Разработка компьютерной контролирующе-обучающей программы «Строение атома и периодическая система элементов» Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

И. М. ЗЫРЯНОВА П. М. БАХТЫЗИН

Омский государственный университет путей сообщения

Омский государственный технический университет

УДК 681. 3.

РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ КОНТРОЛИРУЮЩЕ-ОБУЧАЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ «СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ»

К РАССМОТРЕНИЮ ПРЕДЛАГАЕТСЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ ОБУЧАЮЩЕ-КОНТРОЛИРУ-ЮЩАЯ ПРОГРАММА ОБЩЕЙ ХИМИИ «СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ» . ПРОГРАММА СОСТОИТ ИЗ ТРЕХ РАЗДЕЛОВ: ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ АТОМА, ПЕРИОДИЧНОСТЬ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ, СТРОЕНИЕ ЯДРА. ЗДЕСЬ СОДЕРЖАТСЯ ВАЖНЕЙШИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ, ПРИМЕРЫ, ТАБЛИЦЫ, А ТАКЖЕ ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ УПРАЖНЕНИЯ ПО ВСЕМ РАЗДЕЛАМ. ПРОГРАММА РАБОТАЕТ В ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ WINDOWS 95; 98; NT; 2000; ME (MILLENNIUM). МИНИМАЛЬНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ: Р - 133; RAM -16 MB.

Совершенствование обучения, обновление содержания учебного процесса целесообразно связывать с применением новых образовательных технологий [1], способных активизировать участие студентов в учебной деятельности, в том числе за счет увеличения самостоятельной работы.

Развивающаяся в настоящее время технология компьютерного обучения позволяет интенсифицировать учебный процесс, используя новые информационные технологии; внедрить эффективные методы обучения и контроля.

Современные средства вычислительной техники позволяют разрабатывать компьютерные системы, которые ориентированы на конкретные дисциплины и могут сочетать контролирующие и обучающие функции [2]. При разработке таких программ должны учитываться следующие принципы:

1. Компьютерная система должна позволять преподавателю сосредоточить внимание на отдельных проблемах каждого студента.

2. Компьютерная система может бьггь использована не только для итоговой проверки, но и для текущего контроля, промежуточной аттестации по отдельным темам, а также для самоконтроля студентов.

3. Важной особенностью компьютерных программ является простота использования, т.е. не требуется специальных знаний при работе на ПЭВМ.

4. При недостатке компьютерной оснащенности система должна позволять распечатать необходимое число сценариев проверочных работ и провести экзамен традиционно.

5. Универсальность программной оболочки должна позволять использовать систему практически для любой отрасли знаний, ее можно адаптировать к различным по объему и содержанию учебным программам одной и той же дисциплины в различных вузах.

Таким образом, использование новых информационных технологий в учебном процессе позволяет

а) повысить темп проведения аудиторных занятий за счет создания иллюстрированных материалов, информационно-справочных систем, компьютерных контролирующих программ ит. д.;

б)активизировать процесс обучения при использовании системы Internet, что позволяет расширить информацию об изучаемых процессах и явлениях;

в) создать возможность и условия для индивидуализации обучения, активизировать самостоятельную работу студентов;

г) эффективно, продуктивно и объективно осуществить контроль знаний.

Итак, целесообразность применения информационных технологий в процессе обучения не вызывает сомнений, однако эффективность этого технического средства значительно возрастает при систематическом использовании в сочетании с традиционными формами обучения.

Рис.1. Регистрация студента.

Общая химия представляет собой теоретические основы системы знаний о веществе и химических процессах [3]. Фундаментальным является учение о строении вещества и о периодичности изменения свойств элементов. Периодический закон является самым важным химическим законом, а опирающаяся на него периодическая система не имеет равных по плотности, сложности и полноте содержащейся в ней информации. Более того, этот закон, по сути, является одним из важнейших законов естествознания и используется большинством ученых-естественников, инженерных работников, преподавателей, студентов.

Таким образом, актуальность и значимость изучения данной темы очевидна.

К рассмотрению предлагается компьютерная обучающе-контролирующая программа "Строение атома и периодическая система элементов". В основе данной программы лежит авторская работа - учебно-методическое пособие по данной теме [4].

Работа с обучающе-контролирующей программой начинается с запуска, после чего на дисплее появляется заставка. Вход в программу осуществляется нажатием клавиши "Enter". В опции "Регистрация" необходимо ввести свой индивидуальный шифр: Ф.И.О., № группы, вариант экзаменационного задания "рис.1". Результаты экзамена автоматически сохраняются в журнале преподавателя, где фиксируется дата сдачи и рейтинговая оценка. Если обучаемый не ввел свой вариант экзаменационного задания, дальнейшая работа с программой блокируется. После заполнения всех установочных параметров посредством главного меню "рис.2 "можно войти в основные блоки программы и использовать их как самостоятельно, так и в едином комплекте.

Рис.2. Основное меню.

Блоки ("Изучение теории", "Упражнения", "Экзамен") имеют разветвленную структуру и включают теоретический, справочный материал, набор упражнений и заданий различной степени сложности. С помощью специальных кнопок выбирают теоретический материал, виды заданий.

Блок "Изучение теории" содержит три информационно-справочных раздела:

1. Электронное строение атома (Р1).

2. Периодичность свойств элементов (Р2).

3. Строение ядра. Элементарные частицы (РЗ).

Данные теоретические разделы содержат важнейшие

сведения, понятия, определения, таблицы, графики и разобранные примеры. В разделе "Строение ядра. Элементарные частицы" прослеживается аналогия между периодическими закономерностями в строении атомов и ядер, которая базируется на понятии оболочечной модели ядра. Эта аналогия еще более подчеркивает универсальный естественнонаучный характер периодического закона.

При изучении теоретических разделов осуществляется накопление знаний и переработка полученной информации. Например, в информационно-справочном разделе "Периодичность свойств элементов" рассматриваются следующие темы: структура периодической системы, периодичность свойств атомов, атомные и ионные радиусы, степень окисления и т. д. "рис. 3". Используя специальные кнопки-клавиши, можно выходить в различные подразделы, причем по мере усвоения материала возможен переход в другие блоки программы.

В частности, закрепление полученных знаний осуществляется в блоке "Упражнения". Этот блок содержит контрольные вопросы и упражнения по соответствующим теоретическим разделам (Р1, Р2, РЗ). Режим "Упражнения" предназначен для текущего контроля знаний обучаемого по материалу конкретного информационного раздела и имеет два основных этапа функционирования:

1) непосредственно предъявление вопросов и фиксирование результатов ответов на них;

2) представление протокола работы студента с соответствующим рейтингом.

Например, в качестве методического обеспечения предлагается упражнение по теме: "Строение ядра. Элементарные частицы":

Вариант 1

1. Наибольшим проникающим эффектом обладают:

а) а-излучение; б) р-излучение; в) у-лучи;г) тепловые нейтроны; д) нейтрино.

2. При радиоактивном превращении радия-226 в радон-222 помимо радона образуется:

а) р-частица; б) стабильный изотоп свинца; в) протон; г)а-частица; д) нейтрон.

3. Гамма излучение представляет собой поток:

а) ядер гелия; б) электронов с одинаковой энергией; в) теп-

цпри арк

'.йатяцМе

Слсэдкв

Наибольшим гфонйкающим эффектом обладают:

а) а-излучение;

б)0- и'^лучение,

в) у-лучи;

) тепловыенбйтроны. д) нейтрино,

Рис.3. Информационно-справочный раздел" и опция "Упражнения".

ловых нейтронов; г) квантов электромагнитного излучения; д) протонов.

4. В случае перехода 41иСа —> 411вК имеет место превращение типа:

а)а-распад; б) р-излучение; в) электронный захват, г) испускание протона; д) р-распад.

5. Закончите схему реакции: °4Ве + <2Не —> 1гвС + X, выбрав свой вариант ответа:

а)\р; б)>; в^Н; г)\Н\

При работе в режиме "Упражнения" студент имеет возможность возврата к информационно-справочным разделам "рис. 3". Работа с данной компьютерной программой может осуществляться обучаемым как самостоятельно, так и под контролем преподавателя. Контроль позволяет оценить состояние знаний по материалам теоретического раздела за счет фиксирования правильных и неправильных ответов. Вопросы имеют различную степень сложности. Правильные ответы выбираются студентом из числа предложенных щелчком мыши по ну-мерованным кнопкам (на один вопрос дается пять вариантов ответа, один из них верный). Студент может выполнить упражнения по всем теоретическим разделам, причем количество выполненных упражнений и набран-ных баллов соответственно будет определять рейтинг обучаемого.

Формирование оценки осуществляется сравнением ответа студента с содержанием банка ответов, оценка фиксируется в баллах: от 0 до 5. Общая сумма баллов принимается равной 100 %. После завершения работы на экране демонстрируются (численно и графически) полученные результаты, итоговое число баллов по отдельным информационным разделам и в целом "рис. 4".

Общий результат позволяет стимулировать дальнейшую работу обучаемого по изучению данной темы. В режиме самостоятельной работы после выбора теоретического

»таи

-Смоете нЬйи. члиттл:

.Ви добрели Ь Ооппов.

т

1.Ы»!

вкдеЯ шм

Рис.4. Рейтинговая оценка по отдельным разделам и в целом.

раздела и варианта упражнения студент приступает к выполнению задания. Возможность возврата к теоретическому материалу позволяет продолжить работу над индивидуальным заданием до пблучения положительной'оценки, а затем выйти в режим "Экзамен" и самостоятельно оценить свои знания. Прй^гереходе непосредственно в режим "Экзамен" вход в теоретические разделы блокируется.

Текущий контроль по данной теме осуществляется в блоке "Экзамен", примером методического обеспечения такого контроля является следующее тестовое задание:

Вариант7

1. Какую одинаковую характеристику имеют Ме°, №*, Р?

а) массовое число; б) число нейтронов; в) число ¡электронов; г) число протонов; д) сумму протонов и нейтронов.

2. Величина главного квантового числа определяет степень удаления от ядра точек с максимальной электронной плотностью, т<* есть:

а) энергию ионизации атома; б) размер электронного облока; в) форму электронного облака; г) спин электрона; д) ориентацию электронного облака в пространстве.

3. Как изменяются значения первых потенциалов ионизации в ряду элементов лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода, фтора и неона?

а) увеличиваются; б) уменьшаются; в) изменяются нерегулярно, но имеют тенденцию к возрастанию; г) не изменяются; д) периодически уменьшаются и увеличиваются.

4. Изоэлектронн'ыми (т.е. содержащими одинаковое число электронов) будут среди Мп2* ; Со3*; Ре2*; №2* следующие:

а) Ре2*; Со3*; б)Мп2*;Ре2*; в) Со3*; М2*; г) Мп2*; М2*; д) Со3*; Ре2*; Мп2*.

5. Наименьшее число неспаренных электронов на подуровне имеет в основном состоянии атом элемента-лантаноида:

а) е2®т; б)езЕи; Г)65ТЬ; д) беТт.

Результаты контроля фиксируются в ведомости (в расчете на 20 человек), причем согласно плану занятий в журнале преподавателя можно зафиксировать как оценку

' (Ф&милж- ; -(Сийоров-

Васечы«

Петров

Иванов

ГР»<» Г"

20а

(Вввиня 1 Вариант 1 .

(Решю^ливдюотА 1- ¿5;~, ^мгойзлло»' ] 28

(Экзаменационная оценка: | 5;

Заньоь

Рис. 5. Журнал преподавателя.

Пигенииалионизаини ПвДлантонокдов

агомокот

....../юрядкоеур-номераэпеиещ-а ^

■Заеиамосгь эй-тов(неЧ(г㹫}

Заеисимоогмюсмич; распределен ап-тов(четпые)

. С^спй>'М51оКтрон^ипвреоЙ51щгни ибнюДОи-__-. аг'порядковсго намеро а Дамбнга___

•'••3? ЖВМИМЯИ.-а?.

пф^овогаяомвдез лепета -

Переодическлятзйяииа ДМенавлаева

Рис. 6. Справочный раздел.

за экзаменационное задание, так и рейтинговую оценку "рис. 5" в целом. При выполнении задания студент может использовать необходимый справочный материал" рис.6". Список вопросов и варианты ответов могут быть изменены и дополнены, что позволит использовать данную программу неоднократно.

Особенностью программы является ее многофункциональность, т. е. в зависимости от технического оснащения или от времени, отведенного на рассмотрение данной темы, компьютерная программа может выполнять различные функции: обучение, контроль или обучение и контроль. Следовательно, будет меняться форма проведения занятий и методическое сопровождение.

В частности схема прохождения этапов обучения "рис.7" заключается в следующем:

а) в режиме самостоятельной работы студент использует блок "Изучение теории", в который входят теоретические разделы (Р1, Р2,РЗ) и справочный раздел, составляющие вместе информационно-теоретический модуль (путь А). После изучения теоретических вопросов возможен выход из программы (1), вход в блок "Упражнения" (2, путь В) и соответственно в вопросно-разъяснительный модуль, либо переходе экзаменационный модуль (3, путь Г). По усмотрению обучаемого можно приступить непосредственно к выполнению упражнений (путь Б) и самостоятельно оценить свои знания, а затем переходить в режим "Экзамен" (путь Д).

б) степень понимания учебного материала проверяется в текущем контроле (путь Е, экзаменационный модуль) при проведении практических и лабораторных работ, в частности, при наличии как минимум одного компьютера в аудитории можно провести индивидуальный опрос всех студентов по данной теме.

Выбор вида работы

Е)

Изучение предмета

.. Б)

Интерфейс студента

Ф.И.О., группа, дата

Изучение теории

А)

Ответы на вопросы «Упражнения»

Раздел 1 (Р1)

Справочный раздел

Раздел 2 (Р2)

Раздел 3 (РЗ)

Информационно-теоретический модуль

Упражнение (Р1)

Контр.вопросы (Р2)

Упражнение (РЗ)

Оценка

Вопросно-разъяснительный модуль

Предъявл.

вопросов Оценка

«Экзамен»

Сохранение результатов

Выход

' Выход

Интерфейс преподавателя

Экзаменационный модуль

Рейтинговый модуль

Рис. 7. Функциональная схема компьютерной программы «Строение атома и переодическая система элементов».

Структура программы

Таблица

Установка программы, заставка

Регистрация: ф. и. о. студента, номер группы

Информационно-справочный _раздел 1_

Информационно-справочный _раздел 2_

Информационно-справочный _раздел 3_

■'Упражнения''

"Упражнения"

"Упражнения"

Возможность возврата к теоретическому материалу

ЭКЗАМЕН (блокировка)

Тесты

Контрольные вопросы

Тесты

Регистрация оценки (20 человек)

Таким образом, данная компьютерная система может быть использована не только на практических занятиях в дисплейных классах или лабораторных аудиториях, но и при самостоятельной работе студентов.

Важным принципом применения компьютерных программ является их совместимость с традиционными формами обучения (лекции, практические занятия, лабораторный практикум, семинарские занятия и т.д.). Безусловно, внедрение в учебный процесс компьютерных технологий -это большая и серьезная работа, которая должна сопровождаться соответствующими методическими разработками. Обсуждение данного вопроса требует изучения и анализа учебного процесса и социально-психологического исследования: анкетирования, тестирования, опроса.

Схематично структура компьютерной обучающе-кон-тролирующей программы может бьггь представлена в виде 'Таблицы".

Разработанная обучающе-контролирующая программа имеет стандартный пользовательский интерфейс, основанный на использовании функционального меню, диалоговых окон, командных кнопок. Программа работает в операционных системах \Мпс1о\л/з-95, 98; К1Т; 2000;МЕ (тШеппшт). Минимальные технические требования: оперативная память -16 Мб; Р-133; свободное место на

жестком диске -100 Мб. Предназначена для проведения практических аудиторных занятий и может быть использована при дистанционном обучении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Концепция развития межвузовской комплексной программы "Наукоемкие технологии образования" (МКП НТО). Москва: МГУПП,2001.-65с.

2. Компьютерные технологии преподавания математических дисциплин: разработка и опыт применения: Сб. науч. тр. - Москва: НИИВО, 1995. - 156 с.

3. Научные основы преподавания химии в высшей школе / Под ред. Н.Ф. Талызиной и Е.М. Соколовской - Москва: МГУ, 1978.- 173 с.

4. Периодический закон и его следствия: Учебно-методическое пособие / В. А. Мухин, И.М. Зырянова. - Омск: ОмГУ 2001. Часть 1.-99 с.

ЗЫРЯНОВА Ирина Михайловна, старший преподаватель кафедры физики и химии Омского государственного университета путей сообщения.

БАХТЫЗИН Павел Михайлович, студент А(3) - 418гр. Омского государственного технического университета.