Министерство образования Российской Федерации Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана

Вид материала

Отчет

Содержание 10.3. Описание учебника Первое направление Второе направление Третье направление Четвертое направление 10.3.2. Технология подготовки компьютерного учебника. 10.3.3. Рекомендации и инструкции и пользователям. 10.5. Список исполнителей

Подобный материал:

• Программа 1-3 октября 2003 года Москва Организаторы и спонсоры Министерство образования, 141.3kb.
• Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, 476.84kb.
• Исследование процессов тепло- и массопереноса на поверхности спеченных электродов, 188.74kb.
• Осрб 1-36 04 02-2008, 702.53kb.
• На главную министерство общего и профессионального образования российской федерации, 1520.3kb.
• Министерство транспорта российской федерации федеральное государственное образовательное, 1267.4kb.
• Москва, 9-11 сентября 2009 г. Московский государственный технический университет им., 94.15kb.
• Министерство транспорта российской федерации московский государственный технический, 113.45kb.
• Н. А. Быковой Контрольные вопросы, 24.48kb.
• Российской Федерации Министерство образования и науки Российской Федерации Государственный, 343.55kb.

10.3. ОПИСАНИЕ УЧЕБНИКА

10.3.1. Концепции формирования учебника.

Важнейшим положительным качеством компьютерных средств обучения является возможность предоставления обучаемому интерактивной среды содержательных действий с элементами знания. Такими элементами при изучении электротехнических дисциплин являются электрофизические процессы, конструкции и принципы действия электротехнических и электронных устройств, их математические модели, методы анализа, синтеза и оптимизации.

В традиционной системе обучения разработана стройная система действий: вывод формул, вычисления с заданной точностью, построение электрических, структурных и алгоритмических схем, изображение графиков, векторных диаграмм и конструкторских чертежей, составление таблиц, расчеты по номограммам и графикам, выбор данных из таблиц. Эти действия так же являются элементами знания и востребуются в инженерной практике в виде умений.

Применение персонального компьютера в инженерной и исследовательской деятельности дает новые высокоэффективные средства и качественно видоизменяет виды деятельности. В настоящее время в распоряжении инженера и исследователя появились мощные профессиональные математические и моделирующие программы.

В таких условиях естественной стратегией построения ПСУН является сочетание авторских управляющих программ-оболочек по конкретным темам и разделам дисциплины с приложениями - математическими и моделирующими программами и программами представления текста, рисунков и формул широкого применения. В управляющей программе организуется навигация, обработка и протоколирование результатов обучения. Такая комплексная структура ПСУН позволяет организовать интеллектуальную поддержку познавательной деятельности студента в ряде направлений .

Первое направление - математические и моделирующие программы обеспечивают интеллектуальную поддержку действиям студента возможностью быстрой организации действий с привлечением мощных вычислительных средств, обладающих высокой точностью и возможностями простого редактирования алгоритма и данных. Так, например, при изучении электротехники можно использовать известные программы MathCAD, Electronics Workbench, MicroCAP, MatLab.

Второе направление интеллектуальной поддержки действий студента – автоматическая генерация заданий определенного уровня сложности.

Идея генерации задания состоит в следующем. Выбирается типовая задача анализа. Например, расчет токов, напряжений и мощностей элементов цепи по заданным параметрам ее элементов. Исходные X и искомые Y величины составляют множество P=X+Y параметров, характеризующих задачу. Случайным образом генерируются значения X величин и рассчитываются У величины. Таким образом определяются значения всех P параметров.

Далее множество X изменяется путем случайной выборки параметров из P и формируется массив исходных данных для варианта задачи студента и список искомых параметров. При этом задача анализа может превратиться в задачу синтеза или оптимизации. Общее количество вариантов, которые могут быть получены таким образом, равно количеству сочетаний X параметров из P за исключением N некорректных вариантов.

Некорректные варианты задания отсеиваются в предварительной процедуре путем расчета определителя Якобиана для исходной задачи анализа. Каждый из вариантов имеет числовой показатель сложности, который присваивается методом экспертных оценок. Этот показатель используется как дополнительный фильтр при случайной выборке варианта.

Третье направление интеллектуальной поддержки действий студента –автоматизация контроля результатов его действия для выработки рекомендаций по траектории обучения.

Проверка числовых значений производится сравнением числа, введенного студентом A_ст с эталонным значением A_эт. Если эталон-целое число, критерий правильности:

A_ст - A_эт =0. (1)

Если эталон-нецелое число, критерий правильности формируется с заданной абсолютной погрешностью DA :

A_ст - A_эт  DA. (2)

или при A_эт0 с заданной относительной погрешностью dA:

(A_ст - A_эт)/ A_эт  dA. (3)

Значение вектора лучше оценивать отдельно по проекциям.

Проверка формулы может быть организована разными способами.

Если формула вводится по шаблону, то проверяется символ в каждом знакоместе по формуле (1).

В других случаях следует использовать численный метод, который заключается в следующем. В программе оболочке случайным образом формируются значения аргументов-величин, входящих в формулу. При этом желательно обеспечить равновесность аргументов путем использования коэффициентов влияния. Затем производятся вычисления искомой величины по формуле студента и по формуле преподавателя. Результаты сравниваются по выражениям (1)-(3).

Практически такая процедура может быть организована одним из следующих способов.

Если формула вводится студентом в авторском синтаксисе, то в программу - ПСУН следует включать подпрограмму вычислений- математический процессор для анализа формулы и вычислений. Процессор препарирует введенное выражение, выявляет порядок вычислений с учетом скобок, старшинства операций и т.д. Такой алгоритм реализован на языке Visual Basic автором в 1994 г.

Если формула вводится в синтаксисе одного из языков высокого уровня, то можно использовать в качестве математического процессора библиотеку этого ЯВУ. Для этого надо подготовить текстовый файл, содержащий программу ввода значений аргументов, формулу студента и вывод значения функции. Затем этот файл компилируется, исполняется и полученное таким образом значение аргумента используется для контроля. Этот алгоритм реализован на языке Quick Basic автором в 1989 г.

Если формула вводится студентом в одной из математических программ (например, MathCAD), то необходимо обеспечить присвоение аргументам определенных значений и вывод значения искомой величины для контроля. Такой алгоритм реализован автором [5] в 1998 г.

Высокая надежность качества проверки формулы или системы формул численным методом обеспечивается использованием для аргументов и функций дробных чисел формата двойной точности. При этом значение погрешности dA должно быть определено с учетом допустимой погрешности вычислений ПК.

В современных математических программах возможны символьные вычисления. Это позволяет организовать символьную проверку, например, вычислением на заданном отрезке каждого (или главных) аргумента интегралов от разности функций студента и эталонной функции или производной от разности функций. Недостаток этого метода состоит в том, что студенту доступна для прочтения функция преподавателя, т.к. они находятся в одном приложении.

Проверка векторных диаграмм наиболее простая, если они строятся студентом с помощью авторского графического редактора из графического примитива «вектор» путем смещения, поворота и растяжения. При заданном масштабе значения этих величин сравниваются с эталонами по формулам (1)-(3). Это алгоритм реализован на языке Quick Basic автором в 1989 г.

Аналогично организуется контроль графиков, формируемых отрезками прямых линий, когда студенту предоставляется возможность отмечать точки начала и конца отрезка. Значения функции студента сравниваются на концах и в средней точки каждого отрезка прямой линии.

Проверка электрических схем организуется численным методом по методике проверки формулы. Для схемы студента генерируются случайные значения параметров элементов, в схему включается источник, если он отсутствует, и далее рассчитываются токи, напряжения и эквивалентные сопротивления участков схемы. Полученные параметры сравниваются со значениями, полученными для эталонной схеме. Графическое изображение схемы может быть приготовлена студентом в авторском редакторе или в одной из программ схемотехнического анализа. В первом случае для расчета состояния схемы может быть использована авторская программа анализа (реализация 1990 г.). В обоих случаях для расчета схемы можно легко использовать готовую программу схемотехнического анализа через текстовый файл описания схемы и язык директив или непосредственно через редактор схем (реализация 1999г.).

Для контроля структурных и алгоритмических схем удобно использовать встроенные графические редакторы с набором примитивов - готовых элементов. В процессе построения схемы заполняется матрица соединений, которая упорядочивается по заданному шаблону и затем сравнивается с эталонной матрицей.

Этот же принцип можно использовать для контроля конструктивных чертежей, составленных из графических примитивов.

Четвертое направление – использование мультимедийных средств.

В арсенале мультимедийных средств представления информации важное место занимают видео и аудио программы. Речевые фонограммы, синхронизированные с действиями обучаемых создают комфортные условия работы, позволяют сократить объем информации, считываемой с экранов дисплея. Это существенно сберегает время и здоровье. Использование мультимедийных средств планируется на последующих этапах работы над учебником.


10.3.2. Технология подготовки компьютерного учебника.

Процесс изготовления компьютерного учебника имел следующие основные стадии:

• Разработка структуры учебника.
  
• Подготовка общих страниц (п.1-3 в разделе 3.1.2) с гиперссылками.
  
• Подготовка в MS Word 2002 файлов NN.doc c фрагментами учебника, содержащих тексты, векторные рисунки (MS Draw 4.0) и формулы (MS Equation 3,0), таблицы, задания, прототипы объектов для контроля (тексты ответов) и гиперссылок (выделенные цветом адреса ссылок).
  
• Конверсия файлов NN.doc в формат HTML - NN.php.
  
• Доработка файлов NN.php в редакторе Dreamweaver 4.0:
  
  • вставка процедур на " onclick="return false">
  • вставка форм с объектами ввода результатов контроля и кнопками для контроля,
    
  • вставка ссылки для события нажатия кнопки на соответствующую процедуру,
    
  • вставка гиперссылок на внешние документы,
    
  • выявление объектов во внешних документов, подлежащих выводу по гиперссылке, и вставка индексов (якорей),
    
  • вставка гиперссылок на эти индексы,
    
  • дополнительная редакция текста.
    

10.3.3. Рекомендации и инструкции и пользователям.

Компьютерный учебник позволяет:

• улучшить мотивацию освоения дисциплины «Электротехника и электроника» современным студентом;
  
• устранить жесткую временную регламентацию изучения этого курса, что дает возможность лучше учесть индивидуальные психологические особенности восприятия и уровня подготовленности студента;
  
• представить подробное пособие для самостоятельной работы студента по освоению курса ;
  
• улучшить качество освоения курса;
  
• дистанционное обучение студента дисциплине «Электротехника и электроника» в рамках бакалавриата соответствующей специальности.
  

Рекомендуется комплексное изучение курса в том, методически выверенном пути его изложения, которое представлено в данном компьютерном учебнике.

Студенту предлагается прочитать фрагмент теоретического материала и затем выполнить одно или несколько предлагаемых заданий для упражнений с расчетами или с экспериментами в виртуальной лаборатории. После выполнения задания студент может по своему желанию проверить полученные результаты и получить комментарий о качестве ответа или ознакомиться с описанием алгоритма решения. Изучение примеров и последующие упражнения обязательны, так как являются действиями с изучаемыми объектами. В этих действиях у обучаемого создаются адекватные знания и умения.

В любом этапе изучения курса студент имеет возможность обратиться к любому фрагменту изучаемого материала. В любом месте работы с учебником студент может обратиться к необходимым вычислительным или моделирующим средствам. Логические разделы изучаемого материала завершаются многовариантными контрольными заданиями. Изучение темы завершается самоконтролем с помощью тестов (тесты будут описаны в завершающем отчете по части учебника). Результаты выполнения контрольных заданий и тестов протоколируются и используются впоследствии для оценки знаний и анализа познавательной деятельности студента.

Компьютерный учебник, на наш взгляд, представляет студенту, желающему изучить дисциплину, большие возможности для успешной самостоятельной работы.

Рекомендуется следующая последовательность действий:

-вывести в рабочее окно (правый фрейм в средней части страницы) с помощью гиперссылок "Учебник"/"Часть ..."/"Тема ..."/"Подтема ..." изучаемый раздел;

-прочитать предлагаемый текст, используя гиперссылки для вывода в отдельное окно удаленные рисунки, формулы и другие фрагменты;

-изучить примеры решения типовых задач и демонстрации;

-решить предлагаемые задачи и проверить ответы, используя встроенную процедуру контроля;

-изучить примеры решения типовых задач;

-доступными средствами добиться правильного ответа;

-в случае затруднений запросить по адрес eti@eti.mpei.ac.ru методическую помощь;

-выполнить лабораторное задание в виртуальной лаборатории;

-перейти к следующей порции материала;

-в заключение раздела выполнить контрольное задание;

Комплекс гиперссылок позволяет неоднократно обращаться к любому этапу обучения для дополнительного самоконтроля и повторения излагаемого материала.

Компьютерный учебник исполнен на компакт-диске, который автоматически загружается после установки в дисковод при наличии Internet Explorer 5,0 или 6,0, начиная с титульной страницы (Titul_Main.php).

Демонстрационная версия учебника работает далее без дополнительных действий.

Рабочая версия учебника функциональна после выполнения условий:

-размещение на ПК студента программ MathCAD или Mathcad Explorer (старше версии 6,0) и Electronics Work Bench (дополнительная информация приводится в информационном файле на компакт-диске),

-регистрация студента с вводом пароля,

-размещение на ПК студента зашифрованного файла протокола, который впоследствии пересылается в учебное заведение, курирующее образование, для учета.

10.4. ЛИТЕРАТУРА

1. Электротехника и электроника. Кн.1. Электрические и магнитные цепи./ Под. ред. Герасимова В.Г.-М.: Энергоатомиздат, 1996,с.288
   
2. Электротехника и электроника. Кн.2. Электромагнитные устройства и электрические машины./ Под. ред. Герасимова В.Г.-М.: Энергоатомиздат, 1997,с.272
   
3. Электротехника и электроника. Кн.3. Электрические измерения и основы электроники./ Под. ред. Герасимова В.Г.-М.: Энергоатомиздат, 1998,с.432
   
4. Сборник задач по электротехники и основам элетроники. Учебное пособие для неэлектротехнических специальностей вузов/ Под ред. В. Г. Герасимова. Изд.4-е. М.: Высшая школа, 1987, с.287.
   
5. Электротехника. Электрические и магнитные цепи. Компьютерное учебное пособие.Кузнецов Э.В., Изд. МЭИ, 1995,с.224
   
6. Сборник индивидуальных заданий по курсу “Электротехника и электроника”(линейные электрические цепи). Николаева О.В., Соколов В.Б., Соломенцев В.Е. – М.: Издательство МЭИ, 1996,с.44.
   
7. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине “Электротехника и электроника”/ Под ред. Николаевой О.В. -М.: Издательство МЭИ, 1993,с.75.
   
8. Электрические и магнитные цепи. Лабораторно- практические занятия на стендах с компьютерами./ Под ред. Николаевой О.В. -М.: Издательство МЭИ, 1997,с.27.
   
9. Эффективная работа : Word 2002. /М. Миллхоллон, К. Мюррей. -СПб.: Питер, 2003.-994 с :ил.
   
10. 10.Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. Карлащук В.И.-М. Солон-Р, 1999,506с
    
11. HTML 4,0. Матросов А.В., Сергеев А.О., Чаунин М.П.-СПб.:БХВ-Петербург,2003, 672с
    
12. " onclick="return false">
13. Mathcad 8/2000: специальный справочник. В. Дьяконов. -СПб: Изд. «Питер», 2000.-552с
    
14. Visual Basic 5,0
    
15. Компьютерная дидактическая система для базовой электротехнической подготовки. Кузнецов Э.В. Всероссийский электротехнический конгресс, Москва, 1999. Тезисы докладов, Том 3, 13.14, стр.622-623
    
16. Интеллектуальная поддержка программных средств учебного назначения в электротехническом образовании. Кузнецов Э.В.Доклады V международной научно-методич. конф. НИТЭ-2000, Астрахань, сб. докладов стр. 63-67
    
17. Компьютеризация базовых электротехнических дисциплин. Кузнецов Э.В., Лунин В.П. Доклады междунар. Конференции МФИ-2000, Москва,. стр. 52-55
    
18. Компьютеризация дисциплины «Общая электротехника и электроника» для студентов неэлектротехнических специальностей. Доклады междунар. Конференции МФИ-2001, Москва, стр. 37-39
    
19. Тесты. Электротехника. Учебно-методическое пособие для студентов и преподавателей технических вузов, Авдеев А.Н., Николаева О.В, Кузнецов Э.В. Центр тестирования Минобразования России, Москва 2002, 160с
    
20. Централизованное тестирование знаний студентов по электротехнике и электронике, Авдеев А.Н., Киселев В.И., Кузнецов Э.В., Рослякова Е.И., Доклады VI международной научн.-методич. конф. НИТЭ-2003, Астрахань, сб. докладов стр. 63-67
    

10.5. СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ


Д,т.н., проф. Кузнецов Э.В.

К.т.н., доц. Киселев В.И.

К.т.н., доц Рослякова Е.И.

Ассистент Смолин С.В.

Программист Кудинова Е.Е.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ


Основным результатом проекта является создание пилотных вариантов интерактивных учебных пособий, в основе которых лежат решения следующих задач:

• Разработка структуры учебника;
  
• Формирование учебно-методической концепции, основных форм визуализации учебного материала и реализации интерактивных элементов;
  
• Сравнительный анализ интерактивных Web-технологий (HTML, Java, Flash), используемых для создания электронных учебных пособий;
  
• Определение на основе проведенных исследований предпочтительных сфер применения различных технологий и выбор базовой технологии создания интерактивной версии учебника с учетом специфики материала.
  

Как правило, для создания интерактивной версии учебника базовой технологией выбирается язык HTML с использованием технологии Flash и Java.

В большинстве решений по УМК все файлы электронного учебника открываются в двух-фреймовой структуре. При этом в левой части экрана (в «левом» фрейме) открывается дополнительное меню, которое служит для более быстрого просмотра учебника, что исключает необходимость возврата в главное меню. В правой части экрана (в «правом» фрейме) располагается текстовый файл.

Таким образом, хотя состояние НИР соответствует промежуточной стадии, но уже можно оценить ее первые результаты. Появилась возможность:

• сравнить различные оболочки поддержки дистанционного образования по показателям удобства, универсальности, поддержки средств тестирования, взаимодействия с различными инструментальными пакетами;
  
• оценить эффективность включения интерактивных процедур в текст учебника;
  
• определить временные затраты при сетевых взаимодействиях комплексирования текста HTML с различными графическими пакетами;
  
• исследовать варианты организации учебного материала в форме «электронной энциклопедии».
  

Результаты по каждому комплексу, полученные на этой промежуточной стадии, представлены на компакт-дисках и магнитных носителях и включают: отчетные материалы, состав учебного контента, макет электронного учебника или его фрагментов, демонстрирующий используемые инструментальные средства разработки.

УМК по курсу «Архитектура ЭВМ и систем» в пилотной версии демонстрировался на Пятой выставке-ярмарке «Современная образовательная среда» (Москва, 2003 г.). Получено свидетельство №2003610505 об официальной регистрации программы для начинающих разработчиков электронных учебных ресурсов.

В отчетах по теме использовано 115 литературных источников, 31 из них написаны разработчиками данной темы. Список литературы и состав исполнителей приведены в конце каждой главы отчета.

В целом по тематике НИР в течение 2003 года работали 8 аспирантов и 27 студентов.

Требования ТЗ на НИР на 2003 год полностью выполнены.

Проделанная работа и полученные результаты являются хорошей базой для успешного завершения темы в 2004 году.