CC BY
36ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ
УДК 53 (07): 004
Д.А. Антонова
ТИПОВЫЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ КАК ОСНОВА ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЕКТНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОДУКТИВНОГО ОБУЧЕНИЯ
Рассматривается проблема профессиональной подготовки студентов педагогического вуза к проектированию и разработке объектов цифровой образовательной среды. Обсуждается содержание соответствующих ИКТ-компетенций и необходимость их формирования у будущих педагогов. Ставится задача разработки типовых профессиональных задач (ТПЗ), решение которых будет способствовать формированию готовности студентов к самостоятельному пополнению контента цифровой среды обучения. Предпринята попытка системного подхода к определению состава ТПЗ. Определены две макрогруппы типовых профессиональных задач по разработке цифровых учебных объектов, связанных с представлением в виртуальной среде ключевых элементов содержания обучения: его концептуальной (знания) и процессуальной (виды и способы деятельности) составляющих. Дана характеристика данных макрогрупп. Основу организации деятельности студентов по решению ТПЗ составляет технология продуктивного обучения. Обсуждаются достоинства и недостатки технологии продуктивного обучения, а также способы минимизации ее негативных проявлений. Особенности проектной работы студентов с применением данной технологии рассматриваются на примере преподавания учебной дисциплины «Современные технологии проектирования цифровой образовательной среды». Определены этапы проектной работы, дана характеристика их содержания на примере разработки студентами интерактивных 3Б-моделей физического эксперимента. В опытно-поисковой работе доказывается результативность применения технологии продуктивного обучения в подготовке студентов к решению типовых профессиональных задач по разработке учебных объектов цифровой образовательной среды.
Ключевые слова: цифровая образовательная среда, ИКТ-компетенции учителя средней школы, типовые профессиональные задачи, проектная деятельность, технология продуктивного обучения, виртуальные модели учебного эксперимента.
Технология продуктивного образования в ее современном понимании начала формироваться в 70-х гг. XX столетия (О. Домброу, Ф. Кури и Р. Сафран, США). В Европе освоение данной технологии относится к 90-м гг. XX в. Термин Productive Learning (далее - PL) был введен в конце 80-х гг. прошлого столетия немецкими учеными и педагогами И. Бем и Й. Шнайдером. В 1990 г. была создана целая сеть продуктивных школ (INEPS - International Network of Productive Schools), а год спустя в Европе был основан Институт продуктивного бучения (IPLE). В настоящее время стратегия продуктивного обучения реализуется
© Антонова Д.А., 2020
в образовательной практике разных стран мира (в Германии, Великобритании, Франции, Швеции, Испании, Италии, США, Финляндии, Бразилии и др.). В России этот тип обучения тоже получил признание и нашел своих сторонников. В отдельных городах Российской Федерации, равно как и в других странах, созданы научные организации, исследующие вопросы теории и практики продуктивного обучения (Москва, Санкт-Петербург и др.) [4].
Согласно модели, разработанной И. Бем и Й. Шнайдером, продуктивное обучение включает личностный, деятельностный, социальный, культурный и профессиональный аспекты. Личностный аспект выражается в осознании обучения как процесса собственного развития. Деятельностный аспект связан с тем, что обучение возникает из опыта продуктивной деятельности, в которой затем результаты обучения и используются. Социальный аспект состоит в значении, которое данная деятельность имеет для социума, культурологический -в его связях с традициями развития различных областей культуры, а профессиональный -в предоставлении обучаемому возможностей для самоопределения и профессиональной подготовки [2, с. 44].
Вопросы теории и практики продуктивного обучения раскрываются в работе немецкого математика и психолога М. Вертгеймера. Автор обращает внимание на два ключевых признака обучения этого типа: 1) ориентация на индивидуализацию обучения и расширение его потенциала за счет интегративного подхода к вопросам академического, общекультурного и профессионального образования; 2) более широкое использование образовательных ресурсов окружающей социальной, экономической и культурной среды [7, с. 9]. Важной особенностью системы РЬ, по его мнению, является ее гибкость: данная система адаптируется к изменениям, которые происходят с обучаемыми. Это обеспечивается спецификой среды продуктивного обучения, которая является непременно развитой образовательной средой («богатой идейно и материально») и чаще всего распространяется далеко за пределы конкретного учебного учреждения.
Содержание понятия «продуктивное обучение» впервые было определено на Втором конгрессе INEPS (Португалия, 1992 г.). Продуктивное обучение рассматривалось как «...образовательный процесс, приводящий к развитию роли личности в сообществе (социуме) одновременно с изменениями в самом сообществе (социуме). Этот процесс реализуется в виде маршрута, образованного действиями, ориентированными на получение продукта в ситуациях реальной жизни с помощью группового образовательного опыта, проведение которого облегчается участием педагогов». К существенным признакам PL были отнесены: 1) ориентация на развитие личности обучаемого; 2) адаптивность обучения в отношении индивидуальных особенностей личности; 3) социальный и профессиональный характер развития обучаемого; 4) изменение роли педагога [4, с. 10].
Уточненное определение понятия «продуктивное обучение» было дано на Одиннадцатом конгрессе INEPS (Берлин, 1999 г.). Данное определение имело описательный характер (через определение целей и условий реализации): «Продуктивное обучение нацелено на приобретение жизненных умений, инициирующих личный рост и индивидуальное развитие, межличностное общение и взаимодействие, а также самоопределение его участников. Как образовательный процесс продуктивное обучение реализуется в рамках индивидуального пути, выстроенного последовательностью шагов, где каждый шаг имеет хорошо определимый результат, так как
является продуктивно ориентированной деятельностью в реальной жизненной ситуации» (М.И. Башмаков, Й. Шнайдер) [6, с. 60].
Спустя десятилетие технология продуктивного образования (первоначально ориентированная на неуспешных в обычной образовательной системе подростков) сложилась как целостная педагогическая система и стала активно применяться в образовательных учреждениях. Развиваются ее теоретические основы, совершенствуются практики реализации.
Анализ содержания и направлений развития концепции продуктивного образования, изучение и обобщение опыта его применения в общеобразовательных школах и средних профессиональных учреждениях более чем в 20 странах мира указывают на успешность данного подхода к организации учебного процесса [22]. Это подтверждают результаты диссертационных исследований различных аспектов продуктивного обучения в системе общего среднего и среднего специального образования, выполненных отечественными учеными (С.Б. Попцов (1999), Е.В. Губанова (2004), Г.М. Крутова (2004), Г.Н. Мирошникова (2006), Н.М. Павлуцкая (2007)) и зарубежными педагогами (S. Ragsdale (2014), Cynthia A. Mika (2015), P. Koss (2015), Wing K. Y. H. (2016) и др.).
Даны положительные оценки возможности применения технологии продуктивного образования в высшей профессиональной школе [22]. Имеет место становление опыта такой работы. С начала 2000-х гг. было выполнено несколько диссертационных работ, посвященных изучению возможностей продуктивного обучения как одного из средств профессиональной подготовки студентов вузов (М.Н. Гольдина (2003), Г.К. Паринова (2003), С.В. Пыхова (2003),
B.C. Умнов (2003), Н.М. Бурмистрова (2004), М. Шхацева (2005), Д.Ю. Чупин (2007), Е.А. Попкова (2009), В.Ф. Северина (2013)). Диссертационные исследования в этом направлении проводятся и за рубежом (S.A. Bailey (2009), E. Barneveld (2011) и др.).
К настоящему времени в целом определена методология продуктивного обучения, которая носит интегральный характер и включает комплекс педагогических концепций и подходов (И. Бем и И. Шнайдер, М.И. Башмаков, Е.Н. Васильева, Ф.Н. Козырев,
C.В. Литвиненко, В.А. Поляков, Г.К. Селевко, С.Н. Чистякова, Н.Б. Яновская и др.). Однако их состав варьируется и пока не является завершенным решением. При этом ключевая идея всех педагогических концепций принимается практически всеми исследователями. В системе продуктивного обучения процессы традиционной передачи «готового» знания и контроля их усвоения заменены самостоятельной мотивированной практико-ориентированной деятельностью обучаемых. Результатом этой деятельности являются созданные учащимися конкретные и социально значимые продукты. Учебный материал интегрирован в исполняемые проекты и осваивается в процессе работы над ними.
Целью продуктивного обучения в высшей школе является подготовка «.специалиста как субъекта социально-исторического и культуросозидательного процесса, умеющего не просто вписаться в окружающий мир, но и активно действовать в нем, приобретающего в процессе обучения опыт решения различных социальных и производственных проблем» [22].
Укажем на основные достоинства PL. К ним относятся: реалистичность поставленных перед обучаемыми проблем, осознание необходимости их решения, инициатива в поиске способов выполнения проекта, исполнительская самостоятельность, ответственность за качество создаваемого продукта. Важными положительными характеристиками обучения этого типа
является естественность и демократичность взаимодействия участников образовательного процесса, в состав которых могут быть включены в числе прочих и потребители профессиональных услуг. В процессе продуктивного обучения формируются и проявляются такие составляющие самостоятельности личности, как самоопределение, самоорганизация, самодеятельность, самоконтроль, самоутверждение.
Можно отметить и некоторые недостатки PL: необходимость дополнительного учебного времени; сложность в управлении учебным процессом; значительные трудозатраты преподавателя, направленные на изучение рынка профессиональных потребностей, с удовлетворением которых может быть связана разработка проектов. Как и в случае исследовательского и проектного типов обучения, PL не обеспечивает необходимого уровня системности и прочности знаний обучаемых.
В системе профессиональной подготовки в высшей школе такой подход к обучению следует использовать в процессе преподавания отдельных учебных дисциплин, а именно тех, в которых проектная деятельность студентов является приоритетной. Это могут быть дисциплины по выбору и (или) факультативные дисциплины. Для компенсации негативных эффектов PL, в частности, с целью обеспечения системности и прочности знаний студентов при обучении такого типа, целесообразно предлагать им подготовку реферативно-аналитических работ по ключевым вопросам учебной программы дисциплины. Необходимо организовать выступления студентов по результатам этой работы. Тематику выступлений следует согласовать с содержанием этапов проектной деятельности и основными проблемами проектной работы, характерными для этих этапов. Результаты реферативно-аналитической работы должны базироваться не только на изучении первоисточников, но и на собственном опыте текущей проектной деятельности обучающихся. По завершении учебной работы по дисциплине преподавателю следует провести два-три обзорных лекционных занятия, главной задачей которых должно стать уточнение, систематизация и обобщение приобретенных студентами теоретических знаний и опыта продуктивной проектной деятельности.
Следует отметить, что в педагогических вузах организация проектной деятельности будущих учителей составляет важную часть процесса их профессиональной подготовки. Этой деятельности в системе педагогического образования начали уделять серьезное внимание в последней четверти прошлого столетия. В 1970-80-х гг. доля проектных заданий в их общем объеме составляла около 30 %. Остальные задания были связаны с изучением и конспектированием программного и дополнительного материала, подготовкой аналитических обзоров, а также отработкой методического знания (его систематизацией и обобщением, конкретизацией и т.п.) (А.В. Усова, З.А. Вологодская, Н.Н. Тулькибаева, Л.И. Рубинова и др.). В 2000-х гг. количество заданий по проектированию учебного процесса и средств обучения в системе самостоятельной работы студентов существенно возросло. Дополнительным фактором влияния на увеличение проектной работы студентов явилась информатизация системы образования. В систему проектной работы обучающихся преподаватели педвузов стали включать задания по проектированию ресурсов и объектов виртуальной образовательной среды (Т.А. Андреева, О.В. Боброва, М.Д. Даммер, А.Ф. Кавтрев, В.К. Крахоткина, А.И. Назаров, Е.В. Оспенникова, Н.А. Оспенников, Л.А. Прояненкова, Е.С. Ремизова и др.) [21]. Однако это были лишь отдельные учебные проекты, которые в большинстве случаев демонстрировали
освоение студентами лишь отдельных и наиболее простых практических умений и навыков работы в цифровой среде будущего учителя-предметника [2, с. 45].
Примером системного подхода к организации проектной работы студентов является исследование Л.А. Прояненковой [16]. Автор рассматривает различные направления проектной деятельности будущих учителей физики и выделяет в итоге около двух десятков проектов, наиболее значимых для их профессиональной подготовки. Содержание этих проектов обсуждается в контексте обучения студентов самостоятельному решению типовых профессиональных задач (ТПЗ). Важно отметить, что часть приведенных автором ТПЗ тоже была связана с созданием обучающимися различных элементов цифровой учебной среды.
Важно отметить, что проблема определения типовых профессиональных задач по формированию учителем-предметником цифровой образовательной среды как самостоятельная проблема в научно-методических исследованиях пока еще не ставилась. В этом направлении в последние годы с развитием средств ИКТ стали появляться лишь работы практико-ориентированного характера по освоению педагогами цифровых ресурсов и ИКТ-инструментария, а также изложению опыта их применения в решении конкретных образовательных задач. Разработка теоретических аспектов методики обучения будущего учителя-предметника не только как пользователя ресурсов и инструментов виртуальной образовательной среды, но и разработчика ее новых учебных объектов под различные педагогические задачи - весьма актуальное и интересное направление современного педагогического поиска.
Содержание базовых ИКТ-компетенций и необходимость их формирования у педагогов были определены еще в 2011 г. в известной публикации «Структура ИКТ-компетентности учителей. Рекомендации ЮНЕСКО» [19]. Согласно данным рекомендациям, преподаватели должны:
- знать базовые приемы работы с техническими и программными средствами (ПС), в том числе повышающими производительность труда; веб-браузер; коммуникационные ПС; средства презентационной графики и основные функции графических редакторов; приложения для решения задач управления образовательным процессом;
- уметь пользоваться текстовым процессором для ввода, редактирования, форматирования и распечатки текста; использовать основные возможности презентационной графики и других цифровых ресурсов; применять графические редакторы для подготовки простых изображений [19, с. 24-25].
Освоение указанных компетенций определяет базовую технологическую грамотность педагога и позволяет ему успешно решать следующие задачи:
- применение в учебно-воспитательном процессе готового цифрового учебного контента, представленного в современной цифровой образовательной среде;
- самостоятельная подготовка авторского цифрового учебного контента, включая частичную модификацию уже имеющихся цифровых ресурсов под свои педагогические задачи (создание текстовых документов, презентаций, плакатов, объектов инфографики; обработка видеоматериалов; реализация в виртуальной среде учебных тестов; проектирование и реализация ментальных карт; разработка игровых материалов (кроссвордов, викторин, квестов и т.п. ); применение конструкторов для производства предметных сайтов и др.);
- использование различных платформ и сервисов для управления образовательным процессом и обеспечение различных видов сетевой коммуникации между участниками учебно-воспитательного процесса [10].
Представляют интерес современные исследования по выявлению уровня овладения педагогами базовыми элементами ИКТ. В частности, в работах И.И. Жоламановой [8] и В.П. Жулановой [9] отмечается, что данный уровень пока невысок, но тенденция к росту явно имеет место. Так, в рамках региональной выборки в 2017/18 учеб. году 39 % педагогов оценили себя как начинающих пользователей, в 2018/19 учеб. году этот показатель снизался до 31 %. В 2017/18 учеб. году только 8 % респондентов указали, что владеют компьютером и программным обеспечением, необходимым для профессиональной деятельности, однако в 2018/19 учеб. году их число составило уже 35 %. При этом возросла востребованность в освоении приемов работы с инфографикой, навыков проектирования и проведения вебинаров, записи и редактирования видео, создания учебного контента для дистанционных курсов [8, с. 12].
В связи с обсуждением проблемы содержания ТПЗ, связанных с созданием студентами различных элементов цифровой учебной среды, важно обратить внимание на содержание курсов повышения квалификации учителей-предметников. Значительная часть таких курсов посвящена методической подготовке педагогов к применению средств ИКТ в образовательной деятельности. Наибольшее внимание уделяется вопросам методики использования электронных образовательных ресурсов (ЭОР), образовательных сервисов сети Интернет и цифровых устройств при обучении школьников различным предметам. Курсов технологической направленности в процентном отношении существенно меньше, но они остаются весьма востребованными. Данные курсы важны как для педагогов, не имеющих профильной подготовки в области информатики информационных технологий, так и для педагогов с достаточно развитыми ИКТ-компетенциями. И это не только учителя информатики. Отличными «самоучками» в области Щ имеющими «продвинутый» уровень соответствующих компетенций, нередко являются и преподаватели гуманитарных дисциплин.
Анализ опыта проведения занятий по повышению ^-квалификации учителей показывает, что курсы как методической, так и технологической направленности в чистом виде в большинстве случаев практически не реализуются, поскольку нецелесообразны. Как правило, в рамках методических занятий, перед тем как рассмотреть различные аспекты применения средств ИКТ в учебной практике, организаторы курсов обычно уделяют внимание собственно освоению учителями навыков работы с данными средствами (чаще в режиме индивидуального запроса или группового при необходимости). На курсах технологической направленности главной задачей является собственно освоение новых средств ИКТ, с помощью которых педагоги могут проектировать и создавать оригинальные авторские образовательные ресурсы. Тем не менее в рамках таких курсов целесообразно часть занятий обязательно посвящать методическим аспектам создания и применения таких ресурсов в обучении. Именно глубокое осознание преподавателями целевого назначения, психолого-педагогических и научно-методических основ разработки ЭОР с применением осваиваемых средств ИКТ позволяет им создавать впоследствии ценные по своим образовательным функциям цифровые продукты.
Очевидно, что разработка объектов цифровой информационно-образовательной среды с учетом ее различных уровней (глобальной распределенной ИОС, ее федерального
и региональных сегментов, ИОС учебного заведения, предметных и персональных ИОС) -задача крупномасштабная. Процессы наполнения контента ИОС и развитие ее инструментария для обеспечения решения всего комплекса задач, стоящих перед системой дошкольного, общего среднего и высшего образования, являются весьма наукоемкими и трудозатратными.
Результативность этой работы определяется не только профессионализмом специальной команды разработчиков, включающих ^-специалистов, педагогов и методистов высокой квалификации, но и наличием доступных средств и технологий проектирования объектов виртуальной среды, которыми может воспользоваться самый «массовый и заинтересованный разработчик»: учитель средней школы, преподаватель вуза, педагог дополнительного образования [3]. Необходимо всемерно содействовать реализации творческого потенциала отдельных преподавателей и их коллективов, включенных в работу по проектированию новых компонентов ИОС. Важно понимать, что именно в этой среде практикующих специалистов формируются запросы на разработку конкретных ЦОР, рождаются интересные идеи и реализуются оригинальные подходы к их воплощению в форме конкретных цифровых продуктов. Основы этой творческой проектной деятельности закладываются еще в средней школе, а в высшей педагогической школе готовность студентов к такой деятельности должна стать объектом целенаправленного формирования.
В этой связи важно определить типовые профессиональные задачи по формированию учителем-предметником цифровой образовательной среды, решение которых должен освоить выпускник педагогического вуза. Поскольку в рамках настоящей статьи речь идет о продуктивном обучении, то нас интересуют задачи, связанные с созданием учебных объектов виртуальной среды. Каждый такой объект в условиях реализации PL являет собой завершенный и готовый к применению образовательный продукт.
Анализ базовых составляющих традиционной модели учебного процесса, выполненный в нашей коллективной работе [15] показывает, что проектная деятельность студентов педагогических вузов по разработке компонентов цифровой информационно-образовательной среды может быть связана с представлением в данной среде ключевых элементов содержания обучения: его концептуальной (знания) и процессуальной (виды и способы деятельности) составляющих. Другими словами, речь идет о цифровой трансформации элементов содержания обучения. Соответственно, можно говорить о двух группах типовых профессиональных задач проектной работы студентов этого вида. Рассмотрим кратко особенности содержания данных ТПЗ.
Практика создания виртуального прототипа концептуальной составляющей содержания обучения является в настоящее время в достаточной степени освоенной. К ее первым результатам относится создание электронных копий классических полиграфических учебников, учебных пособий и сопровождающих их дидактических материалов. Востребованными на сегодня являются и специально разработанные для цифровой среды программно-педагогические средства этого жанра, т.е. электронные учебники и электронные дидактические материалы. В их составе наряду с цифровыми учебными текстами (гипертекстами в том числе) или как приложение к ним разрабатывается широкий спектр медиаобъектов (фотоснимков, компьютерной графики, анимации, интерактивных учебных моделей). Благодаря системам навигации, технологиям гипертекста и гипермедиа, а также интерактивной функции
виртуальной среды учащиеся могут вполне самостоятельно и эффективно работать с контентом таких электронных учебных пособий.
В настоящее время являются необходимыми проектирование и создание специальных коллекций виртуальных учебных объектов для представления концептуальной составляющей предмета учения. Данные коллекции являются систематически обновляемым и пополняемым ресурсом цифровой ИОС и могут служить важным дополнением к уже представленным в данной среде электронным учебникам. Их наличие существенно обогащает педагогическую практику учителей-предметников и расширяет образовательные горизонты для обучаемых.
Разработка компонентов таких коллекций может быть определена как первая группа ТПЗ в области проектирования ИОС.
При разработке цифровых коллекций учебных объектов концептуального предметного знания важна реализация системного подхода. Для построения такой системы коллекций могут быть выбраны разные основания. Перечислим наиболее значимые из них.
1. Состав и структура элементов системы научного и научно-технического знания (фактов, понятий, законов, элементов научных теорий, технических понятий):
- коллекции виртуальных иллюстраций (рисунков, фотоснимков, видео, анимации, интерактивных моделей, аудиосопровождения);
- коллекции виртуальных учебных объектов, отражающих структуру элементов системы научного и научно-технического знания и представленных в форме: структурированных в соответствии с их обобщенными моделями схем, таблиц, графов, диаграмм, инфографики и прочего как средств визуализации различных уровней систематизации и обобщения знаний.
2. Историко-культурный аспект развития науки и технического знания (коллекции учебных материалов, включающих: биографии выдающихся ученых, вопросы истории становления отдельных областей науки, историю фундаментальных научных открытий и историю развития техники (в том числе ее отдельных отраслей в контексте развития соответствующей области научного знания).
3. Социально-экономический аспект развития науки и техники.
4. Гуманитарный аспект развития науки и технического знания.
5. Экологические аспекты развития науки и ее технических приложений. Соответственно данным основаниям возможно построение цифровых коллекций
различных учебных объектов (подробнее об их видовом многообразии на примере курса школьной физики см. нашу работу [1]).
Последовательная и систематическая проектная работа студентов по цифровой трансформации концептуального учебного знания приведет в итоге к созданию пространных библиотек цифровых учебных материалов по различным школьным предметам, обеспечивающих не только предъявление насыщенных медиаиллюстрациями учебных текстов, но и необходимые условия для систематизации и обобщения знаний учащихся. Такие коллекции являются на сегодня весьма востребованными образовательными продуктами. Их содержание должно поддерживать разные линии профилирования обучения, дополнительное образование и самообразование учащихся средней школы [15, с. 31]. Будущие учителя в период их обучения
в вузе могут овладеть базовыми знаниями и умениями в построении таких коллекций, что позволит им впоследствии стать продуктивными разработчиками их контента.
Воспроизведение в виртуальном пространстве процессуальной составляющей содержания обучения - это вторая группа ТПЗ, связанных с проектированием цифровой образовательной среды. Задачи этого типа являются и содержательно, и с точки зрения технологии их решения более сложными.
Видовой состав коллекций цифровых учебных материалов для поддержки освоения школьниками процессуальной составляющей содержания обучения определяется системой видов учебной деятельности. Для учебного процесса по физике эта система видов в наиболее полном ее объеме представлена в работе [13].
Анализ видового разнообразия учебной деятельности позволяет говорить о большом разнообразии видов проектной работы студентов по разработке соответствующих цифровых учебных коллекций. Исходя из содержания самой общей классификации видов учебной деятельности (по источникам информации) это коллекции цифровых учебных ресурсов:
1) для самостоятельной работы учащихся с книгой (учебной и дополнительной литературой и ее цифровыми аналогами);
2) поддержки учебного эксперимента;
3) организации решения задач различных видов;
4) работы с техническими объектами и развития технического творчества учащихся;
5) поддержки работы со специфическими для предметной виртуальной среды объектами и инструментами);
6) организации игровой учебной деятельности по предмету.
Разработка коллекций цифровых ресурсов каждого вида - это целый комплекс профессионально-методических задач, которые студентам предстоит решить как в теоретическом, так и в практическом планах, включая комплекс программно-технологических и аппаратных решений. Данные коллекции должны включать специальные цифровые учебные объекты, с помощью которых в виртуальной среде моделируется разнообразная учебная деятельность. Это интерактивные модели, конструкторы, симуляторы, тренажеры, моделирующие среды.
Итак, нами определены две макрогруппы типовых профессиональных задач проектной работы студентов по разработке цифровых учебных объектов ИОС. Отметим, что в данной статье не ставится задача определить систему ТПЗ учителя-предметника в полном объеме.
Для реализации технологии продуктивного обучения в рамках отдельной дисциплины преподавателем выбираются конкретные виды задач из данных макрогрупп. Количество и сложность таких задач, а также их возможная комбинация определяются преподавателем, исходя из целей обучения, заявленных в программе дисциплины, объема учебных часов, отведенных на ее освоение и уровнем готовности обучаемых к самостоятельному выполнению проектной работы.
Возникает вопрос относительно технологической сложности проектных заданий для студентов. В этой связи интересно отметить публикацию Б.Е. Стариченко, в которой справедливо отмечается, что «.содержание ИКТ-подготовки должно определяться из понимания состояния современных информационных технологий, которые могут быть использованы в образовательном процессе, а также перспектив их развития» [17, с. 6]. Автор подчеркивает необходимость «.изменения содержания осуществляемой ИКТ-подготовки от
освоения отдельных (зачастую устаревших) инструментов и технологий к формированию умений создавать собственную образовательную среду, подключать нужные инструменты и при необходимости самостоятельно их осваивать. В части овладения технологиями создания учебных материалов необходимо переориентироваться на современные виды образовательных ресурсов и форматы их представления» [17, с. 13]. Добавим, что выбор таких инструментов должен осуществляться с учетом сложности их освоения и определяется в этой связи в каждом конкретном случае профилем подготовки студентов. Для студентов, изучающих информатику и информационные технологии как основной или как второй профиль обучения, данные инструменты могут быть вполне профессиональными.
Рассмотрим содержание ТПЗ и возможности организации их решения студентами в рамках стратегии продуктивного обучения на примере учебной дисциплины «Современные технологии проектирования цифровой образовательной среды». В Пермском государственном гуманитарно-педагогическом университете данная дисциплина с разным (несколько модифицированным) содержанием включена в учебные планы бакалавров, обучающихся по профилям «Информационные технологии в образовании» (направление 090302 -«Информационные системы и технологии»), «Физика и информатика» (направление 04.03.05 -«Педагогическое образование»), и магистрантов, получающих профессиональную подготовку по профилю «Информационные системы и технологии в образовании и корпоративном обучении» (направление 44.04.01 - «Педагогическое образование»).
Содержательную основу реализации технологии продуктивного обучения в рамках данной дисциплины составляет проектная деятельность студентов по разработке востребованного в реальной педагогической практике конкретного образовательного продукта. При разработке программы учебной дисциплины мы ориентировались на выполнение студентами творческих проектов, связанных с решением ТПЗ обеих групп. При этом основное внимание и временные затраты на проектную деятельность студентов были связаны с задачами второй группы (проектирование процессуальной составляющей предмета учения в цифровой образовательной среде).
Одной из задач проектной работы студентов по данной дисциплине стала разработка цифровых аналогов натурного физического эксперимента. Выбор такого направления проектной деятельности базировался на всестороннем анализе запросов образовательной практики. Следствием такого анализа явилось понимание важности дополнения натурных опытов их цифровыми аналогами, осознание недостаточности в цифровой среде виртуальных экспериментов, необходимых для сопровождения учебного процесса. Еще одним обстоятельством, определяющим востребованность цифровых ресурсов этого вида, явилось то, что большинство виртуальных экспериментов, представленных в открытой образовательной среде, реализованы преимущественно с использованием устаревших технологий.
Студенты, обучающиеся по указанным выше профилям, при освоении дисциплины «Современные технологии проектирования цифровой образовательной среды» вполне могут использовать более совершенные технологии создания интерактивных моделей виртуального эксперимента. При обучении студентов непрофильной подготовки можно использовать менее сложные уровни реализации данных моделей, ориентированных на другие дидактические задачи.
Оснований для цифровой трансформации учебного эксперимента несколько, и они не первый год обсуждаются в педагогической печати. Особенно многочисленными являются публикаций в области разработки моделей такого эксперимента для естественно-научных предметов [5, 12, 13, 15, 18]. Обратим внимание только на самые общие направления применения цифрового формата организации учебного эксперимента, имеющие ярко выраженный дидактический потенциал.
1. Демонстрация видеозаписей:
- натурных экспериментов (научных, учебных) с целью дополнения (расширения) их базового перечня новыми видами;
- природных явлений и результатов наблюдений за природными процессами;
- серий тематических опытов (экспериментов, наблюдений), которые в необходимом объеме невозможно выполнить в условиях школьной практики (результаты этих опытов используются для последующего анализа, систематизации, обобщения или объяснения на основе известных учащимся законов и теоретических представлений).
2. Применение интерактивного видео натурного учебного эксперимента с широким спектром приемов организации его просмотра и контроля усвоения содержания видеоматериала.
3. Организация работы учащихся в удаленных лабораториях натурного эксперимента с применением сервисов Интернета.
4. Демонстрация анимации и виртуальных моделей фундаментальных научных экспериментов (например, опыта Резерфорда, опыта Штерна, опыта Кулона с крутильными весами и др.), которые являются недоступными для показа в условиях школьной среды.
5. Моделирование и визуализация в виртуальной среде микрообъектов и микропроцессов, исследуемых в эксперименте.
6. Применение интерактивных моделей учебного демонстрационного эксперимента, реализованных средствами современной компьютерной графики. Акцентированная визуализация наиболее значимых элементов установки и устройства ее отдельных блоков, существенных характеристик исследуемых объектов и процессов, техники и методики постановки эксперимента, его основных результатов.
7. Использование в обучении интерактивных моделей лабораторного эксперимента как средства формирования у учащихся представлений об экспериментальном методе изучения явлений природы и отработки отдельных экспериментальных умений. Выполнение интерактивных виртуальных лабораторных работ (в классе, в домашних условиях) с целью обогащения практики подготовки учащихся в области самостоятельных экспериментальных исследований.
8. Освоение метода моделирования как метода познания. В данном контексте являются полезными для учащихся задания, связанные:
- с тестированием уже «готовых» виртуальных моделей природных процессов и экспериментальных установок для их исследования (проверка корректности работы модели);
- исследованием на «готовой» виртуальной модели закономерностей протекания явлений при различных условиях, с последующей проверкой полученных результатов в натурном эксперименте;
- самостоятельным моделированием в учебных инструментальных средах исследуемых в эксперименте процессов и объектов.
9. Применение виртуальных интерактивных экспериментальных заданий повышенной сложности как средства подготовки наиболее способных учащихся к решению нестандартных экспериментальных задач [3, с. 19-20].
Не исключены и другие направления цифровой трансформации учебного эксперимента. По каждому из указанных направлений может быть сформирован соответствующий цифровой контент, а его разработка - составить содержание проектной работы студента педагогического вуза.
Цифровые версии натурного эксперимента могут с успехом использоваться на различных этапах обучения. Они будут полезны и при объяснении нового учебного материала, и на этапе его закрепления, применяться при осуществлении контроля знаний и умений обучаемых, а также при выполнении учащимися домашней работы.
Особое место как средства обучения в структуре ИОС занимают виртуальные лабораторные эксперименты. Они составляют дополнительную основу организации самостоятельной работы учащихся по освоению методологии экспериментального исследования. В ходе такой работы школьники в рамках виртуальной учебной сцены упражняются в манипулировании элементами экспериментальной установки, в заполнении таблиц опытных данных, построении и исследовании графиков функциональных зависимостей, проведении расчетов и т.п. Практика применения данных моделей в учебной практике продемонстрировала их положительное влияние и на качество усвоения школьниками предметного знания, и на формирование у них целого ряда экспериментальных умений. Интерактивный характер моделей стимулирует познавательную активность учащихся, а реализация в цифровой среде не только репродуктивного, но и исследовательского подходов к выполнению экспериментальных заданий способствует развитию самостоятельности их учебной деятельности. Знания и умения, приобретенные в виртуальной среде при хорошем качестве учебных моделей, «переносятся» школьниками в среду реального учебного эксперимента. Кроме этого, школьники приобретают навыки работы собственно с виртуальными моделями, а моделирование осваивается как метод познания. При наличии учебных моделирующих сред школьники осваивают опыт самостоятельного моделирования материальных объектов и процессов [12, 14].
Рассмотрим кратко основные этапы проектной работы студентов по созданию виртуальных интерактивных моделей физического эксперимента.
Организация проектной деятельности обучающихся начинается с обоснования необходимости пополнения базы виртуальных моделей школьного физического эксперимента. С этой целью студентам демонстрируются примеры моделей физического эксперимента, представленные в открытом цифровой образовательной среде. Им предлагается поработать с данными моделями, дать характеристику их дидактического потенциала и возможностей применения в обучении физике, оценить достоинства и недостатки.
Затем ставится проблема совершенствования уже имеющихся и создания новых виртуальных моделей физического эксперимента, обсуждаются современные подходы
к разработке их интерфейса и технологии его реализации в виртуальной среде. Это важный этап стимулирования творческой работы студентов по выполнению проектов.
Далее студентами осуществляется выбор проектов для выполнения. Он может быть организован в разных вариантах. Например, возможна реализация тематического подхода. В этом случае преподавателем задается тема виртуального лабораторного практикума, а студенты самостоятельно определяют и обосновывают состав наиболее перспективных для разработки виртуальных экспериментов по данной теме. При другом варианте реализации преподаватель может выступить в роли заказчика и сам в соответствии с этой ролью определить студентам перечень моделей для разработки. Третьим вариантом является предъявление заказов от образовательных учреждений.
После выбора проектов обсуждаются и формулируются принципы проектирования и требования его результату. Лучше если решение этой задачи станет результатом сотворчества студентов и преподавателя. Приведем основные принципы разработки моделей виртуального физического эксперимента, определяющие востребованное на сегодня их дидактическое качество. К ним относятся:
1) реалистичность визуализации экспериментальной установки (исследуемого объекта, технических устройств, приборов и инструментов);
2) дидактически обоснованная детализация элементов экспериментальной установки;
3) дидактически обоснованный уровень реалистичности моделирования исследуемого в опыте физического явления и визуализация эффектов его протекания (при необходимости на макро- и микроуровнях);
4) реалистичный моделинг функционала экспериментальной установки;
5) квазиреалистичность действий учащегося с элементами экспериментальной установки и исследуемыми физическими объектами;
6) обеспечение высокого уровня интерактивности модели;
7) реализация обобщенных моделей учебной деятельности (т.е. проектирование ее симуляций с учетом обобщенных планов выполнения физического эксперимента и работы учащихся с компьютерной моделью);
8) наличие сопровождающих модель учебных материалов и модульный подход к их формированию с целью обеспечения завершенности цикла обучения (усвоение, отработка, самоконтроль) [15, с. 31].
Характеристика указанных принципов представлена в наших работах.
Важно уточнить со студентами дидактические цели проектируемого виртуального эксперимента. Созданные модели могут быть ориентированы на реализацию нескольких целей. Данные цели определяются, как правило, заказчиком. В частности, приоритетным дидактическим назначением лабораторных работ виртуального практикума является формирование у учащихся средствами модельного эксперимента представлений о натурном эксперименте как методе познания, отработка экспериментальных умений и навыков (конкретных, обобщенных), а также умений и навыков работы с компьютерными моделями [3, с. 20].
Итак, после обоснования необходимости создания моделей виртуального эксперимента как дополнительного средства обучения, определения состава и уточнения основных принципов разработки таких моделей с целью обеспечения востребованного в образовательной практике их
качества, выбора конкретной темы эксперимента и определения приоритетных целей его применения в обучении студенты могут приступить к проектной деятельности.
Рассмотрим основные этапы работы над проектным заданием.
Первый этап связан с предпроектным исследованием объекта разработки. Объектом внимания студента должны стать содержание и методика преподавания соответствующей проекту учебной темы школьного курса физики, для сопровождения которой разрабатывается интерактивная модель физического эксперимента. Студенту предстоит познакомиться с материалами школьных учебников и учебных пособий по теме проекта и проанализировать содержание данного лабораторного эксперимента, представленного в этих источниках. Рекомендуется рассмотреть различные форматы представления данного эксперимента в виртуальной среде (рисунки, фото- и видеоматериалы, анимации, модели, симуляторы, конструкторы, тренажеры).
Особое внимание уделяется поиску и анализу предшествующего опыта создания моделей конкретного учебного физического эксперимента по данной учебной теме (при его наличии). Исследуются при этом как отечественные, так и зарубежные практики разработки моделей-аналогов. Студенты ориентируются на поиск интересных идей в создании модели конкретного вида и современных технологий их реализации в виртуальной среде. При необходимости преподаватель обращает внимание студентов на некоторые наиболее важные тенденции в развитии технологий проектирования и моделирования физического эксперимента в виртуальной среде, в частности, на возросшее внимание разработчиков к учебным моделям, созданным с применением ЗБ-графики, а также технологий дополненной (AV) и виртуальной реальности (VR). Интересны для анализа в этой связи как отечественные, так и зарубежные разработки. В частности, для такого анализа студентам может быть предложен образовательный продукт «Образовательный комплекс по физике» компании «Увлекательная реальность», предназначенный для проведения интерактивных 3D-уроков по физике в 7-11-х классах. В рекламируемом комплексе представлены виртуальные модели по ключевым темам школьного курса физики. Это трехмерные анимации (более 70), в том числе в формате 3D-стерео, и около 30 виртуальных лабораторных работ [11]. Еще одним современным и интересным ресурсом для анализа является ресурс «Physics 3D Virtual Experiments» компании LablnApp [23]. Продукт создан в среде Unity в виде виртуальной 3D-лаборатории для проведения экспериментов по физике. Обучение естественным наукам с помощью трехмерной компьютерной графики представители этой компании относят к разряду революционных преобразований предметной ИОС. Подход к разработке продукта заключается в трех ясных позициях: Laboratoryat Your Fingertips («Лаборатория на кончиках ваших пальцев»), Learn By Doing («Учись, делая»), Anytime. Anywhere. Any Device («В любой момент. В любом месте. Любое устройство») [3, с. 25].
Однако какими бы технологически «продвинутыми» ни были отдельные модели нового поколения, следует внимательно отнестись к анализу особенностей моделей прошлых лет производства. Нередко в них заложены весьма грамотные методические идеи организации эксперимента, способы графического представления экспериментальной установки, качественные дидактические материалы для сопровождения самостоятельной работы учащихся.
Все полезное для обучения школьников и дидактически целесообразное в этих моделях не должно быть утеряно.
Принципиально важным моментом работы студентов на первом этапе является выполнение лабораторной работы проекта в ее натурном варианте. Численные характеристики работы реальной лабораторной установки будут важны впоследствии как для проектирования модели, так и для ее тестирования на корректность работы.
По итогам выполненного исследования разрабатывается концепт виртуального лабораторного эксперимента, в котором определяется основная идея его постановки (метод решения экспериментальной задачи), состав оборудования, этапы проведения и основные результаты (качественные, количественные).
Второй этап начинается с уточнения вида разрабатываемой модели эксперимента (ее фасетной формулы). Эта задача решается на основе обобщенной системы характеристик учебной модели. К ним относятся:
1) вид модели (по назначению): демонстрационная модель (анимационная или интерактивная), интерактивный виртуальный лабораторный эксперимент для самостоятельной работы учащихся;
2) состав реализуемых дидактических функций (одна преимущественная функция, полифункциональная модель);
3) вид моделируемого эксперимента (абстрактный, конкретный);
4) наличие изменяемых параметров модели (характеристик исследуемых объектов и процессов, внешних воздействий на исследуемые явления, состав приборов для экспериментальной установки);
5) уровень интерактивности (условно-пассивный, активно-операционный, активно-действенный, активно-деятельностный) [13, с. 360-371];
6) тип обучающего сценария («жесткий»; «полужесткий», допускающий некоторую свободу в выборе последовательности действий; «свободный», основанный на разнообразии состава и последовательности действий и операций пользователя с объектами модели, в том числе допускающий возможность самостоятельного конструирования установки на основе предложенного оборудования);
7) уровень реалистичности визуализации экспериментальной установки (обеспечение лишь принципиального сходства модели с реальной установкой; максимально реалистичный интерфейс) и взаимодействия с ее объектами (традиционный кнопочно-анимационный интерфейс, реализация квазиреалистичных действий пользователя в рабочем поле модели; игровые технологии взаимодействия с объектами; смешанные технологии взаимодействия);
8) технологии управления и поддержки учебной деятельности: меню, навигация, всплывающие подсказки, голосовое сопровождение, видеоинструкция, текст (гипертекст) с инструктивными указаниями на экране и/или печатное пособие, наличие инструментов учебной деятельности для обработки информации (автоматизация заполнения таблиц, построение графиков, «письменные принадлежности», калькулятор, виртуальный планшет и пр.);
9) способ получения модели (работа с «готовой» моделью, создание модели из базовых элементов на основе учебного конструктора, разработка модели «с нуля» в учебной инструментальной среде);
10) ориентация на разные уровни самостоятельности учащихся (вариативность уровней сложности заданий по работе с моделью и управляющих учебной деятельностью технологий: от
организации инициативной исследовательской работы до реализации пошаговых инструктивных указаний);
11) уровень сложности учебного материала, составляющего основу модели (общеобразовательный, углубленный);
12) принцип проектирования учебного контента модели (предъявление материала, его отработка, контроль или самоконтроль усвоения): поэлементный, модульный;
13) способы и технологии графического представления: 2Б, 3Б (УЯ) и 3D(VR)-СТЕРЕО, 3Б (АЯ);
14) языки и технологии программирования (открытые профессиональные инструментальные среды и приложения; специальные учебные инструментальные среды и приложения);
15) версии: локальные, сетевые, мобильные, универсальные [3, с. 26].
Фасетная формула модели включает 15 ее конкретизированных характеристик. Студент формирует такую фасетную формулу, реализация которой в готовом продукте позволит ему создать либо новую модель лабораторного эксперимента (пока не представленную ни в одном авторском проекте), либо обновленную модель, имеющую очевидные конкурентные дидактические преимущества в сравнении с аналогичными моделями, уже имеющимися в открытой цифровой учебной среде.
Разработка учебной модели должна осуществляться с опорой на систему профессиональных знаний в области теории и методики учебного физического эксперимента. Это не только знание учебной темы школьного курса физики, соответствующей теме проекта. Студентам на данном этапе проектирования необходимо изучить (или повторить) содержание курса теории и методики обучения физике по следующим вопросам: 1) оборудование школьного кабинета физики; 2) требования к лабораторному и демонстрационному экспериментам; 3) содержание учебной деятельности, связанной с проведением физического эксперимента; 4) методика формирования у учащихся экспериментальных умений и навыков (конкретных, обобщенных); 5) направления и способы применения средств ИКТ при проведении эксперимента; 6) современные требования к разработке интерактивных учебных моделей; 7) методика формирования у учащихся умений и навыков работы с компьютерными моделями (конкретных, обобщенных); 8) организация учебных исследований школьников в виртуальной среде [3, с. 28]. Предварительное изучение этих вопросов позволит разработать качественный образовательный ресурс.
Т р е т и й э т а п работы над проектом связан с подбором прототипов моделирования - реальных учебных приборов и материалов, которые входят в состав лабораторной экспериментальной установки. Студентам необходимо изучить устройство и принцип действия каждого прибора, технические характеристики, оценить геометрические параметры и текстуру отдельных его элементов. Полезно составить каталог фотоснимков реальных приборов и материалов, входящих в состав экспериментальной установки. Это могут быть профессиональные фотоснимки, представленные в Глобальной сети, а также снимки, выполненные студентами в лаборатории школьного физического эксперимента.
На основе собранной информации принимается решение по визуализации модели экспериментальной установки: степени детализации визуального представления каждого
объекта экспериментальной установки (прибора, меры, инструмента, материала и т.п.), их относительному расположению на лабораторном столе, выбору цветовой гаммы и цветовых контрастов. Важно воспроизвести в модели существенные черты внешнего вида каждого объекта, а при необходимости и детали его устройства. Модель не должна быть предметом фантазии разработчика, а визуализация прибора в виртуальной среде должна соответствовать его реальному внешнему виду. Несущественные детали объектов при моделировании можно исключить или упростить.
На этом этапе уточняются интерактивные элементы приборов (например, стрелка амперметра, пружина динамометра, лепестки электроскопа и пр.). В ряде случаев интерактивным является объект в целом (например, брусок можно переместить на наклонную плоскость; можно изменить угол наклона плоскости, приподняв верхний ее конец). Интерактивные элементы экспериментальной установки определяют ее функционал. Их состав формируется в строгом соответствии с содержанием работы учащегося над лабораторным заданием.
В рамках данного этапа разработки проекта определяется прототип виртуальной учебной лаборатории, в которой учащиеся будут проводить эксперимент. При проектировании модели такой лаборатории некоторый «полет фантазии» вполне допустим. Студент формирует небольшой каталог фотоснимков реальных учебных лабораторий и их отдельных зон (рабочее место учителя, рабочее место учащегося, демонстрационный стол, доска, портреты ученых и т.п. ).
Четвертый этап работы связан с выбором инструментальных сред разработки модели. На современном этапе развития средств моделирования и языков программирования этот выбор является весьма широким.
В рамках рассматриваемой в данной статье учебной дисциплины студентами разрабатываются виртуальные 3D-модели экспериментальных установок. С этой целью используются различные редакторы. К числу наиболее популярных 3D-редакторов относится Blender - профессиональное свободное и открытое программное обеспечение для создания трехмерной компьютерной графики и анимации. Выбор редактора осуществляется студентами. Организуется при необходимости самостоятельная работа студентов по освоению его функционала.
Интерактивный функционал модели лабораторной работы может быть реализован на программном уровне с помощью языков программирования (Java, C/C++, C# и др.). В ряде случаев возможно применение сред разработки компьютерных игр, например, среды Unity. Однако при выборе данной среды в качестве инструмента следует помнить, что она не вполне корректно поддерживает «физику» движения и взаимодействия виртуальных объектов учебной сцены. При выборе Unity как среды разработки исправление этого недочета требует от студентов дополнительных профессиональных усилий.
Еще одним инструментом реализации интерактивного функционала компьютерных моделей является среда Juniverse (продукт Лаборатории ЦОР и педагогического проектирования ПГГПУ). Среда предназначена для реализации интерактивных трехмерных сцен. Функционал среды специально ориентирован на создание трехмерных моделей учебных объектов по физике. Присутствие и действия пользователя в пространстве учебной сцены реализованы от первого
лица по принципам современных RPG (Role Playing Game). Пользователь может перемещаться по сцене, осматриваться вокруг и взаимодействовать с ее объектами.
Работа студентов в среде Juniverse строится в двух направлениях, отличающихся сложностью решаемых задач: 1) корректировка, совершенствование, а также в ряде случаев разработка новых функциональных модулей данной среды; 2) применение готовых модулей среды под текущие задачи моделирования интерактивного учебного объекта. При реализации второго направления возможна реализация как имитационного подхода к реализации работы модели, так и аналитического.
Специальный язык JuniversScript позволяет обрабатывать интерактивные взаимодействия пользователя с трехмерными объектами (клик клавишей мыши, нажатие на кнопку при наведении на объект и др.), управлять параметрами объектов (положение на сцене, вид движения, скорости перемещения и др.). В среде имеется инструмент, который позволяет сконфигурировать работу специального объекта - «виртуального планшета». Данный инструмент обеспечивает вывод на экран информации, поддерживающей работу пользователя с объектами сцены. Это могут быть инструктивные указания к проведению эксперимента, таблицы для записи результатов опыта, координатные плоскости для построения графиков, тесты для самоконтроля и т.п.). Реализована функция последующей проверки введенных пользователем данных.
При выполнении индивидуальных проектов выбор инструментария может быть оставлен за студентом. В случае подготовки коллективного проекта (например, создания виртуального интерактивного лабораторного практикума) используются единые для всех студентов инструменты моделирования.
Освоению технологии работы с данными инструментальными средами посвящаются отдельные занятия (при необходимости) и отводится значительная часть времени самостоятельной работы студентов.
Пятый этап работы - это этап проектирования интерфейса модели, включая дизайн ее рабочего поля. Определяется тип интерфейса: процедурно-ориентированный, объектно ориентированный или смешанный. При разработке интерфейса моделей физического эксперимента студентам предлагается использовать объектно ориентированные интерфейсы (т.е. прямого манипулирования), а также в ряде случаев смешанные.
Спектр возможностей элементов интерфейса модели определяется используемыми для его разработки технологиями, а реализация заложенного в модель дидактического потенциала -совокупностью взятых на вооружение автором-разработчиком принципов ее создания.
Основное требование к проектированию интерфейса модели - обеспечение в полном объеме ее функционала и юзабилити (удобства и простоты использования). К характеристикам юзабилити относятся: интуитивно понятный интерфейс, соответствие его функционала поставленным перед пользователем задачам, наличие необходимой для их решения информации, обеспечение простоты управления объектами рабочей сцены, ее дополнительные удобные в применении функциональные элементы, удовлетворяющая визуальные потребности эстетика учебной сцены, скорость работы приложения и защищенность от возможных ошибок в его использовании.
Отличительными признаками моделей лабораторных экспериментов, разрабатываемых в рамках рассматриваемой дисциплины, являются максимально реалистичный интерфейс, обеспечивающий качественную визуализацию лабораторного оборудования, и квазиреалистичность действий учащихся с лабораторной установкой, а также с другими (вспомогательными) учебными объектами и принадлежностями учебной сцены (виртуальный планшет с дидактическими материалами, калькулятор и пр.). Манипуляции в рабочем поле модели осуществляются преимущественно с применением технологии drag&drop. Реализуется система всплывающих подсказок, направляющих эти манипуляции и предоставляющих пользователю дополнительную информацию.
Разработка интерфейса модели лабораторного эксперимента должна осуществляться с учетом содержания соответствующей модели учебной деятельности. Ее структура представлена в методической науке обобщенным планом эксперимента как метода познания [20]. Такой подход к проектированию интерфейса обеспечивает методологически грамотную работу учащихся с виртуальными симуляторами физического эксперимента и будет способствовать формированию у них обобщенных умений в проведении физических опытов.
При выполнении проекта студенты ориентированы на разработку виртуальных моделей эксперимента с достаточно высоким уровнем интерактивности [13, с. 360-371]. Такие модели могут допускать как простые сценарные решения (работа по инструкции), так и самостоятельное планирование учащимися цели и хода эксперимента. Самостоятельность обеспечивается выбором объектов исследования и его условий, разнообразием действий пользователя с объектами, наличием переменных параметров модели. Чем шире диапазоны изменения данных параметров, тем более реалистичными и менее предсказуемыми становятся для учащихся и процесс исследования, и его результат.
Грамотные интерфейсные решения и высокий уровень интерактивности виртуальных моделей лабораторных экспериментов, возможность выполнения самостоятельного исследования модели обеспечивают, как правило, впоследствии бесконфликтный «перенос» действий, отработанных в виртуальной среде, в реальную среду школьной лаборатории.
Шестой этап работы связан собственно с реализацией проекта в виртуальной среде. Студенты, используя соответствующий инструментарий, создают трехмерную модель учебной лаборатории, осуществляют моделирование 3D-объектов лабораторной установки, выполняют сборку модели установки на виртуальном столе (рис. 1, 2).
Далее разрабатывается интерактивный функционал модели и реализуются различные эффекты анимации (протекание явлений, микроуровень их визуализации, выделение активных элементов установки, всплывающие подсказки и др.).
На этом же этапе создается дидактический информационный блок модели для сопровождения работы учащихся с виртуальной лабораторной установкой. В состав этого блока входят иллюстрированные учебные тексты, загруженные в виртуальный планшет. Это тексты следующего содержания:
- теоретический материал;
- исторические сведения;
- интерактивная рабочая тетрадь с инструктивными указаниями к работе с моделью;
- образец отчета о выполнении лабораторной работы (для самоконтроля);
- интерактивный тест для самопроверки;
- информация по управлению моделью.
Рис. 1. Модель учебной лаборатории (проект студента А. Ярушина, ПГГПУ, выпуск, 2018 г.)
Рис. 2. Модель лабораторого физического эксперимента «Измерение напряжения на различных участках цепи»
(проект студента В.Гришина, ПГГПУ, выпуск, 2019 г.)
Подготовка комплекта таких дидактических материалов является примером реализации модульного подхода к разработке моделей виртуального эксперимента. Отличительной особенностью комплекта материалов является обеспечение завершенного цикла обучения: предъявление учебной информации, отработка и закрепление знаний и умений обучаемых, самоконтроль.
Формат представления дидактических материалов может быть различным, например: вывод окна с соответствующим учебным текстом, моделирование интерактивной рабочей тетради с листанием ее страниц. В нашем случае была создана модель планшета, который располагался на рабочем столе рядом с экспериментальной установкой. Идея работы учащегося с дидактическими материалами, загруженными в виртуальный планшет, является вполне продуктивной. Школьники, работая с привычной для них системой навигации данного дидактического приложения, получают всю необходимую учебную информацию (рис. 3).
Рис. 3. Модель «Измерение модуля вектора магнитной индукции поля постоянного магнита». Работа с виртуальным планшетом (проект студента Н. Рычагова, ПГГПУ, выпуск, 2018 г.)
Наиболее активно из всех дидактических материалов при проведении эксперимента используется виртуальная рабочая тетрадь. В ней наряду с инструктивными указаниями представлены поля ввода информации, которую учащиеся добывают в ходе эксперимента. Осуществляется ввод отдельных значений физических величин, проводится оценка точности
измерений, заполняются таблицы, строятся при необходимости графики функциональных зависимостей. По результатам анализа полученных в виртуальном эксперименте данных формулируются выводы. Тексты выводов вносятся в соответствующие поля. Система проверяет правильность введения учащимися численных значений физических величин. По окончании работы автоматически формируется отчет о выполнении лабораторного задания. Учащийся может сравнить свой отчет с образцом и выявить имеющиеся в подготовленном им отчете недостатки. Возможно их устранение.
Разработка цифровых дидактических материалов относится преимущественно к ТПЗ первой группы.
С е д ь м о й э т а п работы студентов (заключительный) связан с тестированием и экспертной оценкой разработанной модели. Первоначально целесообразно провести тестирование разработанных моделей в студенческой группе. Контролируется функционал модели, корректность ее работы, дизайн и юзабилити, дидактическое сопровождение, оценивается реализация заявленной фасетной формулы. По завершении коллективной экспертизы модель дорабатывается и предъявляется потребителю для апробации. Внешняя экспертиза моделей может проводится на базе предметных методических объединений учителей физики, а также отдельными преподавателями. При необходимости осуществляется «доводка» модели согласно пожеланиям потребителя.
Защита проекта - завершающая стадия заключительного этапа обучения. К защите студентом готовится презентация проекта, его оформление в виде завершенного образовательного продукта и сопроводительная документация.
Если студенты выполняли проекты по единой теме, то в итоге может быть создан коллективный продукт. Так, например, в случае разработки каждым студентом учебного модуля с входящим в его структуру виртуальным физическим экспериментом все подготовленные модули могут быть включены в интерактивную предметную образовательную систему «Виртуальный лабораторный практикум по физике» (рис.2). Возможно создание серии виртуальных интерактивных демонстрационных физических экспериментов (рис. 4).
Рис. 4. Модель демонстрационного эксперимента «Расширение пределов измерения электроизмерительных приборов. Подбор шунта к амперметру» (проект студента В. Гришина, ПГГПУ, выпуск, 2019 г.)
В завершение изучения дисциплины, как уже отмечалось, целесообразно прочтение ряда лекций, целью которых является уточнение, систематизация и обобщение знаний студентов по вопросам теории и практики разработки учебных объектов цифровой образовательной среды (в том числе на примере разработки интерактивных моделей лабораторного физического эксперимента).
Анализ результатов опытно-поисковой работы по реализации технологии продуктивного обучения бакалавров различных профилей подготовки и магистрантов на примере дисциплины «Современные технологии проектирования цифровой образовательной среды» позволяет сделать заключение о ее достаточной результативности. Методические знания студентов, «пропущенные» через индивидуальные проекты, приобретают иное, более высокое, качество. В итоге студенты демонстрируют более глубокие знания фактического материала по соответствующей теме школьного курса физики. Существенно выше становится уровень их методической работы при постановке натурного демонстрационного эксперимента и применении в обучении его виртуальной симуляции.
Возрастает уровень самостоятельности учебной работы студентов во всех ее видовых проявлениях. Наличие инициативных проектов студентов свидетельствовало о становлении самостоятельности деятельности, базирующейся на устойчивой профессиональной мотивации. Обнаружили себя в явном виде такие достоинства продуктивного обучения, как самоорганизация, самоконтроль, самоутверждение и самоопределение, закрепление профессиональных интересов, осознание значимости выбранной профессии. Проекты, подготовленные студентами, вошли в состав их творческого портфолио. Работа студентов в более широкой образовательной среде способствовала интеграции академического, общекультурного и профессионального образования.
Список цитируемых источников
1. Антонова Д.А. Подготовка будущих учителей физики к разработке авторских коллекций дидактических материалов по предмету в условиях применения средств ИКТ // Вестник ПГГПУ. Серия «ИКТ в образовании». - Пермь: ПГГПУ, 2011. - Вып. 7. - С. 4-14.
2. Антонова Д.А., Оспенникова Е.В. Организация самостоятельной работы студентов педагогического вуза в условиях применения технологии продуктивного обучения // Педагогическое образование в России. - 2016. - № 10. - С. 43-52.
3. Антонова Д.А., Оспенникова Е.В., Спирин Е.В. Цифровая трансформация системы образования. Проектирование ресурсов для современной цифровой учебной среды как одно из ее основных направлений // Вестник ПГГПУ. Серия «ИКТ в образовании». - Пермь: ПГГПУ, 2018. - Вып. 14. - С. 5-37.
4. Башмаков М.И. Что такое продуктивное обучение? // Школьные технологии. - 2000. -№ 4. - С. 1-12.
5. Баяндин Д.В. Дидактические аспекты применения интерактивных компьютерных технологий в лабораторном практикуме // Образовательные технологии и общество. - 2015. -Т. 18, № 3. - С. 511-533.
6. Бем И., Шнайдер Й. Продуктивное обучение: слагаемые системы // Школьные технологии. - 1999. - № 4; Новые ценности образования. - 1999. - № 9. - С. 59-70: [совмест. вып. журн.].
7. Вертгеймер М. Продуктивное мышление / пер. с англ., общ. ред. С.Ф. Габова, В.П. Зинченко. - М.: Прогресс, 1987. - 333 с.
8. Жоламанова И.И. Информационная компетентность педагогических работников [Электронный ресурс] // Цифровая образовательная среда: новые компетенции педагога: сб. материалов участников конф. - СПб.: Междунар. образоват. проекты, 2019. - URL: https://portalsga.ru/data/3425.pdf (дата обращения: 12.11.20).
9. Жуланова В.П. Подготовка педагогов к работе в условиях цифровой образовательной среды [Электронный ресурс] // Цифровая образовательная среда: новые компетенции педагога: сб. материалов участников конф. - СПб.: Междунар. образоват. проекты, 2019. - URL: https://portalsga.ru/data/3425.pdf (дата обращения: 12.11.20).
10. Компьютерная грамотность педагога: какие цифровые компетенции требуются современному учителю? [Электронный ресурс]. - URL: https://education.yandex.ru/ teacher/posts/kompyuternaya-gramotnost-pedagoga-kakie-tsifrovye-kompetentsii-trebuyutsya-sovre-mennomu-uchitelyu (дата обращения: 12.11.20).
11. Образовательный комплекс по физике компании «Увлекательная реальность» [Электронный ресурс]. - URL:https://funreality.ru/lp/physic/?yclid=7373286672063541308 (дата обращения: 19.11.2020).
12. Оспенников Н.А., Оспенникова Е.В. Виды компьютерных моделей и направления использования в обучении физике // Вестник Том. гос. пед. ун-та. - 2010. - № 4. - С. 118-124.
13. Оспенникова Е.В. Использование ИКТ в преподавании физики в средней общеобразовательной школе: метод. пособие. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. - 655 с.
14. Оспенникова Е.В. Методологическая функция виртуального лабораторного эксперимента // Информатика и образование. - 2002. - № 11. - С. 83-89.
15. Оспенникова Е.В., Антонова Д.А Цифровая трансформация предметной среды обучения: исторический экскурс и современный этап реализации // Проблемы современного естественно-научного и математического образования: коллектив. моногр. / Е.П. Антипова, Д.А. Антонова, В.В. Артемьева и др.; Урал. гос. пед. ун-т. - Екатеринбург, 2019. - С. 28-65.
16. Прояненкова Л.А. Методическая подготовка будущих учителей к решению типовых задач организации учебно-воспитательного процесса по физике: проблема, концепция, модель: моногр. - М.: Карпов Е.В., 2009. - 160 с.
17. Стариченко Б.Е. Профессиональный стандарт и ИКТ-компетенции педагога // Педагогическое образование в России. - 2015. - № 7 - С. 6-16.
18. Старовиков М.И. Становление исследовательской деятельности школьников в курсе физики в условиях информатизации обучения: моногр. - Барнаул: Барнаул. гос. пед. ун-т, 2006. - 318 с.
19. Структура ИКТ-компетентности учителей. Рекомендации ЮНЕСКО [Электронный ресурс]. - URL: https://iite.unesco.org/pics/publications/ru/files/3214694.pdf (дата обращения: 12.10.20).
20. Теория и методика обучения физике в средней школе. Избранные вопросы. Школьный физический эксперимент в условиях современной информационно-образовательной среды: учеб.-метод. пособие / Е.В. Оспенникова, Н.А. Оспенников, Д.А. Антонова, А.А. Оспенников; под общ. ред. Е.В. Оспенниковой; Перм. гос. гуманит.-пед. ун-т. - Пермь, 2013. - 368 с.
21. Цифровые образовательные ресурсы в школе: методика использования. Естествознание: сб. учеб.-метод. материалов для пед. вузов / сост. Н.П. Безрукова, А. С. Звягина, Е.В. Оспенникова; под общ. ред. Е.В. Оспенниковой. - М.: Университ. книга, 2008. - 480 с.
22. Чамина О.Г. Продуктивное обучение: потенциал развития в высшей школе [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 5. -URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=22454 (дата обращения: 20.07.2020).
23. LablnApp «Physics 3D Virtual Experiments» [Электронный ресурс]. - URL: http://labinapp.com/ (дата обращения: 17.11.2020).
