CC BY
44
МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (88) 2010
%
МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ
УДК 53 372 8 В. И. ТРУШЛЯКОВ
С. А. СУРОВИКИНА В. Н. САЮТИН
Омский государственный технический университет
Омский государственный педагогический университет
РАЗРАБОТКА СПУТНИКОВЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ЭЛИТНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ_______________________________________________
В статье исследуются вопросы методического и технического обеспечения элитного образования при изучении фундаментальных дисциплин на примере раздела физики — ньютоновская механика для студентов технического вуза.
В дополнение к существующей учебно-лабораторной базе для изучения законов ньютоновской механики, имеющейся на кафедрах физики вузов, предлагается использование научно-образовательных автоматических космических аппаратов, находящихся на орбитах — как удалённых лабораторных установок.
Ключевые слова: элитное образование, спутниковые образовательные технологии, образование, методика, космическое образование.
Вводные замечания. Для современного этапа инновационного развития России необходима подготовка специалистов, отвечающих этим новым требованиям, в частности, способных к оперативной разра-
ботке инноваций в соответствующих направлениях своей будущей деятельности.
Современные тенденции развития образовательной системы предполагают внедрение современных
образовательных технологий в учебный процесс, стимулируют появление виртуального обучения, которые способствуют формированию самостоятельной, творчески развитой личности, активно участвующей во всех сферах жизни общества.
Особенно остро этот вопрос стоит в базовом звене образования — элитном техническом образовании, где, по мнению ряда исследователей, необходимо повышение уровня фундаментализации образования, более широкое внедрение в учебный процесс занятий с использованием электронных технологий, в том числе при проведения лабораторных работ [1—6].
В отличие от известных работ, где в качестве удаленной лабораторных установок используется удаленный сервер, на котором установлено математическое программного обеспечения лабораторных работ, авторы предлагают реальную физическую установку.
С другой стороны, технический уровень и реальное физическое состояние учебно-лабораторной базы для изучения дисциплин физики — основе элитного технического образования в большинстве вузов РФ не соответствует поставленным задачам.
В современном российском высшем образовании, прослеживаются следующие противоречия:
— между потребностью современного производства в специалистах, обладающих исследовательскими умениями и традиционными подходами к профессиональной подготовке, специально не предусматривающими подготовки будущих специалистов к инновационной деятельности;
— между признанием необходимости организации самостоятельной работы, ориентированной на формирование у обучающихся исследовательских умений и недостаточной теоретической и методической разработанностью этой проблемы.
Необходимость разрешения данных противоречий и определяет актуальность проблемы исследования: внесение в традиционный образовательный подход новых образовательных технологий, обеспечивающих снижение уровня указанных противоречий, в том числе и организацию самостоятельной работы обучающихся, направленную на эффективное формирование исследовательских умений.
На сегодняшний момент проведение лабораторных работ проходит по заранее сформулированным гипотезам и поставленным целям. В данной работе приводится пример проведения по этапам лабораторной работы, в которой обучающемуся предлагается самостоятельно сформулировать гипотезу, поставить задачи и сформулировать цель эксперимента [6].
1. В программу элитного обучения входят: индивидуальный план занятий; углубленная фундаментальная подготовка; изучение дисциплин, направленных на развитие умений проектной работы, работы в команде, способности ставить и решать задачи инновационного развития; учебно- исследовательская работа обучающихся на основе проблемно-ориентированного и проектно-организованного обучения.
Основной целью программы технического элитного образования, в частности в ОмГТУ, является подготовка нового поколения специалистов и бакалавров по специальной дополнительной фундаментальной программе, которые в будущем будут составлять основу технической элиты российского промышленного комплекса.
Система технического элитного образования позволяет получить подготовку по выбранной специальности на качественно новом уровне, что в современ-
ном обществе позволит выпускнику быть востребованным на рынке труда.
Для решения поставленных задач по реализации целей и задач элитного технического образования предлагается, наряду с традиционными технологиями и формами обучения, применять технологии, основанные на использовании удалённых лабораторных установок, которыми могут быть как наземные удаленные лабораторные установки, подводные экспериментальные аппараты, так и лабораторные установки, находящиеся в космосе, например, международная космическая станция, научно-образовательные космические аппараты [4, 5].
Проведение подобных лабораторных работ способствует повышению интереса обучающихся к изучаемому предмету, развивает их способности к работе в различных областях, умению ориентироваться в ситуациях, когда имеет место противоречивая информация, недостаточно формализованная постановка задачи при отсутствии части необходимой информации и т.д., т.е. соответствует целям элитного технического образования.
К разрабатываемым лабораторным работам должны быть применены следующие требования:
— наглядная иллюстрация и подтверждение справедливости изучаемых фундаментальных законов;
— возможность самостоятельной сборки схем, приборного и методического состава, привлекаемого к решению поставленной задачи, расчета их параметров и наблюдения за процессами, происходящими, например, в электрических цепях, механических системах;
— осуществление многократных физических опытов над широким кругом механических систем, наблюдение результатов опытов;
— экономию времени на обработку полученных результатов за счёт использования программных продуктов и закрепление материала;
— возможность индивидуального выполнения опытов, что не может не сказаться на развитии самостоятельности обучающихся, их конструкторских способностей и технической смекалки;
— выполнение лабораторных работ на удалённых установках во время занятий устраняет временной барьер между теоретическими и практическими занятиями, что способствует повышению эффективности и качества обучения, активизации самостоятельной познавательной деятельности обучающегося, повышению уровня фундаментальной подготовки.
2. В данной статье предлагается проведение комплекса лабораторных работ с применением автоматического космического аппарата (АКА) в качестве удаленной лабораторной установки [4].
Данный комплекс основывается на разделах классической (ньютоновской) физики, а именно, классической механики. Ниже приведен начальный список лабораторных работ, который в дальнейшем будет расширяться:
— изучение форм представления поверхности Земли;
— определение массы и гравитационной константы Земли, с дальнейшим распространением методического подхода на Луну, Венеру, Марс (вокруг них на орбитах могут находиться АКА) [5];
— определение аномалий гравитационного поля Земли;
— определение эффективности построения базовой системы координат космическим аппаратом системы ГЛОНАСС, GPS.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (88) 2010 МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ
МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (88) 2010
Приведем пример разработки лабораторной работы по определению аномалий гравитационного поля Земли (в дальнейшем и других планет).
I. Создание проблемной ситуации и введение в нее обучающихся
Преподаватель: «Можете ли вы назвать форму нашей планеты (Земли), а так же сказать, отличается ли она от сферы, однородна ли плотность шара, есть ли отклонения от среднего значения размера как формы, так и силы тяжести, например, на поверхности Земли? Сегодня мы научимся определять некоторые отклонения (аномалии) Земли как от сферической формы поверхности, так и шара (характеристика плотности), образующего поле тяготения».
II. Осознание проблемы и ее выражение в виде учебной задачи вербально, формулировка цели
В ходе коллективного обсуждения обучающиеся формулируют цель: «Проведением сравнительного анализа на основе экспериментальных и теоретических данных выявить нескольких аномалий Земли методом измерения (вычисления) потенциальной энергии Земли в данной точке».
Даётся понятие аномалии.
III. Оценка своих возможностей (знаний, умений и т.д.) и планирование деятельности по решению проблемы
3.1. Формулировка и обоснование гипотезы.
Преподаватель на данном этапе только лишь помогает обучающимся сформулировать гипотезу эксперимента, к формулировке гипотезы же обучающиеся приходят самостоятельно.
3.2. Планирование эксперимента, включающего решение следующих задач:
— выяснить имеющиеся модели поверхности и формы Земли (сфера, шар, эллипсоид вращения, геоид),
— выяснить методы математического моделирования движения АКА в гравитационном поле Земли,
— выяснить имеющиеся возможности получения фактических (экспериментальных) данных влиянию гравитационного поля Земли на движение АКА,
— определить понятие аномалии для рассматриваемого случая,
— на основе выбранных моделей динамики АКА при различных моделях гравитационного поля Земли (шар, эллипсоид, геоид) определить координаты и скорости центра масс АКА (той же системе координат, что даёт система NORAD),
— сравнить орбиты,
— по данным сравнения определить несколько аномалий гравитационного поля Земли.
IV. Решение учебного задания через выделение необходимых знаний, навыков и умений, способа деятельности, итогом решения являются новое знание, способ деятельности
4.1. Отбор необходимых приборов и материалов.
Для данной лабораторной работы приборами будут являться сам удаленный АКА, а также программно-аппаратный комплекс (ПК) принимающий и обрабатывающий данные, поступающие с удаленной лабораторной установки, т.е. АКА и комплекс математического моделирования динамики АКА.
Студенты самостоятельно описывают данные приборы (АКА, ПК), а также математическую модель динамики КА.
4.2. Примером может служить следующая лабораторная работа.
Цель эксперимента: определение нескольких гравитационных аномалий Земли. Для достижения данной цели обучающийся должен решить ряд задач:
— выяснить имеющиеся модели гравитационного поля Земли (материальная точка/однородный шар, эллипсоид, геоид),
— провести математическое моделирование орбиты движения АКА, при различных моделях гравитационного поля Земли,
— по данным в системы NORAD, полученным с АКА, находящегося на орбите, построить координаты и скорости цента масс АКА,
— сравнить орбиты для наиболее близких моделей (шар, эллипсоид, геоид и орбите, построенной на основе данных полученных со спутника), по данным сравнения определить несколько аномалий гравитационного поля Земли,
— дать рекомендации по определению гравитационного поля и аномалий Луны, Венеры, Марса.
Эти действия обучающийся проделывает и приходит к их необходимости самостоятельно.
Также обучающийся может выбрать другой путь достижения данной цели:
— математическое моделирование движения АКА для различных гравитационных моделей Земли, например, геоид,
— получение фактических измерений с российской глобальной навигационной спутниковой системы (ГЛОНАСС),
— по разнице орбит АКА (расчётной и фактической) выделяет причину их возникновения и с определенной точностью определяет несколько аномалий.
Пример рассуждения обучающегося (отчета):
Наиболее близкой формой представления поверхности Земли, из предложенных, является геоид.
Возмущающие ускорения вызываются нецент-ральностью гравитационного поля Земли.
Исследуем поверхность Земли по потенциальной энергии АКА.
Рассмотрим потенциал поля притяжения Земли.
При точном расчете параметров орбиты АКА, в качестве хорошего приближения к действительной поверхности Земли принимают геоид. Геоид — это гипотетическая уровенная поверхность, совпадающая с поверхностью спокойного океана и продолженная под материком.
В баллистике под геоидом понимают не поверхность, а тело, которое ограничено поверхностью мирового океана при некотором среднем уровне воды, свободной от возмущений. Во всех точках геоида потенциал притяжения имеет одно и то же значение.
Различные формы представления гравитационного потенциала поля тяготения Земли приведены, например, в [7].
Далее, получив данные с АКА в системе NORAD, GPS, ГЛОНАСС, обучающийся выявляет несколько аномалий.
3. Дальнейшее развитие работы в данном направлении предусматривает разработку методических рекомендаций для преподавателей и методических указаний по проведению указанных лабораторных работ для обучающихся.
Приведённые выше лабораторные работы могут осуществляться с использованием АКА без каких-
либо доработок, т.е. используется информация со служебных бортовых систем [8].
С другой стороны, необходимо формирование требований к оснащению научно-образовательных АКА специализированными приборами и установками, позволяющими расширить круг лабораторных работ, возможных для проведения с использованием АКА [9, 10].
Привлечение в сферу образования потенциала, накопленного на предприятиях ракетно-космической отрасли, позволит решить задачи, поставленные перед системой элитного технического образования на более высоком научно-техническом уровне, однако методическая составляющая эффективного использования этого потенциала остаётся за системой образования, в частности, высшей школы, её преподавателями.
Заключение
1. Разработка современных образовательных технологий для развивающейся системы элитного технического образования ставит ряд задач, в том числе в качестве основной — повышение уровня фундаментальной составляющей образования.
2. В качестве методических задач элитного технического обучения стоит задача методической организации самостоятельной работы, ориентированной на формирование у обучающихся исследовательских умений, в том числе использовании учебно-лабораторной базы для отработки исследовательских навыков.
3. Современное техническое состояние учебнолабораторной базы большинства вузов для изучения фундаментальных дисциплин, например, классической физики, явно не соответствует современным требованиям
4. Предлагаемые образовательные технологии, основанные на использовании автоматических научно-образовательных космических аппаратов, позволяют их рассматривать как удалённые лабораторные установки для проведения значительного количества лабораторных работ по классической физике.
5. Проведение лабораторных работ с применением удалённых лабораторных установок на основе АКА позволяет обучающимся развить самостоятельность принятия решения, что положительно сказывается на усвоении заданного материала, особенно важно это для системы элитного технического образования, где обучающимся приходится усваивать больший объем материала по ряду фундаментальных дисциплин, а также позволяет выработать способности к исследовательской деятельности.
6. Следующим этапом развития работ в этом направлении является разработка методических рекомендаций для преподавателей и методических указаний для обучающихся по разработке лабораторных работ на основе спутниковых образовательных технологий для элитного технического образования
7. Привлечение в сферу образования потенциала, накопленного на предприятиях ракетно-космической
отрасли, позволит решить задачи, поставленные перед системой элитного технического образования на более высоком научно-техническом уровне, однако методическая составляющая эффективного использования этого потенциала остаётся за системой образования, в частности, высшей школы, её преподавателями.
Библиографический список
1. Интернет-портал ОмГТУ httD://www.omatu.
2. Лапшина, И. В. Виртуальная информационно-образовательная лаборатория в профессиональной подготовке студентов : дис.... канд. пед. наук. — Ставрополь, 2002. — 240 с.
3. Интернет-портал региональный инновационный центр «Центр технологии National Instruments» ht.t.py/edii.sfii-kras.ni/ studies/sdo/ni
4. Трушляков, В. И. Лабораторная работа в космосе / В. И. Труш-ляков // Высшее образование в России. — 2004. — Вып. 9. — С. 168- 169.
5. Трушляков, В. И. Применение удаленной лабораторной установки для изучения законов гравитации / В. И. Трушляков,
B. Н. Саютин // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. — 2007. — Вып. 2(56). — С. 166-169.
6. Педагогика / Л. П. Крившенко [и др.]. — М. : Проспект, 2004. — 230 с.
7. Основы теории полёта космических аппаратов / под ред. Г. С. Нариманова, М. К. Тихонравова. — М. : Машиностроение, 1972 — 608 с.
8. Использование служебных бортовых систем КА для образовательных целей / В. И. Трушляков [и др.] // Полёт. — 2005 . — № 10. — С. 28 — 34.
9. Трушляков В.И., Шалай В.В., Иванов Н.Н. и др. Разработка принципиальных требований для автоматического Учебно-исследовательского орбитального стенда на основе космических платформ в целях повышения эффективности обучения / В. И. Трушляков [и др.] // Омский научный вестник. — 2003. — Вып. 1 (22). —
C. 225 — 239.
10. Создание учебно-исследовательского орбитального стенда на основе нано- и микроспутников и последних ступеней ракет-носителей / Г. Н Бояркин [и др.] // Полёт. — 2004. — Вып. 2. — С. 42 — 50.
ТРУШЛЯКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры авиа- и ракетостроения и профессор Военной кафедры Омского госу-дарственого технического университета (ОмГТУ). Адрес для переписки: e-mail: vatrushlyakov@yan-dex.ru
СУРОВИКИНА Светлана Анатольевна, доктор педа-гогичесских наук, доцент, заведующая кафедрой теории и методики обучения физике Омского государственного педагогического университета.
Адрес для переписки: e-mail: sasurovic@mail.ru САЮТИН Владимир Николаевич, аспирант кафедры авиа- и ракетостроения ОмГТУ.
Адрес для переписки: e-mail: pr26sautin@mail.ru
Статья поступила в редакцию 24.11.2009 г.
© В. И. Трушляков, С. А. Суровикина, В. Н. Саютин
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (88) 2010 МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ
