Training computer simulator of physics

Andreev V. (vandreev@sci.pfu.edu.ru), Konovaltseva L., Korolkov V., Nikitin G., Savanovich V., Chuprov D.

Peoples Friendship University of Russia, Moscow

Abstract

The computer simulator which is intended to carry out laboratory researches on the basic sections of physics course in school is developed. On developing the simulator LabVIEW program was used.

ОБУЧАЮЩИЙ КОМПЬЮТЕРНЫЙ ТРЕНАЖЕР ПО ФИЗИКЕ

Андреев В.В. (vandreev@sci.pfu.edu.ru), Коновальцева Л.В., Корольков В.И., Никитин Г.В., Саванович В.Ю., Чупров Д.В.

Центр прикладных информационных технологий Российского университета дружбы народов (ЦПИТ РУДН), Москва

Проблемы преподавания физики в средней школе в большой степени обусловлены неудовлетворительным техническим оснащением, а в ряде случаев полным отсутствием оборудования для физических демонстраций и проведения лабораторных работ. Одним из возможных путей разрешения данной проблемы является широкое внедрение в учебный процесс, в том числе в физический лабораторный практикум современных компьютерных технологий, в частности, технологию имитационного математического моделирования физического эксперимента. С этой целью в Центре прикладных информационных технологий РУДН разработан обучающий компьютерный тренажер, позволяющий проводить лабораторные занятия по основным разделам школьного курса физики на базе имеющихся в школах дисплейных классов.

При разработке компьютерного тренажера использовался аппаратно-программный комплекс LabVIEW корпорации National Instruments [1]. Уникальность LabVIEW заключается в том, что при подключении к компьютерам стандартных измерительных плат и модулей компьютерные тренажеры преобразуются в реальные измерительные лабораторные установки с сохранением внешнего вида интерактивных управляющих оболочек. Таким образом, имеется возможность при необходимости и соответствующем развитии материальной базы безболезненно перейти от виртуального имитационного лабораторного практикума к традиционному, использующего реально действующие лабораторные стенды.

Представляемый компьютерный тренажер имеет несколько опций, позволяющих педагогу организовать различные виды учебной деятельности [2]. Так в режиме демонстрации опытов учитель изменяет начальные условия и параметры лабораторной установки, а учащиеся на мониторах своих компьютеров наблюдают за ходом эксперимента. При самостоятельной подготовке к проведению лабораторных работ учащимся предоставляются в электронном виде достаточно подробные учебно-методические материалы по рассматриваемой теме. Но прежде чем приступить к непосредственному выполнению лабораторной работы, учащиеся должны пройти систему тестов-допусков и успешно ответить на ряд вопросов. Лишь только после этого раскрывается панель управления лабораторной установкой.

Учитель имеет возможность проверить знания каждого учащегося в отдельности. Такую возможность дает закрытая для доступа ученика панель управления с большим диапазоном данных.

В компьютерном тренажере заложены лабораторные работы нескольких уровней сложности. Учитель на свое усмотрение может персонально предложить выполнить соответствующий вариант работы, тем самым учесть разный уровень подготовки учащихся и их индивидуальные способности. Каждая лабораторная работа оснащена электронным лабораторным журналом, куда заносятся все результаты исследований и строятся экспериментальные зависимости. Также предусмотрен режим задания случайной ошибки при проведении виртуального эксперимента.

Несмотря на то, что в основе компьютерного тренажера лежат математические модели, работа с ним оттачивает навыки, необходимые при работе с реальным физическим экспериментом [3] и способствует более глубокому пониманию изучаемых задач.

Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Развитие единой образовательной информационной среды» 2004 г. и ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» 2005 г. В заключении следует отметить, что Центр прикладных информационных технологий РУДН готов к тесному сотрудничеству с образовательными организациями и учреждениями любого уровня.

Литература

1. Дж. Тревис. LabVIEW для всех. — М.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2004.— 544 с.

2. Андреев В.В. и др. Информационные технологии в курсе физики средней школы. // Материалы Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments».- М.: РУДН, 2003.- С. 18-24.

3. Андреев В.В., Чупров Д.В., Корольков В.И. Технологии LabVIEW в преподавании техники физического эксперимента. // Материалы II Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments».- М.: РУДН, 2004.- С. 23-28.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СРЕДСТВ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПОДДЕРЖКИ ОБУЧЕНИЯ МАТЕМАТИКЕ С КЛЮЧЕВОЙ РОЛЬЮ ГРАФИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ НА ДИНАМИКУ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА КОЛЛЕКТИВА УЧАЩИХСЯ

Андрианов В.А. (fytm@mail.ru)

Муниципальное общеобразовательное учреждение Лицей города Троицка

Современные компьютерные сетевые технологии обеспечивают индивидуального пользователя почти неограниченными ресурсными возможностями в процессе мотивированного самообразования. Но как использовать возможности компьютерных технологий в педагогическом процессе в современной школе физико-математического профиля? Основной задачей педагога является поднятие до вершин понимания сложных математических понятий каждого ученика при обеспечении высоких средних показателей усвоения знаний коллективом в целом. Только опытный педагог способен помочь каждому обучаемому выделить наиболее важные аспекты знания, привить совершенно определенное понимание точных математических понятий. В этой работе ему должны помочь средства компьютерной поддержки обучения (СКПО) и средства контроля динамики образовательного пространства (СКДОПО), реализующие основные преимущества информационных технологий обучения (ИТО). Основными преимуществами ИТО являются неограниченные графические возможности представления абстрактных объектов изучения математики, индивидуализация обучения в условиях его интерактивности и возможность автоматизации процедур контроля знаний и умений обучаемых. Совместное применение СКПО со СКДОПО способно освободить учителя от рутинной работы и дать ему возможность сосредоточиться на стратегии и тактике эффективного решения основной задачи. Но, как объективно зарегистрировать эффективность применения этих средств? Как сравнить их эффективность с эффективностью хорошего учебника и хорошего Учителя?

Экспериментальная информационно-насыщенная методика разработана для выявления динамики микрооперационных способностей обучаемых (МОСО) как одной их основных компонент его образовательного пространства. Под этим понимается изучение в динамике способности безошибочно оперировать внутри множества контроля – множества математических объектов. В качестве множеств контроля выбирались множества положительных и отрицательных углов, кратных π, π/2, π/3, π/4 и π/6 и множества значений тригонометрических функций этих углов; множество углов вида φ = ± n π ± α и φ = ± m π / 2 ± α, где n и m – натуральные числа, и множество значений тригонометрических функций этих углов; множество формул приведения. Число элементов множества контроля составляло порядка 100, из него случайным образом генерировался вариант теста, содержащий 60 (45, 30) элементов. Большое количество элементов множества, контролируемое в одном тесте, является необходимым для нацеливания обучаемого на усвоение механизма смыслового поиска углов на единичной окружности и исключения зазубривания а также для увеличения точности измерения показателей достоверности знания. Методика рассчитана на регистрацию результатов как на бумаге, так и в электронном виде. Процедура измерения в обоих случаях идентична и включает контроль степени участия (СУ) обучаемого в процессе контроля знания; степени достоверности (СД) предъявляемых обучаемым знаний; операционной производительность (ОП); рейтинговой оценка (РО), вычисляемой через СУ, СД и ОП.

Исследование проводилось в четыре цикла. По результатам испытаний первого цикла с помощью СКДОПО определялся фактический уровень знания и умения каждого обучаемого. Эффект улучшения знаний измерялся в последовательности из трех циклов проработки изученного материала с использованием СКПО «Тригонометрия - 9», описанного в работе [1], и повторного тестирования знаний с помощью СКДОПО. Эффект улучшения знаний регистрировался для каждого обучаемого класса. Динамика эффекта строго индивидуальна, что позволяет построить модели образовательной активности для каждого обучаемого. При этом средняя РО класса возрастала примерно в 3,5 - 6 раз и не достигала насыщения.

Проведенное исследование выявило:

высокую информативность методики исследования динамики образовательного пространства как отдельного обучаемого, так и класса в целом;

наличие значительных резервов в процессе формирования микрооперационных способностей учащихся стандартными педагогическими методами;

эффективность применения средств компьютерной поддержки обучения с центральной ролью графических представлений сложных математических понятий в сочетании с современными средствами контроля знаний;

применимость методики исследования динамики образовательного пространства для сравнительного анализа успеваемости разнородных поведенческих групп в классе, параллельных классов;

применимость методики исследования динамики образовательного пространства для построения моделей формирования и распада образовательных стереотипов в классах различных профилей в течение длительных периодов времени – последних трех лет обучения;

В заключение хотелось бы искренне поблагодарить Похиалайнен М.В. и Астрахарчик Н.А. за квалифицированную помощь в организации исследования и заинтересованное обсуждение, а также Кучера Н.П. за понимание необходимости внедрения ИТО в реальную педагогическую практику руководимого им Лицея.

Литература

1. Андрианов В.А. Концепция применения базовых средств компьютерной поддержки преподавания физики в средней школе. Материалы VI Международной конференции «Применение новых технологий в образовании», Троицк, 1995.

2. Андрианов В.А. Концепция создания Единой системы программируемого обучения физике и математике в средней школе. Материалы ХI Международной конференции «Применение новых технологий в образовании», Троицк, 2000.

ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-НАСЫЩЕННОЙ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИКИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА УЧАЩИХСЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ КОЛЛЕКТИВОВ ПРОФИЛЬНЫХ КЛАССОВ ЛИЦЕЯ ГОРОДА ТРОИЦКА

Андрианов В.А. (fytm@mail.ru), Кучер Н.П. (lyceum@ttk.ru), Туманова Н.Г.

Муниципальное общеобразовательное учреждение Лицей города Троицка

Лицей города Троицка является общеобразовательным учреждением, ориентированным на обеспечение высокого качества образовательных услуг по физико-математическому, естественно-математическому и общеобразовательному направлениям. Достижение высокого качества образования выпускников Лицея обеспечивается квалифицированными преподавателями и цельной системой организационных мероприятий. Основными организационными мероприятиями, нацеленными на обеспечение качества образования, являются: выработка высоких программных требований к учащимся, претендующим на учебу в профильных классах; организация и функционирование системы подготовки учащихся к вступительным экзаменам по выработанным программным требованиям; проведение вступительных экзаменов в профильные классы 8ФМ и 8ЕМ; жесткий педагогический мониторинг качества знаний учащихся профильных 8 – 11 классов.

Однако, многолетняя педагогическая практики свидетельствует о том, что в коллективах профильных классов, оказывает некоторое количество учащихся, устойчиво не соответствующих высоким требованиям к успеваемости (см.[3]). Совершенно естественно возникает серия вопросов. Возможно, переоцененные претенденты занимают места более достойных, которые, не сумев самореализоваться, теряют вкус к первенству, разувериваются в необходимости упорной работы. Какие недостатки в системе подготовки и отбора в наиболее престижные профильные классы не дают возможности разглядеть истинного уровня мотивации и подготовки претендентов? Возможно ли реализовать более справедливую глубокую индивидуализированную процедуру обучения и отбора для формирования однородного по способностям коллектива?

Целью настоящего исследования являлась изучение реальной динамики микрооперационных способностей и способностей к ассоциативному структурированию математических понятий учащихся про-лицейских 7–х классов с помощью средств контроля динамики образовательного пространства обучаемых (СКДОПО), созданных в рамках развития концепций работ [1, 2]. Эти способности и навыки включают в себя понимание смысла математических выражений, содержащих наряду с цифрами еще и буквенные символы, действий со смешанными буквенно-цифровыми выражениями. Эти действия включают возведение в степень с целым показателем не только математических величин, обозначаемых буквами, но и чисел. Здесь уместно проведение параллели между таблицами сложения и умножения и формулами сокращенного умножения. Длительная и кропотливая работа с таблицами сложения и умножения в начальной школе закладывает фундамент математических способностей и навыков, востребованных в течение всей жизни человека. Формирование глубоких знаний, выработка устойчивых навыков работы с многочленами посредством применения формул сокращенного возведения в квадрат и куб суммы и разности математических выражений, разности квадратов, суммы и разности кубов являются фундаментально важными элементами математической подготовки учащихся, определяющими качество образования вообще.

В исследовании использовался программно-методический комплекс (ПМК) контроля динамики образовательного пространства обучаемых (КДОПО) по теме «Многочлены. Формулы сокращенного умножения», методика измерения которого аналогична описанной в работе [3]. МПК представляют собой совокупность средств тестирования открытого типа, выполненных на бумажном носителе и компьютеризированных средств, обладающих идентичными функциональными возможностями и временем применения не более 15 – 20 минут. Результаты испытаний учащихся по каждой теме представлялись в графическом виде как распределение по убыванию рейтинговой оценки (РО). Эволюция распределения при повторных испытаниях позволяла наглядно представить учащимся и их родителям расширение образовательного пространства класса в целом. Представление в графическом виде эволюции РО каждого учащегося в сравнении с динамикой средней РО класса позволяло осознать достигнутый им уровень знаний и навыков, сопоставить фактический уровень знаний с уровнем амбиций. Опробована система оценок результативности учащихся, привязанная к динамике распределения РО и еще нескольких объективных параметров контроля, нацеленная на стимулирование значительного расширения индивидуального образовательного пространства.

Предложено включить в педагогическую практику Лицея города Троицка систематический мониторинг образовательного пространства обучаемых всей параллели 7-х классов с помощью МПК КДОПО по материалу основных тем в качестве дополнительного звена систем подготовки и отбора учащихся для профильных 8-х классов. Предполагается на основе накапливаемой в течение учебного года информации о динамике знаний и умений всех обучаемых параллели формировать итоговое распределение динамических параметров контроля. Учет полученной таким способом информации на ряду с результатами вступительных экзаменов позволит обоснованно сформировать коллективы профильных классов. Применение МПК КДОПО по материалу основных тем программы 8 – 11 классов (см.[3, 4]) позволит усилить контроль образовательного содержания, значительно улучшить качество обучения в Лицее города Троицка.

Литература

1. Андрианов В.А. Концепция применения базовых средств компьютерной поддержки преподавания физики в средней школе. Материалы VI Международной конференции «Применение новых технологий в образовании», Троицк, 1995.

2. Андрианов В.А. Концепция создания Единой системы программируемого обучения физике и математике в средней школе. Материалы ХI Международной конференции «Применение новых технологий в образовании», Троицк, 2000.

3. Андрианов В.А. Экспериментальное исследование влияния средств компьютерной поддержки обучения математике с ключевой ролью графических представлений на динамику образовательного пространства коллектива учащихся. Материалы ХIV Международной конференции «Применение новых технологий в образовании», Троицк, 2005.