CC BY
29
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛА ДЛЯ ОБУЧАЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ ПО ДИНАМИЧНО РАЗВИВАЮЩЕМУСЯ КУРСУ «СИЛОВАЯ ОПТИКА»
Ю.С. Дементьева Научный руководитель - к.ф.-м.н., доцент Г.Д. Шандыбина
В докладе представлена разработка электронного учебного материала для динамично развивающегося раздела физической оптики «Взаимодействие лазерного излучения с веществом» («Силовая оптика»). Часть 1. Механизмы поглощения и диссипации энергии в веществе.
Введение
Развитие глобальной компьютерной сети Интернет открыло новые перспективы совершенствования мировой образовательной системы. Это отражается как на технической оснащенности образовательных учреждений, их доступе к мировым информационным ресурсам, так и на использовании новых технологий, методов и форм обучения, ориентированных на активную познавательную деятельность учащихся [1-2].
Благодаря средствам новых информационных и коммуникационных технологий появилась новая технология обучения, а именно - дистанционное обучение. При дистанционном обучении учащийся и преподаватель пространственно отделены друг от друга, но при этом они могут находиться в постоянном взаимодействии, организованном с помощью особых приемов построения учебного процесса, форм контроля, методов коммуникации посредством технологий Интернета [3-5].
В то же время, отечественный и зарубежный опыт показывает, что эффективное использование средств вычислительной техники в образовательном процессе возможно только при наличии программного обеспечения, ориентированного на задачи обучения конкретным дисциплинам. На сегодняшний день проблема создания и использования соответствующих компьютерных образовательных программ и учебно-методических комплексов является весьма актуальной.
Особый интерес вызывает разработка обучающего и тестирующего программного обеспечения для динамично развивающихся разделов научных и технических дисциплин, имеющая свои принципиальные особенности.
Во-первых, постоянно появляются новые экспериментальные данные, которые приводят к существенному уточнению, а часто и к кардинальным изменениям принятых на сегодняшний день модельных представлений и гипотез. При формировании учебного материала необходимо обеспечить возможность его постоянного пополнения и уточнения. Это, в свою очередь, требует принципиально отличной организации обучающего и тестирующего программного обеспечения.
Во-вторых, как правило, динамично развивающиеся разделы дисциплин представлены студентам в виде специальных курсов. Восприятие материала подобных специальных курсов требует наличия у студента определенных базовых знаний в области естественнонаучных и общепрофессиональных дисциплин. Эту особенность также необходимо учитывать при разработке обучающего программного обеспечения.
В статье рассмотрен подход к эффективному структурированию электронного учебного материала на базе специальной дисциплины «Взаимодействие лазерного излучения с веществом» («Силовая оптика»).
Силовая оптика - динамично развивающееся научное направление. Известно, что лазерная техника стремительно развивается. В частности, возрастает мощность лазеров, в первую очередь за счет укорочения длительности импульсов лазерного излучения. За последние два десятилетия на смену коротким импульсам пришли сверхкороткие (пи-косекундные), затем появились ультракороткие импульсы (фемтосекундная техника), а
теперь на подходе техника аттосекундного диапазона. Как в России, так и за рубежом растет поток новых экспериментальных данных по нелинейным, неравновесным процессам, локализованным как во времени, так и в пространстве. Одни физические модели подтверждаются и уточняются, другие исчезают, и появляются новые. Развитие информационных и телекоммуникационных технологий тесно связано с развитием лазерной техники и знанием физических основ взаимодействия лазерного излучения с веществом. Отсутствие соответствующих отечественных образовательных программ ограничивает уровень понимания и самообразования в этой области знаний.
Другой особенностью создания программного обеспечения является тот факт, что восприятие раздела «Силовая оптика» предполагает наличие у слушателя базовых знаний из курса общей физики, физики твердого тела, квантовой механики, математической физики.
Подход к разработке обучающей программы
Информационные технологии предоставляют в распоряжение преподавателя мощный набор инструментов, который должен эффективно использоваться для достижения целей учебного процесса при дистанционном обучении. С учетом отечественного опыта разработки курсов дистанционного обучения [6] представляется, что в наиболее полном варианте учебный курс должен включать:
• методические рекомендации по изучению курса;
• теоретический материал;
• практикум для выработки умений и навыков применения теоретических знаний с примерами выполнения заданий и анализом наиболее часто встречающихся ошибок;
• справочный материал, глоссарий;
• систему тестирования и контроля знаний;
• библиотеку современных научных зарубежных и отечественных публикаций.
Таким образом, обучающая программа образует программно-методический комплекс, позволяющий самостоятельно освоить учебный курс (или его большой раздел) и объединяющий в себе свойства обычного учебника, энциклопедического справочника, практикума, поисковой системы и системы контроля знаний. Электронный комплекс является дополнением к традиционным формам обучения и не заменяет работу студента с книгами, конспектами, сборниками задач и упражнений и т.п. Он призван, не только сохранить все достоинства книги или учебного пособия, но и в полной мере использовать современные информационные технологии, мультимедийные возможности, предоставляемые компьютером.
Создание обучающей программы потребовало одновременно знаний как в предметной области, для которой создается учебник, так и в области информационных технологий. Можно выделить следующие основные этапы этой работы:
• детальное изучение теоретического материала учебного пособия и подготовка варианта текста учебника;
• разработка «сценария» взаимодействия отдельных частей электронного учебника (на основе рациональной структуры учебника, тщательно продуманной последовательности изложения материала, организации возможных перекрестных ссылок и т.п.) и дизайна обучающей программы, куда входит также начальная подготовка разнообразных иллюстраций и графиков, располагаемых в тексте электронного учебника;
• создание обучающих элементов программы (тестирование, глоссарий, библио-тека)[7-9];
• выбор компьютерных средств и реализация составных частей программы на компьютере (написание кодов) [10-12].
Структура и интерфейс обучающей программы
Была разработана логическая структура программы, представленная на схеме (рис. 1) и состоящая из следующих блоков: «Лекционный материал», «Глоссарий», «Библиотека», «Тестирование», «О программе». Под блоком понимается структурный компонент управления представлением учебного материала, содержащий аппарат ориентировки, который включает в себя оглавление, заголовки разделов, параграфов, именные и предметные указатели и должен обеспечивать быстрый поиск необходимой информации; а также систему управления процедурой представления учебной информации реализуемую посредством гипертекста. Совокупность программных блоков образует иерархическую структуру, объединяющую их в единую систему.
Рис. 1. Логическая структура обучающей и тестирующей программы
Однако наличие выпадающего иерархического меню не определяет дидактические качества электронного учебного средства, оно отражает лишь иерархию содержания учебного материала, т. е. «внешнюю, визуализированную» структуру электронного учебника. Пользовательский интерфейс является аналогом аппарата ориентировки обычного книжного учебника. При запуске программы появляется окно, разделенное на 3 части (рис. 2). В левой части экрана находится меню «Содержание», которое также отображается постоянно и служит для быстрого перехода по главам и разделам учебного курса. По щелчку мыши по названию главы учебника осуществляется переход к этой главе.
В верхней его части находится заголовок электронного учебника и меню навигации, которое отображается постоянно и служит для быстрого перехода по его разделам, названия которых соответствуют названиям структурных блоков.
Рис. 2. Окно, отражающее титульный лист обучающей программы
Лекционный материал. Нажав кнопку «Лекционный материал», обучаемый переходит к электронной версии теоретического материала по курсу «Взаимодействие лазерного излучения с веществом». Теория представляет собой методическое учебное пособие Либенсона М.Н., Яковлева Е.Б., Шандыбиной Г. Д. «Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика). Часть 1». - СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. - 84 с.
Основу его содержания составляют пять глав. В первой главе рассмотрены основные положения классической электродинамики: уравнения Максвелла, оптические характеристики вещества, оптические постоянные вещества и его микрохарактеристики, дисперсионные соотношения.
В второй главе представлено исследование распространения электромагнитных волн в проводящих средах с помощью уравнений Максвелла с учетом материальных соотношений.
Третья глава посвящена изучению механизма поглощения излучения в металлах и их оптическим свойствам.
В четвертой главе рассмотрены механизмы поглощения света и передача энергии в полупроводниках, особенности собственного поглощения, внутризонное поглощение, кинетика фотовозбуждения полупроводников лазерным излучением, насыщение межзонного поглощения.
В пятой главе представлены поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона: их основные свойства, структура и распределение полей, условия существования, дисперсионные соотношения. Рассмотрены особенности распространения поверхностных плазмон-поляритонов на границе металла с диэлектриком, представлены методы возбуждения ПЭВ, а также дано представление о цилиндрических ПЭВ.
Глоссарий. Пункт навигационного меню «Глоссарий» - это переход к списку специальных терминов и понятий, выявленных в ходе работы над программой и вызывающих затруднение в понимании у студентов. На базе энциклопедических справочников [7] составлена их подробная расшифровка, послужившая основой для глоссария программы. Благодаря использованию гиперссылок в тексте учебника пользователь легко может ознакомиться с малоизвестным ему понятием.
Библиотека. Пункт «Библиотека» используется для перехода к перечню современных научных публикаций по разделам курса. Представлены статьи из отечественных и зарубежных физических журналов. Пользователь может использовать материал статьи для более углубленного анализа современного состояния изучаемого явления.
Тестирование. Тестовый контроль отличается от других методов контроля (устные и письменные экзамены, зачеты, контрольные работы и т.п.) тем, что он представляет собой специально подготовленный контрольный набор заданий, позволяющий надежно и адекватно количественно оценить знания обучающихся посредством статистических методов. Применение компьютерных средств при проведении тестового контроля не только облегчает работу преподавателя по проверке тестов, но и повышает мотивацию учебной деятельности учащихся, одновременно снижая их эмоциональную напряженность в процессе контроля [8].
Блок «Тестирование» используется для перехода к итоговому тесту, целью которого является проверка усвоения материала всего курса лекций, представленного в программе. Этот раздел начинается с регистрации студента, затем производится непосредственно тестирование пользователя по трем разделам курса: взаимодействие лазерного излучения с сильно поглощающими средами (металлы), поглощение света и передача энергии в полупроводник и поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона, выводятся результаты. На JavaScript реализовано случайное открытие пяти версий итогового теста. Пользователь заранее не знает, какой из тестов он будет проходить.
Рис. 3. Окна, соответствующие промежуточному тестированию
После изучения материала каждой части главы обучаемому предлагается пройти промежуточное тестирование (рис. 3). После нажатия на гиперссылку в виде рисунка вместо текста учебника открывается новое окно, в котором написан вопрос и варианты ответа с «флажком». Количество вариантов ответа в каждом таком тесте - 3. Верный ответ может быть только один. В конце окна теста размещена кнопка «Ответить». Студент выбирает галочками верный, на его взгляд, вариант ответа и нажимает кнопку «Ответить». Тест считается засчитанным, если отмечен галочкой верный вариант ответа и не отмечен ни один ложный вариант ответа. Принцип работы описанных тестов можно наглядно представить в виде схемы (рис. 4).
Рис. 4. Логическая схема промежуточного тестирования
После нажатия на кнопку «Ответить» при положительном результате тестирования появляется сообщение «Верный ответ», в противном случае - «Неверный ответ». Если все варианты ответа оказались верными, то программа осуществляет автоматический переход к следующему разделу учебника, в противном случае рекомендует изучить материал прочитанного раздела подробнее и переходит к нему. После всей этой процедуры студент может вновь повторить тестирование. После нескольких таких попыток он находит верный ответ, что стимулирует закрепление знаний.
Тест в конце каждой главы предназначен для закрепления изученного материала. Ответив в первый раз неверно, обучаемый читает главу снова более внимательно и затем снова проходит тест. Если и на этот раз ответ неверный, он читает главу вновь, и т. д. Поскольку вопросы содержат основной смысл главы, такие тесты позволяют основательно закрепить знания, содержащиеся в каждой главе.
Благодаря такому интерфейсу программу удобно использовать, и не требуется открывать множество дополнительных окон для того, чтобы наглядно представить информацию.
Заключение
В результате работы была создана обучающая программа по курсу «Взаимодействие лазерного излучения с веществом» (Механизмы поглощения и диссипации энергии в веществе). В процессе ее создания разработчиком был детально изучен весь теоретический материал данного курса, а также принципы создания обучающих элементов (тестирование, глоссарий). Была разработана структура и дизайна обучающей про-
граммы, написаны программные коды. В программу были включены тестовые вопросы в количестве 50 штук, а также составлен глоссарий из 60 терминов.
Основным средством разработки для рассматриваемой программы явился язык разметки текстовых документов HTML 4.0 и JavaScript. Широко известно, что язык HTML относится к интерпретируемым языкам, и создавался он как язык интерпретируемого типа для работы в сети Интернет, благодаря чему программа может использоваться в дистанционном обучении.
Представленная обучающая программа позволяет обновлять учебный материал в соответствии с современными физическими представлениями в области силовой оптики, дополнять глоссарий, вводить новые тесты и делать свежую подборку научных статей.
Литература
1. Педагогические технологии дистанционного обучения: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений / Под ред. Е.С. Полат. - М.: Академия, 2006. - 400 с.
2. Агофонов С.В., Джалиашвили З.О., Кречман Д.Л., Никифоров И.С., Ченосова Е.С., Юрков А.В. Методика, технология, инструментарий/ Под ред. З.О. Джалиашвили. -СПб: БХВ-Петербург, 2003. - 336 с.
3. Монахов В.М. Можно ли использовать традиционную дидактику проектирования модели e-Learning? // Открытое образование. - 2004. - №2. - С.4.
4. Мицель А. А., Молнина Е.В. Дистанционное образование как составляющая процесса формирования единого образовательного пространства // Открытое образование. -2006. - №2 - С 59.
5. Концепция создания и развития единой системы дистанционного образования в России (утверждена решением Совета ИДО МЭСИ от 29.04.1998 г.) // Открытое образование. - 1997. - №2. - С.4.
6. Подготовка и проведение учебных курсов в дистанционной форме обучения. Методические рекомендации преподавателям / Под ред. И.А. Цикина. - СПб: Изд-во СПбГТУ, 2000. - 69 с.
7. Моисеева М.В., Полат Е.С., Бухаркина М.Ю., Нежурина М.И. Интернет обучение: технологии педагогического дизайна / Под ред. М.В. Моисеевой. - М.: Издат. дом «Камерон», 2004. - 216 с.
8. Аванесов В.С. Композиция тестовых заданий. Учебная книга для преподавателей вузов, учителей школ, аспирантов и студентов педвузов. - М.: Ассоциация инженеров-педагогов Москвы, 1996. - 191 с.
9. Физическая энциклопедия / Под ред. А.М. Прохорова. В 6-ти т. - М.: Сов.энц., 1988. - 1998 с.
10. Матросов А.В., Сергеев А.О., Чаунин МП. HTML 4.0 - СПб: БХВ-Петербург, 2005 - 672 с.
11. Дронов В. А. Macromedia Dreamweaver 8.0 - СПб.: БХВ-Петербург, 2005 - 706 с.
12. Томас Пауэлл, Фриц Шнайдер. Полный справочник по JavaScript = JavaScript The Complete Reference. 2-е изд. - М.: Вильямс, 2007. - 960 с.
