CC BY
51
УДК 378:353:65.9
Kleschova N.A., Shilova E.S. DESIGN OF INFORMATIONAL SUPPORT TOOLS FOR EDUCATIONAL PROCESS IN PHYSICS. The article offers a multi-level procedure of development of disciplinary informative-educational environment, supporting integral educational process in the system of subject training on physics in a technical university. Basic structural elements of disciplinary informative-educational environment are described; the choice of development toolbox is reasoned.
Key words: computer-aided technologies, informative and educational environment, system of subject training on physics, practicum simulation modeling, test technologies, computer-aided testing systems, CASE-technologies, UML-modeling.
Н.А. Клещёва, д-р пед. наук, проф. каф. общей физики ДВФУ, г. Владивосток, E-mail: klenel@mail.ru;
Е.С. Шилова, ассистент каф. общей физики ДВФУ, г. Владивосток, E-mail: november1307@mail.ru
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СРЕДСТВ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА ПО ФИЗИКЕ
В статье предложена многоуровневая процедура проектирования дисциплинарной информационно-образовательной среды (ДИОС), функционирующей в системе предметной подготовки по физике в техническом вузе. Определены основные этапы проектирования, описаны основные структурные элементы ДИОС, обосновывается выбор инструментальных средств их проектирования.
Ключевые слова: компьютерные технологии, информационно-образовательная среда, система предметной подготовки по физике, имитационное моделирование лабораторных работ, тестовые технологии, автоматизированная система тестирования, CASE-технологии, UML-моделирование.
Информационные компьютерные технологии представляют собой широкий спектр инструментальных и педагогических средств повышения эффективности и доступности образовательного процесса подготовки специалистов. Современный уровень развития сетевых технологий позволяет объединять в систему методическое, программное и математическое обеспечение, формируя, тем самым, единую информационно-образовательную среду (ИОС). Разработка таких сред особенно актуальна для учебных дисциплин, обладающих сложной структурой предметной подготовки. Для обеспечения целостности учебного процесса для таких дисциплин должна быть организована система комплексной информационной поддержки образовательного процесса, объединенная общей педагогически целесообразной методологией использования компьютерных технологий на всех структурных элементах предметной подготовки.
В системе инженерной подготовки к числу дисциплин, для которых необходима разработка реально функционирующей информационно-образовательной среды, безусловно, относится физика. Сложность программного материала, наблюдаемая тенденция к уменьшению числа часов, отводимого на аудиторную работу студентов, актуализируют внедрение средств информационной поддержки традиционной практики образовательного процесса.
Эффективность функционирования любой ИОС, в свою очередь, определяется целевой согласованностью процессов разработки ее методических и программно-технических средств реализации. По нашему мнению, основной причиной недостаточной эффективности существующих ИОС является некоррелиру-емость, «оторванность» процесса проектирования системы информационной поддержки от процесса разработки учебно-методического обеспечения. В полной мере решить эту проблему позволяют современные средства проектирования сложных информационных систем - CASE технологии. Концептуальной основой данных технологий являются методологии системного анализа и моделирования, позволяющие на этапе создания информационной системы обеспечить следующие позиции: требуемую функциональность системы и адаптивность к изменяющимся условиям ее функционирования; проектирование реализуемых в системе объектов данных; проектирование программ и средств интерфейса, которые будут обеспечивать выполнение запросов к данным; учет конкретной среды или технологии реализации проекта, а именно: топологии сети, конфигурации аппаратных средств, используемой архитектуры [1]. Кроме того, разработанный на языке им^(язык CASE-технологий) план может включать в себя программные классы, написанные на различных языках программирования, схемы баз данных, программные компоненты многократного использования. Визуальность и интуитивная понятность соответствующей части разделов языка UML позво-
ляет привлекать различных консультантов, например опытных преподавателей и психологов, к работе над созданием системы.
В Дальневосточном государственном техническом университете (с сентября 2011 - Дальневосточный федеральный университет) группой разработчиков под руководством авторов проводились исследования, связанные с проектированием и реализацией рабочего прототипа дисциплинарной информационно-образовательной среды (ДИОС) предметной подготовки по физике. В статье описываются основные структурные элементы разработанной ДИОС, анализируются их функциональные возможности, обсуждаются перспективы использования в образовательном процессе.
СИСТЕМА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Важнейшим структурным элементом предметной подготовки по физике являются лабораторные работы. Одно из преимуществ данного вида занятий состоит в том, что они интегрируют теоретико-методологические знания и практические умения студентов в единой учебно-исследовательской деятельности. В системе лабораторных работ компьютеры используются в самых различных аспектах: для проведения студентами расчетов, для автоматизации методик оценивания погрешностей лабораторных измерений, для проведения автоматизированного опроса теоретического материала, для проведения с помощью компьютеров имитационных экспериментов, которые сложно воспроизвести на имеющемся лабораторном оборудовании.
При формировании общей направленности автоматизации лабораторных работ по физике для студентов специальностей технического профиля наибольший интерес представляет именно последний аспект: компьютеры как инструмент для полноценной имитации реального физического эксперимента. В настоящее время существует много «официально одобренных» версий организации компьютерных лабораторных работ с привлечением методов имитационного моделирования по всем разделам курса физики. Однако, использование таких разработок зачастую сопряжено с определенными трудностями. Предлагаемые для моделирования комплексы лабораторных работ не всегда соответствуют реально существующим лабораторным работам в физических лабораториях, что затрудняет возможность проведения натурного эксперимента. Кроме того, возникают проблемы технического характера, связанные с несовместимостью конфигураций средств вычислительной техники, с отладкой программного обеспечения.
Поиск оптимального направления «включения» средств автоматизации в систему лабораторных работ по физике обусловил разработку общей концепции организации физического ком-
пьютерного практикума для всех разделов курса физики, изучаемых в техническом вузе. Данная концепция базируется на следующих принципах [2]:
• принцип соответствия модельного и натурного эксперимента;
• принцип преемственности в организации лабораторной работы;
• принцип дидактической полноты педагогического сценария;
• принцип индивидуализации учебной деятельности на занятии;
• принцип «дружественности» интерфейса программы с пользователем.
Безусловно, компьютерное моделирование не должно полностью заменить традиционную практику проведения лабораторных работ по физике. Основными критериями для выбора подлежащих первоочередной компьютеризации лабораторных работ должны выступать:
- необходимость реализации при рассмотрении данной темы учебного курса дидактически более полноценного комплекса физических экспериментов;
- возможность разработки программных средств имитационного эксперимента, адекватных реальному эксперименту и способных выполняться с приемлемыми временными затратами на имеющихся в лаборатории средствах вычислительной техники.
Например, для специальности «Радиосвязь и телевидение» в комплекс работ по волновой оптике было включено несколько работ по основным разделам Фурье-оптики, являющейся важным разделом современной физической оптики. Использование основных понятий Фурье-оптики позволяет единообразно рассматривать вопросы дифракции и интерференции света, теории формирования изображений, пространственно-частотной фильтрации, голографии [3]. Постановка полноценного лабораторного практикума по Фурье-оптике требует применения дорогостоящего оборудования: лазеров, высокоточной оптики, оптических скамей, голографических установок. Многие вузы не располагают в полной мере соответствующей технической базой оптического эксперимента. Однако, практически в каждом вузе в том или ином виде существует внутренняя компьютерная сеть (Интранет-сеть), объединяющая компьютеры учебных компьютерных классов, кафедр, других учебно-научных подразделений. Это открывает новые возможности в организации учебного процесса в вузе, в частности, при проведении лабораторных практикумов.
Основная идея заключается в том, что студент на каждом лабораторном занятии должен провести как реальные эксперименты на оптических установках, так и компьютерные имитационные эксперименты. При выполнении компьютерной части каждой работы студент последовательно проходит следующие этапы физического эксперимента.
1. Воспроизведение проведенных на реальном оборудовании лабораторных экспериментов. На этом этапе студент должен:
• удостовериться в справедливости математической модели рассматриваемого явления, лежащей в основе программы имитационного моделирования;
• оценить типовые искажения, обусловленные несовершенством реальных оптических элементов и неточностью сборки оптической схемы в целом;
• получить представление о специфических артефактах цифровых алгоритмов имитационного моделирования, особенностях их проявления в различных экспериментах и возможных способах нейтрализации их влияния.
2. Воспроизведение реальных лабораторных экспериментов при критических значениях параметров, трудно реализуемых на имеющемся оборудовании.
3. Проведение дидактически важных имитационных экспериментов, которые принципиально невозможно выполнить на имеющемся лабораторном оборудовании.
4. Проведение имитационных экспериментов, самостоятельно конструируемых студентами с целью получения тех или иных требуемых в задании оптических эффектов.
При такой организации компьютерного физического практикума занятия могут проводиться в любых лабораториях вуза, имеющих компьютеры, подключенные к Интранет-сети института. Тем самым обеспечивается высокая мобильность организационной структуры практикума, актуальная в рамках многопрофильного технического вуза, с территориально разнесенными учебными
корпусами. Студент с любого компьютера с помощью обычного Интернет-браузера заходит на НТМ^-страницу институтского сервера, соответствующую физическому практикуму, регистрируется, проходит тестовый опрос и получает индивидуальные задания.
Компьютерным ядром практикума является моделирующая программа, которая предоставляет возможности виртуальной сборки типовых систем Фурье-оптики [4]. Студент произвольно «устанавливает» на оптическую скамью лазер, диафрагмы, транспаранты с произвольно конструируемыми амплитудными и фазовыми функциями пропускания, линзы, различные типы фоторегистраторов. Далее программно имитируется прохождение светового потока от лазера последовательно через все элементы системы вплоть до плоскости регистрации. Расчет типовых оптических экспериментов при представлении плоского сечения оптического потока осуществляется за время порядка 30-40 секунд.
Универсальный характер предлагаемой технологии проведения компьютерных лабораторных работ позволяет использовать ее не только в рамках физического практикума, но и при проведении спецпрактикумов по физической оптике и радиофизике. Тем самым, еще раз неявно акцентируется ведущая фундаментальная роль физического знания в системе наук технического профиля. Кроме того, для многих студентов возможность непосредственного участия в организации имитационного эксперимента расширена за счет подключения их к разработке программного обеспечения. Разработанные студентами моделирующие программы, после того как они приняты в эксплуатацию, представляются ими как курсовые проекты по дисциплинам специальности.
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ТЕСТИРОВАНИЯ ЗНАНИЙ
При выборе исходных установок, определяющих концептуальную направленность проектирования данной системы, основной задачей была определена комплексная реализация методической и программно-технической ее подсистем. Поскольку каждая из подсистем АСТ должна быть должна быть представлена в сложной архитектуре, и самое главное, поддерживать взаимное функционирование, в качестве универсального средства их разработки были выбраны CASE-технологии. Их применение позволяет разработать детальный план функционирования АСТ, содержащий не только ее концептуальные элементы, такие как организация сеансов тестирования, но и конкретные особенности, начиная от спецификации общего назначения и описания круга пользователей системы, и заканчивая схемами физического размещения аппаратных и программных элементов системы тестирования.
Разработка методической подсистемы предполагала следующие виды деятельности:
• выбор структурных элементов системы предметной подготовки по физике, на которых наиболее эффективно использование тестовых технологий;
• определение системы знаний, подлежащих тестированию;
• отображение и структурирование учебного материала, используемого для контроля знаний;
• составление тестовых заданий;
• разработка методики и организации проведения сеансов тестирования.
Программно-техническая часть разработки АСТ заключалась в создании интегрированной базы данных всей учебной и организационно-методической информации и разработке автоматизированных рабочих мест всех предполагаемых участников педагогического взаимодействия.
Использование CASE-технологий в процессе разработки АСТ позволило последовательно реализовать все необходимые этапы проектирования информационных систем: анализ деловой сферы, проектирование архитектуры системы, реализация системы, оценка ее качества и эффективности. На основе анализа деловой сферы проектируемой системы были определены следующие ее ролевые функции: руководитель проекта, программный администратор, программисты, операторы, преподаватели-пользователи, преподаватели - авторы тестовых вопросов, методисты - разработчики схем тестирования (шаблонов тестирования) для разных тем и организационных форм проведения занятий, тестируемые студенты.
При проектировании данной системы были созданы следующие иМ^-диаграммы [5]:
- диаграмма деловых прецедентов, описывающая основные функциональные сервисы разрабатываемой системы;
- контекстная диаграмма, представляющая собой общее описание системы и ее взаимодействие с внешней средой;
- диаграммы декомпозиции, описывающие каждый модуль системы; диаграммы видов деятельности, подробно описывающие прецедент и помогающие разработчику понять, какие действия предусматривает данный вид деятельности.
Разработанная система выполняет следующие функции: составление тестовых заданий, проведение их статистического и семантического анализа, составление шаблонов для различных типов тестирования, организацию сеансов тестирования по разработанным шаблонам, ведение текущей и пролонгированной статистики по каждому студенту по разработанным системам оценивания.
Таким образом, взаимное проектирование обеих подсистем на основе UML-моделирования позволило разработать автоматизированную систему тестирования, обладающую широким спектром дидактического и программного назначения. С учетом структуры предметной подготовки по физике были предусмотрены четыре основные схемы (шаблоны) тестирования. Для системы аудиторной работы студентов реализованы шаблоны «Практическое занятие» и «Лабораторная работа»; в системе самостоятельной работы - шаблоны «Самоконтроль» и «Пересдача». Последний шаблон может применяться как для текущего, так и для рубежного тестирования. В каждом шаблоне обозначены следующие позиции: число учебных тем, включенных в данную процедуру тестирования, общее число вопросов, число вопросов, по каждой теме (подтеме), уровень сложности вопроса, время тестирования и схема назначения оценки. Система оценивания в каждом шаблоне использует однопорядковую шкалу для возможности ведения «сквозного» рейтинга внутри системы предметной подготовки по физике. В разных шаблонах могут использоваться одинаковые тестовые задания, однако схема назначения оценки и вес каждого отдельного задания будут различны для разных шаблонов. Сеанс тестирования проходит на нескольких уровнях сложности. На каждом уровне предъявляется определенное число вопросов, соответствующих количеству дидактических единиц, определяющих содержательный объем структурного элемента предметной подготовки по физике, по которому проводится тестирование. Выбор вопроса осуществляется случайным образом из интегрированного банка заданий.
Для реализации обозначенных функций использовалась среда Borland Developer Studio 2006, являющаяся средой объектноориентированного программирования, что в свою очередь дает в руки разработчика гибкий инструмент разработки интерфейсов для приложений. Для работы с базой данных использовалась СУБД InterBase, отличающаяся простотой в установке и легкос-
Библиографический список
тью в администрировании. Для разработанной системы тестирования с помощью этой СУБД была создана база данных, содержащая необходимое количество таблиц (полей) и строк (записей). Таблицам были даны следующие названия: План, Роли, Пользователи, Учебные темы, Тесты, Шаблоны, Результаты. Каждое поле содержит соответствующие ему записи. Например, для поля «План» были определены следующие строки: Дата, Время, Преподаватель, Группа, Шаблон. Взаимодействие базы данных с системными пользователями было обеспечено с помощью интерфейсов всех пользователей, для которых были обозначены ролевые функции.
Разработанное программно-техническое обеспечение системы ориентировано на территориальную разнесенность учебных корпусов Дальневосточного федерального университета. Преподаватели кафедры физики распределенно из различных мест в локальной компьютерной сети вуза могут выполнять следующие виды деятельности: пополнять базу тестовых вопросов, базу схем тестирования, проводить сеансы тестирования студенческих групп и отдельных студентов на всех видах занятий. По всем видам тестирования ведется подробная статистика, результаты которой учитываются при выставлении итоговой оценки по семестровому циклу обучения.
Пилотные испытания работоспособности данной системы показали, что она обеспечивает возможность педагогической диагностики учебного процесса, поскольку позволяет обобщать и анализировать результаты тестирования студентов по заданным блокам учебного материала (программы в целом, разделу программы, отдельным темам), а также осуществлять коррекцию учебного процесса с целью повышения его качества. Кроме того, принцип «дружественности интерфейса», положенный в основу разработки интерфейсов пользователей (особенно тестируемых студентов) позволил свести к минимуму «психологический дискомфорт», обычно сопровождающий традиционные схемы проведения контроля знаний студентов по физике.
Таким образом, в статье описаны два структурных элемента проектируемой дисциплинарной информационно-образовательной среды предметной подготовки по физике, которые прошли апробацию в практике учебного процесса. В стадии технической разработки находится система компьютерного сопровождения лекций, разрабатываемая в виде НТМ^-файлов в структуре и логике лекционного курса, читаемого авторами. Также в стадии разработки находится автоматизированная система обучения решению физических задач, которая могла бы функционировать как в системе практических занятий, так и работать автономно в режиме самостоятельной работы студентов. Проектирование этого структурного элемента ДИОС ведется на той же концептуальной основе, что и автоматизированной системы тестирования, т.е. с привлечением CASE-технологий.
1. CASE-средства и инструменты поддержки всех этапов разработки ПО Computer Associates [Э/р]. - Р/д: http//www.interface.ru/ca/cah.htm.
2. Клещева, Н.А. Перспективные направления совершенствования процесса обучения в техническом вузе: учебно-методическое пособие / Н.А. Клещева, Е.В. Штагер, Е.С. Шилова. - Владивосток, 2007.
3. Старк, Г. Теория и измерение оптических Фурье-спектров // Применение методов Фурье-оптики. - М., 1998.
4. Грудин, Б.Н. Оптико-электронная обработка изображений: учеб. пособие / Б.Н. Грудин, Н.А. Клещева, В.К. Фищенко. - Владивосток, 2004.
5.Клещева, Н.А. UML-моделирование как инструментальное средство проектирования системы автоматизированного контроля знаний студентов / Н.А. Клещева, Е.С. Шилова // Научное обозрение. - 2007. - № 6.
Bibliography
1. CASE-sredstva i instrumentih podderzhki vsekh ehtapov razrabotki PO Computer Associates [Eh/r]. - R/d: http//www.interface.ru/ca/cah.htm.
2. Kletheva, N.A. Perspektivnihe napravleniya sovershenstvovaniya processa obucheniya v tekhnicheskom vuze: uchebno-metodicheskoe posobie / N.A. Kletheva, E.V. Shtager, E.S. Shilova. - Vladivostok, 2007.
3. Stark, G. Teoriya i izmerenie opticheskikh Furje-spektrov // Primenenie metodov Furje-optiki. - M., 1998.
4. Grudin, B.N. Optiko-ehlektronnaya obrabotka izobrazheniyj: ucheb. posobie / B.N. Grudin, N.A. Kletheva, V.K. Fithenko. - Vladivostok, 2004.
5.Kletheva, N.A. UML-modelirovanie kak instrumentaljnoe sredstvo proektirovaniya sistemih avtomatizirovannogo kontrolya znaniyj studentov / N.A. Kletheva, E.S. Shilova // Nauchnoe obozrenie. - 2007. - № 6.
Отатья поступила в редакцию 12.02.12
УДК 78.03
Krilova А. MUSIC OF NIGHT: FROM THE METAPHOR TO EVENT. The article is devoted to the image of the night in art. It gives the analysis of archetypal features of the night sounds embodiment in the works of composers of different styles. Also it touches upon the use of the value of this image in the organization of the events entitled the Night of Music.
Key words: night, archetype, value, music, composer, performer, festival.
