CC BY
37
Тихоненко А.В.
ИАТЭ НИЯУ МИФИ, г. Обнинск, профессор alextikh@gmail.com
Современные образовательные ресурсы на базе компьютерных технологий
Аннотация
Обсуждаются возможности и необходимые средства обеспечения современного инновационного учебного процесса на основе компьютерных технологий. Предлагается система учебных модулей, обеспечивающих необходимые уровни и профили физико-математического и инженерного образования. Формулируется концепция инновационного учебного процесса, использующего современные программно-информационные средства.
1. Компьютерные технологии как основа современных образовательных ресурсов.
Современное физико-математическое и инженерное образование не может обходиться без информационных и компьютерных технологий, их многообразие и «разные качества» требуют тщательного подхода для адекватного их использования.
Основные идеи подхода к учебному процессу на базе компьютерных технологий (КТ) можно сформулировать следующим образом:
- преемственность и сохранение фундаментальности Российского естественнонаучного образования;
- использование информационных инструментов, апробированных научным сообществом;
- организация учебного процесса, не отменяющая традиционные подходы на совокупность технологий, а преемственно расширяющая возможности участников учебного процесса.
Несмотря на огромное разнообразие как самих компьютерных средств, так и подходов в их применении, можно выделить четырехуровневую систему использования информационных технологий в физико-математическом и инженерном образовании. При этом каждый уровень КТ можно характеризовать ролью в учебном процессе и соответствующими качеством и сложностью компьютерных средств (табл. 1, рис. 1). При этом учебный процесс можно организовать с использованием разных уровней компьютерных технологий.
На УРОВНЕ I компьютерные технологии играют вспомогательную роль в учебном процессе, и могут использоваться в сочетании или наравне с традиционными формами обучения: они обеспечивают наглядность и удобство обучения и реализуются с минимальным набором технических
средств и компьютерных программ (возможность обращения к учебным материалам: лекциям, задачникам, справочникам, наглядным пособиям). На этом уровне компьютерные технологии не используются для анализа материала и интерактивного обучения.
Табл. 1. Уровни КТ и общие компьютерные средства
Уровни КТ и их роль в учебном процессе Общие компьютерные средства
I. КТ пассивного уровня Вспомогательная роль КТ, обеспечение наглядности и удобства обучения. 1.1. Компьютеры и программное обеспечение: - компьютеры, планшеты, смартфоны; - текстовые и графические программы; 1.2. Учебные демонстрации; - наглядные электронные пособия и демонстрации; - видео и графическая библиотека.
II. КТ начального аналитического и коммуникативного уровня Использование простых аналитических и графических инструментов и средств Интернета. 2.1. Стандартные математические инструменты: - компьютерные калькуляторы; - средства построения графиков и анализа функций. 2.2. Интернет-сайт и информационные ресурсы: - Интернет-поддержка учебного процесса; - сетевые программы и электронные библиотеки.
III. КТ стандартного уровня Освоение и применение разных цифровых и информационных ресурсов в обучении. 3.1. Цифровое оборудование: - мультимедийные проекторы, цифровые камеры; - принтеры и средства электронных публикаций. 3.2. Электронные книги и комплексы: - электронные справочники, учебники и энциклопедии; - комплексы компьютерных программ.
IV. КТ повышенного интеллектуального и интерактивного уровня Использование программ высшего аналитического уровня и организация очно-дистанционного обучения. 4.1. Интеллектуальные математические ресурсы: - системы символьной математики (ССМ); - интеллектуальные карты и интерактивные инструменты. 4.2. Средства дистанционного обучения: - сетевые версии ССМ: - сети дистанционного обучения и телеконференций.
Рис. 1. Общие компьютерные инструменты различного уровня
На УРОВНЕ II компьютерные технологии играют более существенную роль в учебном процессе и преобладают над традиционными формами обучения: они обеспечивают возможности использования стандартных
компьютерных математических инструментов и компьютерных программ. Имеется возможность использовать компьютер для стандартных вычислений, построения графики, анализа материала без интерактивного обучения. На этом уровне компьютерные технологии используются для анализа материала, но не используются для интерактивного обучения.
На УРОВНЕ III компьютерные технологии играют существенную роль в учебном процессе и преобладают над традиционными формами обучения: они обеспечивают активное использование цифровых ресурсов, в том числе для получения и представления информации, а также определенную интерактивность обучения.
На УРОВНЕ IV компьютерные технологии играют главную роль в учебном процессе и осуществляют новые формы обучения: они обеспечивают новый уровень образования, сочетающий коллективные и индивидуальные, очные и дистанционные формы обучения, предполагающие использование высокоинтеллектуальных программ и всемирных ресурсов. На этом уровне компьютерные технологии являются средством анализа материала и исследовательской работы, а также могут обеспечить интерактивное обучение с применением
телекоммуникационных возможностей.
Табл. 2. Уровни КТ и межпредметные связи
Уровни КТ Межпредметные связи реализуются:
I на минимальном уровне, обеспечивающем использование справочных математических, химических и т.п. данных.
II на уровне компьютерных технологических возможностей, а также с помощью Интернета и электронных библиотек.
III на уровне общенаучных баз данных, компьютерных систем и специализированных пакетов.
IV на уровне интегрированной научной среды обучения и научных исследований.
Табл. 3. Уровни КТ и ресурсы для студентов и преподавателей
Уровни КТ Для студента Для преподавателя
I Источник учебного и наглядного материала, источники информации. Средство для учебных демонстраций; учебные базы данных.
II Инструмент для выполнения заданий и анализа учебного материала. Инструмент организации учебного процесса.
III Технология интерактивного самообучения и самоконтроля. Технология интерактивного обучения и межпредметных связей.
IV Среда современного обучения, общения и профессиональной подготовки. Среда вариативного учебного процесса.
Компьютерные технологии дают возможность актуализации на новом уровне межпредметных связей (при наличии соответствующих компьютерных инструментов для других дисциплин) (табл. 2, рис.1).
На каждом уровне компьютерные технологии могут предоставлять студентам и преподавателям дополнительные образовательные инструменты и возможности (табл. 3, рис.1).
2. Реализация компьютерных технологий в учебном процессе через учебные модули.
Компьютерные средства и информационные технологии сами не являются содержательными компонентами учебного процесса. Для того, чтобы наполнить учебный процесс новым содержанием, необходима переработка существующих учебных материалов и разработка специальных учебных ресурсов, требуемых для современного физико-математического и инженерного образования. Речь идет как о бережном представлении лучших учебных материалов (фундаментальных учебников, разработок и т.п., которые в течение многих лет составляют «золотой фонд» российской образовательной школы мирового уровня) в цифровой форме, так и о разработке новых содержательных материалов, которые существенно опираются на информационные технологии, учитывают «менталитет» современных студентов и могут быть интегрированы в процессы проведения технических разработок и научных исследований и обеспечивающих современные формы представления и опубликования учебных и научных материалов.
Это может быть реализовано разработкой учебных модулей, которые удовлетворяют современным технологическим требованиям образования и обеспечивают многовариантную организацию учебного процесса. Действительно, преподавание естественных и технических дисциплин в современном вузе предполагает многовариантную организацию учебного процесса. Кроме того, необходимость соответствовать современным технологиям и запросам общества требует уже в учебном процессе осваивать и использовать эти технологии. Для качественного решения этих задач предлагается система учебных модулей.
Учебный модуль. Учебный модуль - набор современных учебных материалов, компьютерных и математических инструментов и технологий - комплексных заданий различного уровня, обеспечивающих необходимые уровни и профили физико-математического и инженерного образования.
Все разнообразие содержательных образовательных материалов можно классифицировать в терминах нескольких модулей. В частности, можно использовать систему четырех модулей: простой информационный учебный модуль, сложный информационный (интерактивный) учебный модуль, виртуальный лабораторный модуль, учебный модуль исследовательского типа. Их роли в учебном процессе подготовки могут быть различны как по объему, так и способам реализации (например, простого модуля достаточно в курсе общей физики для студентов
технологических специальностей, а использование нескольких модулей может обеспечить образовательные потребности будущих физиков и математиков).
Простой учебный модуль. Простой учебный модуль реализует обучение, сочетая традиционные и информационные методы обучения, предоставляет студенту необходимые инструменты для последовательного стандартного изучения программы.
В состав простого учебного модуля входят:
- электронные учебные материалы: электронные учебники, компьютерные презентации и справочники, контрольные задания;
- цифровые наглядные обучающие средства: наглядные пособия, фотографии, картинки, видеоролики и т.п.
Сложный интерактивный учебный модуль. Сложный информационный (интерактивный) учебный модуль реализует обучение, основываясь на информационных и интерактивных материалах и методах обучения, и предоставляют студенту необходимые инструменты для углубленного изучения программы. Основные задачи модуля -исследование границ применимости законов и формул; использование сложных реалистичных моделей; эвристические моделирование: сопоставление и анализ данных, полученных в рамках разных моделей; коллективное выполнение развернутых заданий.
В состав сложного учебного интерактивного модуля входят:
- интерактивные инструменты и учебные пособия: средства вычислений, построение графиков и визуализаций, стандартные компьютерные программы;
- расширенные информационные учебные материалы: специализированные математические пакеты, интернет-ресурсы, сетевые технологии.
Виртуальный лабораторный модуль. Виртуальный лабораторный модуль реализует обучение, основываясь на современных компьютерных технологиях, и предоставляет студенту необходимые инструменты для приобретения и закрепления практических навыков.
В состав виртуального лабораторного модуля входят:
- набор информационных программ и компьютерных комплексов, моделирующих физические явления и процессы;
- цифровые и электронные средства получения экспериментальных данных;
- средства обработки экспериментальных данных, полученных в реальном или виртуальном экспериментах: стандартные и специализированные математические программы, средства построение графиков.
Виртуальный лабораторный модуль имеет особое значение для физического образования, поскольку кроме использования традиционных методов экспериментальной физики дает студенту возможность выбрать
набор средств и инструментов, необходимых для выполнения задания. Этот модуль дает также возможность моделирования сложных явлений и процессов, которые невозможно осуществить в обычном учебном процессе (например, изучение свойств вещества при низких температурах или высоких давлениях, исследование движения тел в окрестности сверхмассивной звезды или черной дыры и т.п).
Учебный модуль исследовательского типа. Учебный модуль исследовательского типа реализуют обучение по принципу «от учебного материла к научной деятельности» и предоставляют студенту необходимые инструменты углубленного изучения программы на основе общенаучных, исследовательских подходов.
В состав модуля исследовательского типа входят:
- комплексные модельные задачи по различным разделам физики, выполнение которых предполагает углубленное изучение материала, а также проведение исследования в рамках рассматриваемой модели;
- специальные задания, сочетающие учебный процесс с освоением навыков научной деятельности.
Этот модуль предназначен для студентов, которые успешно справляются с учебным материалом и проявили склонности к исследовательской и инновационной деятельности, и предполагает:
- изучение (помимо учебного материала) специальной справочной и научной литературы;
- построение теоретической и компьютерной моделей физического процесса или явления;
- получение конкретных результатов и их исследование для различных случаев;
- представление результатов в стандартном и электронном виде.
Табл. 4. Учебные модули и ресурсы для студентов и преподавателей
Учебные модули Для студента Для преподавателя
Простой Доступность, простота использования и наглядность учебных материалов. Технологическое упрощение организации учебного процесса.
Сложный интерактивный Современные технологии обучения и расширенные возможности самообразования Новая организация учебного процесса, возможности очного и дистанционного обучения и контроля.
Виртуальный лабораторный Современный аналог физической учебной и приобретение навыков работы в научной лаборатории. Многовариантность лабораторных работ и современная организация эксперимента.
Исследовательско го типа Профориентированная система обучения и реализация потенциальной Индивидуальная работа со студентами и научная организация учебного
склонности к
исследовательской работе.
процесса.
Для представленной системы учебных модулей можно сформулировать (табл. 4) ролевые возможности для студентов и преподавателей.
Литература
1. Тихоненко А.В. Компьютерные математические пакеты в курсе общей физики. Обнинск: ИАТЭ, 2003. 84 с.
2. Тихоненко А.В. Компьютерный практикум по общей физике. Части 1 - 5. Обнинск: ИАТЭ, 2003-2004.
3. Тихоненко А.В. Компьютерные математические пакеты в курсе «Линейные и нелинейные уравнения физики». Ч. 1 и 2. Обнинск: ИАТЭ, 2005.
4. Тихоненко А.В. Решение краевых задач для двумерного уравнения Лапласа методом разделения переменных в MAPLE. Обнинск: ИАТЭ, 2005. 80 с.
5. Тихоненко А.В. Векторный анализ в прикладных математических пакетах. Обнинск: ИАТЭ, 2006. 80 с.
6. Тихоненко А.В. Решение уравнения Шредингера для одномерного рассеяния в MAPLE и MATHEMATICA. Обнинск: ИАТЭ, 2005. 80 с.
7. Тихоненко А.В. Компьютерные аналитические методы решения задач электростатики и магнитостатики. Обнинск: ИАТЭ, 2008. 48 с.
