Информатизация инженерного образования (выпуск 1)

Г л а в а 10. Проектирование электронных учебно-методических комплексов

проверить, доступна ли заданная цель для учащегося по его природной способности усвоить заданный объем за данное время. При этом объем информации, бит,

Φ = Nаb2оKуKнИ,

где N — число УЭ в предмете; И — среднее количество информации в описании одного УЭ.

Скорость усвоения, бит/с,

C = Φ/T,

определяется для каждого предмета и каждого ученика экспериментально при фиксированном объеме учебной информации.

Время, необходимое для изучения учебного материала,

Тпр = Φпр/С.

Запланированное время не должно быть меньше Тпр.

При расчетах предлагается учитывать, что слово содержит примерно 12 бит информации.

10.2.12. Разработка педагогической технологии

Педагогическая технология образуется тремя элементами:

•дидактическим процессом (способ или метод обучения);

•организационными формами обучения;

•средствами обучения.

Дидактический процесс (теория построения учебного процесса). Слово «дидактический» происходит от греческого слова «дидахос», что означает учу, обучаю. В настоящее время под «дидактикой» понимают теорию обучения.

Вструктуре учебного процесса необходимо различать три его взаимосвязанные

ивзаимодействующие части:

•мотивацию учения М;

•учебную деятельность учащегося Уд;

•управляющую деятельность учителя или технического средства обучения (ТСО) Уу, т.е.

Dпр = {М; Уд; Уу}.

«Процесс обучения может быть эффективным только при условии, что учащийся обладает учебной мотивацией к изучаемому предмету, самостоятельно и полно выполняет адекватную цели обучения учебную деятельность и, наконец, эта деятельность управляется извне методами, гарантирующими заданное качество обучения». Это важнейший педагогический закон.

Под мотивацией следует понимать генетическое стремление человека к самореализации в определенных видах деятельности в соответствии с его врожденными задатками — способностями. Это активное и устойчивое стремление реализуется во вполне видимые достижения только тогда, когда возникают или создаются необходимые для этого условия. В противном случае самореализация в большей или меньшей степени подавляется немотивированными видами принудительной учебной деятельности (отсюда следует необходимость создавать однородные

353

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

по уровню стремлений учебные группы и организовывать учебный процесс исходя из способностей учащихся).

Кроме «врожденной» мотивации учащегося к определенному виду будущей профессиональной деятельности следует выделять мотивацию к изучению конкретного учебного предмета и даже темы. Решается это путем рассмотрения во вводной лекции структуры всего учебного курса и демонстрации на примере технической системы или на каком-либо системном объекте тех проблем, которые будут рассмотрены в курсе, и уровня задач, которые смогут решать учащиеся, овладевшие данным курсом.

В результате исследований познавательной деятельности человека выявлено, что она может совершаться различными способами и имеет некоторое множество возможных структур, называемых теориями обучения, которые выбираются человеком по еще недостаточно понятным правилам и зависимостям от познавательной задачи и условий обучения (рис. 10.19).

На первом уровне графа названы пять наиболее известных структур познавательной деятельности. Выполненные исследования приводят психологов к выводу, что одной оптимальной системы познавательных действий не существует: человек в разных обстоятельствах обучения может применять разные познавательные действия для достижения усвоения, но при использовании любой теории обучения действует по одному и тому же алгоритму функционирования (АФ):

АФ = { OД; ИД; КД; КОР},

где ОД — ориентировочная деятельность; ИД — исполнительная деятельность; КД

— контрольные действия; КОР — корректирующие действия.

3 2 4 1 2 2 3 2 % # # 4

2

Рис. 10.19. Логическая структура теорий обучения:

S — стимул; R — реакция

354

Гл а в а 10. Проектирование электронных учебно-методических комплексов

Вкаждой теории усвоения эта формула наполняется своим содержанием, но АФ остается одним и тем же (рис. 10.20). Каждый этап АФ состоит из вполне определенных действий учащегося по обработке учебной информации в процессе ее усвоения.

На этапе ОД учащийся выполняет действия по осознанию целей обучения, т.е. требований к его знаниям, знакомится с общим планом содержания учебника по оглавлению или его логической структуре, а также с особенностями методики предстоящего обучения.

' ()*

!"

# # !"

+ ,

' ()*

%

- ()*

! $

& %

Рис. 10.20. Обобщенный алгоритм функционирования

355

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

На этапе ИД вступает в полную силу та теория усвоения, на которой базирует свое преподавание учитель или пишет свой учебник автор. При этом учитель или автор проектирует систему познавательных действий учащегося на этом этапе усвоения как процесс постепенного восхождения по уровням усвоения и степени автоматизации. Изучение учебного материала можно начинать с любых ступеней абстракции и осознанности, доступных учащимся, тогда как уровень усвоения и автоматизация требуют обязательной постепенности и полноценности в развитии знаний и действий от исходного к конечному уровню. Постепенность означает, что ни один уровень усвоения не может быть пропущен в ходе обучения, если на нем не достигнут коэффициент Kу = 0,7 и выше. Последнее есть условие полноцен-

ности или завершенности обучения. В практике обучения делаются две кардинальные ошибки, приводящие к неуспеваемости учащихся:

•как правило, пропускается отработка деятельности на первом уровне, и учащимся после этапа ОД предлагаются задачи второго-третьего уровней усвоения;

•учащиеся переходят к изучению нового учебного материала, когда предшествующий еще не освоен с Kу = 0,7.

На этапе КД (при пооперационном контроле усвоения) используются тесты успешности усвоения, которые из всех возможных методов контроля усвоения (устные опросы и письменные работы) дают наиболее точные и надежные данные о качестве усвоения знаний учащимися, пригодные для принятия обоснованных решений.

10.2.13. Дидактические принципы обучения

Под дидактическими принципами понимают некоторые очевидные исходные положения, которым должен удовлетворять любой учебно-воспитательный процесс, т.е. аксиомы образования и обучения.

1.Принцип систематичности: обучение, однажды начавшись, должно продолжаться в определенном режиме и ритме до достижения заданного результата.

2.Принцип последовательности: УЭ должны образовывать логически связанную последовательность без пропусков и разрывов; переход к следующему уровню усвоения должен происходить только после того, как предшествующий уровень

пройден с Kу ≥ 0,7; подъем по ступеням абстракции от феноменологического

каксиоматическому; постепенность продвижения по этапам универсального АФ.

3.Принцип доступности: обучение должно соответствовать индивидуальным психолого-физиологическим свойствам учащихся по темпу, уровню усвоения

иреальному опыту усвоения смежных предметов.

4.Принцип активности: учащийся должен быть вовлечен в учебную деятельность, адекватную целям обучения; в идеале все время урока должно быть заполнено учебной деятельностью учащихся в соответствии с АФ.

5.Принцип наглядности: особенно хорошо может быть реализован с помощью средств вычислительной техники, в том числе с использованием изменяющихся моделей, графиков и видео.

6.Принцип историчности в развитии данного учебного предмета и учебного элемента (объекта, явления, метода).

Выбор метода обучения диктуется принципами обучения и структурой универсального АФ.

356

Гл а в а 10. Проектирование электронных учебно-методических комплексов

10.2.14.Управление учебным процессом

Управляет познавательной деятельностью ученика учитель. Он наблюдает за деятельностью учащихся, контролирует ее ход, корректирует ошибочное усвоение (но не ошибки!). Эту деятельность учителя назовем алгоритмом управления (АУ). Если АУ передать для исполнения самому учащемуся, то возможно самообучение.

Возможны два способа управления учебной деятельностью: разомкнутое (по конечному результату, достигнутому за относительно продолжительный период обучения — за несколько занятий, время изучения темы, семестр) и замкнутое или циклическое (после выполнения каждого этапа АФ и усвоения каждого УЭ), что реально возможно лишь при автоматизированном обучении.

Если АУ учитывает индивидуальные особенности ученика (подготовленность и темп), то информационный процесс в обучении называют направленным; если учитель ориентируется на «среднего» учащегося в группе — рассеянным. Когда управление осуществляет учитель, то оно называется неавтоматизированным, когда управление доверено техническим средствам — автоматизированным.

Три характеристики управления обучением образуют дидактическую систему (ДС). На рис. 10.21 приведены монодидактические системы. Если их комбинировать в процессе изучения предмета или в процессе одного и того же урока, то получатся комбинированные ДС.

Наиболее эффективной по уровню усвоения за ограниченное время является система 7 — управление замкнутое, направленное и ручное, т.е. человек-репети- тор, но она и наиболее дорогая. В использовании системы 8 (управление замкнутое, направленное автоматическое) будущее обучения, но ее реализация ослож-

Рис. 10.21. Классификация дидактических систем

357

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

нена слабостью психологического обеспечения создания адаптивных обучающих программ и большими трудозатратами на их разработку. Поэтому при правильном программировании обучения в соответствии с универсальным АФ можно было бы получить хорошее качество обучения в дидактической системе 6, а рассеянный информационный процесс можно компенсировать хорошей обратной связью.

10.3. Сравнительный анализ методик проектирования педагогических систем СИИО и «Компьютика»

Необходимо отметить законченность и полноту обеих методик. Они стоят на позициях деятельностного подхода в обучении. В соответствии с этим подходом знания приходят к учащемуся через его личную деятельность по их овладению. Обе методики придерживаются одинаковых закономерностей по этапам обучения, уровням обученности и дидактическим принципам обучения, хотя и излагают это по-разному.

Однако формирование учебных групп обучающихся, описание целей обучения и подбор содержания учебного материала в этих методиках существенно различаются. Рассмотрим некоторые детали.

В методике В.П. Беспалько привлекают внимание следующие моменты.

1.При формировании учебных групп он рекомендует делать их однородными (гомогенными) по профессиональной ориентации обучающихся и осуществлять это как можно раньше на базе специальных задатков личности. Эту рекомендацию достаточно трудно применить к высшему образованию, так как вполне обоснованно считается, что большая часть студентов выбрала вуз и специальность, исходя из желания проявить себя в будущем во вполне определенной профессии. Этим определяется главная мотивация успешности обучения и отношения обучающихся

кизучению различных дисциплин. Хотя нарушение этого принципа существует и в вузе, когда у абитуриента из-за ряда причин еще не сформировалось стремление к определенной профессиональной деятельности в будущем или не выявились специальные задатки личности и он поступал в вуз по ряду случайных причин (например, по желанию родителей или заодно с товарищами). Часто у таких студентов обучение в вузе заканчивается неудачно. Но не следует их путать с недостаточно подготовленными и не умеющими учиться в вузе, но имеющими хорошую мотивацию абитуриентами. Им просто необходима помощь как со стороны преподавателей, так и со стороны сокурсников.

2.При формировании содержания учебной дисциплины В.П. Беспалько рекомендует сначала рассмотреть структуру соответствующих научных достижений в данной предметной области, а затем в зависимости от будущей профессиональной потребности формировать набор учебных элементов и определять ступень абстракции их описания. Думается, что далеко не все преподаватели владеют структурой научных достижений в своей предметной области.

3.Привлекает внимание введение в цели обучения уровня осознанности, т.е. умения объяснить причины выбора того или иного способа решения поставленной задачи или способа деятельности.

4.Задание целей обучения для изучения как дисциплины в целом, так и отдельных учебных элементов в ней в виде четырех параметров — коэффициентов

358

Г л а в а 10. Проектирование электронных учебно-методических комплексов

усвоения, абстракции, осознанности и навыка — позволяет конкретизировать содержание обучения и сделать измеряемыми результаты обученности.

5. Заслуживает всяческого поощрения попытка ввести число для измерения объема учебного материала и определения посильности его усвоения.

В СИИО целый ряд вопросов изложен системно и очень подробно, что позволяет использовать этот материал как хороший учебник по вопросам закономерностей учения, этапам проектирования СИИО, этапам структурирования учебного материала, технологии задания уровней усвоения и исходных уровней обученности. Подробно рассмотрены особенности постановки дидактических задач, проектирование и разработка дидактических систем на лекционных, рабочих и заключительных этапах обучения. Дается взаимосвязь этапов обучения с методами, средствами и формами обучения.

Поскольку автор СИИО считает, что она не закрыта для дальнейшего развития, то ее дополнение идеями, изложенными в «Компьютике», позволяет создавать более совершенные учебные пособия, особенно в электронном виде, когда обеспечивается индивидуализация обучения в полном соответствии с закономерностями учения и гарантированным достижением заданного уровня и качества обученности.

10.4. Когнитивные возможности современных информационных технологий

10.4.1. Средства представления учебной информации

Звук. В обучении звук может использоваться в нескольких целях:

•демонстрация образцов звука, создаваемого изучаемыми объектами;

•в качестве аудиолекций для сообщения подлежащего усвоению учебного материала;

•в обучении иностранным языкам в качестве материала для аудирования, обучения произношению, в том числе с использованием обратной связи по результатам автоматизированного сравнения произношения учащегося с образцом;

•как составная часть компьютерных мультимедиа-лекций, когда голос преподавателя или диктора воспроизводится синхронно с демонстрацией слайдов с графическим и символьным материалом;

•в качестве тестового задания в системах автоматизированного тестирования (например, в обучении музыке — задание на узнавание музыкального инструмента или фрагмента произведения, в технике — диагностика агрегата автомобиля по записи шума его работы);

•для оживления интерфейса пользователя (звук листания электронных страниц,

напоминающий листание страниц книги; щелканье экранных кнопок; сигнал

озавершении длительной процедуры, например загрузки файла или расчета данных);

•воспроизведение голосовых сообщений — информирование о правильности выполнения контрольного задания, краткие советы и пояснения к изучаемому материалу и интерфейсу пользователя;

•как средство интерфейса пользователя компьютера для слабовидящих учащихся;

•компьютерная телефония для общения преподавателя с учащимися и учащихся между собой.

359

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Практически все современные персональные компьютеры оснащены звуковой подсистемой. Качество звука, обеспечиваемого такой подсистемой, достаточно высокое и при подключении акустических систем высокого класса (колонок, наушников, микрофона) почти полностью соответствует возможностям восприятия человеческого уха (20—20 000 Гц).

Наличие микрофона позволяет вводить звуковой сигнал в компьютер для его записи, передачи по компьютерным сетям или автоматического анализа.

Видео. Видео в обучении может использоваться в разных формах [10.3]:

•иллюстративный материал в мультимедиа-учебниках;

•иллюстративный материал на групповых аудиторных занятиях;

•видеолекции для группового просмотра на видеокассетах, CD-ROM и DVD; видеолекции, транслируемые по каналам связи и компьютерным сетям;

•видеолекции для индивидуального просмотра на видеокассетах, CD-ROM

иDVD;

•компьютерные интерактивные видеолекции с синхронным показом слайдов;

•видеотренинги с демонстрацией образов осваиваемой деятельности;

•видеотренинги с видеосъемкой действий учащегося для их последующего анализа;

•в качестве тестового задания в системах автоматизированного тестирования;

•в качестве элемента виртуальной реальности в тренажерах;

•средство оживления интерфейса пользователя в мультимедиа-учебниках;

•видеотелеконференции — средство общения преподавателя с учащимися и учащихся между собой.

Сфера применения видео в качестве иллюстративного материала в мультиме- диа-учебниках довольно широка. Существенным отличием видео от других видов иллюстраций, используемых в мультимедиа-учебниках, является то, что поток информации, содержащийся в видеоматериале, воспринимается учащимися преимущественно не как сведения о явлении, а как непосредственное отображение этого явления, процесса, события. Во многих случаях это создает психологическую атмосферу сопричастности с происходящим на экране, что способствует активизации эмоционально-волевой сферы учащихся и интенсификации обучения.

Видеофрагменты могут использоваться в системах автоматизированного тестирования. Они могут входить в состав тестового задания, на которое предлагаются варианты ответов в текстовой форме, либо, наоборот, набор видеофрагментов может являться вариантами ответа на тестовый вопрос.

Видео эффективно используется для развития навыков устной речи, публичного выступления. Владение искусством устного общения — важнейшая составляющая компетентности специалиста, в том числе и технического. Одним из методических приемов по его становлению является организация анализа собственных выступлений перед группой и оценка качества речевой деятельности выступающих товарищей по группе. Для реализации этого чрезвычайно эффективно использовать видеозапись таких выступлений.

Видеозапись учебных занятий важна для приобщения студентов педагогических вузов и аспирантов технических вузов к педагогической деятельности. Просматривая и анализируя видеозапись учебного занятия (урока), проводимого другим преподавателем (учителем), студенты учатся критически оценивать принимаемые им решения, формируют собственные педагогические взгляды.

360

Г л а в а 10. Проектирование электронных учебно-методических комплексов

Анимация. Анимация представляет собой последовательность искусственно созданных изображений, при демонстрации которых с определенной скоростью (обычно от 5 до 30 кадров в 1 с) создается эффект реалистичного движения представленных на них объектов.

Внастоящее время анимация создается в основном с помощью специальных компьютерных программ. Эта технология заменила использовавшуюся ранее покадровую съемку на кинопленку.

Различают двумерную и трехмерную компьютерные анимации.

Двумерная (2D) анимация отражает действие на плоскости. Объекты изображены в виде плоских фигур, тени отсутствуют или представлены однотонными очертаниями. Перемещение объектов в плане может имитироваться изменением их масштаба и удалением невидимых (перекрываемых другими объектами) частей. Создание двумерной анимации относительно несложно, а ее визуализацию (создание изображения по заранее созданной модели) может выполнять в реальном времени персональный компьютер средней мощности. Благодаря этому двумерная анимация используется для создания интерактивных демонстраций в компьютерных учебниках наиболее часто. С развитием технологии Macromedia Flash двумерная анимация получила широкое распространение в сети Интернет.

Трехмерная анимация (3D) характеризуется объемным представлением объектов, наличием виртуальных источников освещения, теней, учетом законов распространения, отражения и преломления света. При создании трехмерной компьютерной анимации сначала конструируются модели объектов из кривых Безье или сплайнов. Затем модели «обтягиваются» виртуальными материалами, имитирующими отражение света поверхностью реальных объектов, определяются источники света и виртуальные кинокамеры.

Создание трехмерных сплайновых моделей, служащих основой для такой анимации, более трудоемко, чем создание двумерных моделей. Кроме того, необходимые для получения реалистичного трехмерного изображения модели, материалы, источники света и кинокамеры имеют много настраиваемых параметров, что делает пользовательский интерфейс программ создания трехмерной анимации весьма сложным. Взаимодействие параметров перечисленных объектов часто носит нетривиальный характер, и для их осмысленного выбора требуются специальные знания в области физики, оптики и математики. Практически это приводит

ктому, что для создания сколько-нибудь сложной трехмерной анимации необходимы профессионально подготовленные специалисты.

Для визуализации виртуальных трехмерных сцен требуется большой объем вычислений — даже мощные персональные компьютеры при просчете сцен центральным процессором затрачивают на обсчет одного кадра несколько секунд. Поэтому трехмерные сцены просчитываются на этапе создания и хранятся в мульти- медиа-учебнике в виде последовательности кадров обычно в формате AVI или GIF.

Впоследнее время в персональных компьютерах появились технологии, позволяющие использовать для визуализации моделей трехмерной анимации специализированный процессор графической карты (на платформе Windows эти технологии известны под торговой маркой Direct3D). В результате появилась возможность визуализации в реальном времени довольно сложных сцен. Это открывает путь для создания интерактивной трехмерной анимации, необходимой для получения «виртуальной реальности». Создание такой анимации очень трудоемко и практикуется в настоящее время в основном в компьютерных играх и тренажерах.

361

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

10.4.2. Гипертекст

Гипертекст очень широко используется в электронных публикациях, компьютерных приложениях и позволяет разнообразить подачу информации. Идея гипертекста, как и всякая здравая идея, проста и состоит в том, чтобы дать человеку средства воспринимать информацию в определяемой им последовательности.

В информационных технологиях гипертекст нужен для организации взаимосвязей между различными объектами (документами, фрагментами документов или программами). Для осуществления переходов необходимо создание чувствительных областей, активизация которых, например щелчок мыши, нажатие клавиши клавиатуры или слово, произнесенное в микрофон, приведет к переходу от одного объекта к другому. Чувствительные области могут быть встроены в объекты, что называется внутренним гипертекстом, или могут представлять собой отдельные объекты, называемые внешним гипертекстом.

Приведем примеры. Когда пользователь запускает браузер для просмотра документов во Всемирной паутине, он работает с гипертекстом, так как его элементы (гиперссылки) встроены в web-страницы. Когда же мы щелкаем мышью на рабочем столе Windows по значку программы или документа, мы используем внешний гипертекст, так как программы и документы, на которые ссылаются значки, «ничего не знают» о том, что являются элементами гипертекста. Переход может осуществляться как в начало документа, так и в произвольное место в нем. Из примеров видно, что гипертекст легко и естественно используется в современных компьютерных технологиях.

Для работы с гипертекстом необходимы гипертекстовые связи между объектами. Объекты и связи образуют сеть. Переходы пользователя или компьютера при просмотре информации называются гипертекстовой навигацией. За последние годы разработано большое число гипертекстовых систем. Мы рассмотрим только реализацию гипертекста во Всемирной паутине на основе языка разметки HTML.

Гипертекст используется в HTML следующим образом.

Адрес объекта задается с помощью так называемых унифицированных указателей объектов (ресурсов). Унифицированный указатель ресурса состоит из трех частей: протокола, адреса компьютера, в котором расположен ресурс, и пути в файловой системе компьютера.

По умолчанию используется протокол передачи гипертекста HTTP. Название протокола завершается двоеточием и двумя косыми чертами, после которых имеется адрес компьютера, в котором расположен ресурс. Этот адрес может быть представлен либо в виде доменного имени, например www.mpei.ru, либо в виде так называемого IP-адреса, однозначно определяющего адрес компьютера в Интернете, например 193.233.70.01. Третья часть адреса, определяющая местонахождение объекта в файловой системе сервера, отделяется от доменного имени (IP-адре- са) сервера косой чертой и включает в себя путь к требуемому объекту, например http://myServer.com/manuals/chapter01.html.

Описание гипертекста в HTML осуществляется с помощью специальной конструкции — тега <a>. Выглядит это так:

<a href=«адрес объекта»>чувствительная область гиперссылки</a>.

Здесь в адресе объекта указывается унифицированный указатель ресурса для объекта, к которому осуществляется гипертекстовый переход, а чувствительная

362