CC BY
28
ДИСТАНЦИОННЫЕ ОЛИМПИАДЫ ПО КОМПЬЮТЕРНОЙ ФИЗИКЕ
А.И. Попов , к. пед. н., доц., член методической комиссии Центральной группы управления Всероссийской студенческой олимпиады Тел. (4752) 729293, [email protected], [email protected] Тамбовский государственный технический университет http://www.tstu.ru
А.И.Гончаров, к.ф.-м.н., доц. каф. Теоретической физики ФТФ АлтГУ (физико-технический факультет) Тел. 8(3852)36-70-75, E-mail: [email protected] Ю.А. Никулин, к.ф.-м.н. доц. каф. Теоретической физики ФТФ АлтГУ Тел. 8(3852)36-70-75, E-mail: [email protected] Алтайский государственный университет http://www.asu.ru
The summary: theoretical and methodical bases Olympiad movements of students in modern conditions are considered, experience of the organization of remote Olympiads on
the physics is generalized and analyzed.
Динамика научно-технического прогресса, потребность экономики в результатах творческой деятельности как основном условии инновационного развития и потребность общества в самовыражении личности через творчество порождает спрос на высококвалифицированных специалистов, обладающих творческой компетентностью. Современная парадигма непрерывного образования обуславливает приоритетность задачи создания креативной среды для формирования творческой компетентности специалиста. Структура творческой деятельности специалиста (креативный процесс) представляет собой сложное, многоуровневое, системное образование, в центре которого находится креативность как общая универсальная способность к профессиональной творческой деятельности (творческой компетентности). Основным компонентом креативности является соответствующий уровень интеллектуальной активности, основанной на творчестве как свойстве личности и на владении технологией творчества [1].
Важной задачей профессионального образования является воссоздание в учебной деятельности профессионального и соци-
ального контекстов будущей профессиональной деятельности и стимулирование самораскрытия творческих потенциалов студентов средствами олим-пиадного движения, что обеспечит развитие у них готовности к самостоятельной деятельности, проявляющейся в продуктивном вхождении (быстром и без психологической деформации) в профессиональную среду, эффективном решении творческих профессиональных задач, творческом саморазвитии обучающегося в условиях олимпиадной среды. В основе олимпиадного движения лежит внутренняя потребность и обучающихся, и преподавателей в творческом совершенствовании.
Роль олимпиадного движения в процессе обучения заключается в:
- формировании интегральной структуры знаний и иерархических уровней их профессиональной востребованности; установке на творческое саморазвитие;
- раскрытии способностей студентов в психологически комфортной обстановке при подготовке к олимпиадам и закреплении психологической устойчивости к стрессовым факторам при проведении олимпиад;
- обретении уверенности в себе и со-
вершенствовании коммуникативных навыков;
- формировании профессионального стиля мышления, навыков коллективной деятельности.
С одной стороны, действия обучающихся во время олимпиады можно назвать творческими, так как проявляется что-то новое при использовании прошлого опыта, находятся вариативные решения при исследовании учебных профессионально-ориентированных задач, обнаруживаются качества личности, которые позволяют выполнить задания в экстремальной ситуации. С другой, заданиями они названы потому, потому что в процессе выполнения предполагается еще не абсолютно самостоятельное творчество, а творчество в пределах предложенного образца.
В олимпиадной среде необходимо шире внедрять и самостоятельную постановку задачи обучающимися, и использование задач с неопределенностью в условии, которая делает невозможным получение однозначного ответа и направляет активность обучающихся на исследование проблемы. В процессе решения самостоятельно поставленных задач обучающийся многократно переформулирует задачу, определяет дополнительные цели и может выйти за рамки первоначально определенных ориентиров. Дивергентность мышления способствует развитию креативности, но задачи руководителя олимпиадной микрогруппы в каждом вузе не позволять вообще раствориться первоначальной цели и все отходы в мыслительной деятельности обучающихся использовать для движения в выбранном направлении.
В олимпиадах необходимо использовать личностно-развивающие задачи, которые наряду с творческим и когнитивным компонентами содержат личностный компонент (профессионально-ценностную ориентацию, технико-экономические проблемы конкретного предприятия и региональной экономики, проблемы моральной ответственности ученого, инженера и менеджера за социальные последствия предлагаемого решения). Критерием личностно-развивающей олим-
пиадной задачи можно считать включение в нее проблемных ситуаций, позволяющих обучающемуся самостоятельно оценить и систематизировать имеющиеся и приобретаемые знания, создание элементов, стимулирующих студентов к продолжению познавательной деятельности, в том числе и в неблагоприятных психологических условиях.
Система принципов, реализуемых через креативные педагогические технологии и обеспечивающих развитие обучающихся в олимпиадной среде (рис. 1) включает принцип диагностики креативности через уровень интеллектуальной активности, принцип развития творческой компетентности специалиста через индивидуальное и коллективное творчество в рамках олимпиадной микрогруппы, принцип обучения способам организации творческой деятельности в неблагоприятных условиях, принцип положительного эмоционального фона.
Нежелательно использовать во время олимпиады задачи, решаемые без эвристического поиска. Этот принцип допускает использование любой справочной литературы во время конкурса без ущерба для соревновательного начала.
На современном этапе развития олим-пиадного движения наблюдается ряд противоречий. Прежде всего, это противоречия между потребностью в непрерывном процессе творческой учебной деятельности и дискретным характером существующей системы образования в олимпиадных группах; между возрастающей учебно-профессиональной загруженностью студентов и информационными потребностями; между потребностью обучающегося в повышении уровня внутренней мотивации и в эмоциональном удовлетворении от творческой деятельности и степенью ее реализации в существующих условиях. Преодоление указанных противоречий в системе олимпиадного движения, открывающее перспективу выхода этого движения на новый уровень формирования творческой компетентности специалиста, возможно посредством организации олимпиадного движения на основе информационных технологий [2].
Физический (в настоящее время - физико-технический) факультет Алтайского государственного университета (ФТФ Алт-ГУ) в 1996 г. выступил с идеей проведения Всероссийской дистанционной (заочной) олимпиады по компьютерной физике. Преследовалась следующая скромная цель: студентам ФТФ, которые традиционно успешно
выступали на краевых олимпиадах, предоставить возможность посоревноваться со студентами из других регионов с помощью появившегося в АлтГУ подключения к сети ИНТЕРНЕТ. Эту идею предложил проф. О.В. Старцев, который в те годы был деканом факультета. Жюри, сформированное из преподавателей и сотрудников кафедры Теоретической физики (зав. кафедрой -проф. А.А. Лагутин) выработало правила проведения олимпиады [3].
К участию в олимпиаде приглашаются студенты 1 - 6 курсов университетов, технических, педагогических и других вузов России и других стран. Задания рассчитаны на студентов, обучающихся по специальностям, в программу которых входят общая, теоретическая и математическая физика,
высшая математика, численные методы и программирование. Участникам предлагаются задачи по физике, при решении которых целесообразно использование ЭВМ.
В первую очередь требовалось выбрать один из двух способов обмена информацией в ходе проведения олимпиады: в режиме online или по электронной почте. Ввиду того, что в России высокоскоростной ИНТЕРНЕТ имелся лишь в нескольких вузах, решили использовать электронную почту. Пробный обмен письмами с разными вузами показал, что возможны многочасовые задержки доставки писем. Чтобы повысить устойчивость мероприятия к таким задержкам, было решено отвести участникам для выполнения заданий несколько дней.
Уровень интеллектуальной активности
Рис. 1. Развитие обучающихся в олимпиадной среде
Итак, первоначально жюри было вынуждено отказаться от проведения «быстрой» олимпиады по чисто техническим причинам. Но вскоре стало ясно, что выбранный регламент - удачный, так как позволяет давать более сложные и интересные задачи, делает олимпиаду менее похожей на экзамен или тестирование.
Тем не менее, впоследствии жюри регулярно обсуждало возможность проведения олимпиады в собственно дистанционной форме. Олимпиада, проводимая в режиме реального времени, была бы значительно более динамичной и, возможно, более интересной для студентов. При проведении такой олимпиады можно проконтролировать самостоятельность работы студента, и поэтому победа в такой олимпиаде должна быть более престижной, чем в заочной олимпиаде. И хотя жюри большинством голосов до сих пор отдавало предпочтение заочной форме, принципиальная возможность изменения формы отражена в двойном названии олимпиады.
Значительная продолжительность олимпиады (обычно - четыре дня) обусловила принятие следующего либерального положения: студенту предоставляется полная свобода организации своей работы (в частности, свобода выбора места и времени работы в пределах 4-дневного срока); студент имеет возможность использовать литературу и любые пакеты программ, контроль за его работой не производится. Предварительная заявка для участия в олимпиаде не требуется. Участник может подписаться на получение задания и другой информации по электронной почте, но может взять информацию и с веб-сервера олимпиады.
Такие правила не требуют большой организационной работы со стороны администрации и преподавателей вузов-участников и способствуют привлечению достаточно большого числа студентов к участию в олимпиаде.
Студенты всех курсов (с 1-го по 6-й) участвуют в олимпиаде на равных правах. Достаточно свободны и правила оформления работ. Например, жюри не поддается соблазну предложить участникам шаблон для занесения ответов, что, конечно, облегчило и ускорило бы проверку работ.
На наш взгляд, эти положения дают заочной олимпиаде ряд преимуществ по сравнению с традиционными предметными олимпиадами студентов. Условия, в кото-
рых находятся студенты во время участия в заочной олимпиаде, достаточно хорошо моделируют процесс реального научного поиска. Студент должен сам выбрать адекватный инструмент (самостоятельно написанная программа, готовый программный пакет) и метод (численное решение «в лоб», аналитическое преобразование с целью максимального упрощения задачи и т. д.) для решения поставленной задачи. Над студентом не довлеет сильная ограниченность времени (4 - 5 ч), отведенного на решение задач, страх забыть какую-нибудь важную формулу и т.п.
Несколько дней, выделяемых участникам на решение задач, - вполне достаточный срок для обдумывания поставленных проблем и даже для самостоятельного изучения еще не пройденных ими вопросов. Вместе с тем, этот срок заставляет студента тщательно планировать свое время в течение участия в олимпиаде, т. к. ему необходимо выполнять свои повседневные обязанности (например, посещать занятия) и при этом хочется хорошо выступить на олимпиаде.
И, как и в ходе реальной научной работы, степень удовлетворения, полученного студентом, находится в прямой зависимости от степени самостоятельности при выполнении задания; хочется думать, что, по большому счету, каждый участник получает то, что он заслуживает.
Участники отправляют свои работы по адресу шифровальной комиссии, и работы проверяются в зашифрованном виде. Шифр состоит из номера вуза, номера работы и пометки, которая указывает, что данная работа представлена отдельным автором или коллективом авторов. Расшифровка работ производится после окончательного проставления баллов и подведения итогов личного и командного первенств. Для того, чтобы студент мог участвовать в личном первенстве, его работа должна удовлетворять следующим требованиям: кроме ответов, работа должна содержать краткое описание алгоритма, формулы, уравнения - 20 -; замечания, касающиеся физической стороны явлений и самостоятельно написанные программы. Жюри сравнивает содержание работ и допускает к участию в личном первенстве только полностью независимые работы.
Для участия же в командном первенстве достаточно ответить на вопросы, поставленные в задании. Команда включает всех
участников олимпиады из данного вуза. Приняты следующие правила проведения командного первенства. Число баллов, которое получает команда вуза за некоторую задачу, равно наибольшему числу баллов, полученных кем-либо из студентов вуза за эту задачу.
Число участников от каждого вуза не ограничивается, но в дипломах, которые получают вузы-победители, указываются имена минимального числа студентов, сформировавших результат вуза. Это правило, наряду с личным первенством, призвано способствовать внутривузовской конкуренции. Однако, начиная с олимпиады 2001 года, когда жюри разрешило представлять работы от имени коллектива авторов, коллективная форма участия быстро стала популярной. Отдельного официального первенства для «мини-команд» не предусмотрено (их члены участвуют в командном первенстве в составе «большой» команды своего вуза), но поощрением для них служит место в таблице баллов всех работ, которая публикуется наряду с таблицами баллов личного и командного первенств.
Начиная со второй олимпиады, ее информационная поддержка организуется на веб-сервере олимпиады (http://theory.asu.ru/ olymp/Russia). В частности, на сервере размещается предварительная информация об олимпиаде; в момент официального начала олимпиады становятся доступны задачи олимпиады, а после ее окончания приводятся их подробные решения и итоги олимпиады. Доступны также аналогичные материалы всех предыдущих олимпиад. В 2004 г. на сервере организован форум. Мы полагаем, что выставление имен победителей и таблиц баллов на постоянно действующем сервере является хорошим поощрением для участников олимпиады.
Так как работа каждого участника содержит большой объем разнородной информации (текст, формулы, рисунки), то существует проблема правильной кодировки информации. Так как работа каждого участника содержит большой объем разнородной информации (текст, формулы, рисунки), то существует проблема правильной кодировки информации. Некоторые участники первых олимпиад (1997, 1998 гг.) применяли нестандартные кодировки, что приводило к потере части информации, пересылаемой по электронной почте. После проведения анализа совместимости различных текстовых редакторов и кодировок бы-
ли сформулированы новые правила оформления работ и начиная с 1999 г. проводится пробный тур с целью проверки правильности кодировки информации участниками и дополнительной проверки стабильности связи, каждому участнику которого отправляются замечания по оформлению его работы. Была проведена работа по предотвращению потери информации при пересылке участниками работ по электронной почте. Были установлены 3 допустимых формата файлов: PDF, PS и ASCII. Эти форматы в совокупности позволяют передать любую информацию, как текстовую, так и графическую и доступны при работе во всех операционных системах. Через постоянно действующий сервер участники знакомятся со способами преобразования документов редактора MSWORD в форматы PS и PDF, а в ходе пробного тура проверяется читаемость получаемой жюри информации. Благодаря этим мероприятиям удалось свести к минимуму потерю информации, отправленной участниками.
Приведем краткую характеристику заданий 9 проведенных олимпиад.
Для выполнения большинства заданий участники должны были самостоятельно сделать математическую постановку физической задачи. Наряду с традиционными задачами по механике материальных точек и твердого тела, большая часть которых сводится к решению задачи Коши для системы дифференциальных уравнений, среди заданий олимпиады были также задачи, требующие применения метода статистического моделирования (метода Монте-Карло) и теории вероятностей; задача гравиметрии (сводится к интегральному уравнению); вариационная задача; задача на отыскание собственных значений; краевые задачи для уравнения теплопроводности, в том числе с подвижной границей. Предлагались также задачи, не требующие сложных расчетов, но в которых нужно было придумать алгоритм.
Существенно новым элементом явился способ проверки работ. Для каждой из задач была составлена таблица, устанавливающая соответствие между погрешностью численного ответа и числом баллов (чем ближе ответ к правильному, тем выше балл). В результате многочисленных расчетов, проводимых в ходе составления задач, было установлено, к каким численным результатам приводит неучет того или иного физического явления. На основе этой ин-
формации и для каждой подзадачи вырабатывается шкала баллов. Таким образом, оценка численных результатов позволяет оценить правильность понимания участниками физической сути задачи. Проверка ответов и определение числа баллов производится автоматически с помощью компьютера, что исключило возможность случайных ошибок при проверке.
Начиная с олимпиады 2001 года, участникам предлагаются задачи, состоящие из нескольких логически связанных подзадач возрастающей степени сложности. Преимущества этого подхода заключаются в следующем:
- решение таких задач способствует обучению студентов рациональному стилю научной работы: упростить постановку исходной задачи и, убедившись в правильности решения (простая задача допускает простое тестирование), постепенно усложнять задачу;
- набор задач является универсальным в том смысле, что он ориентирован на студентов разных курсов, разной степени подготовки и разных способностей.
Одним из основных методов стимулирования интеллектуальной активности обучающихся будет метод открытия, позволяющий повысить вовлеченность студентов младших курсов в творческий процесс, стимулировать их интеллектуальные усилия на решение поставленной задачи, воспитывать независимость взглядов и уверенность в своих силах. Поэтому задания последних олимпиад существенно отличаются от заданий предыдущих. Цель большинства задач состоит в том, чтобы либо познакомить студента с некоторым новым для него явлением (физическим, математическим), либо предоставить возможность поработать численно с хорошо известным явлением. Такой подход можно коротко назвать исследованием явлений. Он во многом определил и характер задач: предъявлены менее жесткие требования к точности численных результатов и увеличено число вопросов качественного характера; некоторые задачи требуют графического анализа. Приведем примеры явлений (процессов, технических решений), рассмотренных в заданиях олимпиады: автоколебания; солитоны; гашение вибраций; происхождение синего цвета неба; резкое понижение влажности и нагрев воздушного потока при перетекании через высокий горный хребет; свойства силы трения скольжения при вращательно-
поступательном движении тела; наличие устойчивых и неустойчивых орбит вблизи черной дыры; неустойчивость обратной задачи теплопроводности, неустойчивость численного преобразования Фурье и возможность регуляризации этих задач; сглаживание функций при помощи свертки; существование предельных распределений, отличных от гауссова, и их роль в физике; необычные свойства траекторий гипотетических частиц - тахионов при наличии магнитного поля; существование траекторий луча света, для которых время максимально; возможность использования Солнца как прозрачной гравитационной линзы для фокусировки потоков нейтрино, излучаемых удаленными источниками.
Для обычных задач, не связанных с ярко выраженными явлениями, иногда придумывалась драматизация, которая позволяла задать качественный вопрос, например: замерзнут ли ветки куста, укрытого снегом; успеет ли космическая станция выйти из пылевого облака. Регулярно предлагаются задачи с исходными данными в виде таблиц большого размера (тем самым имитируются условия реального эксперимента). Анализ качества выполнения работ показывает, что ошибки чаще появляются при попытке «поручить решение задачи компьютеру» без предварительной проработки особенностей задачи и должного контроля результатов.
Число участников дистанционной олимпиады стабильно остается достаточно большим; обращения к серверу олимпиады зарегистрированы не только из вузов-участников, но и из научно-исследовательских организаций, школ. Распределение участников по курсам (рис. 2), анализ анкет участников свидетельствует о том, что основной причиной участия в олимпиаде является внутренне мотивированная потребность в творческой деятельности.
Участники олимпиады отмечают, что ее проведение вносит разнообразие в познавательную деятельность студента, дает «возможность размять мозги». Некоторые предлагают усложнить задачи, но трудность задач должна заключаться «не в том, чтобы искать дополнительную информацию в учебниках, а в том, чтобы прямое моделирование с использованием самых современных машин было невозможным, и для получения ответа была необходима хорошая работа головой». Многие студенты впервые
об олимпиаде узнают от преподавателя, а затем с нетерпением ждут новых задач и участвуют в олимпиадах самостоятельно.
Проведение дистанционных олимпиад представляется весьма перспективным и полезным делом, особенно в связи с активным вхождением российских вузов в сеть Интернет. Важную роль в эффективности таких олимпиад имеет оперативная информационная поддержка, которая может быть осуществлена с помощью веб-сервера. Участие в олимпиадном движении предоставляет студентам возможность сформировать такие необходимые качества конкурентоспособного специалиста, как творческий характер мышления, способность к анализу и синтезу информационных потоков, уме-
ние оптимально использовать имеющиеся ресурсы, психологическую готовность к коллективной деятельности в стрессовых условиях, умение адаптироваться в производственном коллективе.
2005
2003
2000
ЭЭЭ
ЭЭ8
□ 1 курс
■ 2 курс
□ 3 курс
□ 4 курс
■ 5 курс
□ 6 курс
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Рис. 2. Распределение по курсам участников
Литература
1. Богоявленская Д.Б. Психология творческих способностей. - М.: Издательский центр «Академия», 2002.
2. Попов А.И. Формирование творческой компетентности специалиста в условиях олимпиадного движения // Открытое образование. - 2005. - №6. - С.23-30.
3. Гончаров А.И., Никулин Ю.А. Опыт проведения Всероссийской дистанционной олимпиады по компьютерной физике (Тезисы)/Сборник трудов научно-методического семинара "Телематика - 98". - СПб, 1998. - С. 177-178.
САПР В ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ ЦИКЛАХ
В. И. Карначук, доц., к. т. н., физико-технический факультет Тел. (8-3822) 41-68-84, E-mail: [email protected] Н.А. Федоров, инженер E-mail: [email protected] Томский политехнический университет http://www.tpu.ru
The article a simple but effective algorithm for creating a program for virtual laboratory works, aimed to individualization of learning
Лабораторные работы в вычислительных классах для технических специальностей занимают все больший объем учебного времени. На наш взгляд, большим преимуществом виртуальных лабораторных работ является их дешевизна, мобильность по отношению к перестройке под определенный уровень обучения, универсальность технического обслуживания, открытость по отношению к обновлению содержания и экономия времени, отводимого на
лабораторные циклы по учебным дисциплинам.
Современные виртуальные лабораторные работы не сводятся, как правило, к применению расчета с помощью стандартных лицензионных пакетов. Они имеют все необходимые компоненты обучающих программ: встроенные методические указания к выполнению работ, удаленную базу данных тестового контроля, удобный интерфейс управляющей оболочки. Объем
