Экспериментальное исследование применения мультимедийной наглядности при обучении студентов химии

Ю. А. Жук, Л. В. Куликов, Д. А. Пономарев

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ МУЛЬТИМЕДИЙНОЙ НАГЛЯДНОСТИ ПРИ ОБУЧЕНИИ СТУДЕНТОВ ХИМИИ

Создание современных компьютеризированных форм обучения для различных курсов химии в ВУЗе является актуальной задачей, несмотря на довольно широкий спектр электронных учебников, веб-сайтов и порталов по химии. Введение компьютерной техники во все сферы интеллектуальной и материальной деятельности привело к установлению новых критериев для подготовки специалистов в различных областях. В результате нарастающей компьютеризации устоявшиеся методики и средства обучения постепенно вытесняются новыми методами с применением высоких технологий.

Для ряда дисциплин компьютер может выступать как специальный рабочий инструмент, не только заменяющий традиционные средства, но и вносящий совершенно новые элементы в технологию обучения. Современные программы учебного назначения должны разрабатываться с ориентацией на такие представленные компьютером широчайшие возможности, без которых эти обучающие материалы не могли бы быть реализованы традиционными средствами \

При обучении химии использование компьютера должно учитывать особенности химии как науки. Изучение органической химии связано с рассмотрением процессов, скрытых от непосредственного наблюдения. Это создает трудности для восприятия и понимания. Дисплейные формы наглядности позволяют сделать учебный материал более наглядным, многократно повторять его и продвигаться в обучении со скоростью, благоприятной для каждого студента. Использование наглядности с анимацией некоторых химических процессов, механизмов реакций способствуют формированию у студентов наглядно- образного мышления, тем самым увеличивая эффективность усвоения учебного материала2.

В отечественных методиках преподавания химии все более необходимым становится включение технических дисплейных форм обучения, обладающих огромным информационным, дидактическим потенциалом, в содержательную структуру учебного процесса, разработка путей, способов и условий их интеграции с курсом химии.

1. Мультимедийная наглядность в преподавании химии

Целью нашей работы является создание мультимедийной наглядности по избранным разделам органической химии с учетом особенностей обучаемых, а также адаптированной к конкретному учебному курсу и специализации. Этот аспект требует от преподавателей особо кропотливой методической работы по отбору необходимого материала инженернотехнической направленности при сохранении классических основ знаний в курсах органической химии. Тематика лекций, семинарских занятий соответствует рабочим программам, составленным на основании Государственного образовательного стандарта профессионального высшего образования 3.

© Ю. А. Жук, Л. В. Куликов, Д. А. Пономарев, 2008

Нами была поставлена задача выявления наиболее трудных для восприятия, понимания студентами тем и разделов. Для чего после прослушивания курса лекций по органической химии у 90 студентов II курса факультета Химической технологии и биотехнологии было проведено анонимное анкетирование. В результате были выявлены вопросы, вызывающие наибольшее затруднение при их изучении 4.

Результаты данного тестирования позволили определить направления дальнейшей разработки и использования мультимедийной формы наглядности.

2. Разработка различных форм мультимедийной наглядности

Большое количество компьютерных программ представляет огромные возможности реализации педагогических замыслов. Особое внимание следует уделить ряду критериев содержания наглядного материала: оптимальная скорость показа слайдов, движения объектов, цветовая гамма, статичность или движение объектов показа, трехмерно-объемное или плоскостно-проекционное изображение объектов, наличие или отсутствие текстового и звукового сопровождения. С учетом многообразия возможности представления наглядного материала было разработано несколько вариантов мультимедийной наглядности:

1. Статичное, плоскостное, проекционное изображение объектов с текстовым сопровождением.

2. Статичное, трехмерное изображение объектов с текстовым или звуковым сопровождением.

3. Динамическое, трехмерное изображение объектов, строение веществ, молекул в виде шаростержневых моделей (атомы в молекуле представлены в виде шаров, а связи между атомами — стержнями).

4. Динамическое, трехмерное изображение объектов, строение молекул представлены с помощью гибридных орбиталей 5.

В течение семестра нами были проведены семинарские занятия со студентами II курса факультета Химической технологии и биотехнологии Санкт-Петербургской Лесотехнической академии с использованием различных видов наглядности. По окончанию семестра было проведено анкетирование 125 человек.

В результате анкетирования было выявлено, что студенты отдают предпочтение наглядному материалу, для разработки которого использовалась анимация с динамическими, трехмерными, шаростержневыми моделями, с печатным и звуковым сопровождением. Также, согласно проведенному анкетированию, применение мультимедийной наглядности способствует повышению мотивации в обучении, улучшает понимание и запоминание учебного материала.

Использование наглядного мультимедийного материала, безусловно, помогает формированию у студентов образных представлений о химическом, электронном и пространственном строении органических молекул и его влиянии на свойства вещества. Чтобы оценить эффективность применения различных видов наглядности, решено было провести исследования, которые позволили бы это выявить.

Педагогический эксперимент включал в себя три этапа: диагностический, исследовательский и констатирующий. Для начала исследования следовало сформировать выборку студентов с относительно равными способностями и сформированностью знаний в области химии. Был составлен тест, в котором использовались вопросы — задания из программы для поступающих в ВУЗы. Каждый вопрос оценивался в 1 балл, максимальное количество

составляло 10 баллов. По результатам данного опроса, в котором участвовали 154 человека, были выделены 4 группы студентов со средними баллами от 5,9 до 6,7, которые и принимали участие в дальнейшем исследовании.

Целью исследовательского этапа любого педагогического эксперимента является выявление четырех показателей:

1. Информативность (соответствие содержанию изучаемого вопроса).

2. Доступность (легкость восприятия и способы подачи информации).

3. Затраты времени (на изложение и усвоение материала студентами).

4. Освоение комплекса (подготовленность преподавателя к используемому материалу).

Любой эксперимент предусматривает систематическое изменение независимой переменной, с целью определить эффект от подобных изменений, которые позволят сделать важные выводы 6. В нашем исследовании из четырех показателей нас интересовали доступность подачи информации и легкость ее восприятия студентами.

В эксперименте приняли участие четыре группы студентов, в трех из которых для проведения занятий использовались различные виды наглядности (независимая переменная эксперимента):

• группа № 1 — «статичная плоскостная наглядность» в виде презентации с использованием МS Power Point, модели строения молекул, химические формулы представлены в статичном, плоскостном виде. Весь материал сопровождается текстовыми пояснениями.

• группа № 2 — «трехмерная статичная наглядность» в виде презентации с использованием МS Power Point, молекулы химических веществ представлены трехмерными, статичными шаростержневыми моделями. Весь материал сопровождается текстовыми пояснениями.

• группа № 3 — «динамичная трехмерная наглядность» в виде презентации с использованием МS Power Point, модели молекул изображены с помощью гибридных орбиталей. Химические реакции, их механизмы представлены анимацией (программа 3ds max 5) 7. Весь материал сопровождается текстовыми и звуковыми пояснениями.

В группе № 4 не использовалась мультимедийная наглядность, эта группа была контрольной.

Зависимой переменной в данном эксперименте были баллы, полученные студентами за контрольные работы, которые состояли из набора заданий, каждое из которых оценивалось по 4-балльной шкале:

4 балла — полный правильный ответ

3 балла — неполный правильный ответ

2 балла — частично правильный ответ

1 балл — неправильный ответ

0 баллов — отсутствие ответа.

Эксперимент проводился с целью проверки влияния различных способов подачи информации на последующее обучение. По окончании обучения (в течение семестра) были подведены итоги эксперимента. Оценочным критерием являлся средний балл группы, полученный на промежуточном контроле знаний. Тестирование студентов проводилось по шести темам, различного уровня сложности, связанных с определенными классами органических соединений («Алканы», «Алкены», «Алкадиены», «Алкины», «Циклоалканы», «Ароматические соединения»).

При обработке результатов были получены данные, которые указывали на позитивное влияние мультимедийной наглядности (средние баллы экспериментальных групп были выше, чем у контрольной группы при p-level = 0,07). Эти данные еще раз подтверждают необходимость использования наглядности в учебном процессе не только детей, но и взрослых, обучение которых основано, главным образом, на вербально-логическом, понятийном мышлении. Более того, многими исследователями доказано, что чем более абстрактна информация, подлежащая усвоению, тем больше требуется опора на наглядные формы ее отображения 8.

В результате нашего эксперимента выделить явно выраженную положительную тенденцию применения какого-либо вида мультимедийной наглядности не удалось. При дальнейшем, более глубоком и детальном изучении студенческих контрольных работ было выявлено, что, например, в группе № 2, где использовалась «трехмерная статичная наглядность», на вопросы, связанные со строением веществ, молекул, даны более полные ответы. В то же время сформированность знаний по вопросам механизмов реакций в группе № 3 («динамичная трехмерная наглядность») намного выше, чем в остальных трех группах. Вследствие чего были сделаны предположения о различном влиянии на усвоение знаний студентами разных видов наглядности по отдельным параграфам, разделам, вопросам тем. Для проверки данной гипотезы был проведен еще один эксперимент, цель которого состояла в том, чтобы выявить влияние различных видов мультимедийной наглядности на отдельные разделы, вопросы органической химии.

Направлениями, которые оценивались, были:

1. Строение веществ и молекул. 2. Механизмы реакций.

В этом исследовании участвовали те же четыре группы студентов, занятия велись у них с тем же видом наглядности, но при проверке контрольных работ отдельное внимание уделялось на усвоение студентами отдельных, выделенных направлений, таких как строение веществ, молекул (критерий 1), механизмы реакций (критерий 2). По окончанию семестра были подведены итоги, учитывалась сумма баллов, полученных группой по пяти контрольным работам.

Результаты эксперимента показали, что средний балл за контрольные работы по критерию 1 в группе № 2 («трехмерная статичная наглядность») выше, чем в остальных группах (^-kvel = 0,07). По критерию 2 средний балл оказался выше у группы № 3, где использовалась «динамичная трехмерная наглядность» (^-level = 0,04).

Анализируя полученные результаты, можно констатировать, что использование «динамичной трехмерной наглядности» дает положительную тенденцию в обучении студентов. Подача материала с применением данной дисплейной наглядности по-иному осмысливается студентами, чем материал, изложенный преподавателем с применением схем, графиков, формул. Студент оперирует ими, но чаще всего они появляются как знаки, изображенные преподавателем на доске, и за ними не стоит ничего, кроме слова. «Динамичная трехмерная наглядность» может показать химическое, физическое явление, механизм реакции и совместить с ними схему, раскрывающую его сущность. Схематизированные представления обслуживают мышление, чувственная реальность служит лишь предпосылкой их возникновения. Они отображаются в знаковой и символической формах. Таким образом, по-новому формируют эти представления. Студент может соотносить схематизированное представление с явлением, которое оно отображает. Следовательно, использование «динамичной трехмерной наглядности» в обучении развивает воображение студентов, приучая связывать абстрактный знак с представлениями реального явления 9.

В то же время применение «динамичной трехмерной наглядности» при изучении строения молекул, веществ не дает значительных положительных результатов, здесь явный

перевес за «трехмерной статичной наглядностью». Это можно обосновать тем, что отсутствие движения на проекционном экране, мониторе компьютера помогает сосредоточить внимание студентов на узловых моментах изучаемого материала. Изображение молекул, веществ представляет определенную фигуру, а фон выделяет и подчеркивает те особенности информации, которые в данный момент раскрывают сущность учебного материала. Ограничение пространства восприятия непроизвольно сосредотачивает взгляд в пространстве экрана, тем самым помогая лучше запомнить материал.

Таким образом, можно констатировать, что использование одного вида наглядности по всем вопросам и разделам в органической химии не дает заметной положительной тенденции в усвоении студентами полученных знаний. Исходя из полученных результатов, можно рекомендовать следующие способы создания дисплейной наглядности:

1. В виде презентации, в которой молекулы химических веществ представлены трехмерными, статичными шаростержневыми моделями. Весь материал сопровождается текстовыми и звуковыми пояснениями. Этот способ создания используется при разработке материала, связанного со строением молекул, веществ, нединамичных химических и физических явлений. Используемые программы: Microsoft Word 2000, Microsoft Power Point 2000, Chem Office 2004, Chem 3D Ultra 8.0, Adobe Premiere 6.5.

2. В виде презентации, в которой молекулы химических веществ представлены как трехмерными шаростержневыми моделями, так и с помощью гибридных орбиталей. Такой способ создания используется при разработке наглядности, связанной с механизмами химических реакций, динамикой химических и физических процессов, явлений. Весь материал сопровождается текстовыми и звуковыми пояснениями. Используемые программы: Microsoft Word 2000, Microsoft Power Point 2000, Chem Office 2004, Adobe Premiere 6.5, 3d studio max 5.

Дальнейшее создание мультимедийной наглядности, применяемой при обучении органической химии, проводилось с учетом предложенных выше способов. В результате были получены новые формы, в которых интегрировались «трехмерная статичная» и «трехмерная динамичная» наглядность с учетом результатов предыдущих экспериментов. Разработанная таким образом «интегрированная» дисплейная наглядность требовала апробации.

3. «Интегрированная» мультимедийная наглядность

Еще один эксперимент проводился со студентами заочного отделения, второго года обучения факультета Химической технологии и биотехнологии. В течение сессии (3 недели) в одной из групп (группа № 1) занятия проводились с помощью интегрированной дисплейной наглядности, а другая группа (№ 2) обучалась по обычной установленной программе обучения. По окончании сессии и сдачи экзамена были подведены итоги. Учитывался средний балл, полученный группой на экзамене (ответ оценивался по 4-бальной шкале). В группе № 1 средний балл оказался значительно выше, чем в группе № 2 (p-level = 0,05).

Данные результаты показывают улучшение усвоения материала в группе, где использовалась дисплейная наглядность. Это позволяет сделать выводы о целесообразности применения интегрированных форм мультимедийных видов наглядности при обучении студентов органической химии.

Для подтверждения данных результатов, помимо экзаменационных показателей, указывающих на повышение уровня усвоения и восприятия учебного материала, было проведено анкетирование студентов заочной формы обучения с целью выявления уровня мотивации.

В анкетировании приняли участие 50 человек. Результаты анкетирования подтвердили положительные тенденции применения мультимедиа при обучении органической химии: усиление мотивации обучения (76 %), помогает устранить некоторые трудности в понимании учебного материала (88 %), повышает комфортность изучения данного предмета (62 %).

В результате работы на семинарских и лекционных занятиях по органической химии с программой компьютерного сопровождения преподаватели убедились в необходимости создания и использования для изучения материала по химии студентами дисплейной наглядности и оптимизации учебного процесса. Сегодня возрастает актуальность и значение решения дидактических проблем в этой области. Это не столько сложности технического и художественного обеспечения, оптимального режима восприятия наглядной информации, сколько психолого-педагогические проблемы 10.

И в традиционном обучении, и в обучении с применением мультимедийной наглядности начальным этапом является восприятие учебной информации. При традиционном обучении знания, которые передает преподаватель, часто выражены в словесных символах. Студент, слушая лектора, переводит слово в образы силами своего воссоздающего воображения. Запас элементов, из которых он выстраивает представление об изучаемом предмете, иногда весьма скуден. В воображении всегда ярко проявляется индивидуальность субъекта познания. Эти процессы плохо осознаются и контролируются. Дисплейная наглядность дополняет устное изложение преподавателя и облегчает работу воображения.

Новые интегрированные мультимедийные формы наглядности дают не только улучшение усвоения знаний, но и повышение мотивации студентов к обучению, что способствует повышению качества обучения. При использовании дисплейной наглядности обогащается вся сфера познавательной деятельности: сенсорно-перцептивные процессы, представление, воображение, образно-понятийное мышление.

Проведенные эксперименты, как и предыдущие наши исследования 11 по использованию дисплейных форм наглядности в процессе обучения органической химии в ВУЗе, показали целесообразность применения таких средств в учебном процессе и необходимость продолжения работы по их внедрению.

1 Средства дистанционного обучения: Методика, технология, инструментарий / Под ред. З. Джалиашвили.

СПб., 2003.

2 Образцов П. И. Психолого-педагогические аспекты разработки и применения в вузе информационных технологий обучения. Орел, 2000.

3 Жук Ю. А., Пономарев Д. А., Куликов А. В. Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовательно-научной деятельности // Материалы XIII Международной научно-методической конференции, 16-17 февр. 2006 г., Санкт-Петербург. СПб., 2006. С. 115-116.

4 Жук Ю. А., Пономарев Д. А., Куликов А. В. Проблемы и перспективы развития химического образования // Тезисы докладов II Всероссийской научно-практической конференции, 26-30 сент. 2006 г. Челябинск, 2006. С. 64-66.

5 Орбиталь — определенная область пространства вокруг атомного ядра, вероятность пребывания электрона в которой — наибольшая. В результате перекрывания двух атомных орбиталей образуется связь между атомами. Гибридизация орбиталей — это смешивание и выравнивание их по форме и энергии. В зависимости от вида гибридизации орбитали имеют разную форму

Аефрансуа Г. Прикладная педагогическая психология. СПб., 2007.

7 Программа 3ds тах 5 позволяет создать ряд последовательных изображений, используя любого рода модификаторы, свойства материалов, такие как цвет, прозрачность, блеск, а также состояние окружающей среды. Можно изменять геометрию объектов и их положение в пространстве. Можно имитировать движение не только отдельных элементов, но учитывать при этом их связь между собой, когда преобразования в движении одного объекта влекут за собой аналогичные преобразования других, связанных с ним объектов. К тому же существует

возможность имитировать такие факторы движения, как сила трения, тяжести, давления, учитывать деформацию объектов при столкновении.

Якунин В. А. Педагогическая психология: Учеб. пособие. СПб., 2000.

9 Бондаренко Е. А., Журин А. А., Милютина И. А. Технические средства обучения в современной школе: Пособие для учителя и директора школы / Под ред. А. А. Журина. М., 2004.

10 Образцов П. И. Дидактический комплекс информационного обеспечения учебной дисциплины в системе ДО // Открытое образование. 2001. № 5.

11 Жук Ю. А., Пономарев Д. А., Куликов А. В. Труды Санкт-Петербургской государственной академии: Актуальные проблемы развития высшей школы. Проблемы качества подготовки специалистов. Эдукалогия — новая наука

об образовании // Материалы международной научно-методической конференции, 19-21 апреля 2006 года, Санкт-Петербург. СПб., 2006. С. 247-250.