CC BY
166АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ
Д. В. Баяндин
О СТРУКТУРЕ ВИРТУАЛЬНОИ СРЕДЫ ОБУЧЕНИЯ И ОБ ОДНОМ ПОДХОДЕ К КЛАССИФИКАЦИИ ПРОГРАММНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРЕДМЕТНОГО ОБУЧЕНИЯ
Обсуждается место программно-педагогических средств (ППС) в составе виртуальной среды обучения и, в целом, в системе средств компьютерной поддержки обучения. Рассматривается возможная структура ППС, прослеживается связь их структуры и жанра. Предложен подход к классификации ППС по признаку доминирующего способа информационного взаимодействия с пользователем. С этих позиций характеризуются известные образовательные программные продукты по физике.
В педагогической литературе предложены (см., например, [1, 4-6, 8-9]) различные способы классификации программно-педагогических средств, именуемых также компьютерными учебными изданиями, электронными учебными пособиями или образовательными программными продуктами. Справедливо указывается [5, 8], что научно обоснованная их классификация должна быть многоаспектной и многоуровневой, поскольку ППС могут быть систематизированы по различным основаниям, признакам и принципам. Большинство известных нам классификаций содержательны и интересны, однако не оставляют впечатления целостности. Кроме того, до настоящего времени не существует общепринятой и установившейся терминологии, поэтому целесообразно ее обсуждение с целью приведения используемых разными авторами понятий в единую систему.
Структура средств компьютерной поддержки процесса обучения
Для систематизации имеющегося многообразия программно-педагогических средств необходимо уточнить это понятие и выйти за его рамки. Следует рассматривать всю включающую в себя ППС как подмножество систему средств компьютерной поддержки обучения, как программных, так и аппаратных. На рис. 1 представлена схема, отражающая уровни соорганизации используемых для нужд обучения технологий.
Первый уровень, аморфный в плане каких-либо организационных форм, образуют технологии (вместе с реализующими их программными и аппаратными средствами), могущие быть в самом широком смысле полезными для образовательного процесса, - это и есть средства компьютерной поддержки обучения.
Второй уровень является основным с точки зрения организации образовательного процесса, - это виртуальная среда обучения. Средства компьютерной поддержки обуче-
© Д.В. Баяндин, 2005
Рис. 1. Иерархия средств компьютерной поддержки процесса обучения
Административный уровень у/
система
мониторинга
анализ.
управление
принятие решении.
Базы данных
Уровень 3, программно-педагоеи-У "^-^ескне средства/
ЗКСПЄ]
сист
тесты
прея
метные
торы.
Технологии обучения, тексты, изображения, модели и их структуры
Уровень 2, компьютерная/ среда обучения/
библиотеки
ірограмм
гипеи графика ■—
информационные^ анимациїК ^_технологии у
звик модели^^мации
организации ——1---
материалы
учителя
гипеї
текс
материалы
учащегося
система
библиотеки ^ элекшонных учебных книг
информационные системы, сайты
Информационные
компьютерные
технологии
Уровень 1. средства компьютерной поддержки обучения /
юграммировані
среды
рования
педагоги
ческие
средства
инструментальные
Информационные компьютерные технологии в образовании • Вестник ПГПУ • Вып. 1.
ния включают в себя виртуальную среду обучения как подмножество, обеспечивают ее функционирование и наполнение.
На третий организационный уровень вынесены элементы виртуальной среды обучения, необходимые для осуществления собственно процесса предметного обучения в соответствии с локальными в смысле времени и персоналий задачами, - их и будем называть программно-педагогическими средствами (ППС). Отдельные ППС, как правило, не обеспечивают единых стандартов и преемственности обучения на различных его этапах, эти функции должна выполнять виртуальная среда обучения.
ППС, наиболее активные в смысле педагогического воздействия на учащегося, обычно называют компьютерными обучающими программами (КОП). Выделять их в отдельный уровень нецелесообразно, поскольку КОП зачастую являются частями ППС в рамках одного программного продукта.
Наконец, за рамки собственно процесса обучения, на административный уровень, вынесена на рисунке система мониторинга и управления.
Иерархичность изображенной на рис. 1 структуры подчеркивает, что ППС, которыми педагоги обычно интересуются в первую очередь, не оторваны от глобального технологического континуума: они погружены в среду обучения, которая, в свою очередь, функционирует в программно-аппаратной среде.
Предлагаемое выделение уровней в системе средств компьютерной поддержки обучения проиллюстрируем двумя примерами. Редактор MS Word для большинства учебных дисциплин не играет роли ППС, но может использоваться для поддержки процесса обучения как инструмент наполнения среды обучения, то есть относится к первому уровню. Программа электронной почты обычно не выступает в качестве ППС, но входит в состав виртуальной среды обучения, будучи средством организации учебного процесса (если иметь в виду технологически продвинутый его вариант, например, в рамках системы дистанционного обучения), то есть относится ко второму уровню.
Обсудим состав уровней изображенной иерархии более подробно.
1. Уровень средств компьютерной поддержки обучения включает практически все виды существующего программного обеспечения (вместе с их материальными носителями). Соответствующая часть рис. 1 не претендует на подробное их отображение, рассматривая лишь в самом общем плане - с точки зрения полезности для создания учебной среды и использования в процессе учения, то есть представляет эту структуру заведомо укрупненными блоками.
Ядром уровня являются языки программирования. В «укрупненном» представлении это языки высокого уровня, поскольку глубже рядовой пользователь обычно не погружается. Попытки же создания собственных (авторских) образовательных программных продуктов совершались и будут совершаться как педагогами, так и учащимися.
Первое кольцо вокруг ядра составляют среды программирования, например, Delphi, Visual Basic, MS Visual C++, Visual Java, MathLab, Flash Macromedia. С этими системами, как и с языками программирования, обычно работают профессиональные программисты.
Во втором кольце разместим более доступное для пользователя программное обеспечение (ПО), разделив его по трем сопредельным секторам:
• сектор ПО1 включает пакеты прикладных программ, в том числе офисные программы, являющиеся средствами создания простейших элементов наполнения среды обучения: текстовые и графические редакторы, продуцирующие файлы текстов и изображений; программы записи, обработки и воспроизведения видео-и аудиоинформации; электронные таблицы как средство построения графиков и диаграмм; сюда же можно отнести программы, обеспечивающие сканирование и распознавание информации, представленной на традиционных носителях (бумаге, фотопленке);
• сектор ПО2 содержит средства, служащие для обработки и передачи информации внутри среды обучения и для связи с внешним миром (программы взаимодействия с периферийными устройствами и реальным оборудованием, браузеры, программы электронной почты и т. д.); электронные таблицы, предоставляющие возможность обработки данных, в этом смысле могут быть также отнесены к ПО 2;
• сектор ПО3 объединяет продукты, несущие в себе структурообразующее начало: программы поддержки Ь1ш1-технологии, создания и обработки баз данных, оболочки дистанционного обучения, образовательные платформы (1С, Формоза).
Третье кольцо первого уровня образуют инструментальные средства разработки, позволяющие решать профессиональные задачи конечному пользователю, то есть не программисту, а специалисту в некоторой предметной области. В число таких средств входят системы, предназначенные для создания образовательных продуктов самими педагогами, - так называемый педагогический инструментарий [9]. Для платформы МБ Windows это системы типа «Урок» и другие, ориентированные, по большей части, на создание гипертекста. Оболочки для создания тестов также относятся к педагогическому инструментарию. Среди более «интеллектуальных» систем одним из самых удобных и мощных инструментов является среда визуального проектирования и математического моделирования 81ха1иш-2000 (О. И. Мухин, Пермский гостехуниверситет) [2-4, 10].
За пределами изображенных колец первого уровня, возможно, расположатся по достижении ими «педагогической степени зрелости» системы искусственного интеллекта.
Для всей изображенной на рис. 1 структуры характерно, что элементы, расположенные ближе к периферии, более доступны в плане их использования. Но, в целом, технологии первого уровня востребованы как профессиональными программистами, так и пользователями. Их «соседство» в рамках первого уровня может казаться эклектичным, однако поскольку четкой границы между программистами и пользователями нет, то нет и оснований усматривать в этом противоречие. Подразделять технологии по принципу «профессиональные-непрофессиональные», на наш взгляд, непродуктивно. С течением времени рождаются продукты, открывающие пользователю новые возможности информационных и коммуникационных технологий, доступные
преж2е лйшйт0роф даеежайр едставленной на рис. 1 иерархии передаются технологии обработки, хранения, передачи информации во всем многообразии ее видов: текстовой и графической (сканированные фотографии и рисунки, двумерная и трехмерная компьютерная графика, диаграммы, схемы, таблицы) в форме гипертекста и гиперграфики, видео- и аудиоинформации, анимаций, интерактивных моделей, диалоговых систем.
Уровень 2, виртуальная среда обучения, - это совокупность технологий, структур данных и содержательного наполнения, так называемых виртуальных учебных объектов. Возникнув в недрах уровня 1, виртуальная среда обучения, однако, представляет собой качественно новое явление: законченную, функционально полную систему, призванную обеспечить все формы учебной деятельности пользователя. Виртуальная среда обучения в целом является носителем определенной метатехнологии и организационных форм образовательного процесса. Она содержит:
• ориентированные на обучение и его обслуживание технологии в виде:
- средств подготовки и предъявления информации, обработки обратной связи;
- систем, обеспечивающих связность среды, единство правил игры внутри среды обучения (эту роль могут выполнять Ь1ш1-продукты, образовательные платформы, оболочки дистанционного обучения и др.);
- средств взаимодействия пользователей внутри среды друг с другом и с внешним миром (электронная почта, удаленный сетевой доступ);
• различные ППС и инструменты их настройки на уровень пользователя;
• базы данных, в том числе отражающие результаты обучения;
• ссылки на внешние библиотеки книг, программ, информационные сайты;
• систематизированные файлы пользователей (блоки материалов учителя и учащегося, продуцируемые при подготовке к обучению и по ходу его).
Учитель имеет доступ к инструментам, обеспечивающим возможность развития информационного наполнения среды и организационно-методических форм работы с ней учащихся. В идеале он может модифицировать не только методические тексты (материалы учителя), но и сами ППС - вплоть до редакции модели обучения. Ученик имеет доступ к инструментам, обеспечивающим выполнение учебных заданий на базе ППС и создания собственных файлов (отчеты, рефераты и пр. - материалы ученика).
Виртуальная среда обучения может функционировать на одном компьютере, или в локальной сети образовательного учреждения, или даже в глобальной сети.
«Обитатели» среды обучения - конечные пользователи, педагоги и учащиеся (хотя координирует процесс обучения и обслуживает его администратор, который на нынешней стадии развития ПО должен обладать знаниями и навыками профессионального программиста). Среда обучения может быть ориентирована на отдельную учебную дисциплину, а может включать в себя широкий их спектр. Пользователи группируются внутри среды «по интересам»: по изучаемым дисциплинам, возрасту или стадии обучения, «прикрепленно-сти» к тому или иному преподавателю, а также по формам возможной совместной деятельности (проектная деятельность, деловые игры). Такая группа может быть названа виртуальным классом, но ее состав более подвижен по сравнению с классом традиционным.
В перспективе оболочкой (платформой) единой виртуальной среды обучения может стать Интернет. Но только оболочкой, потому что виртуальная среда обучения - это больше, чем информационное пространство. Пока Интернет дает лишь удобство поиска информации, но не дает нового образовательного качества. Проблема в том, что современный информационный ресурс - это файл, в то время как предметный мир реален, нагляден. Инфор-
мационные единицы (тексты и графика) живут во всемирной паутине, не взаимодействуя между собой. Технологии мультимедиа - тоже только шаг на пути к наглядности и реалистичности. Для получения более полной информации об объекте (точнее, его информационном образе) им следует управлять, то есть он должен обладать не только видом, но и свойствами, поведением [2]. Это означает необходимость использования интерактивных моделей, которые и составляют основу современных образовательных программных продуктов.
Заметим, что в качестве единой среды обучения была задумана ее автором моделирующая система Stratum. Она позволяет создавать и поддерживать практически все формы деятельности учителя и учащегося, однако сегодня не работает в этом качестве. Причина в том, что пока не созданы (средствами Stratum самими пользователями) системы учета и контроля результатов деятельности учащихся, позволяющие систематизировать, хранить и обрабатывать данные, проводить на их основе мониторинг учебного процесса. Поэтому в структуре образовательного пространства Пермского гостехуниверситета эту функцию взяла на себя система дистанционного обучения: вобрав в себя ППС, разработанные на базе Stratum, она стала оболочкой среды обучения. В других образовательных учреждениях эту роль может играть, например, образовательная платформа «l С: Образование».
3. На третий уровень иерархии, изображенной на рис. l, передается структурированное информационное наполнение ППС по конкретной дисциплине (группе дисциплин) и технология работы с соответствующей информацией. В идеале это не только информационная технология, но и «выращенная» на ее почве технология педагогическая. В этом состоит новое качество, самоценность программно-педагогических средств, позволяющая выделить их в отдельный, третий организационный уровень.
Развитые ППС, способные обеспечить относительно автономную работу учащихся, должны иметь в качестве своего ядра глобальную для данной учебной дисциплины экспертную систему, включающую:
• базовую (в некотором смысле, универсальную) модель обучения;
• интерактивную систему, позволяющую в ходе диалога с обучаемым строить модель его знаний по данной дисциплине;
• систему генерации - на основе полученной модели знаний и базовой модели обучения - индивидуальной образовательной траектории.
Такие мощные экспертные системы создаются в настоящее время для достаточно узкопрофильных задач, например, при разработке тренажеров-имитаторов, предназначенных для персонала производственно-технологических установок. Для учебных дисциплин в их традиционном понимании глобальные экспертные системы, возможно, будут созданы в перспективе на основе технологий искусственного интеллекта. С их развитием, в принципе, могут стать реальностью полноценные программно-технологические (то есть не требующие постоянного вмешательства педагога) средства обучения. Пока же в реально существующих ППС глобальная экспертная система заменяется методическими рекомендациями, встроенными в программный продукт или (и) изложенными в виде прилагающейся к нему брошюры. Необязательность выполнения таких рекомендаций определяет невысокий уровень эффективности программно-технологических средств.
Поэтому большинство современных ППС используются в качестве программнометодических средств, которые оставляют возможность выбирать маршрут пользователю (учащемуся или учителю), опираясь на оглавления, каталоги и навигаторы системы. Управление учебным процессом в этом случае обычно осуществляется учителем, отслеживающим ход обучения либо традиционно, визуально, либо с помощью создаваемых программным средством журналов работы (дневников учащихся), которые показывают, какой материал «пройден» и насколько успешно.
Результаты работы экспертной системы и содержание файлов журналов пользователя являются исходными данными для систем мониторинга (административный уровень).
Содержательным наполнением третьего уровня (см. рис. 1) являются виртуальные учебные объекты различных типов:
• демонстрационные, лабораторные и конструкторские стенды, имеющие в своей основе видео, анимации и интерактивные модели;
• интерактивные тренажеры, задачи, контрольные работы, тесты;
• тексты - предметные и методические, содержащие также графический материал.
Перечисленное наполнение сопровождается в современных ППС системами навигации, разнообразными справочниками, поисковыми системами, структурно-логическими моделями дисциплины, представляющими в системе ее объекты, понятия, законы.
При относительно небольшом числе типов виртуальных учебных объектов в зависимости от их весового соотношения и глубины проработки материала можно сформировать весьма разнообразные по виду, назначению и возможностям программнопедагогические средства. Ниже обсуждаются подходы к их классификации и проблема выбора базовых критериев и принципов классификации, разнообразие которых мешает систематизации. Но прежде поговорим о тех входящих в состав виртуальной среды обучения технологиях, которые обеспечивают вариативность ППС.
Средства настройки ППС для решения актуальных задач
Серьезная проблема, с которой сталкивается преподаватель при использовании компьютера на занятиях по традиционным учебным дисциплинам, состоит в том, что и с методической, и с организационной точек зрения готовые ППС обычно не вписываются в реальный учебный процесс. Как правило, разработчик закладывает в ППС определенную информацию учебного характера, порядок и способ предъявления этой информации обучаемому, способы проверки усвоения. Полагать, что все перечисленное эквивалентно некой универсальной методике использования продукта, неверно.
Методические приемы у разных педагогов и тем более у разработчика различны. Поэтому заложенная в ППС методика не может быть одинаково удовлетворительной для всех педагогов и всех аудиторий обучаемых. Каждое занятие требует вариации методики.
Далее, сама учебная программа подвижна. Значит, и компьютерная система должна быть пригодной к модификации. Нельзя в принципе создать готовое ППС, тем более нельзя вложить в него методику на все времена. ППС должно быть открыто для изменений не только программистом, но и пользователем. Методика должна не закладываться раз и
навсегда разработчиком, а вноситься, при необходимости, преподавателем. Это важное требование к ППС означает, что оно не должно быть готовой программой, ехе-файлом.
Поэтому необходимы образовательные продукты, предоставляющие пользователю широкую свободу действий, обеспечивающие гибкость, вариативность содержания и форм подачи материала, поддержку инициативы преподавателя и учащегося [3].
Как уже говорилось, ППС содержат виртуальные учебные объекты: разного рода модели, задачи, тренажеры, тесты, видео- и аудиозаписи, обучающие сценарии, информационно-справочный и методический компоненты. Получается своего рода «картотека» знаний, облеченных в различные методические и технологические формы.
Для обеспечения его гибкости ППС должно функционировать в некоторой среде, средствами которой преподаватель может комбинировать элементы «картотеки» сообразно своим представлениям о том, что, в какой последовательности, логической и причинно-следственной взаимосвязи, а также с какой степенью подробности нужно преподавать тем или иным учащимся. То есть сможет строить сценарий занятия. Это первый уровень настройки ППС на пользователя, который может быть обеспечен средствами доступного педагогического инструментария.
Один из возможных подходов к решению этой проблемы состоит в использовании инструментальной оболочки, играющей роль и среды разработки ППС, и средства его эксплуатации, и инструмента его модификации педагогом для решения актуальных задач. Такой путь избран в продуктах РЦИ Пермского гостехуниверситета на базе системы Stratum, например, в предметной среде «Виртуальная физика» [2-4, 10]. Достоинство этого пути - практически безграничные возможности; недостаток - необходимость для педагога научиться работать в такой среде, что требует усилий и времени.
Другой подход, развиваемый в последние годы фирмами «1С», «Физикон», «Кирилл и Мефодий», состоит в создании библиотек (медиатек) электронных наглядных пособий на базе специальных продуктов - образовательных платформ, позволяющих производить учителю компоновку объектов для проведения занятий. Научиться работать с такими продуктами легче, но возможности их в плане модификаций объектов нулевые.
Возможность модификаций объектов среды - это второй уровень настройки ППС на пользователя. Его необходимость связана с тем, что любой элемент среды несет отпечаток мысли разработчика; нужно, чтобы педагог мог сам изменять элементы - не только тексты, но и модели, задачи. Системы типа платформы «1 С: Образование» здесь бессильны. Решить проблему позволяет либо вновь инструментальная среда разработки, например, Stratum, либо проектная среда такого высокого уровня, как «Живая физика».
Но даже «Живая физика» не позволяет организовывать серьезные новые проекты (например, в области оптики), поскольку соответствующие базовые модели не были в нее заложены, а инструмент для создания новых базовых моделей отсутствует. Вообще, ни одна предметно-ориентированная учебная среда не может быть абсолютно и навсегда полна. Значит, должен быть и третий уровень настройки: инструментальная среда разработки дает преподавателю возможность создания новых элементов «картотеки».
Настройка на всех трех уровнях должна осуществляться в пределах виртуальной среды обучения. Поэтому инструментальная среда разработки (лишь одна из возможных ролей которой - быть средством настройки ППС) является ключевым элементом виртуальной среды обучения, необходимым для обеспечения ее развития.
Средой разработки, разумеется, может быть алгоритмический язык или среда программирования; однако разработанные с их помощью ППС неизбежно будут ограничены в плане «настройки». Наиболее перспективными для разработки ППС, допускающими их модификацию силами и средствами пользователя (учителя, ученика), представляются инструментальные среды проектирования и моделирования (внешнее кольцо первого яруса на рис. 1), такие как 81ха1ит-2000.
Состав и жанры программно-педагогических средств
Важнейшими элементами современных образовательных программных продуктов, наиболее перспективными виртуальными учебными объектами являются интерактивные модели различных видов.
Под моделированием в широком смысле понимают способ отображения и познания действительности, состоящий в замещении исследуемого объекта его моделью.
Модель - это вспомогательный реальный объект или абстракция, обладающая существенными чертами исходного объекта или явления, используемая для изучения этого объекта или явления и обладающая прогностическими свойствами.
Интерактивная компьютерная модель - программная система, допускающая управление со стороны пользователя и адекватно реагирующая на его действия. Среди интерактивных моделей, применяемых при обучении естественнонаучным дисциплинам, можно выделить модельные демонстрации, модельные лабораторные работы, модельные конструкторы. Все они в большинстве случаев отображают внешний вид (если он есть) и поведение системы, взаимосвязи ее характеристик в виде числовой информации, графиков и диаграмм, а также визуализируют глубинные, скрытые в реальном мире от глаз и приборов процессы и даже не существующие в реальности объекты.
Модельная демонстрация - модель, имеющая небольшое число доступных пользователю «рычагов управления», позволяющая наглядно иллюстрировать явление или поведение объекта в определенных, заданных заранее условиях.
Модельная лабораторная работа - модель, предоставляющая пользователю значительное число степеней свободы и обеспечивающая исследование и анализ различных сторон моделируемого явления, черт поведения объекта в свободном режиме.
Модельный конструктор - набор элементов, позволяющих пользователю собрать на экране и таким образом спроектировать новую систему, чтобы затем исследовать ее.
Особый род интерактивных моделей учебного назначения - имитаторы сложных аппаратных или программных систем, выступающие в роли объектов изучения (например, функционирующий в локальной сети имитатор программы электронной почты).
Далее, интерактивные модели могут входить в состав интерактивных тренажеров и систем контроля знаний в качестве локальных экспертных систем.
Назначение интерактивного тренажера состоит в том, чтобы помочь учащемуся выработать конкретные ключевые технологические навыки, необходимые для решения задач или работы с реальным оборудованием.
Интерактивная задача обеспечивает возможность достижения пользователем поставленной цели путем перемещений объектов, манипуляций с инструментами, графических построений и других действий.
Основанная на модели экспертная система тренажера или задачи оценивает действия учащегося, в частности, выдает диагностику ошибок. Использование модельного подхода весьма плодотворно также в плане возможностей генерации заданий.
От локальных экспертных систем нужно отличать упоминавшиеся выше глобальные экспертные системы дисциплины, представляющие собой самые сложные модели. Они должны, во-первых, иметь развитый интерфейс, предпочтительно самоценный, то есть информативный и облеченный в наглядную графическую форму; во-вторых, быть способными поддерживать диалог с обучаемым на уровне генерации заданий, которые сопровождали бы работу в среде. Глобальная экспертная система должна: а) из ответов обучаемого (как правильных, так и неправильных) «понимать», какие знания, умения и навыки не сформированы в должной мере, т.е. должна уметь измерять знания; б) кратко, но корректно и наглядно объяснять материал; в) направленно задавать новый вопрос. При наличии такой системы возможно создание дополнительной мотивации обучения -игровой (повторить, догнать, преодолеть помехи), проблемной или иного рода. Все перечисленное помогает формированию некоторой - в идеале оптимальной для данного учащегося - траектории движения в среде обучения. Глобальная экспертная система решает задачу управления обучением со стороны компьютерной среды.
Другие упоминавшиеся виды виртуальных учебных объектов - гипертекст и гиперграфика, видео, анимации - относительно просты и не требуют особого обсуждения.
Представить возможные формы «содержимого» ППС можно с помощью радиального сечения третьего уровня иерархии на рис. 1. Соответствие форм организации учебного материала и видов виртуальных учебных объектов среды обучения отражено на рис. 2.
программно-педагогические средства
~\
компьютерные обучающие программы
/~
“\
Формы
организации
учебного
материала
Виды
виртуальных
учебных
объектов
Глобальные экспертные системы Локальные экспертные системы Управляемое "живое" Неуправляемое "живое" Гипертекст и гиперграфика Системы навигации
модель обучаемого, модель обучения интерактивные тренажеры и задачи, контрольные работы, системы тестов модели и их конструкторы, реальное оборудование, интерактивное видео видео, звук, анимации тексты, рисунки, фото, 20 и 30-графика, таблицы, схемы, диаграммы Каталоги объектов, системы поиска, навигаторы, справочники структурнологические модели
-/ V
_/V
_/
аппарат усвоения
аппарат представления
аппарат
ориентировки
Рис. 2. Формы организации учебного материала и виды виртуальных учебных объектов
Ранжированные в порядке убывания сложности элементы рис. 2 естественным образом образуют три блока, связанные с изложением учебного материала (средний блок), закреплением учебного материала и контролем его усвоения (левый блок) и навигацией по электронному учебному пособию (правый блок). Эти блоки соответствуют трем частям дидактического аппарата любого учебного пособия: аппаратам представления, усвоения и ориентировки, выделенным в работах [7, 8] по аналогии с традиционной учебной книгой. Элементы ППС, представляющие каждый из названных аппаратов, видны из рисунка и останавливаться на них более подробно здесь неуместно; сошлемся только на работу [10], посвященную построению структурно-логических моделей дисциплины. Отметим, что рис. 2 представляет собой своеобразный «шаблон», который при «наложении» на любое компьютерное учебное издание позволяет проанализировать его состав и сделать выводы относительно принадлежности к тому или иному жанру (типу, классу) ППС.
К программно-педагогическим средствам может быть отнесено электронное издание, содержащее хоть какой-нибудь из представленных на рис. 2 базовых элементов. ППС не просто информирующие, но активно и целенаправленно воздействующие на систему знаний учащегося (что предполагает наличие экспертной системы и, следовательно, развитого аппарата усвоения), выделим в подмножество компьютерных обучающих программ.
Охарактеризуем при помощи «шаблона», изображенного на рис. 2, содержимое различных жанров ППС, упоминаемых в педагогической литературе. Разумеется, эта характеристика в значительной мере субъективна, но основные соотношения и тенденции она описывает верно. Результаты представлены в таблице 1, которая для каждого жанра ППС показывает, что и в какой «концентрации» он содержит из числа выделенных выше форм организации учебного материала. Количество крестиков в ячейках таблицы (от нуля до трех) показывает степень насыщенности ППС данной формой.
Дадим пояснения к некоторым упоминаемым в таблице жанрам ППС.
Обучающий сценарий (ОС) - синтетическая, комбинированная форма организации материала; может содержать теоретические сведения с иллюстрациями, модельный эксперимент демонстрационного или исследовательского характера, а также работающую в режиме вопрос-ответ экспертную систему, предназначенную для контроля хода обучения и его корректировки. Отличительная особенность ОС - наличие внутреннего маршрута или целой сети маршрутов.
Виртуальные лаборатории (ВЛ), в отличие от моделирующих систем, позволяют, используя компьютерные сети, работать с реальным оборудованием, в том числе с удаленным доступом. ВЛ смыкаются с автоматизированным экспериментом.
Предметные обучающие среды (ПОС) - жанр ППС, наиболее крупных по объему и «всеохватных» по формам организации учебного материала. Обычно содержат интерактивные модели различного уровня, блоки тренажа и контроля знаний, обучающие сценарии, видеодемонстрации, а также текстовый компонент: теоретические сведения с иллюстрациями, информационно-справочный и методический материал. Большой объем делает практически обязательными развитые системы навигации и поиска информации. От систем обучающих сценариев ПОС отличаются масштабом, широтой охвата форм и тем, что не ограничивают (или ограничивают лишь локально) свободу пользователя.
Формы организации N. информации Типы N. ППС N. Глобальные экспертные системы: модель обучаемого и модель обучения Локальные экспертные системы: интерактивные тренажеры и задачи, контрольные работы, системы тестов Управляемое «живое»: модели и их конструкторы, реальное оборудование Неуправляемое «живое»: видео, звук, анимации Гипертекст, гиперграфика (2D и 3D, фото, схемы, таблицы, диаграммы) Системы поиска и навигации, структурнологические модели, справочники
Учебные игры +++ +
Системы тренажеров ++ +++ +
Интерактивные задачники + +++ +
Системы тестов + ++ +
Моделирующие системы +++ +
Виртуальные лаборатории +++ +
Обучающие сценарии + ++ ++ ++ + +
Предметные обучающие среды + +++ +++ ++ + +++
Компьютерные учебники + ++ ++ +++ ++
Хрестоматии + + +++ +
Справочники + ++ +++ +
Энциклопедии + ++ +++ +
Библиотеки ++ ++ ++ ++
Коллекции ++ ++ ++
Каталоги ++
Словари ++ +
Электронные версии книг ++ +
От мультимедийных компьютерных учебников ПОС отличаются высокой концентрацией активных форм, текстовый материал присутствует, но на втором плане и используется пользователем по необходимости или желанию, а не навязывается ему.
Интерактивные энциклопедии (ИЭ) и интерактивные справочники (ИС) во многом похожи на ПОС. Отличия связаны в основном с меньшим удельным весом тренажерно-контролирующего компонента или даже с его полным отсутствием. Друг от друга ИЭ и ИС отличаются в той же мере, в какой отличаются традиционные энциклопедия и справочник. Энциклопедия предоставляет информацию в виде системы кратких, структурированных по формальному признаку фрагментов, не выстраивая ее в логической для дисциплины последовательности; констатирует факты и законы, обозначая взаимосвязи, но не доказывая их. Справочник же обычно упорядочивает материал не по формальному признаку (алфавиту и пр.), а в соответствии с некоторой внутридисциплинарной логикой.
Соотношение между библиотеками, каталогами и коллекциями таково [8]: библиотека содержит каталоги и соответствующие им коллекции.
При рассмотрении таблицы 1 обнаруживается, что она имеет вид почти диагональной матрицы. Это отражение определенной тенденции, а именно: наличия не абсолютно строгого, но все же явного соответствия между составом ППС по формам организации учебного материала и его жанром.
Элементы рис. 2 представляют собой своеобразный «спектр» форм организации учебного материала. Соответственно, можно поставить задачу проведения «спектрального анализа», то есть разложения по шаблону форм «содержимого» ряда известных образовательных программных продуктов, например, по физике (табл. 2). Сравнение результата разложения с таблицей 1 позволяет определить истинный, а не заявленный разработчиками, жанр этих программных продуктов (указан в правом столбце).
Например, «Репетитор Кирилла и Мефодия» оказывается не репетитором, а системой тестов, а «1С: Репетитор. Физика» - компьютерным учебником. «Открытая физика» в версии 1 - это моделирующая система, а в версии 2 - предметная обучающая среда. «Библиотека наглядных пособий по физике, 7-11 класс» - это действительно библиотека, а «Физика 7-9» из «Электронной библиотеки Просвещение» - действительно мультимедийный компьютерный учебник (точнее, пособие). Рядом с последним «Уроки Кирилла и Мефодия» и «ТеаеЬРго Физика» явно не соответствуют статусу компьютерного учебника из-за поверхностного аппарата представления (изложения теории) и слабого аппарата усвоения.
Интересно, что продукты, отнесенные в таблице 2 к системам обучающих сценариев, неоднородны. Они образуют группы, каждая из которых ориентирована на решение определенных дидактических задач:
1) изложение и иллюстрация материала (теории или образцов решения задач) с контролем усвоения на элементарном уровне;
2) выработка навыков выполнения определенных манипуляций при решении задач или выполнении работ лабораторного практикума;
3) обучение последовательности решения задач (в зависимости от степени успешности действий регулируется сложность задач);
4) закрепление материала темы (с определением уровня усвоения).
ППС Локальные экспертные системы Тренажеры, задачи и контрольные работы, тесты Модели, их конструкторы, создание моделей, реальное оборудование Видео + звук, анимации Гипер- текст, гипер- графи- ка Системы поиска и навигации, структурные модели, справочники Жанр
Только в физике соль (МИФИ+МГУ) + ++ + + Интерактивный задачник
Репетитор Кирилла и Мефодия + + + + + Система тестов
Готовимся к ЕГЭ (Интерактив. ли-ния+ПМедиа) + + + + ++ + + Система тестов
Репетитор Боревско-го (МедиаХаус) ++ ++ + + + + ++ + Система ОС тренажерных
Активная физика (БГПУ) ++ ++ + ++ + + + + ++ + ++ Система ОС тренажерных
1С: Школа. Физика 10-11. Подготовка к ЕГЭ ++ ++ ++ + + + ++ + + ++ ++ ++ ++ ПОС тренажер- ного уклона
Подготовка к ЕГЭ по физике, 2004 (Физи-кон) ++ ++ + + + ++ ++ + ++ ПОС
Живая физика (ИНТ) + ++ ++ + + Моделирующая (проект.) система
Открытая физика (Физикон) + + + ++ + + +/ +++ ++ ++ ПОС
Виртуальная физика (ПГТУ) ++ ++ ++ + + + ++ + ++ ++ + ++ ++ + + ++ ПОС
Электронная библиотека Просвещение Физика 7-9 + + + + + + + ++ +++ ++ ++ Компьютерный учебник
1С: Репетитор + + + + + + ++ +++ ++ ++ Компьютерный учебник
Уроки Кирилла и Мефодия + + + +++ + + Система ОС описательных
ТеасИ-Рго Физика + + + +++ + Система ОС описательных
Учебник 2001: физика (Матрос) ++ ++ + + Справочник
Библиотека наглядных пособий по физике 7-11 класс ++ + + ++ ++ + + Библиотека
Медиатека по физике Кирилла и Мефодия + + ++ ++ + Библиотека
Вся физика (Руссо-бит-педагог) + + ++ + ++ Библиотека
Обучающие сценарии «Активной физики» решают все четыре названные задачи; «Уроков Кирилла и Мефодия» и «ТеасЬРго Физики» - только задачу 1; «Репетитора Боревско-го» - задачи 2 и 3; «Виртуальной физики» - задачи 1, 2 и 4; «1С: Школы. Физика, 10-11 класс. Подготовка к ЕГЭ» - задачи 1, 2 и 4, «Подготовка к ЕГЭ по физике, 2004» (Физи-кон) - задачи 1 и 4.
Выбор базового признака для классификации
При большом количестве возможных оснований, принципов и, соответственно, вариантов систематизации возникает потребность выделить базовый признак, позволяющий с единых позиций отследить и объяснить наиболее важные классификационные построения. Такой признак может быть обнаружен при анализе внутренней структуры классифицируемых элементов, определяющей их внешние свойства и закономерности (например, названные в работах [1, 4-6, 8-9]).
В работе [8] приведена наиболее полная среди известных нам сводок жанров ППС (около двух десятков) и предложена серия их классификаций по 14 различным основаниям. Из них шесть могут быть названы формальными (уровень образования и возраст обучаемых, профиль обучения и учебная дисциплина, объем и степень конкретики ее охвата), а два - техническими (тип ресурса, способ взаимодействия ученика и учителя). Эти принципы классификации мы здесь не комментируем.
С точки зрения построения единого подхода интерес представляют остальные названные в работе [8] основания классификации. Именно, три организационно-процессуальных признака (назначение; формы обеспечиваемых учебных занятий; типы поддерживаемой познавательной деятельности) и три организационно-технологических (вид интерфейса; степень активности среды обучения, то есть интенсивности воздействия на обучаемого; степень «включенности» учителя в учебный процесс, то есть технологичности процесса обучения).
Эти шесть способов классификации связаны, в конечном счете, с доминирующими в данном ППС формами организации учебного материала (рис. 2). Форма организации, в свою очередь, связана со способом информационного взаимодействия ППС и пользователя. Поэтому основополагающим, базовым признаком для классификации ППС мы выбираем признак доминирующего способа информационного взаимодействия ППС и пользователя. Обратим внимание на то, что с точки зрения организации образовательного процесса предлагаемый признак является не формальным, а содержательным, поскольку определяет уровень реализуемых технологий обучения.
На рис.3 выделены три класса ППС, отличающиеся по выбранному признаку:
А: констатирующие (предъявляющие, информационные), для которых характерна низкая степень интерактивности и практическое отсутствие обратной связи.
Б: проблемно-постановочные, связанные с необходимостью извлекать информацию средствами проектирования, моделирования, управления, а не получать ее в готовом виде, и потому высокоинтерактивные.
С: собственно обучающие, также высокоинтерактивные, но в отличие от прочих, содержащие экспертную систему и, значит, интенсивную обратную связь.
Слово «доминирующий» означает, что этот способ взаимодействия не обязан быть единственным в рамках данного ППС; например, комплекс интерактивных тренажеров может (и должен) также содержать информационный компонент. Крупные формы ППС, например предметные обучающие среды, обычно содержат модули всех трех классов.
Классификация по указанному принципу приводит к построению дерева (см. рис. 3), ветви которого вырастают в жанры ППС, перечисленные в предыдущем разделе и таблице 1. Рисунок не требует пояснений, за исключением одного: количество стрелок, отражающих взаимосвязи элементов схемы, оказалось бы при попытке изобразить все их настолько велико, и рисунок получился бы настолько запутанным, что мы отказались от такого способа визуализации. Взаимосвязи форм организации материала с подклассами ППС, с одной стороны, и жанрами ППС, с другой, предлагается «ощутить» на уровне «полевого взаимодействия»: чем ближе элементы разных ячеек таблицы находятся друг к другу, тем интенсивнее связь между ними.
Построенная на рис. 3 система может служить опорой, «канвой» для шести интересующих нас классификаций из работы [8]. Разумеется, словесное изложение каждой из этих классификаций в первоисточнике детальнее и объемнее, но гомоморфизм налицо.
С целью отследить для примера упомянутый гомоморфизм и отметить отличия нашего подхода от других остановимся на классификации ППС по их назначению. В [8]
и, отчасти, в [1, 9] выделяются две основные группы ППС: обучающие и инструментальные. В первом разделе данной статьи обосновывалась целесообразность выноса инструментальных средств за рамки множества ППС. Повторимся: инструментальные средства входят в состав виртуальной среды обучения и средств компьютерной поддержки обучения, но инструмент сам по себе не осуществляет обучающую функцию. Как не являются сами по себе педагогическими средствами типографский станок, на котором печатают учебник, и отвертка, при помощи которой настраивают лабораторную установку.
Далее, традиционное использование термина обучающий применительно ко всем средствам обеспечения процесса учения представляется нам неудобным и даже неверным, если речь идет о компьютерных системах. В [8] к обучающим ППС отнесены информационные, формирующие и контролирующие средства. Принципиальную разницу между первыми и последними (в плане используемой технологии обучения и способа информационного взаимодействия) мы сочли нужным акцентировать противопоставлением информационных средств и средств собственно обучающих (в [6] они называются наставническими). К последним отнесены лишь ППС, содержащие выраженную обратную связь и активно взаимодействующие с учащимися; они выделены на рис. 2 в блок компьютерных обучающих программ (КОП). Иначе говоря, множество ППС не тождественно множеству КОП.
Способ информационного взаимодействия с пользователем определяет формы учебных занятий, поддерживаемых ППС, характер интерфейса, интенсивность воздействия на обучаемого и т.д. Таким образом «вторичные» основания классификаций выступают в роли свойств базовых классов. Эти свойства могут быть сведены в таблицу 3.
КЛАСС
подкласс
формы
организации
учебного
материала
ц базовые
С
С
3
о.
і
си комбини-^ роеанные
гипертекст с видео
гиперграфикой и звук
внешние
анимации устройства и модели оборудование
экспертные
системы
тренажеры задачи тесты
электронные версии книг, словари, справочники, гипертекстовые пособия
виртуальные
лаборатории
моделирующие
системы
обучающие сценарии, электронные учебники, электронные хрестоматии
программно-методические
коллекции, музеи, библиотеки, энциклопедии
обучающие системы интерактивные
игры тренажеров задачники
репетиторы
системы
тестов
обучающие сценарии, предметные среды
программно-технологические
Д. В. Баяндин • О структуре виртуальной среды обучения
Таблица 3
Классы Свойства А: констатирующие В: проблемнопостановочные С: собственно обучающие
Назначение информационные аналитические * и моделирующие* формирующие, контролирующие
Формы учебных занятий теоретическое обучение практическое обучение практическое обучение
Типы познавательной деятельности учебные учебные или учебноисследовательские учебные или игровые
Тип интерфейса статичный графический или мультимедийный мультимедийный или модельноинтерактивный* мультимедийный или модельноинтерактивный*
Степень активности среды обучения пассивные потенциально активные активные
Степень «включенности» учителя программно- методические программно- методические программно- технологические
Примечание: 1) знаком * в таблице 3 отмечены свойства, не упомянутые в работах [1,6-8]; 2) мультимедийный интерфейс, согласно [8], подразделяется на традиционный и содержащий элементы виртуальной реальности; для краткости мы пренебрегли этим разделением.
В порядке комментария к таблице 3 отметим, что характерное свойство современных образовательных программных продуктов - активность среды обучения, то есть способность системы: 1) интерпретировать и диагностировать действия пользователя;
2) обеспечивать управление моделями, проведение расчетов и наглядное отображение их результатов; 3) поддерживать режимы построения комплексных систем на базе библиотек моделей и синтеза новых моделей; 4) обеспечивать обратную связь с пользователем, управлять процессом обучения [4].
Разумеется, к структуре, представленной с помощью рис. 3 и таблицы 3, нужно относиться как к модели; реальные ППС вписываются в любую классификацию в общих чертах. Приведем для каждого из трех выделенных классов примеры достаточно хорошо им соответствующих ППС по физике. Класс А: «Уроки Кирилла и Мефодия», «ТеасЬРго Физика», «Вся физика Руссобит-педагог». Класс В: «Открытая физика», «Живая физика», «Библиотека наглядных пособий по физике, 7-11 кл.». Класс С: «Активная физика», «Репетитор Боревского». Комбинированные ППС, содержащие модули различных классов, - это «Виртуальная физика», «1С: Школа. Физика 10-11 кл., подготовка к ЕГЭ», «Подготовка к ЕГЭ по физике, 2004» (Физикон).
Обратим внимание на то, что схема, представленная на рис. 3, полностью исчерпывает классификации [1, 6], а также имеет явное соответствие с классификацией [5].
В заключение отметим, что целью данной статьи было выстраивание единой цепи логически связанных звеньев, по ходу обсуждения которых:
• предложено структурное представление существующих средств компьютерной поддержки процесса обучения, позволяющее отследить связь программно-аппаратной базы и состава виртуальной среды обучения, определить место и роль последней;
• описаны особенности и структура, перечислены необходимые свойства и состав виртуальной среды обучения, указаны средства и способы модификаций с ее помощью системы ППС, что необходимо для достижения целей и задач обучения;
• выделены и охарактеризованы формы организации учебного материала в ППС;
• описан возможный состав абстрактного ППС, прослежена связь между составом и жанром для реальных ППС;
• предложена классификация ППС по единому базовому признаку, указаны варианты «выхода» на тот или иной жанр.
Признак доминирующего способа организации информационного взаимодействия принят для классификации ППС в качестве базового, поскольку он определяет остальные признаки, свойства и возможности продукта, является наиболее важным и универсальным.
Библиографический список
1. Башмаков, М. И. Классификация обучающих сред / М. И. Башмаков, С. Н. Поздняков, Н. А. Резник // Школьные технологии. - М., 2000. - № 3. - С. 135-146.
2. Баяндин, Д. В. Система интерактивных энциклопедий для образования в России XXI века. / Д. В. Баяндин, Д. Г. Казенкин, О. И. Мухин. - Пермь: Изд-во Перм. гос. тех. ун-та, 2001. - 40 с.
3. Баяндин, Д. В. О вариативности содержания, формы и методики подачи учебного материала при использовании компьютера / Д. В. Баяндин, А. В. Кубышкин, О. И. Мухин // XII Между-нар. конф. «Информационные технологии в образовании»: сб. тр. Ч. III. - М.: МИФИ, 2002. -С.34-35.
4. Баяндин, Д. В. Система активных обучающих сред «Виртуальная школа»: методическое пособие для учителя и руководство по использованию программного продукта / Д. В. Баяндин, О. И. Мухин. - Пермь: Изд-во Перм. гос. тех. ун-та, 2002. - 72 с.
5. Машбиц, Е. И. Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения / Е. И. Маш-биц. - М.: Педагогика, 1988. - 192 с.
6. Норенков, Ю. И. Системные вопросы дистанционного обучения / Ю. И. Норенков // Информационные технологии. - М., 2001. - №3. - С .17-21.
7. Оспенникова, Е. В. Электронный учебник. Каким ему быть? / Е. В. Оспенникова. - М.: Наука и школа, 2004. - №2. - С.18-25.
8. Оспенникова, Е. В. Мультимедийные информационные ресурсы по физике для средней общеобразовательной школы: справочные материалы для учителя физики / Е. В. Оспенникова, Н. А. Беляева, А. В. Худякова. - Пермь: Изд-во Перм. гос. пед. ун-та, 2004. - 140 с.
9. Филинов, Е. Н. Программная инженерия и педагогические программные средства / Е. Н. Филинов // Системы и средства информатики. - М.: Наука; Физматлит; ИПИ РАН, 1996.
- Вып. 8. - С. 157-166.
10. Bayandin, D. V. The usage of "Stratum Computer" tool software as the technology of man-computer interaction to the model and prototype systems / D. V. Bayandin, A. V. Kubishkin, O. I. Moukhin // Proc. 6th East-West International Conference “Human-Computer Interation. Human Aspects of Business Computing” EWHCI'96. - М., 1996. - P. 207-219.
