Информатизация инженерного образования (выпуск 1)

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

Заголовок слайда определяется названием рассматриваемого учебного вопроса. Он выводится на экран при смене слайда без анимации. При управляемом показе текст слайда, элементы рисунков и формул выводятся последовательно в соответствии с изложением материала лектором.

Вправой части слайда приводятся формулы, полученные ранее и необходимые при рассмотрении текущего учебного вопроса.

Вотличие от текстовых документов компьютерные модели реализуются программным способом на основе математической модели процесса или явления. Компьютерные модели могут быть использованы самостоятельно в качестве лекционных демонстраций или тренажеров, а также могут быть включены в состав текстовых документов.

Компьютерная модель, как правило, состоит из изображения (объемного или схематического) механизма или установки, органов управления, позволяющих устанавливать параметры, запускать, останавливать работу модели, и средств визуализации состояния модели и ее параметров. Компьютерная модель сопровождается кратким теоретическим описанием изучаемого явления или процесса и описанием порядка работы с нею.

На рис. 10.38 приведена компьютерная модель изотермического процесса расширения или сжатия идеального газа, входящая в интерактивный курс «Открытая физика».

Объектом исследования является идеальный газ, заключенный в цилиндр с поршнем и помещенный в термостат, имеющий заданную температуру. Работа модели состоит в перемещении поршня под действием внешней силы. Количест-

Рис. 10.38. Компьютерная модель изотермического процесса

383

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

вом молекул под поршнем показывается, что при изменении объема изменяется их концентрация, стрелками указывается направление передачи тепла. На p,V-диа- грамме отображается состояние термодинамической системы. Дополнительно на другой диаграмме выводится соотношение между количеством теплоты, сообщенной системе, работой газа и изменением внутренней энергии. Органы управления состоят из кнопок «Пуск», «Стоп», «Сброс» и окна ввода значения температуры.

На рис. 10.39 представлена модель для изучения закона сохранения момента импульса, выполненная с помощью моделирующей среды Stratum 2000. Здесь изображение установки сделано трехмерным. Имеются органы управления установкой и средства визуализации ее параметров.

В качестве лекционных демонстраций или индивидуальных средств обучения, включенных в текстовые документы, могут использоваться также численные математические модели, в которых информация визуализируется с помощью графиков.

На рис. 10.40 приведен график распределения интенсивности света, построенный по теоретической формуле с помощью программы Microsoft Origin.

Наиболее сложными объектами являются компьютерные модели лабораторных установок. На базе их создаются виртуальные компьютерные практикумы, тренажеры. Модели лабораторных установок могут также использоваться для лекционных демонстраций.

Модель должна воспроизводить все основные параметры реальной установки. Кроме изображения самой установки приводятся изображения и другого оборудо-

Рис. 10.39. Демонстрационная модель закона сохранения момента импульса

384

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

Рис. 10.40. Математическая модель распределения интенсивности света в дифракционной картине

Рис. 10.41. Модель лабораторной установки для изучения вынужденных электрических колебаний

385

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

вания: источников питания, генераторов, осциллографов и других измерительных приборов. Степень проработки изображений может быть различной, вплоть до трехмерного изображения. Должны функционировать органы управления приборами и оборудованием. Есть примеры реализации модели лабораторной установки с использованием принципа конструктора, когда установка «собирается» из набора элементов самим обучаемым. Кроме изображения оборудования на экране должна быть таблица для записи результатов измерений. В ряде случаев целесообразно привести принципиальную электрическую схему.

Компьютерная лабораторная работа кроме самой модели установки должна содержать программу обработки результатов эксперимента и распечатки протокола работы. Кроме того, следует привести описание лабораторной работы, содержащее теоретические основы изучаемого явления, описание экспериментальной установки, порядок выполнения работы и обработки результатов, контрольные вопросы для самопроверки.

На рис. 10.41 представлена модель лабораторной установки для изучения вынужденных электрических колебаний, входящая в компьютерный практикум по курсу общей физики.

10.4.6. Заключение

Когнитивные возможности современных средств вычислительной техники очень большие. Они позволяют: подавать учебный материал в соответствии с законами восприятия; использовать не только материал, находящийся в ЭВМ, но

ив системе вычислительных машин и во Всемирной паутине; находить новые методы решения задач, используя пакеты прикладных программ, модели устройств

иявлений, когнитивную графику; не затемняя основной идеи, с помощью гипертекста раскрывать дополнительные сведения о изучаемых событиях, явлениях, технологиях.

Все это позволяет создавать электронные учебные ресурсы высокого уровня. При этом должны быть решены по крайней мере четыре блока проблем: представление информации; анализ высказываний обучающегося; выработка управляющего воздействия (как должен протекать процесс обучения после ответа обучающегося) и сбор статистики о ходе обучения (затраты времени и характер ответов на вопросы).

Все эти проблемы средства вычислительной техники (СВТ) принципиально могут решать достаточно успешно, за исключением ряда ограничений, налагаемых на форму представления ответов. Нерешенными остаются вопросы анализа устных и свободно конструируемых письменных ответов обучающихся, особенно ответов на вопрос: «Почему это так?»

Остаются нерешенными и часть психолого-педагогических вопросов типа: когда и почему необходимо представлять информацию в виде устной или письменной речи, когда их совмещать и как? Но это не вопросы технических возможностей средств вычислительной техники, а психолого-педагогические вопросы. И таких вопросов при компьютерном обучении остается еще много.

386

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

10.5.Методические требования

кэлектронному учебно-методическому комплексу

Ранее было определено кого, чему и как учить. Теперь это необходимо реализовать в комплексе средств обучения при принятой форме организации учебного процесса. Под ЭУМК будем понимать комплекс средств обучения, реализованный в электронном виде, обеспечивающий изучение заданной дисциплины от определенного начального уровня подготовки учащегося до конечного уровня, диагностично определяемого через способность учащегося отвечать на вопросы, решать задачи и вести проектирование в заданной предметной области.

В зависимости от начального уровня подготовки обучающихся, используемой методики изложения материала, требуемого конечного уровня обученности, степени осознанности, ступени абстракции и требуемого коэффициента автоматизации ЭУМК может быть реализован в разных вариантах. Он может включать в себя лекционный материал, задачник, лабораторную работу, контрольную работу по теме и всему предмету, электронный справочник, электронное пособие по проектированию, деловую игру и др., а также обязательно содержать методический материал по изучению данного предмета данным контингентом. Методическое пособие не только направляет деятельность обучающегося по изучению предмета, но и координирует ее с работой других обучающихся и с преподавателем, учебным планом и формой организации учебного процесса.

Из данного определения ЭУМК следует, что в зависимости от предмета он может быть совершенно различным по сложности, а потому и время на его разработку может быть разным: от нескольких месяцев до нескольких лет. В последнем случае, естественно, он разрабатывается по частям и чаще всего по видам занятий, а не по темам [10.11]. Одним из основных требований к составляющим ЭУМК и к ЭУМК в целом является методическая проработка, включающая в себя решение вопроса об организации познавательной деятельности учащегося в соответствии с закономерностями обучения.

Часть преподавателей считает, что если изложен учебный материал, к нему поставлены вопросы и даны задачи требуемого на экзамене уровня, то освоение материала обучающимся является его личным делом. Однако такой подход не может быть оправдан даже для отлично успевающих учащихся с неограниченным временем на усвоение предмета. Для них необходимо подкрепление правильности понимания предмета со стороны преподавателя и тем реже, чем методически лучше проработан ЭУМК. Для основной же массы учащихся необходимы организация их деятельности в соответствии с теорией обучения, особенно по сложным предметам, контроль качества усвоения знаний теории, алгоритмов, умений и навыков по всем вышеизложенным критериям в процессе изучения каждой темы.

Если ЭУМК применяется в дистанционной технологии обучения, то в этом случае особое внимание следует обратить на контроль регулярности и добросовестности работы обучающегося с программами ЭУМК, что обеспечивается лишь регулярными беседами с преподавателем по итогам изучения тем и разделов.

В заключение снова перечислим основные методические требования к ЭУМК.

387

ЧА С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Кучебникам предъявляются следующие требования:

1.Необходимо определить контингент тех, для кого ЭУМК будет создан.

2.Указать, в какой степени изучение данного предмета поможет в профессиональной деятельности будущему специалисту. Определить ступень абстракции

истепень осознанности изучаемого предмета.

3.Раскрыть, в какой степени изучаемая дисциплина отражает уровень развития научных исследований по данному направлению. Определить перечень изучаемых учебных элементов.

4.Определить, какой начальный уровень знаний необходим для усвоения дисциплины в целом и отдельных учебных элементов.

5.На основании взаимосвязи учебных элементов между собой и с соседними дисциплинами, исходя из будущей профессиональной деятельности, определить требуемый итоговый или конечный уровень обученности по отдельным учебным элементам.

6.Построить граф взаимосвязи учебных элементов и определить очередность их изложения.

7.При изложении каждой главы целесообразно рассмотреть пример, который раскрывает содержание всех рассматриваемых в данной главе вопросов на уровне словесного описания и обозначения проблем, что необходимо для обеспечения единства восприятия содержания главы.

8.Для каждого параграфа выбрать метод изложения: проблемный, информаци- онно-рецептивный, исследовательский или эвристический.

9.Подобрать вопросы по каждой теме от минимального уровня усвоения их до максимально требуемого.

10.Продумать реакцию ЭВМ на тот или иной вариант ответа на отдельный вопрос и/или серию вопросов с обеспечением диалога по усвоению материала темы последовательно до заданного уровня усвоения.

11.Выставить методические требования к формированию задачника, набору лабораторных работ, справочнику, контрольным работам и т.п.

12.Провести в соответствии с выставленными требованиями подбор учебного материала к ним.

13.Приступить к обсуждению реализации электронного варианта составляющих ЭУМК с методистом-программистом c учетом особенностей и требований дидактических систем, в которых он будет применяться, и когнитивных (познавательных) возможностей современных информационных технологий.

В прил. 10.1 приведено описание разработанного в МЭИ (ТУ) учебно-методи- ческого комплекса по дисциплине «Общая физика» для технических вузов [10.12—10.15]. Этот комплекс включает в себя все необходимые компоненты для изучения дисциплины: лекционный материал, вопросы по его усвоению, задачник, лабораторные работы, указания по изучению теоретического материала, указания по решению задач с помощью компьютера, указания по выполнению лабораторных работ. Комплекс реализован по концепции СИИО.

Список литературы

10.1.Золотарев А.А. Теория и методика систем интенсивного информатизированного обучения. М.: Ассоциация «Кадры», 2003.

10.2.Беспалько В.П. Образование и обучение с участием компьютеров (педагогика третьего тысячелетия). М.: Изд-во Московского психолого-социального ин-та, 2002.

388

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

10.3.Ахромушкин Е.А. Применение видеотехнологий в современных автоматизированных учебных комплексах (АУК) по техническим дисциплинам // Тезисы докладов Всероссийской конф. «Современная образовательная среда». М.: ВВЦ, 2002. С. 48—49.

10.4.Поспелов Д.А. Десять «горячих точек» в исследованиях по искусственному интеллекту // Интеллектуальные системы. 1996. Т. 1. Вып. 1—4. С. 47—56. (М.: МГУ).

10.5.Червинская К.Р., Щелкова О.Ю. Медицинская психодиагностика и инженерия знаний / Под ред. Л.И. Вассермана. М.: Издат. центр «Академия», 2002.

10.6.Соловов А.В. Проектирование компьютерных систем учебного назначения: Учеб. пособие. Самара: СГАУ, 1995.

10.7.Щекин Г.В. Асимметрия мозга и психологические особенности человека // Ваша тестотека. 1992. № 2. С. 102—112. (Киев: Межрегион. заочн. ун-т управл. персоналом).

10.8.Антонов А.В. Восприятие и понимание. Киев: Наукова думка, 1988.

10.9.Столяренко Л.Д. Основы психологии: Учеб. пособие. 7-е изд., перераб. и доп. Ростов-на- Дону: Феникс, 2003.

10.10.Еникеев М.И. Общая и социальная психология: Учебник для вузов. М.: НОРМА, 2002. 10.11.Евсеев А.И., Седов А.Н., Савкин А.Н. Опыт поэтапной разработки компьютерного учебно-

методического комплекса на базе дисциплины «Общая физика» // Тезисы докладов Всероссийской конференции «Современная образовательная среда». М.: ВВЦ, 2002. С. 123—124.

10.12.Седов А.Н. Информационные ресурсы учебной дисциплины в единой образовательной среде университета // Тезисы докладов международ. конф. «Информационные и телекоммуникационные технологии в образовании. М., 2003.

10.13.Седов А.Н. Информационные ресурсы дисциплины «Физика» в единой образовательной среде университета // Тезисы докладов Всероссийской науч.-практ. конф. «Человеческое измерение в информационном обществе» М.: ВВЦ, 2003. С. 52—53.

10.14.Седов А.Н., Савкин А.Н. Реализация концепции мультимедийной версии учебника на примере курса «Общей физики» // Тезисы докладов Всероссийской конф. «Современная образовательная среда». М.: ВВЦ, 2001. С. 65—67.

389

Г л а в а 1 1

ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УЧЕБНИКОВ И ЗАДАЧНИКОВ

11.1.Типы электронных учебных пособий

иих специфические особенности

Классификация компьютерных педагогических средств учебного назначения (ПСУН) окончательно еще не сформировалась. В различных публикациях, как правило, употребляются свои термины. Некоторые авторы пытаются создать общую классификацию, включающую в себя все возможные компьютерные наработки, связанные с процессом обучения в той или иной форме. Отметим, что между различными видами ПСУН нет четких границ.

Мы будем рассматривать только программные средства (комплексы), предназначенные для решения определенных педагогических задач в конкретной предметной области и ориентированные на взаимодействие с учащимися.

Средства, используемые при обучении, но имеющие другое основное назначение и не реализующие педагогические функции, такие как текстовые и графические редакторы, системы автоматизированного проектирования (САПР), системы программирования, экспертные системы и другие, не относятся к ПСУН.

Исходя из видов традиционной учебной деятельности, ПСУН можно разделить на следующие виды.

Компьютерный учебник (КУ) — носитель учебной информации для подготовки по определенной дисциплине, содержание которого должно быть достаточным для изучения ее в полном объеме. Кроме учебной информации компьютерный учебник должен содержать модуль проверки усвоения этой информации: как минимум — вопросы для самопроверки, как максимум — тренировочный модуль (с элементами доучивания) для проверки теоретических знаний.

Компьютерный задачник (КЗ) (компьютерный практикум) — ПСУН для отработки умений и навыков решения типовых практических задач в данной предметной области. Понятно, что без модуля учебной информации обойтись будет невозможно, так как обращение к ней необходимо, когда возникают трудности при ответах на вопросы, решении задач и др.

Компьютерные «деловые игры» (КДИ) — ПСУН для формирования практических умений и навыков, прагматических знаний в результате коллективного решения поставленной задачи.

Компьютерная система контроля знаний (КСКЗ) — ПСУН для определения уровня знаний обучаемого по данной предметной области (дисциплине, курсу, разделу, теме) и его оценивания с учетом установленных квалификационных требований.

Компьютерный лабораторный практикум (КЛП) — автоматизированный лабораторный практикум для исследования объектов, процессов и среды деятельности с помощью экспериментов с их моделями.

390

Г л а в а 11. Технологии создания электронных учебников и задачников

Существуют лабораторные практикумы на базе физических моделей или объектов (реальные) и на базе математических описаний моделей (виртуальные).

Компьютерный тренажер (КТ) — ПСУН для выработки умений и навыков в определенной деятельности.

К дополнительным средствам относятся перечисленные ниже ПСУН. Компьютерные справочники (КС) содержат справочную информационную

базу по определенной дисциплине (дисциплинам) и обеспечивают подачу дополнительной (расширенной) информации, используемой в учебном процессе.

Мультимедийное занятие (МЗ) — видеолекция, видеосеминар, презентация. На практике часто встречаются компьютерные учебные комплексы, которые решают широкий круг педагогических задач и включают в себя в качестве компо-

нентов различные типы ПСУН.

В зависимости от исполнения ПСУН подразделяются на локальные, работающие на конкретном компьютере, и сетевые, работающие в локальных или глобальных сетях.

При дистанционном обучении могут применяться ПСУН, не только функционирующие на базе глобальных сетей, но и локальные, которые необходимо предварительно инсталлировать в компьютер обучаемого.

Стоит также упомянуть об интеллектуальных ПСУН, реализующих функции, ассоциируемые с человеческим интеллектом, и обеспечивающих решение творческих задач. К ним относятся экспертно-обучающие и адаптивные обучающие системы. Этот класс ПСУН находится на стадии экспериментальных разработок не готовых к промышленному применению.

11.2. Требования к электронным учебным пособиям

Применяемые при дистанционном обучении ПСУН могут быть разработаны с помощью технологии для использования и на локальном компьютере, и в глобальных компьютерных сетях. Технология использования и обусловливает требования, которые необходимо учитывать при их разработке.

Компьютерные учебники по своей сути содержат большой объем учебной информации, которая может быть текстовой, графической (рисунки, схемы, карты и др.), мультимедийной — анимация (демонстрация опытов), видеофрагменты, звук.

При использовании КУ в локальном режиме (носителем является, как правило, CD-ROM или DVD) можно не думать об объеме конечного продукта. При его разработке необходимо учитывать только скорость чтения мультимедийных компонентов с CD-ROM или винчестера. Доставка учебного пособия может осуществляться как традиционным путем, так и перекачкой по глобальной сети в удобное для обучаемого время.

При использовании КУ в режиме глобальной сети (КУ находится на сервере дистанционного обучения) необходимо учитывать скорость передачи информации по сети. В этом случае необходимо иметь в виду, что даже при высокоскоростных глобальных сетях доступ к компьютеру учащегося на последнем этапе зависит от магистральных каналов автоматических телефонных станций (АТС), поскольку обычно домашние компьютеры подключены к Интернету через каналы АТС. Этот

391

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

фактор резко снижает возможности использования мультимедиа-компонентов или ведет к их низкому качеству, что в конечном итоге влияет на качество ПСУН.

Еще один фактор, на который необходимо обратить внимание, состоит в том, что сам процесс изучения учебного материала в первом случае (КУ находится на CD-ROM) происходит без привлечения Интернета, а во втором — учащийся должен все время работы с ПСУН находиться в среде Интернета, что увеличивает затраты на обучение.

Компьютерные задачники, служащие для выработки умений и навыков решения типовых практических задач, могут без особых ограничений использоваться и в локальном варианте и в глобальной сети.

Применение компьютерных «деловых игр» целесообразно в локальных или глобальных сетях.

Компьютерная система контроля знаний должна быть организована только в сетевом варианте. Результаты контроля каждого обучающегося необходимо фиксировать в базе данных для анализа как самой системой, так и преподавателем и обучающимся.

Компьютерный лабораторный практикум может быть реализован в любом варианте (с учетом времени доступа), но обязательно должен обеспечивать возможность пересылки результатов работы преподавателю (тьютору).

Кроме программных требований к ПСУН, используемым при дистанционном обучении, предъявляются методические требования.

Независимо от того, к какому типу относится ПСУН, оно должно быть самодостаточным. Это значит, что вся необходимая, а также дополнительная (для более глубокого понимания предмета) информация должна быть включена в компьютерный курс или должны существовать указания, где ее можно получить (например, ссылки на Интернет-страницы). Как правило, это достаточно объемные продукты. Отсюда вытекает еще одно требование — структурирование учебного материала, тесно связанное с навигацией, которая должна быть простой и наглядной. Это значит, что перемещение по компьютерному курсу не зависимо от его типа не должно вызывать у пользователя (обучаемого) затруднений. Структура учебного материала не должна быть очень сложной, например типа «дерева», в том числе многомерного. Сложная структура может привести к тому, что после определенного числа «шагов» обучаемый потеряет ориентацию в информационном массиве.

11.3. Необходимость разработки авторских версий ПСУН

Прежде чем начать авторскую разработку, необходимо познакомиться с набором существующих на рынке компьютерных средств учебного назначения и оценить их пригодность для использования при изучении конкретной учебной дисциплины. Такое знакомство с существующими продуктами, даже если окажется, что они Вам не подходят, все равно будет полезным. Со стороны более видны промахи и ошибки, и, приступая к собственной разработке, Вы попытаетесь не допустить их. Даже если на рынке не окажется разработок по искомой тематике, полезно познакомиться с любыми другими разработками, близкими к ней.

Анализ существующих на данный момент ПСУН позволит более четко представить, какие дидактические задачи необходимо реализовать, на каком программнотехническом уровне, с помощью какой технологии разработки.

392