Методика проведения натурно-виртуального лабораторного эксперимента

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ НАТУРНО-ВИРТУАЛЬНОГО ЛАБОРАТОРНОГО

ЭКСПЕРИМЕНТА

Юрий Григорьевич Баскин, доктор педагогических наук, профессор,

Эльвира Борисовна Сусленкова, соискатель,

Санкт-Петербургский государственный университет ГПС МЧС России

Аннотация

В статье производится анализ трех возможных вариантов схемы проведения натурновиртуального лабораторного эксперимента: параллельной схемы, последовательной натурновиртуальной и последовательной виртуально-натурной. Анализируются результаты

педагогического эксперимента по использованию натурно-виртуальных технологий проведения лабораторного эксперимента.

Ключевые слова: лабораторный эксперимент, схема эксперимента, учебно-

методический комплекс, виртуальная лаборатория, формирующий эксперимент, контрольный опрос, лабораторная установка.

THE TECHNIQUE OF CARRYING OUT OF NATURNO-VIRTUAL LABORATORY EXPERIMENT

Jury Grigorevich Baskin, the doctor of pedagogical sciences, the professor,

Elvira Borisovna Suslenkova, the competitor,

The St.-Petersburg State University of the State Fire Service of EMERCOM of Russia

Annotation

The article goes into analysis of three possible scheme variants of carrying out the full-scale virtual laboratory experiment: the parallel scheme, consecutive full-scale virtual and consecutive virtual full-scale. The results of pedagogical experiment on implementing the full-scale virtual methodologies of laboratory experiment’s carrying out are analyzed.

Keywords: the laboratory experiment; the experiment’s scheme; the educational complex; the virtual laboratory; the forming experiment; the benchmark poll; the laboratory unit.

Мы считаем, что для вузов МЧС России во главу угла должна становиться задача переориентации дидактической системы с преимущественно информационного типа обучения на обучение, позволяющее выявлять и развивать познавательные и творческие способности курсантов и студентов, управлять формированием их самостоятельной активности, а также воспитывать в этом процессе волевые и профессиональные свойства личности, обеспечивающие самостоятельную, активную, целеустремленную и, главное, результативную учебную и профессиональную деятельность обучаемых. При обучении по инженерным специальностям значительное внимание уделяется формированию умений и навыков, связанных с измерением величин технических параметров, и обработке результатов этих измерений. Однако проведение лабораторных работ по традиционной методике предполагает существенные ограничения в тематике экспериментов, связанные с продолжительностью физического процесса, использованием горючих и токсичных веществ в эксперименте, возможностью размещения лабораторных установок в существующих учебных площадях, стоимостью лабораторных установок и необходимых расходных материалов.

Для успешного решения накопившихся противоречий, связанных с организацией и проведением лабораторного практикума в рамках традиционной формы и внедрением его виртуальной формы, необходимо:

- провести анализ исследований по разработке дидактических средств в области

лабораторного эксперимента, позволяющих повысить эффективность

профессиональной подготовки сотрудников Государственной противопожарной службы;

- разработать модель организации лабораторного практикума для курсантов вуза МЧС России, включающую в себя виртуальный и натурный эксперименты с

з

элементами проектной деятельности;

- сформировать оптимальную схему проведения натурно-виртуальных экспериментов;

- разработать оптимальную структуру и произвести программную реализацию программно-компьютерных комплексов, а также необходимую методическую поддержку, позволяющую курсантам и студентам выполнять лабораторные эксперименты;

- определить пути и методы интенсификации лабораторных занятий за счет более качественной подготовки курсантов и студентов путем внедрения в педагогическую практику индивидуальных комплексных заданий, содержащих как расчетную, так и экспериментальную компоненты.

При экспериментальном исследовании процесса практического обучения в вузах МЧС России произведенный анализ вариантов организации натурновиртуального лабораторного эксперимента позволяет остановиться на трех вариантах возможной структуры подобного занятия:

1. Параллельный натурно-виртуальный лабораторный эксперимент:

Рис. 1. Схема параллельного натурно-виртуального эксперимента

Достоинством схемы проведения параллельного натурно-виртуального

лабораторного эксперимента является возможность сравнивать результаты натурных измерений и виртуального моделирования. Кроме того, существует потенциальная возможность расширять область натурных измерений на параметры, которые невозможно обеспечить в условиях учебной лаборатории.

2. Последовательный натурно-виртуальный лабораторный эксперимент.

Рис. 2. Схема последовательного натурно-виртуального эксперимента

Преимуществом использования схемы последовательного натурно-

виртуального лабораторного эксперимента может быть возможность расширения границ условий проведения натурного эксперимента и получения новой информации о процессах при проведении виртуальной части эксперимента.

3. Последовательный виртуально-натурный лабораторный эксперимент.

Рис. 3. Схема последовательного виртуально-натурного эксперимента

Преимуществом использования схемы последовательного виртуальнонатурного лабораторного эксперимента может быть возможность выдвижения гипотезы по результатам его виртуального этапа и подтверждения или опровержения выдвинутой гипотезы в ходе его натурного этапа.

Подготовка эксперимента по использованию натурно-виртуального лабораторного эксперимента включала в себя следующие этапы: выбор тем натурновиртуальных лабораторных экспериментов; разработка методического сопровождения натурно-виртуальных экспериментов; отбор аудитории, участвующей в педагогическом эксперименте, определение степени аутентичности экспериментальных и контрольной групп; разработка алгоритма и программная проработка натурно-виртуальной теплофизической лаборатории.

В качестве критериев подбора экспертов-преподавателей при определении требований к интерфейсу управляющей оболочки виртуального учебно-методического комплекса были приняты следующие: наличие стажа преподавательской работы не менее 10 лет; базовое образование; владение персональным компьютером на уровне продвинутого пользователя.

Всего было опрошено 39 экспертов-преподавателей, результаты опроса по определению требований к структуре рабочего места курсанта представлены в таблице

1.

Таблица 1

Требования к структуре рабочего места курсанта Предлагаемые варианты Ответы экспертов

Опции главного меню обучаемого Сервисные функции 3

Проведение эксперимента 9

Обработка результатов 1

Информационная поддержка Контекстная помощь 7

Помощь с поиском 2

Темп проведения эксперимента Без ограничения времени 4

Реальное время эксперимента 9

Виртуальное время 9

Защита от неправильного ввода условий эксперимента Отсутствует 2

Интерактивная реакция 4

После ввода всех параметров 5

Вид пользовательского экрана Живая схема 6

Планарная натура 4

Объемная натура 1

При постановке педагогического эксперимента было выбрано 3 учебные группы

очной формы обучения, всего 85 курсантов.

При постановке педагогического эксперимента были выбраны 3 учебные группы в первом лекционном потоке:

- экспериментальная группа, курсанты которой проводили натурно-

виртуальные лабораторные работы по параллельной и последовательной схемам. В формирующем эксперименте участвовали 28 курсантов;

- первая контрольная группа, курсанты которой проводили виртуальные лабораторные работы, в формирующем эксперименте участвовали 28 курсантов;

- вторая контрольная группа, курсанты которой проводили натурные лабораторные работы, в формирующем эксперименте участвовали 29 курсантов. В качестве интегрального показателя аутентичности экспериментальных и контрольных групп принят коэффициент аутентичности Ка:

N2 / N

К =Х Ь1кКЛ X Ь1эКіз,

1 / 1

где: ЬКІ и ЬЗІ - средняя успеваемость курсантов по базовым дисциплинам по подгруппам в контрольной и экспериментальной группах, соответственно;

ЯІК и ЯІЗ - доля курсантов по подгруппам в контрольной и экспериментальной группах, соответственно;

N и Ы2 - число выделяемых подгрупп в экспериментальной и контрольной группах, соответственно.

Объективные характеристики успеваемости по базовым учебным дисциплинам экспериментальной и контрольной групп до начала формирующего эксперимента представлены в таблице 2.

Таблица 2

Группа Всего курсантов Успеваемость, средний балл

Информатика Физика Гидравлика Средняя

Эксперимент 28 3,40 3,61 3,76 3,59

Виртуальная 28 3,42 3,62 3,67 3,57

Натурная 29 3,34 3,69 3,74 3,60

Используя уравнение, приведенное выше, после несложных вычислений

получено значение коэффициента аутентичности групп: Эксперимент-Виртуальная Ка = 0,97; Эксперимент-Натурная: Ка = 0,98.

В ходе формирующего эксперимента были опрошены 85 курсантов 3 курса инженерного факультета с целью определения возможности доступа к ПЭВМ и готовности ее использования для выполнения натурно-виртуального лабораторного эксперимента. Результаты опроса представлены в таблице 3.

Таблица 3

Возможность доступа и перспективы применения ПЭВМ Контингент, %

Петербуржцы Иногородние Всего

Дома (общежитие) 9 10 23

Кафедры 1 3 4

У друзей 3 7 10

Интернет-кафе 0 30 30

Всего 13 72 85

Отсутствует 0 22 22

Буду использовать 9 42 51

Иногда 3 18 21

Никогда 0 12 12

Для объективной оценки результатов формирующего эксперимента непосредственно после его окончания в качестве контрольных точек использовались оценки за письменные лабораторные и контрольные работы, индивидуальные расчетные задания и семестровые экзамены. Результаты формирующего эксперимента представлены в таблице 4.

Таблица 4

Числен- ность Успеваемость, баллы

Группа Предлаборат. коллоквиум Защита отчета Экзамен 8

Эксперимент 28 3,67 4,03 4,01

1-контрольная 28 3,71 3,78 3,72 1,13

2-контрольная 29 3,61 3,80 3,87 1,07

Контрольный опрос проводился независимыми экспертами через 13 месяцев после окончания изучения дисциплины «Теплотехника» в рамках учебного процесса в начале 7 семестра. Использовалась контролирующая программа на 10 вопросов, из которых первые пять охватывали раздел «Термодинамика», а вторые пять - «Теория тепломассообмена и промышленная теплотехника», таким образом, контролем охватывалось 10 тем.

На основании проведенных исследований установлено следующее:

1. Изучение отечественного и зарубежного опыта позволяет сделать вывод, что использования современных натурно-виртуальных технологий проведения лабораторного эксперимента в учебном процессе вузов МЧС России по дисциплинам общеинженерного цикла может повысить качество подготовки специалистов для Государственной противопожарной службы.

2. При разработке учебно-методических материалов, поддерживающих натурно-виртуальные технологии проведения лабораторного эксперимента, необходимо учитывать, что:

- содержание заданий на лабораторный эксперимент должно быть общим для его натурного и виртуального этапов;

- интенсивность учебной работы обучаемых возрастает, если задание на лабораторный эксперимент носило проблемный характер;

- методически оправданной и наиболее эффективной формой реализации виртуальной лаборатории является «живая схема», раскрывающая и иллюстрирующая структуру натурной лабораторной установки;

- программная реализация виртуальной лаборатории должна предусматривать интерактивную реакцию на ошибочные действия обучаемого, причем помощь с поиском должна поддерживать и натурный этап лабораторного эксперимента;

- для упрощения программной реализации виртуальной лаборатории можно эмулировать работу цифровых измерительных приборов, поскольку практический опыт работы при обучении чтению показаний стрелочных приборов обучаемые получат на натурном этапе лабораторного эксперимента.

3. Разработанные комплекты методической документации и соответствующего программно-компьютерного сопровождения натурно-виртуального лабораторного эксперимента внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России на дисциплинах «Основы теплотехники» и «Теплотехника».

4. Экспериментально подтверждена эффективность использования разработанных натурно-виртуальных технологий проведения лабораторного эксперимента в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баскин, Ю.Г. О структуре натурно-виртуального эксперимента / Ю.Г. Баскин, Э.Б. Сусленкова // Вестник Санкт-Петербургского института Государственной противопожарной службы МЧС России. - 2006. - № 4 (16). - С. 6-9.

2. Сусленкова, Э.Б. Задачи организации лабораторного практикума в высшей школе // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях : материалы междунар.

научно-практической конференции. - СПб., 200б. - С. 6і-62.

3. Сусленкова, Э.Б. Информационная поддержка лабораторного эксперимента II Подготовка кадров в системе предупреждения чрезвычайных ситуаций . материалы б международной научно-практической конференции. - СПб., 2007. - С. 75-76.

4. Сусленкова, Э.Б. О концепции автоматизированного лабораторного рабочего места II Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам . материалы 3 международной научно-практической конференции. - СПб., 2007. - С. 45-46.

Контактная информация: a_bolotin@mail.ru

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ

ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ СПОРТСМЕНОВ В ТЕЧЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТРЕНИРОВОЧНЫХ ПЕРИОДОВ

Виктор Михайлович Башкин, кандидат педагогических наук, доцент,

Санкт-Петербургский Государственный Университет Аэрокосмического Приборостроения

Аннотация

В работе исследовано состояние центральной нервной системы спортсменов. Определены различные состояния (степени утомления) центральной первпой системы в зависимости от выполненной тренировочной нагрузки в различные периоды спортивных тренировок.

Ключевые слова: функциональное состояние, нервно-мышечный аппарат, центральная нервная система, мышечное утомление, тренировочная нагрузка.

THE RESEARCH OF THE FUNCTIONAL CONDITION OF THE ATHLETS' CENTRAL NERVOUS SYSTEM'S CHANGING MADE DURING THE VARIOUS

TRAINING PERIODS

Victor Mikhajlovich Bashkin, the candidate of pedagogical sciences, the senior lecturer,

The St.-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation Engineering

Annotation

The study researched the condition of central nervous system of athletes. The various conditions (level of fatigue) of central nervous system depending on the performed training loads during the various periods of sports trainings are defined.

Keywords: the functional condition, the neuromuscular apparatus, the central nervous system, the muscular fatigue, the training load.

ВВЕДЕНИЕ

Основным вопросом в методике спортивной тренировки является определение оптимальных путей развития двигательных способностей спортсменов. Одним из путей подготовки квалифицированных спортсменов является внедрение в тренировочный процесс научно-обоснованных методов управления на основе анализа экспресс-информации физиологических и биологических параметров, позволяющих объективно оценивать функциональное состояние центральной нервной системы (ЦНС) и нервно-мышечного аппарата (НМА) спортсменов [б].

Построение тренировочного процесса в значительной мере должно базироваться на изучении динамики функциональных возможностей спортсменов в течение различных периодов тренировок, определении сильных и слабых сторон подготовленности каждого спортсмена, определении функционального состояния нервно-мышечного аппарата спортсмена во взаимосвязи с выполненной тренировочной нагрузкой, сравнении текущего функционального состояния с прогнозируемым и, в случае заметных отклонений от модельных характеристик, проведение коррекции тренировочного процесса [4].