительная проработка соответствующей темы по материалам лекций, семинаров или глав электронного учебника);
  
• Эффективным оказалось одновременное проведение одноименных лабораторных работ одной частью подгруппы на компьютерах, другой – на лабораторном оборудовании кафедры физики.
  

Преподаватели рекомендовали использовать компьютерные стенды в следующих случаях:

1. Предварительная подготовка студентов к работе на реальной установке. Эта подготовка может проводиться как в компьютерном классе, так и дома.
   
2. Отработка пропущенного лабораторного занятия.
   
3. Работа со студентами-заочниками при отсутствии реальных установок в филиалах университета.
   
4. Для частичной разгрузки преподавателя в группах с большой наполняемостью можно использовать результаты отчета по теории, которые включены в данный вид работы.
   

 



Рис.11.5. Обработка ответов студентов

 



 



 



Продолжение рис.11.5

 



 



 



Продолжение рис.11.5

 



 



 



Окончание рис.11.5

 

Занятия по решению задач проводились после изучения соответствующих тем на лекциях, семинарах, лабораторных работах. Они способствовали повторению материала и подготовке к промежуточному контролю.

Интерактивный задачник рекомендовано использовать для работы преподавателя с группой студентов и для индивидуального самообучения в следующих случаях:

1. Самостоятельная предварительная подготовка студентов к семинарским занятиям.
   
2. Повторение материала перед промежуточным контролем и экзаменом.
   
3. Проведение занятий под контролем преподавателя в случае большой загруженности преподавателя.
   
4. Отработка студентами пропущенного семинарского занятия.
   
5. Для обучения студентов заочников (семинарские занятия у них не предусмотрены).
   
6. Для разгрузки преподавателя от механической передачи информации и рутинных форм контроля результатов обучения, что особенно актуально при работе в многочисленных группах.
   

Занятия с использованием электронных средств обучения показали, что они способствуют: активизации и индивидуализации процесса обучения; более детальному рассмотрению понятий, законов по разбираемой теме; достижению более объективного контроля уровня усваиваемых знаний; приобщению студентов к динамичной мыслительной и психомоторной деятельности на этапе принятия решений; подготовке студентов к применению компьютера в будущей практической деятельности по выбранной специальности.

Внедрение данного программного средства позволило повысить качество процесса обучения, сократить затраты на обучение, повысить наглядность и изобразительность материала, а также обеспечить интерактивное взаимодействие с пользователем.

Аналогичные учебники разрабатываются по всем учебным курсам ИГЭУ.

 

11.2. Имитационный стенд для развития уровней компетентности студентов

 

Имитационный стенд ориентирован на испытания объектов электромеханики. Кроме развития уровней компетентности стенд можно использовать в учебном процессе для повышения уровня теоретических знаний в области электромеханики, развития навыков, связанных с практикой испытания электрических машин, а также для оценки полученных знаний и навыков.

Система позволяет значительно активизировать самостоятельную работу студента, повысить его заинтересованность в работе, а также максимально разгрузить преподавателя, особенно при оценке работы студентов, что позволяет ему максимально концентрироваться на объяснении учебного материала. Использование данной компьютерной системы в учебном процессе позволило уменьшить количество аудиторных часов почти на 50 % при одновременном повышении качества результатов обучения. Система может быть использована в качестве учебного пособия практически в любых (высшем, среднем и начальном профессиональном) учебных заведениях, где изучается электротехника и электромеханика. Система максимально проста для понимания, работа с ней может быть организована в игровой форме.

Система обеспечивает развитие:

• системной компетенции (понимание технических систем, умение корректировать и улучшать системы);
  
• технологической компетентности (умение выбирать приборы и оборудование, разрабатывать схему и программу эксперимента, умение реализовывать эксперимент на практике, навыки работы с испытательными стендами);
  
• компетентности в работе с информацией (умение снимать и оценивать экспериментальные данные, интерпретировать и осмысливать результаты эксперимента, делать практические выводы из результатов эксперимента);
  
• технологической компетентности (понимание процессов физики, используемых в принципе работы испытываемых объектов, умение объяснять и прогнозировать поведение характеристик испытываемых объектов в установившихся режимах, оценивать работу исследуемых объектов в динамических режимах);
  
• мыслительных навыков (умение творчески мыслить, принимать решения, предвидеть, учиться);
  
• личных качеств (умение принимать оперативные решения в экстремальных (аварийных) ситуациях; чувство личной ответственности за правильность принимаемых решений; самоуважение).
  

Основные отличия разрабатываемой системы от аналогичных систем имитации работы электрических схем, в частности широко используемой системы Electronics Workbench фирмы Interactive Image Technologies:

1. Разработчик системы (А.И.Тихонов) не ставил перед собой глобальных задач имитации работы широкого спектра электронных приборов. Реализованы лишь те приборы, которые наиболее часто используются в лабораторных работах в курсах электромеханики, электротехники и т.п.
   
2. В то же время в системе реализовано использование электромеханических объектов, имеющих вращающиеся части, то есть решается задача именно имитации электромеханических систем, что в известных нам системах подобного рода реализуется лишь с помощью статических схем замещения.
   
3. Основное внимание в данной системе уделяется не столько расширению области решаемых задач, сколько максимально близкой имитации реальных операций. То есть в плане визуального отображения результатов работы стенда, легкости адаптации работы с системой и т.п. разрабатываемая система, на наш взгляд, превосходит известные нам популярные аналоги.
   
4. Система нагружена определенным количеством "лишних" с точки зрения аналогичных имитационных систем функциями анимации, контроля знаний, оформления отчета и т.п. С другой стороны, в системе отсутствуют некоторые традиционные процедуры автоматизации эксперимента в целях активизации самостоятельной работы студентов.
   

Главная задача, решаемая разработанной системой, лежит в области обеспечения максимального обучающего эффекта. Основным средством решения поставленной задачи является максимально полная имитация работы студента с реальным испытательным стендом. Система имеет интуитивно понятный интерфейс, практически не требующий от студентов времени на адаптацию к работе с ней.