CC BY
74
Мультиплетная структура виртуальной среды обучения и технологизация учебного процесса
Баяндин Дмитрий Владиславович к. ф.-м. н., доцент кафедры общей физики,
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Комсомольский пр., 29, г. Пермь, 614000, (342)2377912, baya260861@yandex.ru
Аннотация
Обсуждаются возможности повышения эффективности обучения физике за счет применения компьютерной учебной среды, основой которой являются «мультиплеты» виртуальных учебных объектов (ВУО). Отмечается, что использование для каждого элемента содержания учебной дисциплины не отдельного ВУО, а их серии, особенно при сочетании различных жанров, дает заметный синергетический эффект, способствует лучшему пониманию и более глубокому усвоению материала учащимися, повышению качества обучения. Предлагается типология учебных «мультиплетов». Приводится большое число их примеров, в основном, из состава среды «Интер@ктивная физика», разработанной Институтом инновационных технологий (г. Пермь).
The opportunities to increase the efficiency of physics teaching through using a virtual learning environment based on the “multiplets” of the Virtual Learning Objects (VLO) are widely discussed. There is an assertion that the possibility to use not a single VLO but a range of VLO for each topic (especially with a combination of different its kinds) makes a noticeable synergy. It contributes to a better understanding and assimilation of the material, as well as increasing the quality of learning. The typology of training “multiplets” is proposed. Examples are given mostly from the virtual environment “Inter@ctive Physics”, produced by Innovation Technologies Institute (Perm).
Ключевые слова
виртуальная среда обучения, компьютерные модели, интерактивные тренажеры, самостоятельная работа, эффективность обучения
virtual environment of educating, computer models, interactive simulators, selfguided work, efficiency of teaching
Введение
Одним из средств поддержания достойного качества образования и его развития является модернизация информационно-образовательной среды и возможная на этой основе технологизация обучения (технология понимается здесь как способ получения искомого результата за оговоренное время и с заданным качеством). Важным направлением технологизации обучения является его компьютеризация, в том числе использование виртуальных сред обучения. Однако их внедрение в реальный учебный процесс происходит медленнее и с меньшей эффективностью, чем предполагалось федеральной программой «Информатизация системы образования». Насколько нам известно, серьезным подспорьем для учителя электронные образовательные продукты, разработанные как в рамках упомянутой программы, так и помимо нее, так и не стали. Педагоги, систематически применяющие на занятиях компьютер, обычно тяготеют к использованию собственных презентаций, которые обладают
слабой интерактивностью и не всегда высоким уровнем наглядности. При этом сочетанию авторских презентаций учителя и профессионально разработанных виртуальных сред обучения мешает отсутствие удобного интегрирующего инструмента.
В данной статье обсуждается одна из причин, по которой потенциал существующих электронных образовательных изданий используется не в полной мере, -их несовершенная внутренняя структура. Известные нам обучающие среды характеризуются фрагментарностью, «одноразовостью» отображения учебного материала: каждому элементу содержания учебной дисциплины, за редким исключением, соответствует единственный виртуальный учебный объект (ВУО). Этого недостаточно, чтобы учащийся обнаружил и осознал различные стороны изучаемого понятия, явления или закона, усвоил знания и выработал умения, предусмотренные программой обучения, закрепил их в долговременной памяти. К тому же большинство учебных сред содержат, в основном, объекты типа демонстраций и тестовые задания простейших двух видов (выбор ответа и ввод числа или слова). В то же время такие носители инновационных технологий обучения как многопараметрические интерактивные модели и интерактивные задания с манипуляционно-графическим интерфейсом малочисленны либо не представлены вовсе. Наконец, наборы ВУО в обучающих средах часто не в должной мере охватывают разнообразие и учитывают особенности восприятия возможных форм представления информации и видов работы с ней.
В таких условиях технологизация обучения невозможна, поскольку только от педагога зависит, насколько удачно впишется тот или иной цифровой объект в урок, насколько понятные «мостики» будут переброшены от этапа постановки проблемы к иллюстрирующему ВУО, от него - к формулировкам определений и законов и далее
- к объектам, предназначенным для формирования знаний и отработки умений, исследования и контроля усвоения.
Заметим, что автор вовсе не сторонник уменьшения роли учителя. Речь идет лишь о создании такой среды информационной поддержки обучения, которая позволит максимально эффективно использовать возможности компьютерных технологий и создаст комфортные условия для творчества педагога, в том числе предоставит дополнительную методическую опору начинающим учителям за счет реализации в виртуальной среде устоявшихся методик опытных преподавателей.
Некоторые обучающие среды (например, [1-2]) в качестве альтернативы рассказу учителя содержат подробный связный текст, что, безусловно, полезно при самостоятельном изучении материала учащимися, но не компенсирует фрагментарность отображения учебного материала в виде виртуальных учебных объектов. Даже при подробных объяснениях единичный ВУО все же не дает «стереоскопической» картины, не предоставляет возможности разностороннего восприятия изучаемого объекта во всем его многообразии и глубине, не проясняет до конца логику введения новых понятий и развития представлений. Как правило, в электронных образовательных продуктах слабо связаны теория и практика, демонстрации и задачи, объяснения и тренинги. Образно говоря, компьютерные обучающие среды обычно похожи на идеальный газ, частицы которого не взаимодействуют, в то время как сформированная система представлений скорее похожа на кристаллическую решетку, и сложно надеяться, что первое автоматически породит второе.
Более результативным является подход, при котором для изучения некоторого элемента содержания учебной дисциплины используется цепочка связанных ВУО, то есть каждый следующий объект серии представляет собой развитие, углубление предыдущего - как с точки зрения содержания, так с точки зрения форм представления информации и видов работы с ней. Применим для обозначения такой цепочки ВУО наименование «мультиплет», использующееся в спектроскопии.
При традиционном обучении мультиплетом можно назвать, например, серию, состоящую из: 1) демонстрационного эксперимента, выявляющего некоторую закономерность; 2) словесной формулировки этой закономерности; 3) обсуждения при-
меров ее проявления в задачах; 4) выполнения лабораторной работы с последующим ответом на контрольные вопросы; 5) самостоятельного решения задач учащимися. Полезность такого комплекса, охватывающего различные фазы обучения и предполагающего различные формы учебной деятельности, не вызывает сомнений. Мульти-плетом можно назвать и подборку задач для домашнего решения учащимся, если только эти задачи относятся к единому объекту изучения, а не охватывают бессистемно и поверхностно содержание значительной по объему темы.
В известных компьютерных обучающих средах в качестве примеров мульти-плетов (относительно простых) можно привести интерактивные плакаты в комплексе интерактивных наглядных пособий [3] и интерактивные тренажеры [4] из состава образовательного комплекса [5], разработанного при участии автора. Более сложные мультиплеты в виде серии модельных экспериментов с элементами исследования [6] реализованы в компьютерной обучающей среде [7].
Формирование мультиплетов возможно лишь в рамках обучающей среды достаточно значительной по объему (количеству цифровых объектов) и развитой в плане разнообразия форм организации учебного материала и типов виртуальных учебных объектов (видео, анимации, интерактивные модели и конструкторы, интерактивные задачи, репетиторы, тренажеры, тесты) [8]. Перейдем к описанию такой среды.
Состав потенциально технологизирующей среды обучения
Среда, способная обеспечить технологизацию обучения и его эффективность, должна быть полнофункциональной, то есть обеспечивать поддержку широкого спектра форм организации учебных занятий и видов учебной деятельности. Постепенно в педагогических кругах складывается понимание того, что такая среда обязательно должна содержать динамические и по большей части интерактивные объекты, а значит основываться на технологиях математического и компьютерного моделирования. Разнообразие виртуальных учебных объектов в этом случае существенно возрастает по сравнению с традиционными мультимедиа-средами.
Под моделированием в широком смысле понимают способ отображения и познания действительности, состоящий в замещении исследуемого феномена его моделью. Эта последняя - вспомогательный реальный объект или абстракция, обладающая существенными чертами исходного объекта или явления, используемая для изучения этого объекта или явления и обладающая прогностическими свойствами.
Интерактивной компьютерной моделью (ИКМ) назовем программную систему, которая способна интерпретировать действия пользователя и адекватно реагировать на них, в том числе обеспечивать управление изучаемыми процессами. Такие системы в большинстве случаев отображают внешний вид и поведение моделируемого объекта, взаимосвязи его характеристик, а также визуализируют скрытые в реальности процессы и даже реально не существующие или не имеющие внешнего вида объекты (понятия). Основное отличие ИКМ от виртуальных учебных объектов других классов состоит в том, что в ее основе лежит математическая модель, в известных границах адекватно и полно описывающая изучаемый феномен.
Исходя из формальных признаков, связанных с особенностями внутренней структуры, интерфейса и дидактического назначения ИКМ, выделим в отдельные подклассы модели, предназначенные для демонстраций, исследования и конструирования. Добавление к ИКМ экспертной системы, диагностирующей и направляющей действия учащегося, позволяет строить интерактивные задания.
Демонстрация обычно строится на основе модели, имеющей небольшое число доступных пользователю степеней свободы и позволяющей наглядно иллюстрировать явление или поведение объекта в целенаправленно создаваемых условиях. Подчеркнем, что лаконичность системы управления связана не с особенностями ядра
модели, а с методическим аспектом: внимание учащегося должно быть сосредоточено на основных проявлениях изучаемого феномена, не рассеиваясь на чрезмерном богатстве возможностей управления.
Исследовательская модель (модельный лабораторный стенд) предоставляет пользователю значительное число «рычагов управления» и обеспечивает исследование и анализ различных сторон моделируемого явления, особенностей поведения объекта при свободном выборе последовательности воздействий и их интенсивности. С точки зрения структуры этот виртуальный учебный объект обладает развитой системой управления и системой визуализации «с запасом» изобразительных средств (либо моделирующая среда позволяет их пополнять в ходе работы).
Модельный конструктор основан на наборе элементов, позволяющих пользователю собрать на экране и таким образом спроектировать новую систему, чтобы затем исследовать ее. Математическое ядро в этом случае имеет самую сложную, иерархическую организацию. Системы управления и визуализации развитые, притом они, как правило, могут быть модифицированы пользователем за счет инструментария среды моделирования. В плане гибкости, адаптивности к запросам пользователя модельные конструкторы - высшая форма модельных объектов.
Интерактивные задания не только описывают некоторую сущность в пределах предметной области, но и обеспечивают возможность достижения пользователем поставленной цели путем перемещения объектов, манипуляций с инструментами, графических построений, а не просто путем выбора ответа или ввода числа (слова). Благодаря наличию в своей структуре экспертной системы они способны диагностировать действия пользователя и при необходимости генерировать контекстно-связанные реакции (неявные подсказки). Среди интерактивных заданий выделим три подкласса: задачи, репетиторы и тренажеры.
Интерактивная задача - программная система, предполагающая совершение при выполнении задания выверенной последовательности активных действий, которые обеспечиваются развитым манипуляционно-графическим интерфейсом.
Интерактивный репетитор понимается здесь как многовариантное или многошаговое задание, нацеленное на формирование у школьника определенных знаний, на отработку умений и навыков в выполнении некоторых стандартных процедур, например, связанных с выполнением измерений или решением задач.
Интерактивным тренажером назовем составной ресурс, содержащий комплекс задач или репетиторов, обладающих содержательной преемственностью.
Экспертная система интерактивных заданий осуществляет пооперационный контроль правильности действий ученика, генерируя контекстные реакции на ошибки, что обеспечивает формирование индивидуальной траектории обучения. Если система подсказок полна и методически продуманна, она гарантированно дает реальный обучающий эффект: учащиеся заканчивают занятие с различным, но ненулевым уровнем освоения учебного материала, со сформированными в определенной мере знаниями, умениями и навыками. При этом для учителя существенно снижаются объемы рутинной работы - многократных детальных объяснений с контролем освоения каждого элемента.
С позиций использования электронных образовательных продуктов как средства усиления деятельностной компоненты процесса учения и его индивидуализации, основным типом виртуальных учебных объектов являются интерактивные задачи, репетиторы и тренажеры, назначение которых - формирование знаний, умений и навыков. Компьютерная система регламентирует на этапе тренажа необходимые шаги (дает ориентировочную основу действий), позволяет последовательно рассмотреть ключевые ситуации, пройдя их с постепенным повышением сложности заданий, оценивает правильность действий в измененных и нестандартных ситуациях, обеспечивает при необходимости возможность возврата к типовым ситуациям, осуществляет детальный контроль и проводит статистическую обработку результатов.
Тренажерно-контролирующую часть в учебной среде должен предварять иллюстративно-демонстрационный ряд (видео, анимации, интерактивные модели, а также максимально структурированный и лаконичный статический ряд, например, в виде опорного конспекта). Интерактивный визуальный ряд не только обеспечивает новое качество наглядности, но и позволяет контролировать уровень осмысления и усвоения предъявляемых материалов, адекватность этих процессов. Для этого изложение теории должно быть насыщено несложными, но контекстно привязанными заданиями, требующими от учащихся непрерывного и активного восприятия, анализа и обобщения учебной информации. Ошибки в ответах являются поводом к повторному прохождению материала, его дополнительному осмыслению.
Интерактивные модели не демонстрационного, а исследовательского характера (модельные лабораторные стенды) и модельные конструкторы не просто продолжают иллюстративно-демонстрационный ряд. Они более интенсивно способствуют развитию мышления, самостоятельности, навыков исследования. При работе с моделями - как дополнению к традиционному лабораторному практикуму - учащиеся осуществляют в режиме диалога такие формы деятельности как наблюдение, сопоставление, обобщение, выбор, анализ результатов, поиск условий для реализации поставленной задачи, конструирование ситуаций и систем. Это особенно полезно и важно для самостоятельных, инициативных учащихся, которым работа с тренажерами представляется полезной, но рутинной. В то же время для слабых, неподготовленных учащихся работа с моделями обычно малопонятна и сложна, поэтому при проведении модельного практикума необходимы значительные усилия учителя по организации эффективной работы учащихся, желательно в аудиторном варианте.
Учебная среда должна также содержать блоки текущего и рубежного контроля, включающие как простые задания традиционных форм закрытого и открытого типа, так и более сложные задания - с множественными ответами, на установление соответствия и далее вплоть до высокоинтерактивных заданий, предполагающих построение графиков, картин векторов и компоновку систем объектов.
Такого рода среда компьютерной поддержки предметного обучения реализована в электронном образовательном продукте «Интер@ктивная физика» [7], разработанном Институтом инновационных технологий (г. Пермь).
Классификация мультиплетов и их примеры
Из сказанного во введении ясно, что мультиплеты могут быть весьма разнообразны. Их классификация возможна по целому ряду оснований:
1) по типам входящих в их состав виртуальных учебных объектов (ВУО);
2) роду внутренней организации, структуре;
3) дидактическому и методическому назначению;
4) широте охвата учебного материала.
Обсудим каждое из этих оснований более подробно.
1. В плане типологии ВУО, составляющих мультиплет, можно говорить:
• об однородных мультиплетах (например: серия анимаций или серия демонстрационных моделей; цикл задач по некоторому аспекту, отдельному вопросу темы);
• о комбинированных мультиплетах, в которые входят ВУО разных типов (например, серия содержательно связанных видеодемонстраций, анимаций, интерактивных моделей, интерактивных заданий и, возможно, контрольного теста).
Однородный мультиплет обеспечивает динамику в освоении вновь вводимых понятий и формируемых представлений, изучаемых законов или методов решения задач; при этом задачи даже из разных тем, если при их решении используется общий
прием, представляют собой единый объект изучения. Под «динамикой освоения» имеется в виду, что при движении учащегося от одного компонента мультиплета к другому происходит углубление понимания изучаемой сущности, раскрытие различных ее сторон, особенностей проявления в различных условиях.
Например, понятие средней скорости при неравномерном движении тела вводится в среде [7] с помощью мультиплета, представляющего собой серию из четырех связанных демонстраций. В первой дается определение средней скорости (представлено анимированное движение лягушки с паузами различной продолжительности между скачками) с использованием всего изображенного на экране участка пути. Во второй и третьей демонстрациях (рис. 1) та же характеристика определяется на двух разных участках пути, так что ясно видны отличия ее значений. В четвертой средняя скорость определяется динамически на участке пути, пройденном от начала движения до текущего положения; при этом переменное значение характеристики отображается не только числом, но и столбчатой диаграммой (во время пауз между скачками высота столбика уменьшается). Таким образом, в рамках мультиплета не только дается формальное определение характеристики, но и обнаруживается ее изменчивость, выясняются характер и причины этой изменчивости.
Рис. 1. Введение на основе однородного мультиплета нового понятия
Понятия периода и частоты гармонических колебаний вводятся в среде [7] с помощью мультиплета, представляющего собой серию из шести связанных демонстраций. В первой учащимся предоставляется возможность пронаблюдать несколько вариантов колебаний пружинного маятника и «на глаз» сформулировать отличия (быстрые и медленные движения). Во второй единственный вариант движения рассматривается на фоне работающего секундомера, формулируется определение периода. В третьей вновь рассматриваются медленные и быстрые движения пружинного маятника, для каждого варианта движения фиксируется значение периода; таким образом, устанавливается соответствие между качествами (особенностями) движения и его количественной характеристикой. В четвертой демонстрации период колебаний выступает в качестве определяемой в эксперименте величины, когда для достижения хорошей точности измеряется продолжительность нескольких колебаний. В пятой демонстрации формулируется определение частоты колебаний, а в шестой объясняется, каким образом она может быть измерена в эксперименте с хорошей точностью.
Разумеется, вся эта информация может быть представлена в рамках одной модели, однако для наилучшего усвоения учащимися важно «квантовать» информацию,
давать ее небольшими порциями, четко отслеживая взаимосвязи этих порций (с фиксацией учащимися информации и взаимосвязей ее «квантов» в конспекте). В этом случае уже можно говорить об элементах технологизации обучения - будь то аудиторное занятие (простота использования сценария обучения педагогом) или самостоятельное изучение (повторение) материала школьником дома.
На рисунке 2 представлена цепочка из пяти демонстраций, поясняющих аналогичность равномерного движения по окружности и гармонических колебаний.
В первой (рис. 2.1) обращается внимание на возможную при некоторых условиях синхронность движения тела по окружности и колебаний пружинного маятника.
Рис. 2.1. Формирование в рамках мультиплета представлений об аналогии движений: первый шаг - совпадение временной развертки движения по вертикали
Во второй (рис. 2.2) акцент делается на периодичности обоих движений; даются определения периода для каждого движения и единое определение для частоты. Выясняется, что условие синхронности движений состоит в совпадении периодов.
Кинематика колебаний Период и частота при вращении и колебаниях
Период вращения Г - время, Период колебаний Т - время,
за которое тело совершает за которое тело совершает
один полный оборот. одно полное колебание.
Частота V - величина, обратная периоду Т.
© 053 И®
> 1 ^ х
\ \ 1 * 1 ■! 1
/ 0 / 0 Д т /т т 1 4 \ 2 / 4
Рис. 2.2. Формирование в рамках мультиплета представлений об аналогии движений: второй шаг - аналогичность понятий периодов вращения и колебаний
В третьей демонстрации (рис. 2.3) прослеживается аналогичность радиуса круговой траектории и амплитуды колебаний, а также проекции вращающегося тела на ось и смещения маятника от положения равновесия при колебаниях.
Рис. 2.3. Формирование в рамках мультиплета представлений об аналогии движений: третий шаг - аналогичность максимальных и мгновенных
В четвертой (рис. 2.4) показана аналогичность углового перемещения и фазы колебаний в каждый момент времени, а также то, что обе характеристики изменяются на одинаковую величину за один оборот / один период колебаний.
Рис. 2.4. Формирование в рамках мультиплета представлений об аналогии движений: четвертый шаг - аналогичность углового перемещения и фазы колебаний
Заключительная демонстрация серии посвящена аналогичности угловой скорости вращения и циклической частоты колебаний, начиная с определяющих формул и заканчивая параллельным выводом формул их записи через периоды и частоты.
Рис. 2.5. Формирование в рамках мультиплета представлений об аналогии движений: пятый шаг - аналогичность угловой скорости и циклической частоты
колебаний
Поскольку каждый фрагмент серии насыщен значительным объемом информации, для вывода ее на экран «порциями» на нижней ограничивающей полосе предусмотрены специальные кнопки навигации.
Мультиплет может представлять собой серию не демонстрационных, а весьма сложных моделей, предназначенных для исследования некоторого физического эффекта; в этом случае можно говорить о компьютерных лабораторных работах. Например, в рамках вузовского курса физики автор использовал в таком качестве цикл моделей, связанных со сложно усваиваемым студентами понятием дипольного момента, важного для понимания физики диэлектриков и магнетиков (рис. 3).
Магнитное поле Кольцевой ток во внешнем магнитном поле
магнитная индукция £ —ацня 0,6 рад-
Д
Рис. 3. Мультиплет лабораторных работ, связанных с понятием дипольного момента
Цикл моделей, четыре из которых представлены на скриншотах, позволяет изучить поведение электрического диполя в однородном и неоднородном электрических полях, колебания магнитной стрелки и контура с током в магнитном поле, а также установить закономерности установления равновесного положения для подвешенной за край рамки с током в комбинации гравитационного и магнитного полей.
Использование такого мультиплета исследовательских моделей в лабораторном практикуме наравне с традиционными лабораторными работами позволило достичь практически стопроцентного усвоения понятия дипольного момента студентами 1-го курса в том, что касается смысла понятия, процедур определения направления вектора дипольного момента, поведения диполя в однородном и неоднородном внешнем поле, понятий устойчивого и неустойчивого равновесия диполя во внешнем поле, характера зависимости частоты колебаний от значений параметров системы (внешнего поля, момента инерции диполя, величины дипольного момента).
Наконец, естественным однородным мультиплетом является интерактивный тренажер, если понимать его в соответствии с изложенным выше - как серию заданий, рассматривающих некоторую предметную сущность в различных условиях и ситуациях, с тенденцией к росту уровня сложности заданий. На рисунке 4 приводятся экраны нескольких заданий из состава тренажера, в котором с помощью «мыши» строится картина векторов действующих на тело сил и отрезки их плеч.
Рис. 4. Задания из состава тренажера по теме «Плечо силы. Баланс моментов
сил»
В первых заданиях отрабатывается построение отрезка плеча единственной силы в различных ситуациях. Затем построение совместно отрезков плеч и векторов пары сил, которые обеспечивают равновесие тела (стержня) относительно единственной заданной точки. С ростом номера задания увеличивается количество действующих в системе сил и количество точек, относительно которых рассматривается равновесие. Все векторы и отрезки имеют изменяемые длины и направления. Тренажер «Условие равновесия твердого тела», который в среде [7] следует за данным, содержит задания пошагового аналитического решения тех же задач (см. п. 4).
Переходя к обсуждению комбинированных мультиплетов, сразу отметим, что существует ряд причин, по которым они представляются предпочтительными.
На рисунке 5 представлены некоторые элементы мультиплета по теме «Явление электромагнитной индукции» - видеозапись демонстрационного эксперимента, интерактивная модель и отдельные шаги из состава репетитора «Опыты Фарадея.
Рис. 5. Иллюстрация и исследование на основе неоднородного мультиплета нового явления с отработкой умений по его объяснению и анализу
Мультиплеты такого типа обладают следующими преимуществами. Интерактивная модель типа демонстрации или модельного лабораторного стенда, прежде всего, должна зарекомендовать себя как адекватное средство отображения предметного содержания. Поэтому желательно, чтобы первым звеном цепочки объектов была видеозапись реального физического эксперимента. Тогда модель как второе звено
цепочки должна - в одном из режимов ее работы - не обязательно продублировать видео, но, во всяком случае, выявить аналогичное поведение системы в аналогичных условиях (желательно с дополнительными элементами визуализации и инструментами для анализа представленного материала). С другой стороны, как правило, модель не представляет особой ценности, если мультиплет не поддерживает этап проверки осознания и усвоения учащимся демонстрируемого эффекта или выявленной в исследовании на модели закономерности. Поэтому важными элементами мультиплета являются задания, предпочтительно с манипуляционно-графическим интерфейсом. Таким образом, желательно, чтобы мультиплет охватывал возможно большее число жанров, позволял рассмотреть явление всесторонне и поддерживал различные формы деятельности учащихся, усиливая за счет этого обучающий эффект.
С технической точки зрения говорить о серии демонстраций как о мультиплете можно, если существует простой и удобный способ переходов между компонентами серии. Возможны два варианта организации таких переходов: использование внутренней по отношению к серии ВУО системы навигации посредством специальных кнопок (на рис. 1 и 2 они расположены на нижней ограничивающей полосе окна) или внешнего инструмента организации навигации как одного из сервисов, предоставляемого виртуальной средой обучения. Например, интерфейс среды [7] предусматривает возможность сборки серии ВУО в «книгу» (подборку объектов для проведения урока или выполнения домашнего задания) путем простого перетаскивания скриншотов объектов в каталоге среды в специальное окно. На рисунке 6 изображен интерфейс книги по теме «Взаимодействие зарядов. Закон Кулона». С помощью «мыши» пользователь может листать страницы книги или позиционироваться на нужном ВУО непосредственно в предназначенной для ускоренной навигации нижней строке уменьшенных скриншотов. Выбранный объект отображается полноразмерным скриншотом, его расчет запускается одним движением «мыши».
Рис. 6. Интерфейс мультиплета, организованного с помощью инструментария
среды
Заметим, что пользователь (педагог или учащийся) не обязан использовать все компоненты готового мультиплета; внутренние средства навигации обеспечивают свободное перемещение между его компонентами.
Неоднородный мультиплет может быть получен путем добавления к однородному мультиплету дополнительных ВУО иного типа. Например, серия демонстраций для введения понятия средней скорости (рис. 1) естественно дополняется интерактивными заданиями для отработки вычисления этой характеристики. На рисунке 7 приведены изображения многоуровневых заданий на вычисление средней скорости для случаев, когда дана зависимость от времени для координаты тела или для его мгновенной скорости.
Рис. Т. Многоуровневые задания на построение графика с заданными свойствами и на вычисление характеристики по графику
При дополнении тренажера «Плечо силы. Баланс моментов сил» (рис. 4) интерактивными моделями, иллюстрирующими понятия момента и плеча силы, также образуется неоднородный мультиплет.
Пример неоднородного мультиплета другого рода: использование совместно с лабораторными работами реального физического практикума интерактивных репетиторов, направленных на отработку навыков использования измерительных приборов, сборки электрических цепей или оптических схем, построения и обработки графиков.
На рисунке 8 приведены экраны тренажеров многопредельного стрелочного вольтметра (генерирует предел измерения и угол отклонения стрелки) и электронного осциллографа (генерирует кривую, отображающую гармонические или затухающие колебания, и положение ручек, определяющих цену деления сетки; при этом, как на реальном осциллографе, пользователь может регулировать масштаб изображения и положение кривой на экране с помощью органов управления прибора).
Рис. 8. Интерактивные репетиторы для отработки навыков измерительных
процедур
Эти тренажеры использовались в комплексе с традиционными лабораторными работами в вузовском курсе физики на предварительном этапе. После того, как в результате компьютерного тренинга процедура измерения на реальных приборах перестают представлять проблему, отвлекающую на себя основное внимание и силы студентов, они могут сосредоточиться на содержательной стороне работы. Например, на исследовании зависимости параметров затухающих колебаний от емкости конденсатора, индуктивности соленоида и активного сопротивления колебательного контура. Важно, что в итоге у студентов чаще возникает критичное отношение к полученным
результатам. Так, если характер получаемой на реальных приборах зависимости или порядок значений измеряемой величины оказывается неверным, студенты начинают искать причину этого, а не следуют лишь формальному порядку выполнения работы.
Весьма желательным компонентом мультиплета является озвученный видеоролик, демонстрирующий и объясняющий дидактические возможности входящих в мультиплет ВУО и технические приемы работы с ними. Такой ролик полезен как для учителя на этапе знакомства с новым ресурсом, так и для ученика, изучающего материал самостоятельно (желательно, чтобы каждый ВУО содержал также собственные методические рекомендации по использованию). Изготовить ролик можно с помощью программ видеозахвата изображения, например, Camtasia Studio.
2. Второе названное выше основание классификации мультиплетов - по роду их внутренней организации, собственной структуре. Выделим:
• неявный (латентный) мультиплет;
• мультиплет с линейной структурой;
• мультиплет иерархически организованный;
• мультиплет с ветвящейся структурой.
Неявный мультиплет может быть реализован в рамках одного модельного проекта, если разные наборы значений управляющих параметров приводят к существенно (то есть на качественном уровне) различным исходам, позволяющим сопоставить или проклассифицировать эти исходы, либо получить важный предельный случай, в условиях которого можно ввести новое понятие или выявить новое свойство системы. Этот тип ВУО особенно остро нуждается в инструктивном видеоролике, поскольку исчерпывающе и доходчиво описать необходимые действия словами (и понять эти слова) может быть весьма непросто.
Примером неявного мультиплета с множественными исходами может служить модель «Изображение линейного источника в тонкой линзе» (рис. 9.1), в которой варьируемыми параметрами являются положение источника, фокусное расстояние линзы и ее тип (собирающая или рассеивающая).
С
Геометрическая оптика Изображение линейного источника в тонкой линзе
J
■ - - -..
■
2F F - - - \ 21
,
,
X '
\
\ \
Рис. 9.1. Модель с множеством обусловленных исходов
В зависимости от соотношения и комбинаций этих параметров изображение может быть действительным или мнимым, прямым или обратным, увеличенным или уменьшенным. Обнаруженные закономерности могут быть проверены и систематизированы при работе с интерактивными заданиями; примеры даны на рис. 9.2.
м Свойства и „ 1 1 зображений в тонких линзах. Задание 7
Заполните таблицу свойств изображении в собирающих и рассеивающих гитах при
| различных расстояния » от предмета (источиика света) до пин эы 1
ТИПЛИИШ Се*И(»ЮЩ| - II - р*м Ш1 ..
(1 ■< р КЧ<2Г | (1 ? ар II >1 < г ка<гг | й>гг
1 ГрГо.
1=
варианты оме™
ЕЕ т~^ | пря I I =□
Г, 1 готе» / -
Рис. 9.2. Задания для объяснения и систематизации условий и качеств исходов
Модель «Вектор скорости при движении по окружности» (рис. 9.3) позволяет ввести понятие вектора мгновенной скорости при криволинейном движении (и показать, что он направлен по касательной к траектории) как предельного случая вектора средней скорости (направленного по хорде). Этот результат достигается путем рассмотрения серии экспериментов при последовательном уменьшении интервала наблюдения, начало и конец которого задаются ползунками (коричневый и зеленый треугольники). С уменьшением интервала наблюдения вектор скорости отсекает от круга все меньший сегмент и в пределе оказывается направленным по касательной.
Рис. 9.3. Модель для графической иллюстрации предельного перехода
Еще один вариант неявного мультиплета - реализованные в рамках одного программного модуля многовариантные и многоуровневые задачи, напоминающие игры с ограниченным числом «жизней» и переходами на более высокий уровень после выполнения определенных условий. Такие объекты уже упоминались выше (рис. 7), уровень сложности в них определяется количеством участков с различными скоростями движения; максимальный уровень сложности и допустимое число ошибок регулируются.
На рисунке 10 представлены того же рода задания из состава тренажера «Равновесие твердого тела». Они предполагают достижение равновесия коромысла со случайным образом развешенными грузами путем добавления одного или нескольких грузов, либо изменения точки подвеса, либо воздействия внешней силы (упругости пружины динамометра), имеющей различные модуль и направление. Уровень сложности в этих заданиях определяется числом изначально подвешенных грузов.
Рис. 10. Многоуровневые задания в составе тренажера «Равновесие твердого
тела»
Тренажер «Равновесие твердого тела», являющийся однородным мультипле-том, превращается в неоднородный мультиплет при добавлении к нему видеозаписи классической школьной демонстрации о равновесии коромысла с грузами и интерактивной модели, позволяющей ученику «почти вживую» убедиться, что большая масса может быть уравновешена малой при правильном выборе точки подвеса.
Большинство мультиплетов, как уже было сказано в п. 1, представляют собой серию проектов, объединенных либо в гиперпроект на программном уровне (рис. 2), либо в цепочку проектов, организованную на пользовательском уровне средствами среды обучения (рис. 6). Такого рода мультиплет может иметь линейную структуру (цепочка со свободным или обусловленным переходом к следующему элементу), либо иерархически организованную структуру. Иерархия возникает, например, если один из элементов мультиплета сам является мультиплетом более простой структуры (скажем, тренажером). Наиболее сложными являются мультиплеты с ветвящейся структурой, в которых в зависимости от результатов работы учащегося переход происходит к различным ВУО. В пределе мультиплет может представлять собой целый обучающий сценарий, охватывающий урок, часть темы, целую тему или даже целый учебный курс. С другой стороны, содержательно глубокий и многоплановый ВУО (обычно это модель) может входить в несколько различных мультиплетов.
3. Следующее классификационное основание для мультиплетов - их назначение. Мультиплет может быть ориентирован:
• на изложение процесса формирования научных представлений (например, о строении атома: модель Томсона, опыт Резерфорда, планетарная модель атома и ее противоречия, модель Бора, включая объяснение спектральных закономерностей, квантовая модель, включая объяснение смысла квантовых чисел и правил отбора при межуровневых переходах);
• введение нового понятия (на модели, анимации или видеозаписи) с экспертизой (в форме мягкого контроля с подсказками) понимания и усвоения материала (например, с какими телами сложной физической системы, пред-
ставленной в демонстрации, связаны инерциальные или неинерциальные системы отсчета на различных этапах движения);
• введение сложного понятия с выделением основных уровней усвоения, с увеличением степени полноты визуализации содержания или с представлением этапов решения задач (см. рис. 11, 12 и комментарий ниже);
• введение системы понятий как основы классификации, систематизации, с проведением обобщения или изложением системы приемов для решения класса задач (см. рис. 9.1, 9.2 и рис. 13 с комментарием к нему ниже);
• демонстрацию различных сторон явления и особенностей действия соответствующего закона или объяснение способа решения класса задач (например, конструктор ситуаций по относительности движения и решение задач на классический закон сложения скоростей);
• демонстрацию нового эффекта с последующим его исследованием на модели и с решением соответствующих задач (например: видеозапись эксперимента, демонстрирующего явление внешнего фотоэффекта; модель внешнего фотоэффекта с возможностью управления интенсивностью и спектральным составом падающего излучения, с отображением вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента; цикл заданий на изменение этой кривой при изменении параметров излучения; модель, иллюстрирующая уравнение Эйнштейна фотоэффекта, и цикл заданий на применение этого уравнения);
• самостоятельное решение цикла задач с целью освоения некоторого приема или метода, проведения тренинга по отработке выполнения процедур измерения или решения задач.
В качестве примера мультиплета, предназначенного для введения сложного понятия с выделением уровней усвоения и усложнением визуализации, рассмотрим еще одну серию демонстраций и заданий из темы «Статика». С понятием момента силы учащиеся встречаются впервые в курсе физики 7-го класса, однако даже студенты не всегда усваивают его в полной мере. В компьютерной среде [7] смысл этого понятия сначала поясняется простой анимацией: конец длинного стержня (балки) можно приподнять ценой большего или меньшего усилия, в зависимости от того, к какой точке оно приложено. При этом ясно видно, что отрыв балки от опоры всегда происходит при одном и том же значении произведения силы на расстояние от точки ее приложения до точки опоры. Далее, более детально эту систему позволяет изучить модель (рис. 11), которая предоставляет пользователю большую свободу действий (произвольный выбор точек приложения силы, многократный подъем-спуск балки на опору) и дает более подробную визуализацию (отображаются векторы сил и отрезки их плеч, акцентируется внимание на равенстве нулю суммы всех вертикальных составляющих сил как условии «поступательного» равновесия). При этом, однако, плечо силы воспринимается упрощенно, для частного случая (как отрезок от оси вращения до точки приложения силы), поэтому нужна дополнительная модель, позволяющая в более общей ситуации произвольно изменять не только точку приложения, но и направление силы, а также пространственную ориентацию тела (рис. 11).
Рис. 11. Интерактивные модели для введения понятия момента силы и плеча
силы
Однако равенства нулю суммы всех действующих на тело сил недостаточно для равновесия, если тело неточечное. Поэтому на следующем уровне следует рассмотреть условие баланса (компенсации) моментов сил - как посредством специальных моделей (здесь не приводятся), так и интерактивных заданий, например, обсуждавшихся выше в связи с рисунками 4 и 10. И, наконец, следует довести описание условия «вращательного» равновесия до аналитических выкладок и добиться их понимания в практически важных ситуациях. Одна из таких ситуаций - распределение веса протяженного тела между двумя опорами - рассматривается на рисунке 12.
ЯІ Условие равновесия. Задание 5, шаг 1
Горизонтальная балка лежит на двух опорах так, как показано на рисунке. Итобразите векторы действующи», на балку сил и отрезки плеч этих сил
Шаблоны
СИПЫ реакции
г опары м,
т.;
' Готово Т
Условие равновесия. Задание 5, шагЗ
& Условие равновесия. Задание 5Г шаг 4
Стержень длиной і удерживается в горизонтальном положении двумя
-
' На рисунке изображены действующие на стержень силы.
с: -1 мг
—ъ и Залишите условие равновесия си-
і □
№ оме нт. вращающий тело против часовой стрелки, считать положительным, го часовой стрелке - от-
1тЯ
рицательным.
0 ■ ■ Мі] | І. - тд 5 1
і 3 І 8 2 а а г 4 1 И, *
—
г га,™ ".
Рис. 12. Применение понятий момента силы и плеча силы для объяснения равновесия твердого тела и расчета прикладных задач Здесь видеозапись эксперимента, как и на рис.5, призвана подтвердить достоверность обсуждаемого эффекта, интерактивная модель позволяет разобраться с его проявлениями в режиме индивидуального исследования, а серия интерактивных заданий (построение векторной картины сил, запись формул для плеч сил, моментов сил и собственно условия равновесия на основе конструктора формул, причем относительно разных точек) направлены на выработку умений практических расчетов.
Мультиплет, предназначенный для введения системы понятий, может быть основан на модели или видеоролике с включением заданий, требующих анализа представленной ситуации с целью выделения классов или систематизации (рис. 13).
виды механического движения
Какие тела в показанном сюжете движутся вращательно в системе отсчета, связанной с кузовом самосвала?
О Стол
О Колеса самосвала ■
О Корпус вентилятора §
б Лопасти вентилятора
о Таких тел среди перечисленных нет
Вый*риП» алт МИ нАСтЭЛмгО ЯрииЛска/х впИНЯМ и ніхиипН Кнопку "ГйПКИС
П О
Рис. 13. Видеофрагмент как основа классификации (виды механического движения) и серия заданий на выделение классов в разных условиях (разных системах отсчета)
4. Наконец, мультиплеты можно классифицировать по охвату содержания учебного материала. Мультиплет может быть содержательно локальным или относительно глобальным, позволяя обсудить:
• одно понятие или один тип задач с углублением представлений, повышением сложности или без них (например, движение тела вверх и вниз по наклонной плоскости без усложняющих факторов, при воздействии внешней силы, при наличии силы трения, равномерное или с ускорением);
• ряд понятий, создавая основу для классификации (рис. 9, 13);
• последовательность классов задач, основанных на использовании общего закона, но проявляющегося с особенностями (например, принцип суперпозиции для описания полей систем точечных зарядов, сфер, плоскостей);
• многошаговые задачи, позволяющие демонстрировать и отрабатывать алгоритмы их решения (рис. 1 2);
• ряд смежных тем или целый раздел на основе единого, но многопланового объекта и серий заданий, соответствующих материалу разных тем.
Таким образом, в отличие от единичных ВУО мультиплеты позволяют:
1) поддерживать не какой-либо один вид деятельности учащихся, а комплекс;
2) осуществлять обратную связь (слушает ли ученик? понимает? усваивает?);
3) достигать развития, углубления представлений, обеспечивать динамику в освоении вводимых понятий, изучаемых законов или методов решения задач;
4) выполнять классификационные построения и применять их к анализу серий разноплановых ситуаций;
5) проводить исследования на модели с организацией обратной связи для контроля правильности полученного результата и адекватности его интерпретации;
6) организовывать тренинги умений и навыков в проведении анализа, выполнении процедур, применении приемов и методов решения задач;
7) строить обучающие сценарии;
8) создавать эффект игры, обеспечивать дополнительную мотивацию;
9) предоставлять начинающим учителям методическую опору за счет использования в виртуальной среде устоявшихся методик опытных преподавателей.
Анализ результатов внедрения
Компьютерная обучающая среда «Интер@ктивная физика» [7], разработанная Институтом инновационных технологий при участии автора, содержит все описанные выше классы мультиплетов ВУО. В настоящее время проводится опытная эксплуатация системы в ряде средних школ Пермского края, педагогическом и техническом университетах.
Полученные к настоящему времени данные позволяют уверенно говорить о возможности повышения качества обучения при системном применении предлагаемого подхода. Использование для одного элемента содержания учебной дисциплины не отдельного виртуального учебного объекта, а их серии, особенно сочетание объектов различных жанров, дает заметный синергетический эффект, способствует лучшему пониманию и более глубокому усвоению материала учащимися.
Наблюдались отчетливые положительные результаты применения мультипле-тов, включающих интерактивные тренажеры. Отрабатывавшиеся операции, приемы решения, типы задач, входившие в состав использованных тренажеров, в целом оказываются освоенными лучше, чем те, что объяснялись только на доске. Это видно из того, насколько успешно учащиеся справлялись с задачами для самостоятельного домашнего решения, задачами контрольных работ и тестами. Отчасти результат объясняется большим временем, затраченным на освоение этих операций, приемов и типов задач, но в значительной степени - персональными направляющими реакциями экспертных систем, контекстно-разъясняющим характером подсказок, устраняющих непонимание материала на индивидуальном уровне. Есть основания полагать также, что компьютерные тренинги способствуют более надежному и долговременному усвоению материала, более осмысленному выполнению операций.
Отмечена эффективность мультиплетов, включающих интерактивные модели и тренажеры, в качестве предварительного этапа к выполнению лабораторных работ студентами дневного отделения. На заочном и дистанционном отделениях использование студентами полученных по сети интерактивных моделей и тренажеров позволяет значительно экономить время аудиторных занятий (лабораторные работы выполняются в режиме «погружений» дважды в семестр) при очевидном росте понимания смысла выполняемых операций. Таким образом, «виртуальные» работы - не замена реального практикума, а средство улучшения восприятия, повышения подготовленности студентов к традиционным лабораторным работам.
Показано, что используемая среда обучения позволяет легко варьировать объем занятий, необходимый персонально для школьника или студента: каждый может усвоить материал ценой, соответствующей его способностям и исходному уровню подготовки, путем прохождения индивидуальный траектории обучения. Отметим,
что если в процессе учения обеспечено последовательное и постепенное нарастание уровня сложности, то относительно большой объем работы воспринимается легче и усваивается быстрее и надежнее, чем при выполнении немногих разрозненных заданий, содержание которых не складывается в мозгу обучаемого в систему. При этом существенно, что построение преподавателем мультиплетов, ориентированных на определенную аудиторию, представляет собой не что иное, как моделирование им учебного материала с учетом индивидуальных особенностей обучаемых, а применение моделирования (в широком смысле) в учебной деятельности способствует формированию и развитию мыслительных способностей, интеллекта учащихся [9].
В то же время приходится констатировать, что системно использовать обсуждаемую среду можно лишь при достаточном объеме аудиторных занятий, в то время как самый распространенный сегодня в школе вариант курса физики - два часа в неделю. Таким образом, «ниша» предлагаемого подхода и программного продукта -это курс физики в профильных классах и спецкурсы, связанные с технологиями компьютерного моделирования. В вузах с введением стандартов третьего поколения также произошло значительное сокращение объема аудиторной работы. В связи с этим среда [7] используется в значительной степени для организации самостоятельной работы студентов - либо в компьютерном классе, либо средствами технологий дистанционного обучения. Для школьников аналогичным образом организуется выдача и выполнение домашних заданий. Качество и самостоятельность занятий учащихся в режиме удаленного доступа должны контролироваться в аудиторные часы с помощью серий интерактивных заданий из состава той же среды.
Заключение
Сокращение объема естественнонаучной подготовки в школе и вузе - наряду с другими факторами - негативно сказывается на качестве сегодняшнего инженерного и педагогического образования. Под предлогом «разгрузки» школьников от непрофильных дисциплин (при явной тенденции формирования классов преимущественно гуманитарного и экономического профиля) идет вымывание ставок учителей-естественников. Восстановить и заполнить их при изменении ситуации квалифицированными преподавателями в сложившейся ситуации с педагогическими кадрами крайне сложно. После «двухчасового» курса физики в старших классах сдача ЕГЭ на сколько-нибудь высокий балл невозможна. То, что результаты сдачи ЕГЭ выглядят относительно неплохо, - в большой степени заслуга репетиторов (вопросы, связанные с процедурой проведения экзамена здесь, разумеется, не упоминаются).
Среда компьютерной поддержки обучения может выполнять некоторые -уже довольно многие - функции учителя или репетитора. И нужно стремиться к тому, чтобы она это делала максимально эффективно, - по крайней мере, участвовала в создании «правильно» насыщенного информационно-образовательного пространства и предоставляла определенный методический сервис учащемуся и педагогу. Этим виртуальные среды могли бы отчасти компенсировать нехватку учителей, опыта у них работы с профильными классами и возможную недоступность репетиторов.
Аналогично использование компьютерных обучающих систем в вузе могло бы отчасти нивелировать уменьшение объемов аудиторной работы при снижающемся качестве подготовки абитуриентов. Поэтому важнейшим направлением применения компьютерных сред обучения должна быть организация и поддержка самостоятельной работы школьников и студентов. Однако на нынешнем уровне развития компьютерных технологий за педагогами и родителями сохраняются функции организации занятий, консультирования учащихся и формирования у них мотивации к учению.
Литература
1. Открытая физика. Версия 2.5 [Электронный ресурс]: учеб. пособие I ООО «Физикон»; под ред. С. М. Козела. - Электрон. дан. (400Мб, 445 МБ). - М.: ООО «Физикон», 2002. - 2 электрон. опт. диск (CD-ROM). - Систем. требования: Pentium 150МГц; HDD 400 Мб; RAM 64 Мб; 800х600;Windows 2000/XP.
2. Физика, 7 кл. [Электронный ресурс]: учеб. пособие I ЗАО «1С» ; под ред. Н.К. Ханнанова. - Электрон. дан. (490Мб, 545 МБ). - М.: ЗАО «1C», ООО «1С-Паблишинг», 2006. - Электрон. опт. диск (CD-ROM). - Загл. с экрана. -Систем. требования: Pentium III 700МГц; HDD 1,4 Гб; RAM 256 Мб; 1024х768;Windows 2000/XP/Vista. - (Серия «1С: Школа»).
3. Наглядная физика. [Электронный ресурс]: учеб. пособие I ООО «Экзамен-медиа». - Электрон. дан. (500Мб, 556 МБ). - М.: ООО «Экзамен-медиа», 20012. - 15 электрон. опт. диск (CD-ROM). - Систем. требования: Pentium III 700МГц; HDD 1,4 Гб; RAM 256 Мб; 1024х768;Windows 2000/XP/Vista/7/8.
4. Баяндин Д.В., Медведева Н.Н., Ханнанов Н.К. Интерактивные компьютерные тренажеры в школьном курсе физики II Физика в школе. № 4, 2006. С. 310.
5. Физика, 10-11 кл. Подготовка к ЕГЭ [Электронный ресурс] : учеб. пособие I Федер. агентство по образованию, ГУ РЦ ЭМТО, ЗАО «1С»; под ред. Н.К. Ханнанова. - Электрон. дан. (445Мб, 500 МБ). - М.: ЗАО «1C», ООО «1С-Паблишинг», Изд-во «Просвещение», 2004. - 2 электрон. опт. диска (CD-ROM). - Загл. с экрана. - Систем. требования: Pentium III 700МГц; HDD 170 Мб; RAM 128 Мб; 800х600;Windows 98SE/Me/2000/XP. - (Серия «1С: Школа»).
6. Баяндин Д.В., Медведева Н.Н., Ханнанов Н.К. Закономерности хаоса (об использовании компьютерных модельных экспериментов) II Физика. М.: ИД «1 сентября», 2004. № 32. С. 7-15.
7. Интер@ктивная физика. Система активных обучающих сред для средней и высшей школы. [Электронный ресурс]: учеб. пособие I Д.В. Баяндин, Н.Н. Медведева, О.И. Мухин [и др.]. - ООО ИИТ. - Электрон. дан. (7,3Гб, 7,9 ГБ).
- Пермь: ООО ИИТ, 2012. - 2 электрон. опт. диск (DVD-ROM). Систем. требования: Pentium 1.8 ГГц, HDD 8 Гб; RAM 2 Гб, операционная система: Windows 2000/XP/Vista/7/8.
8. Баяндин Д.В. Виртуальная среда обучения: состав и функции II Высшее образование в России. - 2011. № 7. С. 113-118.
9. Ядровская М. В. Моделирование в реализации когнитивного обучения II Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society)» - 2012. - V.15. - № 2. - С. 602617. - ISSN 1436-4522. URL: http://ifets.ieee.org/russian/periodical/journal.html.
