CC BY
53
4. Вильданов И. Э. Организационно-педагогические условия сочетания концентрированной и традиционной систем обучения в техническом вузе (На примере изучения специальных дисциплин) : дис ... канд. пед. наук : 13.00.01. - Казань, 2005. - 194 c. - URL: http//www.rsl.ru.
5. Деркач А. А. Акмеологические основы развития профессионала. — М., 2004. — 752 с.
6. Зимняя И. А. Педагогическая психология. — М.: Логос, 2004. — 384 с.
7. Ибрагимов Г. И. Концентрированное обучение: теория, история, практика. — Казань, 2010. — 364 с.
8. Игнатьева Е. Ю. Педагогическое управление учебной деятельностью студентов в современном вузе : мо-ногр. — СПб. : ЛЕМА, 2012. — 300 с.
9. Карпов А. В. Рефлексивность как психическое свойство и методика ее диагностики // Психологический журнал. — 2003. — Т. 24, № 5. — С. 45-57.
10. Новиков В. Г. Самоуправление и соуправление как факторы развития социальной активности студентов в образовательном учреждении // Регионология — 2008. — № 4. — URL: http://negionsan.nu/node/194.
11. Обухов А. С. Развитие исследовательской деятельности учащихся. — М.: Прометей, МПГУ, 2006. — 224 с.
12. Остапенко А. А. Концентрированное обучение: модели образовательной технологии. — Краснодар, 1998. — 76 с.
13. Пономарев Я. А. Психология творчества. — М.: Наука, 1976. — 303 с.
14. Шамова Т. И., Давыденко Т. М. Управление образовательным процессом в адаптивной школе. — М.: Педагогический поиск, 2001. — 384 с.
15. Шипилина Л. А. Теоретические и технологические основы подготовки менеджеров образования в педагогическом университете : дис. ... д-ра пед. наук : 13.00.08. — Омск, 1998. — 492 c. — URL: http//www.nsl.nu.
УДК/UDC 378.147
А. А. Андреенков, А. А. Дементьев Andrey Andreyenkov, Alexandr Dementyev
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
USING OF INFORMATION TECHNOLOGIES IN STUDING TECHNICAL DISCIPLINES
В статье предлагается преподавательский опыт использования информационных технологий для улучшения усвоения и закрепления материала самостоятельной работы студентов при изучении прикладных аспектов теплофизики.
The article presents the teaching experience of using information technologies to improve learning of materials in the process of students' self-study over the applied aspects of Heat-Physics.
Ключевые слова: самоконтроль знаний, информационные технологии, виртуальные работы, самостоятельная работа, компьютерная программа, техническая дисциплина, теплофизика, критериальный метод.
Keywords: self-testing of knowledge, information technology, virtual works, self-guided work, computer program, technical discipline, heat-physics, criterion method.
О том, что получение высшего образования развивает системное мышление и способность оперировать большими объемами информации, структурировать и анализировать
информацию, сказано достаточно. Большинство экспертов сходится во мнении, что для предстоящего перехода в постиндустриальное общество не менее 40-50 % населения должны быть с высшим образованием, поэтому его получение является объективной необходимостью для прогрессивного развития общества.
Высшее образование неотъемлемо от понятия «социальный лифт», интенсифицировать движение которого для большинства граждан России возможно посредством подтверждающего получение высшего образования документа. Подчас обретение последнего становится самодостаточной целью и доминирующим мотивом, подменяя собой собственно «получение высшего образования». Именно в период взросления человек начинает осознанно стремиться к образованию, задумываясь над тем, как этого добиться эффективнее, полнее понимает свою роль и степень ответственности за происходящее и способен прогнозировать ближайшие последствия. Таким образом, при побудительных причинах имеют место сознательные действия при непреложном принципе свободы личностного волеизъявления.
Образование взрослого — это труд кропотливый, каждодневный (можно сказать «пролонгируемый»), диалектический, существенно отличающийся от образования «невзрослого» [3]. В связи с этим в образовании взрослого, по сравнению с образованием «невзрослого», усиливается и играет важную роль аспект самостоятельного контроля уровня полученных знаний.
Реализация данного аспекта требует формирования у обучающегося доминирующего субъективного прогрессивного критического отношения к имеющимся и (или) получаемым знаниям (информации) для адекватности самостоятельно проводимой их оценки. Ординарным явлением стал факт, что среди лиц, получающих первое высшее образование, прежде всего среди учащихся очной формы обучения, интенсивно растет доля самостоятельно заботящихся о своем материальном положении и занятых активной деятельностью. Поэтому предусмотренное учебным планом время самостоятельной работы студенты фактически «перераспределяют» в пользу своей материальной деятельности как источника существования. Возникает закономерный вопрос: как снизить ущерб уровню знаний и сохранить требуемое качество образования при предусмотренном учебным планом нормировании учебного времени аудиторных занятий и самостоятельной работы учащегося? Ответ в сложившихся условиях вынужден искать, прежде всего, преподаватель.
Современные технологии высшей школы предлагают использование различных активных методов с целью повышения качества образования. При существующем опыте реализации системы образования, в том числе дистанционного [4; 5], которым до недавнего времени являлась практически любая методика обучения, если на самостоятельное изучение выдавалась хотя бы часть материала, представляется целесообразным рассмотрение следующих наработок применительно к изучению прикладных аспектов теплофизи-ческих дисциплин.
Знания, получаемые студентами при изучении теплофизики, являются базовыми для энергомашиностроительного направления — успешное усвоение ряда дисциплин профессионального цикла во многом зависит от уровня остаточных знаний по данному курсу. В ряде учебных планов изучение теплофизики предусматривает знакомство с технической термодинамикой и теорией тепломассообме-
на — дисциплинами с высокой информативной составляющей.
Преподавательский опыт показывает, что, во-первых, изученный ранее материал требует напоминания в контексте решаемой задачи или рассматриваемого явления, и, во-вторых, прослеживается необходимость иллюстрации материала практическими примерами. Поэтому при изучении технических дисциплин одной из общераспространенных форм закрепления и дополнения полученных на лекциях теоретических знаний являются лабораторные занятия.
В ходе таких занятий, являющихся формой аудиторных занятий и проводимых, как правило, в специализированных аудиториях, на стендовых лабораторных установках, перед студентами ставятся задачи учебно-исследовательского характера.
Предлагаемые задачи можно условно разделить на две группы: при заданных условиях необходимо найти некую физическую величину, получить характеристику и т. п.; второй вариант — необходимо выявить или установить закономерность распределения величин и т. п. Затем следует сопоставление экспериментальных результатов с данными, известными из теоретических положений, что находит отражение в выводах по работе.
Благодаря развитию информационных технологий стало возможным пересмотреть современную лабораторную базу, удовлетворяющую требования федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (ФГОС ВПО), в пользу компьютерного моделирования реальных процессов, проведения имитационных (виртуальных) работ, при обеспечении надлежащего качества подготовки и интенсификации процесса освоения изучаемого материала. Высокий уровень информационных технологий сделал возможным появление и развитие комплексов виртуальных лабораторных работ, но шаги в этом направлении: разработка и ассортимент виртуальных продуктов, их продвижение на рынке — это действия преимущественно коммерческих организаций-разработчиков, чему видится следующее объяснение.
В основе виртуальных работ лежат математические модели имитируемых процессов, например термодинамики, теплофизики, тепломассообмена, а виртуальные стенды являются аналогами реальных лабораторных установок.
Безусловно, яркой составляющей коммерческих разработок являются презентационные
особенности пакетов программ, отображающие визуальные анимационные эффекты: кипение, горение, испарение и т. д., виртуальные органы управления, визуально повторяющие реальные измерительные приборы, оборудование и т. п., — и обеспечивающие наглядность изучаемых процессов. Следует отметить большую вариабельность исходных данных и многообразие комбинаций для выполнения моделирования и проведения анализа в широком диапазоне значений. Преподаватель может вмешаться в работу студента: просмотреть параметры, остановить ход выполнения, перезапустить процесс и т. п.
Структура известных комплексов виртуальных лабораторных работ, представленных на рынке, предусматривает:
— стационарное или дистанционное рабочее место преподавателя, который в онлайн-режиме осуществляет управление и контроль выполнения работы студентами, используя персональный компьютер, находящийся, соответственно, в специализированной аудитории или удаленный;
— стационарное или дистанционное рабочее место студента, позволяющее выполнять работы в аудитории или с удаленного компьютера;
— серверную информацию (компьютерные программы, базы данных и т. п.);
— описание и информационно-методическое сопровождение.
Предлагаемые рынком виртуальные работы являются, прежде всего, коммерческим продуктом. Указанное обстоятельство во многом обусловливает их ограниченную доступность и использование, например, стоимость версий дистанционного проведения работ существенно выше, чем «прошивка» лицензированных программ на ограниченное количество стационарных компьютеров; модернизация предлагаемых пакетов под специфические условия изучаемой дисциплины также связана с ценовой политикой, защитой авторского права и т. п.
Создание «удачной» виртуальной лабораторной работы определяется степенью сочетания и единением в разработчике знаний специалиста в соответствующей научной области и высококлассного методиста со способностями программиста и талантом дизайнера. Наличие такой работоспособной креативной системы в структуре технического вуза препятствует массовому появлению сложных виртуальных комплексов, разработанных собственными силами с учетом специфических задач дисцип-
лин. Технические науки формировались, прежде всего, в качестве приложения различных областей естествознания к классу задач, получивших название «инженерных задач» и являющихся законченной единицей «инженерной деятельности». Содержание данных дисциплин можно представить в виде информационных блоков (разделов), находящихся в логической последовательности и увязке друг с другом. Данные блоки, в свою очередь, структурируются в виде: «теоретическая часть» — «математический аппарат» — «справочные величины» — «практический пример (задача)». С помощью информационных технологий блоки объединяются в виртуальную практическую работу. Структура и техническая реализация такой практической работы оказалась существенно проще, чем в случае виртуальных лабораторных работ.
Так, применительно к прикладным задачам теплофизики были подготовлены по разделам курса и используются два комплекса, включающие в себя учебно-методические пособия [1; 2] (печатный и электронный форматы) и компьютерные программы с прописанным алгоритмом выполнения заданий.
В пособиях представлена основополагающая информация по физической сущности изучаемых явлений, по формульно-матема-тическому аппарату, приводятся справочные данные и примеры решения задач. Пособия предоставляют студенту возможность самостоятельного изучения материала и выполнения практических заданий, внимание акцентируется на самоконтроле знаний. Усвоив теоретический материал, ознакомившись с примерами решений, студент может приступить к самостоятельному выполнению практического задания.
Выполнение практических заданий сведено к взаимодействию студента, пользующегося пособием и инженерным микрокалькулятором для самостоятельных расчетов, и компьютерной программы. Участие преподавателя в данном случае может быть сведено к консультационному принципу — студент, выполняя задание, вырабатывает и принимает самостоятельные решения: ведет поиск величин и расчетных формул, производит расчеты, вводит данные в компьютер и т. п.
В качестве примера кратко рассмотрим порядок виртуальной работы по решению внутренней задачи теплообмена с помощью критериальных уравнений [2] — одно из ключевых приложений теплофизики: студенту необходи-
мо определить тепловой поток от теплоносителя к стенке прямой гладкой цилиндрической трубы, используя критерии подобия.
При выполнении практического задания студенту настоятельно рекомендуется использовать заранее подготовленный по образцу в пособии бланк протокола. Ведение протокола структурирует расчеты, делает их наглядными, приучая студентов к аккуратному оформлению технических записей и документации, облегчает проведение анализа, а вещественный отчет придает логическую завершенность изучаемому вопросу.
Запуск компьютерной программы генерирует ряд величин с использованием случайных чисел, формируя оригинальный вариант задания. Нажатием клавиши исходные данные выводятся на экран, и студент начинает вести протокол.
Так, заданы вид теплоносителя (в разной последовательности, поочередно, рассматриваются два теплоносителя: вода и трансформаторное масло), скорость потока теплоносителя (данная и последующие величины при смене теплоносителя не меняются), средняя температура потока и средняя температура внутренней поверхности трубы — граничные условия первого рода; длина и внутренний диаметр трубы.
На запрос программы студент должен ввести в компьютер, например, рассчитанную методом линейной интерполяции с помощью справочных таблиц теплофизическую величину, значение числа подобия, найденный поправочный коэффициент и т. п. (для этих целей используется инженерный микрокалькулятор).
Пошаговый контроль со стороны программы обусловлен проверкой корректности величин, вводимых по запросу программы, и соблюдения условий. После каждого запроса программы дальнейшая работа становится возможной или при выполнении логического условия задания (например, по найденному значению числа Рейнольдса верно указан режим течения: ламинарный, переходный или турбулентный), или при достижении относительной точности вводимых величин до 1 %.
При необходимости ввод исправленных значений величин (или соблюдение условий) выполняется без перезагрузки программы.
В ходе решения задачи студент рассчитывает по требуемому критериальному уравнению число Нуссельта, вычисляет коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к трубе и, наконец, находит тепловой поток с помощью
уравнения Ньютона — Рихмана; по окончании рассмотрения первого теплоносителя расчеты выполняются для второго.
Использование справочных таблиц пособия с теплофизическими свойствами жидко-текучих теплоносителей позволяет студенту закрепить навыки работы со справочной технической литературой. По завершении работы, на основании данных протокола студент делает выводы о сложном влиянии теплофи-зических свойств теплоносителей, режимов течения и прочем на коэффициент теплоотдачи и тепловой поток, овладевая критериальным методом решения задачи теплоотдачи, что способствует формированию технического мышления.
Поскольку мотивация на достижение конечной цели часто ослабевает по пути движения к ней, то в разработанных компьютерных программах предусмотрена поддержка у студента интереса к процессу элементарными игровыми эффектами такими, как азарт и неожиданность.
Так, например, предусмотрена работа счетчика времени, выводящего данные об общем времени, затраченном на выполнение задания, что вносит элемент соревнования. По усмотрению преподавателя, счетчик времени может быть переведен в режим ограничения времени на выполнение работы, то есть в режим «цейтнот».
Используемые компьютерные программы составлены на языке программирования Microsoft QuickBASIC и при современном уровне персональных компьютеров позволяют не оговаривать минимальные требования к системе, полагая, что программа может работать на любом персональном компьютере. Поскольку быстродействие современных персональных компьютеров весьма велико, то доля времени собственно машинного счета пренебрежимо мала, по сравнению с затратами времени студентов, и в общем времени учитывается.
Общее время самостоятельного выполнения студентом одного варианта задания складывается из затрат времени (по схожим операциям при безошибочном порядке работы с программой): на поиск справочных данных (физические величины, формулы и т. п.), выполнение расчета, ввод значений в персональный компьютер, заполнение бланка протокола. Относительная трудоемкость указанных этапов при безошибочном выполнении работы составляет соответственно 25, 65, 3 и 7 % общего времени.
Компьютерную программу легко модернизировать, например для усиления акцента на самоподготовку студента и на повышение уровня критической оценки собственных знаний.
Так, при совершении ошибки (отказе программы в дальнейшем шаге) студенту требуется время на анализ ошибки. Это может быть учтено в расчете общего времени или обыграно, например, введением в программу блока «лимит времени на устранение ошибки» или «ограничение количества вводимых исправленных значений». Указанные меры потребуют от студента тщательнее изучить материал и серьезнее подготовиться к выполнению работы.
В качестве выводов и рекомендаций необходимо отметить, что в ходе разработки, внедрения и использования в учебном процессе предложенного способа изучения материала установлено:
— отражается физическая основа и закономерности происходящих теплофизических процессов;
— обеспечивается возможность многократного повторения задания при разных начальных условиях;
— требуется разработка самодостаточных учебно-методических пособий с четким и логическим содержанием, сводящим к минимуму необходимость дополнительных пояснений преподавателя;
— алгоритм работы легко реализуется посредством несложных компьютерных программ, написанных на основе базовых знаний программирования, с возможностью модифицирования и внесения элементов эдьютей-мента;
— требуется тщательная отладка компьютерных программ, способных гарантировать непредвзятую оценку хода выполнения работы;
— благодаря минимальным требованиям к размещению электронных версий и к работе программы возможна реализация на мобильных электронных устройствах, и студент может работать в свободное время при минимуме комфорта, например во время пассажирских поездок (высокая мобильность использования);
— существенно активизируется самостоятельная работа студента, повышается привлекательность процесса изучения дисциплины и качество усвоения материала.
Таким образом, ориентированный на повышение уровня знаний рассмотренный способ использования информационных технологий может быть реализован в процессе изучения прикладных аспектов различных технических дисциплин, логическая структура и алгоритм которых схожи с рассмотренным случаем.
1. Андреенков А. А. Критический диаметр тепловой изоляции : учеб.-метод. пособие. — М. : МГТУ «МАМИ», 2011. — 32 с.
2. Андреенков А. А. Решение внутренней задачи теплообмена с помощью критериальных уравнений : учеб.-метод. пособие. — М. : МГТУ «МАМИ», 2011. — 41 с.
3. Громкова М. Т. Андрагогика: теория и практика образования взрослых : учеб. пособие — М. : ЮНИТИ, 2005. — 496 с.
4. Громкова М. Т. Подготовка преподавателей к реализации электронного обучения // Инновации в образовании. — 2009. — № 9. — С. 47-64.
5. Фокин Ю. Г. Преподавание и воспитание в высшей школе: методология, цели и содержание, творчество : учеб. пособие — М. : Академия, 2002. — 224 с.
