CC BY
107
УЧЕБНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИМУЛЯЦИИ КАК СРЕДСТВА УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
УДК 371.64/.69, 371.693
Иван Юрьевич Травкин,
старший преподаватель кафедры математики, факультета математики, физики и информатики,
Сахалинский государственный университет,
Эл. почта: [email protected]
В работе рассмотрены теоретические основы, необходимые для изучения вопросов использования учебных компьютерных симуляций в учебном процессе. Автором предложены определение и классификация учебных компьютерных симуляций. Последние рассматриваются в работе как средства учебной деятельности студентов, при этом определяется их место в обучающей деятельности преподавателя.
Ключевые слова: средства учебной деятельности, учебная компьютерная симуляция, электронное обучение.
Ivan Yu. Travkin,
Senior lecturer, the Department of Mathematics, the Chair of Mathematics, Physics and Informatics, Sakhalin State University, E-mail: [email protected]
EDUCATIONAL COMPUTER SIMULATIONS AS LEARNING TOOLS
The theoretical frameworks which is necessary to study the problems of using of educational computer simulations at the education process are considered in the article. The author offers the definition and classification of educational computer simulations. Such simulations are considered as a students learning tool. Also the author defines the value of them in the learning activities of teachers.
Keywords: learning tools, educational computer simulation, e-learning.
1. Введение
Процесс быстрого развития и возрастания доступности информационно-коммуникационных технологий за последние полвека не только привел к возникновению спектра новых педагогических исследований, но и спровоцировал в среде педагогов-практиков появление энтузиастов, самостоятельно освоивших элементы программирования и создавших значительное количество компьютерных программ образовательного назначения. Некоторые из данных программ стали частью педагогических исследований и сыграли важную роль в осмыслении дидактических возможностей компьютера, а также в выявлении проблем, связанных с реализацией этих возможностей.
В настоящее время под влиянием исследований в области персональных вычислений и интерактивных мультимедиа в обучении, формируется представление о компьютере как об устройстве, предназначенном для воспроизведения программного кода, который при этом рассматривается как еще один тип медиа. Данный тип медиа является одной из наиболее точных форм изложения концепций, передачи идей от одного человека к другому [7], а также изначально интерактивной формой, в отличие от традиционных текста и статичных изображений и более поздних звуко- и видеозаписей, которые предполагают пассивного читателя, зрителя или слушателя.
Работая с программным кодом в интерпретирующей среде, обучающийся свободен делать предположения и немедленно осуществлять их проверку, которая является составляющей процесса взаимодействия с данным типом медиа. Грамматика языка программного кода может быть сколь угодно близкой к грамматике формального языка, используемого для описания заданной предметной области. Мысль автора, выраженная в программном коде, автоматически интерпретируется компьютером и может быть представлена посредством интерактивной компьютерной визуализации на основе вычислительной модели. В этом смысле программный код представляет собой тип медиа, посредством которого один человек — автор — объясняет некоторую идею другому человеку — «читателю», — а компьютер делает объяснение наглядным и интерактивным [6].
Использование программного кода как медиа в компьютерных программах образовательного назначения позволяет реализовать подход в применении компьютерного моделирования, который занимает промежуточное положение между использованием готовых учебных компьютерных моделей и использованием элементов компьютерного моделирования как методологии, предполагающей наличие у обучающихся дополнительных знаний и навыков. В существующих исследованиях, посвященных вопросам использования компьютерного моделирования в обучении, широко и подробно рассмотрены названные два подхода, а третий — основанный на использовании программного кода в качестве медиа, — недостаточно изучен. Возникает необходимость выявления некоторой теоретической основы, пригодной для обоснования результатов исследований, в рамках которых реализуется третий подход. В данной работе предлагается определение учебной компьютерной симуляции, в которой реализуется рассматриваемый подход, вводится классификация и раскрываются некоторые аспекты учебных компьютерных симуляций как средств учебной деятельности обучающихся.
2. Определение учебной компьютерной симуляции
Учебная компьютерная симуляция — это компьютерная программа учебного назначения, реализующая язык предметной области, позволяющая определить и переопределить в терминах данного языка подлежащие изучению понятия, отношения и модели, принадлежащие данной предметной области, а также реализующее систему видов отображения и способы их сопоставления с указанными понятиями, отношениями и моделями. Например, если объектом изучения является некоторое явление, то в учебной компьютерной симуляции вводится формальный язык, в терминах которого выражается известная модель данного явления, заключающая в себе подлежащую изучению теорию, т. е. отражающая те аспекты объекта моделирования, которые составляют непосредственный предмет изучения. Далее учебная компьютерная симуляция, автоматически интерпретируя указанные выражения как программу, управляющую компьютерной
моделью, связывает последнюю с интерактивной наглядной репрезентацией, основанной на системе реализованных в программе видов отображения. При этом пользователю доступна для изучения как наглядная репрезентация моделируемого явления, так и соответствующие ей формальные выражения.
Рассматриваемое понятие учебной компьютерной симуляции основано на обобщенных представлениях о средствах компьютерного моделирования, следующих из понятий учебной компьютерной модели [5] и предметно-ориентированной среды [4]. К компонентам учебной компьютерной симуляции относятся:
- язык предметной области;
- метафора визуализации, включающая базовый набор реализованных видов отображения;
- контекст компьютерной симуляции.
Под языком предметной области понимается формальный язык, предназначенный для описания объектов и решения задач определенного класса, то есть относящихся к заданной предметной области [2]. В рамках учебной компьютерной симуляции данный язык рассматривается как тип медиа. Грамматика языка предметной области, используемого в учебной компьютерной симуляции, в общем случае может отличаться от грамматики языка, принятого для описания изучаемой предметной области, особенно, если последний обнаруживает сходство с естественным языком. Необходимо, чтобы синтаксис языка, используемого в учебной компьютерной симуляции, отвечал критерию очевидности, который можно определить следующим образом. Синтаксис языка предметной области компьютерной симуляции является очевидным, если владение формальным языком изучаемой предметной области является достаточным условием интер-
претации и самостоятельной записи выражений первого языка. Приведенная на Рисунке 1 схема является наглядной иллюстрацией критерия очевидности синтаксиса.
Под метафорой визуализации понимается «отображение, ставящее в соответствие понятиям и объектам моделируемой прикладной области систему сближений и аналогий и порождающее некоторый изобразительный ряд (набор видов отображения) и набор методов взаимодействия с визуальными объектами» [1, с. 31]. Метафора визуализации реализуется посредством видов отображения, которые есть абстракции графического вывода, содержащие спецификацию визуальных объектов, их атрибутов, взаиморасположения, динамики и способов взаимодействия [там же]. Результатом интерпретации специальных выражений языка предметной области являются вычислительные модели, которые, в свою очередь, отображаются посредством автоматически конструируемых программой учебных компьютерных моделей. Реализуемый в учебной компьютерной симуляции набор видов отображения играет роль конструктора, из элементов которого составляются указанные учебные компьютерные модели.
Контекст учебной компьютерной симуляции предоставляет аутентичную информацию о предметной области, к которой первая обращена. Его образует совокупность элементов учебной компьютерной симуляции и интерактивного методического сопровождения. Элементами учебной компьютерной симуляции являются подлежащие изучению понятия, отношения и модели, определенные в терминах языка предметной области. Указанные определения, представленные в определенной последовательности и сопровождаемые подробными объяснениями, вместе образуют единое повествование и
2NaOH + H2S04
-> Na2S04 + 2Н20
(принятый в химии способ записи химических peaкций)
2КаОН + 1Ш04 - N32804 + 2Н20
(язык предметной области, реализуемый в учебной компьютерной симуляции)
Рис. 1. Очевидность синтаксиса. В верхней и нижней частях схемы записана одна и та же химическая реакция. Обучающийся, который знаком с формой записи в верхней части, без труда поймет запись, приведенную в нижней части.
составляют основу содержания интерактивного методического сопровождения. В интерактивном методическом сопровождении совмещаются различные типы медиа, один из которых представлен выражениями языка предметной области.
Посредством учебной компьютерной симуляции возможна постановка учебных задач проблемного или исследовательского характера. Например, такая постановка учебных задач, при которой может потребоваться модификация исходных теоретических формулировок, заведомо ведущая к неадекватности конечной модели. Наблюдая провоцируемые указанным образом отклонения моделируемых явлений от реальных, обучающийся может самостоятельно или при помощи преподавателя установить смысл внутренних связей, необходимых и достаточных условий, выраженных в тех или иных формулировках. Очевидно, что при этом происходит не только усвоение основных теоретических сведений, но и обобщенных способов действия с рассматриваемыми абстракциями.
3. Общая классификация
Предлагаемая общая классификация учебных компьютерных симуляций основана на анализе основных функциональных возможностей, относящихся к рассмотренным выше компонентам. Учебные компьютерные симуляции классифицируются по следующим основаниям:
- по предметной области;
- по наличию возможности доопределения языка предметной области;
- по наличию средств спецификации графического вывода.
По основанию предметной области различные учебные компьютерные симуляции образуют классы, включающие компьютерные программы, контексты которых обращены к одному и тому же предмету. Учебные компьютерные симуляции, относимые к одному классу, не только содержат объекты, отношения и модели из общей предметной области, но и реализуют общий язык предметной области (или его варианты), используемый для определения перечисленных элементов. Число классов, образуемых по данному основанию, является неограниченным, т. к. гипотетически существует неограниченное число предметных областей, для которых возможно реализовать учебную компьютерную симуляцию.
По наличию возможности доопре-
деления языка предметной области различают следующие два класса учебных компьютерных симуляций. К первому классу относятся учебные компьютерные симуляции, у которых набор терминов языка предметной области является строго фиксированным, а выраженные через них определения для имеющихся элементов и вновь вводимых объектов не могут быть закреплены в качестве новых терминов. Ко второму классу относятся учебные компьютерные симуляции, в которых реализована возможность вводить новые термины языка предметной области, определяя их через уже существующие. В наиболее развитом случае лишь часть базовых терминов языка предметной области являются неопределяемыми, а все остальные термины выражены посредством первых и допускают изучение и модификацию пользователем.
По наличию средств спецификации графического вывода учебные компьютерные симуляции делятся на два класса: у представителей первого класса указанные средства отсутствуют, у представителей второго класса они имеются. Ответственными за проектирование и последующую реализацию метафоры визуализации являются разработчики компьютерной программы. В учебных компьютерных симуляциях, относимых к первому классу, виды отображения и механизм их сопоставления с вычислительными моделями реализованы таким образом, что у конечного пользователя нет возможности по-
влиять на процесс автоматического конструирования учебных компьютерных моделей. Для учебных компьютерных симуляций второго класса характерно наличие тех или иных инструментальных средств, предоставляющих пользователю некоторую свободу в плане спецификации графического вывода.
Учитывая одновременно все три основания классификации, получаем трехмерное классификационное пространство, изображенное на Рисунке 2.
4. Учебная компьютерная симуляция как средство учебной деятельности
Учебный процесс совмещает в себе два вида деятельности — обучающую деятельность преподавателя (или просто обучение) и учебную деятельность студентов. Обучение, понимаемое как управление учебной деятельностью обучающихся, осуществляется посредством обучающих воздействий. Учебная компьютерная симуляция является средством учебной деятельности и не может оказывать обучающее воздействие per se, однако выступает важным структурным элементом воздействия, оказываемого преподавателем.
Если принять, что изложение учебного материала заключается в специально организованном преподавателем развертывании фрагмента учебной деятельности, который рефлексивно «поглощается» обучающимися [3], то можно выделить различные уровни такого изложения. Использование учебной компьютерной симуляции в качестве
Рис. 2. Общая классификация учебных компьютерных симуляций, основанная на анализе функциональных возможностей компонент
средства позволяет реализовать высокий уровень изложения учебного материала, который предполагает вынесение вовне не только хода рассуждений, но и самого планирования учебной деятельности. Рефлексивное «поглощение» развертываемого фрагмента учебной деятельности также осуществляется посредством учебной компьютерной симуляции, позволяющей дополнить предлагаемую последовательность рассуждений проверкой предположений обучающегося, с целью восстановить в данной последовательности промежуточные или неочевидные для студента звенья.
Поскольку сама учебная деятельность обучающегося представляет собой процесс последовательного решения учебных задач, то учебная компьютерная симуляция должна позволять осуществить их постановку и последующее решение. Наиболее интересными с точки зрения дидактических возможностей являются задачи, сформулированные относительно моделей, представленных в контексте учебной компьютерной симуляции. Классифицируя данные задачи по способу действия с моделью, можно выделить следующие пять типов:
- параметрические задачи;
- задачи на достижение и исследование состояний;
- структурные задачи;
- задачи на построение;
- задачи на адекватность.
К параметрическим задачам относятся любые учебные задачи, связанные с исследованием значений параметров рассматриваемых моделей. В ходе решения данных задач осуществляется изменение значений управляемых параметров моделей и наблюдение за значениями их зависимых параметров.
Учебные задачи на достижение и исследование состояний требуют определения воздействий на модель, ведущих к достижению ее заданного состояния, а также определения необходимых и достаточных условий сохранения заданного состояния. Отличие данного типа учебных задач от параметрических заключается в необходимом одновременном рассмотрении всей совокупности параметров модели: управляемых и зависимых, внешних и внутренних.
Структурные учебные задачи формулируются относительно структуры моделей, количественных и качествен-
ных характеристик связей между их элементами. Сюда относятся как задачи на анализ структуры модели, так и задачи на ее синтез, т. е. такие задачи, в которых требуется воспроизвести или некоторым образом преобразовать структуру модели.
В задачах на построение требуется построить модель на основании имеющихся сведений о поведении моделируемого объекта. Общая структура требуемой модели или некоторый алгоритм ее построения могут быть известны заранее, при этом задача сводится к получению модели с конкретными качественными и количественными характеристиками, определяемыми посредством анализа предоставленных в задаче сведений, например, статистических данных об исходном объекте.
Наконец, к задачам на адекватность модели могут быть отнесены любые учебные задачи, в которых осуществляется как непосредственная оценка адекватности модели исходному объекту, так и исследование ее поведения при критических значениях параметров, т. е. установление условий сохранения адекватности.
5. Заключение
В работе рассмотрено определение учебной компьютерной симуляции, а также три ее компоненты: язык предметной области, метафора визуализации и контекст. На основе анализа функциональных возможностей указанных компонент предложена общая классификация учебных компьютерных симуляций. Показано, что являясь средством учебной деятельности студентов, учебная компьютерная симуляции выступает структурным элементом в обучаю-
щеи деятельности преподавателя, осуществляющего с ее помощью изложение учебного материала и постановку учебных задач. Выделены пять типов учебных задач, постановка и решение которых возможны с использованием учебноИ компьютерной симуляции. Изложенные в работе положения представляют собои теоретическую основу, которая может быть использована при разработке и обосновании методики применения конкретнои учебнои ком-пьютернои симуляции.
Литература
1. Авербух, В.Л. К теории компьютерной визуализации [Текст] // Вычислительные технологии. - 2005. - Т. 10, №4. С. 21-51.
2. БорковскиИ, А.Б. Англо-русскиИ словарь по программированию и информатике [Текст] / А.Б. БорковскиИ. -М.: Рус. яз., 1987.
3. ГергеИ, Т., Машбиц, Е.И. Психолого-педагогические проблемы эффективного применения компьютера в учебном процессе [Текст] // Вопросы психологии. — 1985. — №3. С. 41-48.
4. Демушкин, А.С., Кириллов, А.И., Сливина, Н.А. Компьютерные обучающие программы [Текст] / А.С. Демуш-кин, А.И. Кириллов, Н.А. Сливина, В.Е. Чубров, А.О. Кривошеев, С.С. Фомин / / Информатика и образование. - 1995. - №3. С. 15-22.
5. Лаптев, В.В., Немцев, А.А. Учебные компьютерные модели [Текст] // Информатика и образование. — 1991. —№4. С. 70-73.
6. Травкин, И.Ю. Зачем программирование грамотному человеку [Текст] // Информатика и образование. — 2011.
—№ 10. С. 92-95.
7. Yamamiya, T., Warth, A., Kaehler, T. Active Essays on the Web [Электронный ресурс] // Viewpoints Research Institute, 2009. Систем.требования: AdobeAcrobatReader. URL: http:// www.vpri.org/pdf/tr2009002_active_ essays.pdf (дата обращения: 25.01.2012).
References
1. Averbuh, VL. On the theory of computer visualization [Text]// Vychislitel'nye tehnologii. - 2005. - T. 10, №4. P. 21-51.
2. Borkovskii, A.B. English-Russian dictionary of programming and computer science [Text] / A.B. Borkovskii. - M.: Rus. yaz., 1987.
3. Gergei, T., Mashbic, E.I. Psychological-pedagogical problems of efficient use of computers in the learning process [Text] // Voprosy psihologii. — 1985. — №3. P. 41-48.
4. Demushkin, A.S., Kirillov, A.I., Sliv-ina, N.A. Computer training programs [Text] / A.S. Demushkin, A.I. Kirillov, N.A. Slivina, V.E. Chubrov, A.O. Krivosheev, S.S. Fomin // Informatika i obrazovanie. -1995. - №3. P. 15-22.
5. Laptev, V V, Nemcev, A.A. Training computer models [Text] // Informatika i obrazovanie. — 1991. — №4. P. 70-73.
6. Travkin, I.Yu. Why a literate person needs programming [Text] // Infor-matika i obrazovanie. — 2011. — № 10. P. 92-95.
7. Yamamiya, T., Warth, A., Kaehler, T. Active Essays on the Web [Electronic resource] // Viewpoints Research Institute, 2009. Sistem.trebovaniya: AdobeAcrobatReader. URL: http://www.vpri.org/pdf/ tr2009002_active_essays.pdf (data obra-scheniya: 25.01.2012).
