CC BY
36
АКАДЕМИЧЕСКИЕ ИННОВАЦИОННЫЕ УНИВЕРСИТЕТЫ В СИСТЕМЕ ОТКРЫТОГО ОБРАЗОВАНИЯ: ДИДАКТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИЧЕСКОГО ПРАКТИКУМА
В.В. Ларионов, к.ф.-м.н., доц. каф. Физики и информационных процессов Тел.: (3822) 41-82-38; E-mail: larionov@galore.tomsk.ru Д.В. Пичугин, асп. каф. Физики и информационных процессов Тел.: (3822) 52-95-04; E-mail: dmitry.pichugin@gmail.com Томский политехнический университет http://www.tpu.ru
Didactic reasoned pedagogical technology of studding physics on laboratory lessons in academic innovation university of the system of open education was developed. In this technology material and virtual carriers of didactic assets compositionary distributed
on variative multilevel scheme
Виртуальный физический практикум (ФП) является важным элементом новых педагогических технологий при дистанционной форме обучения [1]. Вместе с тем концепция ФП не является окончательно сформированной. Возникает необходимость в ее тщательной корректировке по ряду причин. Одной из них является доступность «правильных» результатов виртуального эксперимента. Банки «готовых» результатов компьютерных работ, размещенных в сети дистанционного обучения, делают контроль знаний громоздким и слабо управляемым [2]. Следующий недостаток виртуального ФП сформулирован академиком РАН О.Н. Крохиным [3] и состоит в том, что «компьютерный практикум - хорошее подспорье, но не более того. Студент своими руками должен все изучаемое «пощупать», пропустить через себя, прочувствовать. Без этого изучение материала будет просто абстрактным». Эта проблема в системе открытого образования наиболее существенна для студентов, обучающихся технике и технологии.
Определенные противоречия возникают при решении вопроса о соотношении между отдельными компонентами физического практикума вузов. Оптимальное формирование ФП с учетом всего многообразия подходов, технологий и систем обучения при строгом соответствии основным принципам дидактики всегда было актуальным. Повышает-
ся значение физического практикума и в связи с изменением роли технических университетов при их преобразовании в инновационные академические универ-сигеты, когда необходимым требованием к выпускнику технического вуза становится методологическая компетенция не только в области научных исследований, проектной деятельно -сти и менеджмента, но и в сфере внедрения новейших технологий.
Разработанный в ТомПУ физический практикум позволяет реализовать в учебном процессе открытого образования полную систему материальных и виртуальных носителей дидактических средств и принципов в их современной и доступной интерпретации.
В общем случае физический практикум обязан выполнять следующие функции по формированию: а) системного подхода к любому знанию и умению, в том числе знаниям техническим и технологическим; б) процедурных знаний, т.е. перехода от репродуктивной к продуктивной концепции; в) качественных профессиональных умений преобразовательного свойства.
Анализ научно-методической литературы показывает, что в большинстве компьютерных и натурных практикумов используются объяснительно-дескриптивные модели, ориентированные на раскрытие физического смысла исследуемых явлений. Целью экспе-
римента ставится подтверждение теории изучаемого явления или эффекта, его иллюстрация в форме функциональных зависимостей одних величин от других. Традиционное объяснительно-иллюстративное понимание роли компьютерных практикумов, виртуальных лабораторных работ и натурных экспериментов приходит в противоречие с приоритетами современного образовательного процесса.
Для направлений подготовки специалистов, связанных с инженерной деятельностью в наукоемких областях, приоритетным является освоение методологии научного исследования, позволяющей не только понять процесс получения нового знания, но и овладеть методологическими принципами внедрения научных достижений. Внедрение научных достижений становится отдельной отраслью науки. Поэтому кроме естественнонаучной методологии, которая осваивается в повседневной учебной деятельности студентов на лабораторно-практических занятиях с использованием математических моделей, натурных и виртуальных приборов, должна быть выделена экспериментально-преобразовательная деятельность. Это означает, что у физических практикумов с элементами моделирования физических, химических, экологических и других процессов, кроме учебно-имитационного моделирования профессионально - ориентированной, исследовательской и поисковой деятельности по получению нового (для обучаемого) знания, появляется новая цель -технологического преобразования объекта изучения. При таком подходе изучение того или иного явления физики становится одновременно не только средством освоения методологии научного поиска, но и выработки умений инженерного преобразования.
Целевая установка на формирование потребности в самостоятельной познавательной деятельности, на поиск и получение новой информации и знаний требует модернизации традиционных форм организации учебного процесса. Задачей предлагаемых нами композиционных физических практикумов (в том числе и компьютерных виртуальных лабораторных работ в их логическом и дидактическом сочетании) становится не столько иллюстрация и подтверждение теоретически описанных взаимодействий, явлений или эффектов, сколько их открытие в самостоятельной деятельности, дидактически обоснованной и организованной преподавателем. Обучаемые сами должны обнаружить и описать первоначально на доступном уровне эффект, явление, закономерность, подумать, как можно преоб-
разовать изучаемое техническое устройство, как изменить тот или иной параметр установки, в том числе с помощью «мыши» и клавиатуры персонального компьютера.
Простейшие вопросы, кажущиеся таковыми при теоретическом анализе явления, становятся трудными, сложными при практической реализации, требующими анализа, серьезных мыслительных процедур в дея-тельностном отношении. Например, как изменить электрический заряд на поверхности тела, чтобы получить его соответствующее распределение или создать магнитное поле в ограниченной части пространства.
На основании полученных знаний обучаемые должны быть в состоянии сделать прогноз последствий для изучаемого явления или эффекта в новых условиях или для новых областей практического применения. Таким образом, помимо заданий наблюдательно-описательного, сравнительного, измерительного и экспериментального характера, в лабораторной работе должны присутствовать задачи проблемного характера, требующие для своего решения рационально-логического мышления и (или) использования знаний для расчетов практических характеристик. Виртуально-компьютерное моделирование целесообразно тогда, когда полностью отсутствуют возможности реализации явления в данной конкретной лаборатории [4]. При этом можно и нужно ссылаться на разработки известных мировых фирм, выпускающих лабораторные макеты-устройства. Целесообразно создавать виртуальные работы на основе реальных экспериментальных данных, например, при изучении влияния облучения на материалы, на элементы солнечных батарей, побывавших в космосе, или когда для проведения экспериментов требуется создание лабораторий особого класса по уровню безопасности.
Моделирование необходимо сопровождать конкретной целью, когда от дескриптивного изложения переходят к созидательно-деятельностному обучению. Типичная лабораторная работа по моделированию движения заряда в магнитном поле представляет визуализированное решение задачи из стандартного задачника для вузов. Можно изменить цели и придать работе расчетно-технологические свойства. Например, рассмотреть проблему быстрого и локального разогрева поверхности, проблему эффективности сварки в магнитном поле, точечное воздействие заряженными частицами на поверхность материала и т.д. Это позволяет реализовать концепцию переноса знаний из предыдущих семестров (в
приведенном примере необходимо знание явлений переноса), сформулировать проблемные ситуации, решение которых позволяет выработать системный подход к изучаемому материалу и, следовательно, сформировать очередную учебную и реальную проблему. Недостаточно изучить движение заряда, нужно заставить его участвовать в технологических операциях.
Нами предложена педагогическая технология инновационного обучения физике на лабораторных занятиях в техническом университете, в которой материальные и виртуальные носители дидактических средств композиционно распределены по вариативной многоуровневой схеме. Она содержит следующие основные элементы.
1. Краткая видеолекция (электронный конспект) по теоретическому материалу, предназначенному для автономного изучения рассматриваемого явления экспериментальным методом. Видеоверсия лекции включает демонстрацию явления, анализ графического материала в виде «живых» графиков. С «живыми» графиками студент может работать в диалоговом и интерактивном режимах. Здесь же размещены интерактивные задачи и контрольные тесты по проверке усвоения теоретического материала. Развита концепция преподавания физики, основанная на четырёх типовых учебных вопросах профессора Николаева [5]. Проверены критерии отбора вопросов. Фиксируется быстрота ответа и время запоминания теоретического материала.
2. Подробное описание цели эксперимента и методология его осуществления. Описание содержит внешний вид установки (фотоверсия), измерительные приборы и инструменты, их технические параметры, блоки питания и иной необходимый для проведения работы интерфейс. Методика и техника эксперимента сопровождаются интерактивными контролирующими тестами по проверке готовности выполнять эксперимент. Каждый этап регламентирован видеополем (рис.1, см. цветную вставку).
3. Полнокомплектный виртуальный прибор со всеми атрибутами, необходимыми для выполнения работы (пример приведен на рис.
2). Виртуальная модель полностью имитирует реальный процесс. Файл сдержит все таблицы для экспериментальных данных. Расчеты и построение графиков можно проводить как в ручном, так и автоматическом режиме (рис.
3). Данная компонента вариативной схемы применяется для дистантного образования или в качестве допуска к выполнению работы
при дневной форме обучения. Элементной базой для разработки виртуальной составляющей практикума можно выбрать виртуальный физический практикум компании «Физикон» [6].
4. Этап компьютерного моделирования. Содержит два подуровня. На первом подуровне проводится моделирование явления с изменением технических параметров устройства, например, в рассматриваемой работе можно моделировать величину момента инерции I0, варьировать трение в блоках Mmp, массу основных и промежуточных блоков, учиться изменять моменты инерции всех элементов устройства (рисунок 3) по формуле (1)
I0=h+h+h+h, (1)
где I] - момент инерции основного вала маятника, I2 - момент инерции блока, I3 - момент инерции стержней, I4 - момент инерции держателя стержней.
Подчеркнем, что все технические и другие характеристики варьируются в доступном для студента 1-го курса варианте, т.е. в линейном приближении. Умение провести простейшее моделирование приобретается в курсе информатики, согласованном с курсом физики. Применяются стандартные средства Matead, Matlab и др.[7]. Посредством процедуры тестирования-моделирования преподаватель создает в диалоговом компьютерном режиме проблемную ситуацию и регулирует ее решение (см. графики рис. 3), а также выясняет рейтинг студентов для их проблемно-ориентированного обучения.
На втором подуровне осуществляется исследовательское компьютерное и технологическое моделирование. Моделируются нелинейные процессы, которые возможны в данной системе. Например, изучается нелинейность при условии, что момент сил трения Мтр зависит от угловой скорости вращения ю:
(mgr Mтр ) где мтр = f( е =d2y/dt2 . (2)
s =
тр ,
I о + 4тРЁ2
Здесь ф - угол поворота маятника, е - угловое ускорение маятника, а - линейное ускорение, т - масса груза, под действием которого маятник приводится во вращение, тгр -масса груза, расположенного на спице маятника, Я - координата тгр на спице, г - радиус шкива маятника, g - ускорение свободного падения.
Выбор параметров представляет проблемную ситуацию. Моделирование нелинейных эффектов проводят с помощью функции Мтр = М0 + к1ю - к2 ю3, (3)
где М0 - постоянный момент силы трения при ю = 0, к1, к2 - коэффициенты нелинейности).
Конструктивная реализация условий, при которых возможны значения моментов сил трения (3), создает проблемную ситуацию. Это объясняется тем, что случайный характер трения может решающим образом влиять на движение системы.
5. Компьютеризированные работы. На кафедре Общей физики ТПУ реализованы несколько типов таких лабораторных работ. Они имеют общий базовый элемент - натурный лабораторный макет (устройство) современного дизайна и компьютер. При этом компьютер и интерфейс к нему выполняют различные функции. Чтобы пояснить сказанное, рассмотрим в качестве примера несколько лабораторных работ, которые все являются компьютеризированными.
А. Лабораторная работа «Определение физических характеристик материалов акустическим методом». Натурный макет состоит из трех стержней (см. рис.5), двух датчиков и блока питания датчиков. Датчики расположены на концах стержней. В интерфейс стандартной натурной лабораторной работы (информационные технологии прямого доступа) входит звуковой генератор и осциллограф. Их роль в реализованном нами проекте выполняют виртуальный звуковой генератор и осциллограф. Исследуемые стержни из латуни, алюминия и пластмассы последовательно подключают к виртуальному звуковому генератору и наблюдают резонансную кривую на экране виртуального осциллографа (мониторе ПК). В виртуальном варианте эксперимента увеличивается количество виртуальных стержней, тип материала, возможность решения обратной задачи по определению материала, его физических характеристик. Таким образом, увеличивается вариативность и про-блемность ситуаций, учебные проблемы трансформируются в исследовательские.
Б. Изучение плазмы положительного столба тлеющего разряда осуществляется в автоматическом и ручном режимах. При этом источник питания является реальным (натурным), а микроамперметр и вольтметр реализованы в виртуальном и реальном виде. Таким образом, вольтамперная характеристика, по которой получают все основные характеристики плазмы, может быть получена двумя путями - при ручном режиме и автоматически на мониторе. Соответственно ее обработка производится на листе бумаги и экране монитора. В последнем случае все вычисления делают в автоматическом режиме, включая расчет погрешности эксперимента. Виртуальная работа по измерению плазменной частоты
выполнена в виртуальном режиме по Flash -технологии и представляет собой модель из частиц, которые образуют квазиконденсатор в хаосе частиц плазмы.
В. Принципиальная схема экспериментальной установки для изучения дифракции света на периодических структурах приведена на рис. 6, где применены следующие обозначения: 1-полупроводниковый лазер, 2-коллимирующая линза, 3-дифракционный объект, 4 - многоканальный анализатор спектральной информации (МАСИ - 2), 5 - блок питания МАСИ, 6-персональный компьютер с последовательно - параллельным интерфейсом (ППИ-4). Луч от полупроводникового лазера (1) проходит через дифракционные объекты (3) и попадает на регистрирующую систему (4). Для одновременной регистрации и преобразования распределения интенсивности в цифровой вид используется многоканальный анализатор спектральной информации (МАСИ - 2). МАСИ - 2 имеет линейку фотодиодов (ЛФД), которая располагается в плоскости наблюдения дифракционной картины и применяется в качестве преобразователя электромагнитного излучения в электрический сигнал.
Рис. 6. Блок - схема экспериментальной установки
ЛФД содержит линейный массив из 1024 фоточувствительных ячеек с шагом 25 мкм, что соответствует длине 25,6 мм. Основным процессом взаимодействия излучения с элементарными ячейками является внутренний фотоэффект. ЛФД регистрирует изменение интенсивности светового пучка, которое преобразуется в цифровой вид. Для организации связи между МАСИ - 2 и персональным компьютером (6) используется модуль последовательно - параллельного интерфейса ППИ - 4, расположенный в компьютере. Программное обеспечение дает возможность производить сбор, оперативную по ходу эксперимента обработку данных, а также позволяет выводить на монитор персонального компьютера пространственное распределение интенсивности света в плоскости фотодиодной линейки и результаты эксперимента в численном виде.
После проведения эксперимента переходят к сравнению экспериментального распределения интенсивности с теорией. Основываясь на значениях заданных параметров (длина волны, ширина щели, расстояние от дифракционной преграды до МАСЩ получают теоретическое распределение интенсивности, наложенное на экспериментальное распределение (рис.7, см. цветную вставку). На этом этапе проводят компьютерное моделирование, изменяя длину волны, ширину щели, количество щелей и другие параметры.
При дистанционном обучении доступными являются блок 1 (электронный конспект), блок 2 (фото версия), блок 3 (виртуальный эксперимент), блок 5 (компьютерное моделирование). Выполнение работ при дистанционной форме образования проводится двухступенчатым методом, когда блоки 13,5 проводятся вне стен вуза с консультациями по электронной почте и являются своеобразной исследовательской формой допуска. Электронная почта стимулирует студента быстро ответить. Условие действия системы при проблемно-ориентированном дистантном обучении физическому эксперименту состоит в следующем:
1. Доступ к электронной почте должен быть бесплатным и упрощенным (обеспечивают филиалы ТПУ);
2. Ответы должны быть ясными и короткими;
3. Дизайн вопросов к лабораторной работе должен быть простым;
4. Время, предоставляемое на ответы, должно быть реальным;
5. Усредненные результаты проверки должны быть сразу же доведены до студентов.
Вариативность выполнения работы означает, что, например, при проведении занятий со слушателями физико-математической школы (10 класс) перед передней панелью МАСИ устанавливается белый экран, и слушатели выполняют измерительные процедуры с дифракционным спектром, измеряя координаты максимумов и минимумов от реального лазерного источника. Закончив измерения, проводят компьютерное моделирование явления, где исследуется изменение дифракционного спектра в зависимости от ряда параметров.
Г. В лабораторной работе «Прецизионный термостат» [8] компьютер автоматически
поддерживает температуру и играет роль управляющего элемента, а также выполняет все расчетные функции по обработке получаемых данных, например, количество выделенной или поглощенной в калориметре энергии. Лабораторная работа проводится в стенах вуза.
Термин «виртуальная работа», по нашему мнению, следует применять в следующих случаях. Рассмотрим лабораторную работу на основе прибора фирмы ЬеуЬоЫ. Для изучения движения заряда в магнитном поле используется колба, заполненная инертным газом [9] (рис.8).
Колба помещается в магнитное поле, которое можно изменять по величине и координате. При движении электрона (иона) происходит ионизация газа, благодаря чему можно реальными инструментами измерить параметры реальной траектории движения частицы. Это информационные технологии прямого доступа. Этот же эксперимент в виртуальном варианте визуализируется по Flash или иной -технологии, в полной мере имитирует реальный эксперимент и носит название информационных технологий виртуального доступа. Наконец, этот же эксперимент при компьютерном моделировании [10] выглядит так, как показано на рисунке 9. Здесь интерактивное моделирование натурных экспериментов становится основой совершенствования виртуальных экспериментов и наоборот.
С помощью приведенных примеров можно более конкретно систематизировать терминологию понятий, применяемых для характеристики физического практикума.
В заключение приведем общую блок-схему лабораторной работы (рис.10). На схеме ВИП - это видовое информационное поле [11], которое обеспечивает визуализацию информации. Файлы всех компьютеризированных и иных работ содержат теорию, задачи, тесты, 25 вопросов для индивидуальных занятий, причем каждый раздел распределен по этапам (рис. 1). В предлагаемом комплексе определены техническая, программная и дидактическая функции ФП новых поколений. Каждая из них, развиваясь в перманентно-самостоятельном режиме, позволяет переходить на новый этап совершенствования физического практикума при композиционном применении.
Рис. 2. Виртуальный прибор g/a\ g/a
а)
О гп&* 0 т%г
/О=|0,00046 |# Мщ= |0.041 |в
а) б)
Рис. 3. Графическое представление результатов виртуального эксперимента: а) определение момента инерции маятника б) определение момента сил трения
б)
О
/0 = |046
(/г/г)2 о
(/г/г)2
[ Назад ] [ Обнулить ] _|Попное моделировэниэ
Рис. 4. Моделирование движения маятника: а) изменение момента инерции маятника б) изменение момента сил трения в линейном приближении
Рис. 5. Внешний вид компьютеризированной лабораторной работы
Рис.8. Движение заряженной частацы в магнит- Рис. 9. Компьютерное моделирование движения иона ном поле [10] в магнитном поле.
Рис. 10. Полная блок-схема этапов выполнения лабораторной работы
Литература
1. Тихомиров Ю.В. Универсальный лабораторный практикум по курсу физики на основе компьютерных моделей // Открытое образование. - 2004. - № 3. - С. 17 - 26.
2. Кручинин В.В., Молочко М.Ф. Система тестирования, основанная на генерации вопросов и тестовых заданий // Открытое образование. - 2004. - № 4. - С.30 - 35.
3. Крохин О.Н. Интервью журналу «Физическое образование в вузах» // Физическое образование в вузах. - 2004. - № 3. - С.5 - 6.
4. Ларионов В.В. Особенности методического обеспечения преподавания физики в системе открытого образования в области техники и технологий // Открытое образование. - 2004. - № 4. - С. 15 - 20.
5. Козел С.М., Тихомиров Ю.В. Виртуальная физика. Открытая физика.
// http://stratum.ac.ru/rus/products/vphysics/
6. Николаев В.И. Обратные задачи в курсе физики // Физическое образование в вузах. - 1998. - Т.4. -№4. - С. 107-123.
7. Беспалько В.П. Образование и обучение с участием компьютеров (педагогика третьего тысячелетия). - М.:, 2002. - 352 с.
8. Ларионов В.В., Гаранин Г.В., Чернов И.П. Компьютеризированная лабораторная работа «Прецизионное измерение тепловой энергии проточным калориметром» // Физическое образование в вузах. -2004. - Т.10. - №1. - С. 103-107.
9. http://vio.fio.ru//vio/15/cd site/articles/art 1. 10/ 15.ipg
10. Стародубцев В.А. Проектирование и реализация комплексов мультимедийных дидактических средств в педагогическом процессе вуза: Автореф. дисс. соиск. докт. пед. наук. - Барнаул, 2004. - 44 с.
11. Ларионов В.В., Писаренко С.Б. Видовое информационное поле: свойства и применение в инновационной педагогике. Инновационные процессы в высшей школе //Материалы X Юбилейной Всероссийской научно-практической конференции. - Краснодар: Изд. ГОУ ВПО КубГТУ, 2004. - С. 93 - 94.
ДВУХУРОВНЕВАЯ ТЕСТОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ
УЧЕБНЫХ ПОСОБИЙ
Д. Н. Павлов, асп., ведущий программист отдела разработки электронных изданий Тел.: (8422)32-91-41, E-mail: avocet@yandex.ru. А. Е. Русанова, программист отдела разработки электронных изданий Тел.: (8422)32-91-41, E-mail: kosmana@yandex.ru. С. Г. Новиков, к.т.н, старший научный сотрудник, начальник отдела разработки электронных изданий., Тел.: (8422)32-91-41, E-mail: NovikovSG@ioo.uven.ru. Г. Б. Савхалов, студент, программист отдела разработки электронных изданий Тел.: (8422)32-91-41, E-mail: ezhy@mail.ru С. Б. Бакланов, к.т.н., доц., проректор по дистанционному обучению Тел.: (8422)32-25-24, E-mail: ojfice@ioo.uven.ru. Ульяновский государственный университет http://www.ulsu.ru
Creating strategy of two-level test system for electronic tutorials was examined. Also was examined two-level test system advantages and perspectives of its evolution
Система тестовых заданий (ТЗ) — один из важнейших компонентов электронного учебного пособия (ЭУП), без которого невозможно проконтролировать знания обучаемого, а, значит, реализо-
вать принцип обратной связи в процессе обучения, что, в свою очередь, сдерживает создание сложных интеллек-туализированных ЭУП [1].
Одним из наиболее распространённых форматов ЭУП является HyperText
