Применение педагогических программных средств в обучении решению физических задач Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

>

<

ИНТЕГРАЦИЯ ОБРАЗОВАНИЯ

научных исследованиях. Цепочке этапов зи с этим появляется возможность изучать

применения компьютерного моделирова- не только модельные системы, но и систе-

ния в научных исследованиях «объект мо- мы, более близкие к реальным (с трением,

делирования —> модель —> компьютерное не линейные и т.д.).

Компьютерный эксперимент часто позволяет получать более детальную информацию о явлении или процессе, чем натурный. Он обладает свойством, позволяю-

моделирование

открытие» можно поста-

вить в соответствие цепочку «учебный

объект исследования

учебная модель

учебное компьютерное моделирование щим вычленять скрытые особенности и

учебное открытие (новые знания)».

детали для более подробного изучения, что

Использование компьютерного модели- в натурном эксперименте непросто.

рования в преподавании является средством

При использовании компьютерного мо-

интенсификации познавательной деятельно- делирования в учебном процессе существу-

сти, открывает возможности для преодоле- ет возможность комплексно использовать

ния описательного характера преподавания ЭВМ как экспериментальную установку

и увеличения доли самостоятельной работы для проведения исследований, как средство

обучаемых, а следовательно, средством пре- создания отчетов о них и презентации реодоления формализма в знаниях. Отправным зул ьтатов.

моментом в этом вопросе служит тезис Построение компьютерных моделей мо-

«Явление может считаться хорошо усвоен- жет являться объектом учебной деятельно-

ным, если построена его модель». Кроме сти при выполнении лабораторных работ по

того, использование компьютерного модели- ку рсу компьютерного моделирования; при

рования видится некоторым выходом из разработке рефератов, курсовых работ, за-

очень остро стоящей в настоящее время про- четных работ по вычислительной практике;

блемы технического оснащения учебного де- при организации кружковой работы и работы

монстрационного эксперимента, что наибо- студенческих исследовательских групп; при

лее актуально для экспериментальных дис- выполнении дипломных работ. Посредством

циплин. Освоив этот метод изучения систем этого в учебный процесс могут быть вклю-

и процессов, обучаемые получают возмож- чены модели новых явлений, что будет при-

ность продвинуться в их изучении дальше водить к обновлению фактического учебно-

рассмотрения уравнений и рассуждений о ка- го материала, а следовательно, к обновле-

чественных особенностях их решений. В свя- нию содержания образования.

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ В ОБУЧЕНИИ РЕШЕНИЮ ФИЗИЧЕСКИХ

ЗАДАЧ

С.В.Грызлов, ст. преподаватель кафедры МВТ

МГПИ им. М.Е.Евсевьева

Главным компонентом, определяющим

На основе проведенного анализа лите-

применение ЭВМ в процессе обучения ре- ратуры, посвященной вопросам использо-

шению физических задач, является исполь- вания ЭВМ в учебном процессе и иссле-

зуемое для этих целей программное обес- дованиям по разработке методов и средств

печение. При разработке и отборе педаго- компьютерного обучения, было выявлено,

гических программных средств предпоч- что наиболее удачным является использо-

тение, на наш взгляд, следует отдавать тем вание в процессе обучения программных

программам, с помощью которых можно средств, построенных по принципу действия

реализовать различные методические под- экспертно-обучающих систем. Экспертно-

ходы к обучению учащихся. обучающая система (ЭОС) - это програм-

6 6

№ 4, 2000

ма, реализующая ту или иную педагогическую цель на основе знаний эксперта в некоторой предметной области, осуществля-

быть в центре внимания при проектировании и разработке ЭОС.

Исходя из вышесказанного, мы оста-

ющая диагностику знаний обучаемых и уп- новились на создании обучающей программы, построенной по принципу действия эк-

также

ющая поведение на уровне экспертов (см.: спертно-обучающих систем. При ее про-

Петрушин В.А. Архитектура экспертнообучающих систем // Разработка и приме-

ектировке и построении нам представлялось необходимым учесть особенности и

нение экспертно-обучающих систем: Сб. преимущества ЭОС перед традиционными

науч. тр. М., 1989. С. 7 - 18).

В настоящее время не существует четко сформулированного подхода к созданию

системами обучения.

Разработанная обучающая система осуществляет решение комплекса задач о

и использованию ЭОС в учебном процес- движении тела по наклонной плоскости и

се. В то же время многие исследователи управляет деятельностью учащегося по

отмечают преимущества ЭОС перед тра- ходу решения. В систему заложены не-

диционными обучающими системами (см.: сколько вариантов задач: о движении тела

юв С.В. Экспертно-(обзор литературы)

по наклонной плоскости под действием силы тяжести с учетом силы трения (рис.

сти под действием внешней силы различ-

ниетела, движущегося по наклонной плос-

в высшей школе. М., 1996. № 4. 1 а); о движении тела по наклонной плоско-

2; Митрофанов Г.Ю. Экспертные системы в процессе обучения. М., 1989; ной ориентации (рис. 1 б-г). Во всех вари-

Петрушин В.А. Интеллектуальные обуча- антах задач требуется определить ускоре-

ющие системы: архитектура и методы реализации (обзор) // Известия АН. Техни- кости с нулевой начальной скоростью, если ческая кибернетика. 1993. № 2. С. 164 - известны угол наклона плоскости, коэффи-

189; Применение экспертных систем в обу- циент трения груза по наклонной плоско-

чении физике: Метод, рекомендации / Сост. сти, величина и направление внешней силы. Е.З. Власова. СПб., 1992). Это связано, по-видимому, с тем, что, хотя данная проблема достаточно глубоко исследована теоретически, практическое применение ЭОС затруднено из-за сравнительно небольшого числа существующих систем, ориентированных на процесс обучения.

обучающими

которые

системами, - задачи по определению смысла обучающих воздействий, их реализации и оценке. Для того чтобы систему можно было назвать обучающей, она должна быть непосредственно направлена на учебные цели, т.е. это должно быть ее основной, а не вспомогательной функцией. ЭОС должна обеспечивать не только и не столько решение конкретных задач, сколь-ко овладение учащимися знаниями, умения-ми. навыками, соответствующими способа-

в)

б)

г)

обучение

обучающих

Рис. 1. Варианты задач, решаемых с помощью обучающей системы

Обучающая система реализует следующие приемы обучения: компьютерное моделирование физической ситуации, о кото-

обобу- рой идет речь в задаче; управление дея-

чении и сведениях об учащихся, должны тельностью учащегося по ходу решения

ИНТЕГРАЦИЯ ОБРАЗОВАНИЯ

задачи с помощью эвристических средств; пошаговый контроль процесса решения за-

дачи; предъявление эталонного решения по просьбе учащегося.

Алгоритм работы обучающей системы представлен на рис. 2.

На начальном этапе обучения после выбора задачи учащемуся предоставляется возможность провести компьютерный эксперимент. Манипулируя компьютерной моделью, изменяя характеристики объектов и условия их взаимодействия, учащийся получает наглядное представление о

Начало

Выбор задачи

Компьютерный

эксперимент

Условие

задачи

Решение задачи

Вывод

решения

Выбор задачи

Решение задачи.

талоннное"---.,

*

решение^-^

Вывод

решения

Конец

Рис. 2. Алгоритм работы обучающей системы

динамике физического явления, описанного в задаче. Также предусмотрена графическая интерпретация зависимостей между физическими величинами, о которых идет речь в задаче. Такое сочетание компьютерного моделирования с графической интерпретацией физического процесса или явления позволяет учащемуся более полно провести анализ условия задачи.

В окне эксперимента изображена наклонная плоскость с находящимся на ней телом (рис. 3). Изменяя параметры системы (угол наклона, массу тела, коэффициент трения), учащийся может наблюдать за работой компьютерной модели. Движение тела по наклонной плоскости осуществляется в реальном времени с учетом свойств и парамет-ров физической ситуации задачи.

_ I С і 1 1 ! 1 I

1 11 1 Г Г Т '" г

I

[С , 1 1,1 г

1 III г г гг

Масса

Угол:

<11 10 О 35

О 15 О 40

О 20 О 45

О 25 О 50

1.5

0.31

Рис. 3. Окно эксперимента обучающей системы

Управление и диалог с системой осу- ление осей координат и точку приложения

ществляются с помощью манипулятора действующих сил), выполняет это дей-

«мышь»': ствие. После подтверждения выбора от-

После наблюдения за компьютерной вета обучающая система анализирует от-

моделью, выделив ее основные элементы, вет и выдает сообщение о его правильнос-

определив, как изменяется состояние ти. В случае ошибки на экран выводится

объектов и что является причиной этого подсказка, ознакомившись с которой уча-

изменения, установив физические величи- щийся может повторить выбор ответа,

ны, которые могут характеризовать свой- Если же ответ учащегося вновь неверен,

ства объектов, и условия их взаимодей- система предлагает ему решить тестовые

ствия, учащийся переходит к решению задачи, подробно объясняя их решение.

выбранной задачи.

После этого система возвращает уча-

На мониторе открывается окно реше- щегося к решению основной задачи. Ему

ния задачи (рис. 4).

предлагается ответить на вопрос, который

В режиме решения управление осуще- вызвал затруднение, на основе решения ствляется следующим образом. На мони- тестовых задач. Если и в этом случае ответ учащегося неверный, система сама

торе высвечиваются вопрос и предлагаемые системой варианты ответов. Учащий-

формулирует правильный ответ, подробно

ся с помощью «мыши» выбирает верный, его объясняя. Затем в окне решения

на его взгляд, вариант ответа либо, если высвечивается следующий вопрос, и т.д.

система просит учащегося выполнить ка- В режиме обучения система «направ-

кое-то действие (например, указать направ- ляет» действия и ход мыслей учащегося

ИНТЕГРАЦИЯ ОБРАЗОВАНИЯ

Выберите правильные ответы и нажмите кнопку ’>>'

Рис. 4. Окно решения задачи обучающей системы

по заложенному в ней алгоритму решения задач по механике, описанному А.В.Усовой, Н.Н.Тулькибаевой (Практикум по

учащимся задачи с использованием обучающей системы: допущенные им ошибки, неверные действия, время работы с системой,

решению физических задач. М., 1992). Цель т.е. информация, которая позволяет произве-системы на данном этапе - показать учаще- сти статистический сбор данных об успехах муся алгоритм решения задач о движении тела по наклонной плоскости; цель учащегося - овладеть знаниями и навыками, необходимыми для решения задач данного класса.

После решения задачи по просьбе уча-

щегося на экран выводятся план решения задачи с объяснением, краткая его запись или окончательная формула.

учащегося в умении решать задачи.

Таким образом, во время решения учат щимся задачи система фиксирует все допущенные им ошибки и недочеты. На основе этой информации по окончании сеанса обучения на монитор выводятся сообщения о допущенных ошибках. При необходимости учащемуся предлагается ряд типовых задач,

Затем система предлагает учащему- ориентированных на заполнение пробелов в

ся решить более сложную задачу, провести диагностику своих знаний и умений или закончить работу с системой. Работая в

знаниях, выявленных при решении данной задачи.

Созданная обучающая система, постро*

режиме демонстрации эталонного решения, енная по принципу действия экспертно-обучающих систем, предоставляет учащемуся относительную самостоятельность в выбо-

система сама решает задачу и поясняет свои действия.

При разработке обучающей системы мы ре задач, обращении за помощью и в то же

стремились, прежде всего, дать учащимся возможность самим выполнять формируе-

время управляет его учением, предлагая теоретический материал, нужный ему для ус-

мые у них действия и фиксировать в опреде- воения способа решения задач, осуществляя

ленной форме результаты их выполнения. В диагностику знаний, формируя у учащегося

связи с последним возникла необходимость умения и навыки, необходимые ему для ре-

ввести в систему модель обучаемого, в ко- шения комплекса задач о движении тела по

торой хранилась бы информация о решении наклонной плоскости.