Объектно-ориентированный подход к созданию электронных учебников

ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ПОДХОД К СОЗДАНИЮ ЭЛЕКТРОННЫХ УЧЕБНИКОВ

Электронный учебник, трехмерная графика, режим реального времени, интерактивность.

Развитие компьютерных технологий в целом и информатизация образования в частности предлагают новые средства и методы обучения. Компьютерная графика, Интернет и мультимедиа стали неотъемлемой частью учебного процесса. Появились новые методики и подходы передачи и проверки знаний. Информация стала, как никогда ранее, доступной, а образование - открытым. Компьютер позволил реализовать такие невозможные ранее средства обучения, как гипертекст, виртуальные лабораторные работы, Интернет-тестирование, тренажеры и интерактивность. Несомненно, все это способствует обучению, но в большинстве своем плюсы сводятся лишь к интенсификации и автоматизации учебного процесса, тогда как общий принцип построения учебного материала остается прежним. В итоге говорить о том, что произошёл некий качественный скачок в обучении, пока рано.

В этой статье будет рассмотрено такое средство обучения, как электронный учебник, и представлены новый подход к его разработке и технология реализации этого подхода. Электронный учебник (ЭУ) - это целостная, дидактическая, методическая и интерактивная программная система. Как и бумажный аналог, электронный учебник является основным носителем информации по дисциплине и должен отражать определенную систему научно-предметных знаний. Кроме того, электронный учебник должен предлагать учащемуся различные учебные задания и включать средства проверки знаний.

Для того чтобы эффективно использовать средства компьютерных технологий и правильно применять их в разработке ЭУ, обратимся к информационной модели памяти человека. Известно, что информация хранится в памяти человека в виде некоторых наглядно-образных представлений.

На рис. 1 представлено схематичное изображение группы нейронов, на которых хранится образ жесткого диска компьютера как отражение реального устройства хранения информации. Все элементы этого сложного устройства находятся в виде связанных между собой образов, которые состоят из рецептивных и абстрактных составляющих. Очевидно, что чем больше составляющих формируют образ и чем больше связей между ними, тем больше человек знает об объекте.

Например, ученик должен знать, что основой накопителя, к которой крепятся все элементы, является «Литое шасси». Шасси как часть физической материи имеет определенную форму, размер, цвет, вес и текстуру поверхности — это рецептивные составляющие образа. Название, назначение объекта, его функции, модели поведения и взаимодействия с другими объектами, например защита компонентов накопителя, являются абстрактными (понятийными) составляющими, сформированными на основе имеющегося у человека опыта и знаний (рис. 2).

Жесткий диск

Плата контроллера

Рис. 1. Образ жесткого диска, хранящийся на группе нейронов

Наибольший процент информации человек воспринимает зрением, то есть визуальный компонент является главным и наиболее устойчивым звеном в образе объекта. Добавление к визуальному образу понятий и характеристик является естественным и привычным процессом познавания окружающего мира.

Известному педагогу Я.А. Коменскому принадлежит следующее высказывание: «Если мы желаем привить учащимся истинное и прочное знание вещей, нужно обучать всему через личное наблюдение и чувственное доказательство» [Коменский, 1982, т. 1, с. 384]. Колоссальную значимость образности представления информации отмечает в своей работе профессор психологии М.А. Уайт [While, 1988]. Она считает образность новым языком современных информационных технологий. Представляя информацию не только в виде текста, но и в виде образов, новые технологии создают предпосылки для третьей революции в сфере образования, которая может оказать более радикальное воздействие на способы мышления и обучения, чем первая образовательная революция, связанная с изобретением алфавита, и чем вторая, вызванная появлением печатного станка. Это связано с тем, что образы оказывают принципиально более сильное воздействие на человека, чем текст, что способствует лучшему усвоению информации.

Защищает их от внешних воздействий

Рис. 2. Рецептивные и понятийные образы объекта

Абстрагирование, то есть процесс и результат мысленного отвлечения от каких-либо сторон, связей, свойств изучаемого предмета или явления, даже для многих взрослых является сложной задачей. Трудности абстрагирования связаны, не с самим процессом как таковым, а с глубиной абстрагирования, со степенью удаления от конкретно-чувственных объектов. Во многих случаях сложность информации, предоставляемой обучаемому, настолько велика, что она просто не может быть воспринята за отводимое время на требуемом уровне. Поэтому при использовании традиционных технологий обучения очень часто приходится констатировать плохое понимание учебного материала и низкий уровень знаний студентов.

Из психологии известно явление функциональной асимметрии полушарий головного мозга. Левое полушарие осуществляет речевые и другие связанные с речью функции: чтение, письмо, счет, логическая память, словесно-логическое или понятийное мышление. С помощью левого полушария осуществляется аналитический подход к формированию знаний, связанный с последовательным перебором его элементов по определенной программе. Но левое полушарие, работая изолированно, по-видимому, не в состоянии интегрировать воспринятые и выделенные элементы в целостный образ. Правое полушарие связано с осуществлением не опосредованных речью психических функций, протекающих на чувственном уровне, в наглядно-действенном плане. Для правого полушария ха-

рактерны высокая скорость работы по опознанию, его точность и четкость. Такой способ опознания предметов можно определить как интегрально-синтетический, целостный, структурно-смысловой. Говоря компьютерным языком, левое полушарие работает последовательно, а правое параллельно.

В большинстве существующих бумажных и электронных учебниках иллюстрация лишь дополняет текст и связывается с ним посредством сносок или ссылок. На рис. 3 изображен разворот учебника «Конструкция вагонов». Изучая представленные страницы, студент должен, ориентируясь на сноски и указатели, сопоставить названия узлов с соответствующими элементами рисунка. При этом ученик не может точно определить границы того или иного элемента, а во многих случаях вообще трудно понять, куда указывает сноска. Получить полное представление о геометрической форме, материале, цвете объекта также не представляется возможным, а соответственно, знание будет в лучшем случае неполном, в худшем — ошибочным.

Рис. 3. Разворот учебника

Рис. 4. Взаимосвязи текста и изображения

На рис. 4 изображен процесс изучения представленной информации. Каждая стрелка показывает взаимосвязь текста с изображением, а также движение фокуса внимания. Каждая стрелка - это физическая и умственная работа ученика, затраченная не на получение новой информации, а на борьбу с интерфейсом учебника. Гипертекст и более наглядные иллюстрации или видеовставки могут частично решить проблему, но структура и метод подачи информации от этого не изменятся. Помимо низкой наглядности и слабой связи между составляющими образа, существует и другая проблема — это линейность повествования как текста, так и видео. Такая структура ограничивает не только учащегося, но и автора, создающего учебный материал, заставляя его выстраивать информацию в определенной последовательности.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что для простого и более быстрого формирования правильного образа изучаемого предмета или объекта необходимо:

— предоставлять учащемуся возможность чувственного восприятия объектов, их макетов или моделей и их личное наблюдение учащимися;

— выстраивать информацию от рецептивных составляющих, являющихся своего рода картой изучаемого предмета, к понятийным (абстрактным) составляющим;

— однозначно связывать составляющие образа и усиливать эти связи дополнительными ассоциациями;

— структура учебного материала должна соответствовать структуре изучаемого объекта;

— ученик должен быть максимально вовлечен в процесс подачи информации, должен сам выбирать темп и направление обучения.

Решение первого пункта задачи по формированию образа связано с компьютерной графикой. Наиболее эффективной и наглядной на сегодняшний момент является трехмерная графика. Редакторы трехмерной графики позволяют моделировать, анимировать и визуализировать объекты любой сложности. Современные пакеты ЗБ-моделирования, такие как 3dsMax, Maya, Softimage, позволяют получить три вида продукции. Во-первых, это растровое изображение трехмерной модели. Функционально такая картинка мало чем отличается от обычной иллюстраций. Ко второму типу относятся видеофайлы. Отснятая анимация, показывающая, к примеру, выполнение объектом каких-либо действий, несет в себе гораздо больше информации, чем статичная картинка. Эти два вида мультимедиа широко используются при создании ЭУ, но существует и третий вид продукции — сама трехмерная модель. Как правило, файлы, содержащие трехмерные модели и сцены, остаются у разработчиков и не доходят до конечного пользователя. Это происходит по причине того, что для просмотра таких файлов необходимо установить тот программный продукт, с помощью которого была создана модель, и научиться им пользоваться. Тем не менее с точки зрения содержания информации трехмерная модель превосходит и свою фотографию, показывающую лишь один ракурс и видео, демонстрирующее только то, что решил показать оператор. Индустрия компьютерных игр давно и успешно использует трехмерную графику в режиме реального времени. Все предметы в такой среде могут наблюдаться под любым углом и в любом масштабе. В отличие от видео, пользователю не нужно ждать, пока оператор найдет нужный ракурс, он может выбрать его сам. Свобода действий стала одной из главных характеристик качества игр.

На рис. 5 представлен скриншот объектно-ориентированного электронного учебника «Устройство компьютера».

Крышка

Крышка закрывает шасси, образуя гермозону - полость жесткого диска, внутри которой находиться очищенный от пыли воздух.

Обеспечение чистого беспыльного пространства внутри жесткого диска необходимое условие дпя его работы.

Именно поэтому не вскрывайте винчестер.

Рис. 5. Скриншот электронного учебника «Устройст во компьютера»

В данной программе пользователь имеет возможность вращать и масштабировать трехмерную модель жесткого диска компьютера, что позволяет получить полную информацию об объекте изучения. По сути, появилась возможность личного наблюдения объекта учеником. Для того чтобы узнать название детали устройства, необходимо навести мышку на интересующий объект, а для получения более подробной информации — нажать левую кнопку мыши. Чтобы полностью изучить это устройство, пользователь может разобрать и собрать жесткий диск, нажимая правой кнопкой мыши на его деталях, производя тем самым анализ и синтез. Главным преимуществом такого способа подачи информации является не только его удобство, но и механика процесса. Знание формируется на лету, самим пользователем непосредственно в ответ на его действия. В отличие от видеоматериалов, широко распространенных в ЭУ, ученик не является пассивным зрителем, а активно участвует в формировании того, что происходит на экране монитора.

Текст однозначно связывается с визуальным образом. Выделение цветом выбранного элемента показывает его границы и дополнительно привлекает внимание. Активность пользователя, звуковые эффекты, изменение цвета, анимация являются якорями, или дополнительными связями, формирующими образ изучаемого объекта. Ничто не мешает заменить или дополнить текст звуком. Для людей, расположенных к звуковому восприятию, приятный, поставленный голос, рассказывающий о выделенном пользователем объекте, может стать более эффективным, чем текст. Интерактивность и динамика трехмерных моделей в совокупности с активностью пользователя в полной мере реализует соответствующие требования, предъявляемые к ЭУ.

Редакторы трехмерной графики позволяют не только моделировать различные объекты, но и анимировать их. К примеру, можно показать в динамике работу двигателя накопителя и создаваемые вращением дисков воздушные потоки (рис. 6), не только избавив ученика от чтения нескольких параграфов текста, но и создав тем самым яркий, динамичный и понятный образ.

Еще одно важное отличие объектно-ориентированного подхода от традиционных методик создания электронных учебников — это структура учебной информации. В объектно-ориентированном ЭУ информация инкапсулирована в трехмерные модели объектов, в их свойства, модели поведения и взаимодействия. Поскольку трехмерные сцены являются моделями реальных объектов, можно сказать, что структура учебника обусловлена непосредственно изучаемым объектом, что положительно сказывается на понимании общей сути предмета.

Объектно-ориентированный подход дает возможность для создания принципиально новых тестирующих систем, методов контроля и средств адаптации ЭУ. Например, в программе «Трехмерная обучающая модель железнодорожной станции» вопросы формируются программой на основе имеющихся в трехмерной сцене объектов, а не на базе заготовленных разработчиком вопросов. Программа случайным образом выбирает объект в трехмерной сцене, затем выбирает модель вопроса и на основе этих данных формирует задание. Например, программа подсвечивает один из железнодорожных путей и просит пользователя написать его номер или, напротив, просит указать объект по его названию (рис. 7).

Бпок гоповок

Головни чтения/зэгиси пргобрэз/ют электрический си'нал в магнитное поле и обратно.

Воздушная подушка

Головни парят над поверхностью магнитного диска на воздушисй подуике. возникающей в результате его вращения. Головни двигаются на расстоянии 5-10 нанометров от поверхности блинов

Рис. 6. Воздушная подушка и анимация потоков воздуха

Количество вариантов ответов у таких тестов определяется сложностью изучаемого объекта, и в данном случае оно очень велико, но только на первый взгляд. Любой работник станции знает, что станция разбита на парки, где пути нумеруются неким определенным образом. В итоге большинство вариантов для знающего человека становятся заведомо неверными. Если же ученик отвечает на вопрос неправильно, то программа покажет правильный ответ, что позволяет объединить проверку знаний и обучение в единый процесс.

Красноярская железная дорога \ Станция Ллановя'

Рис. 7. Объектно-ориентированная тестирующая система

Представленная технология позволяет создавать эффективные ЭУ для самых разных областей знаний, и в первую очередь для дисциплин, изучающих реальные объекты и системы. Основной структурной единицей таких учебников является объект. Для разработчика объект — это данные плюс программный код. Трехмерная модель, анимация, текст — это данные. Программный код определяет работу и взаимодействие этих данных между собой и с пользователем. С точки зрения пользователя объект - это интерактивная модель, содержащая в себе необходимую информацию.

Объектно-ориентированный подход, несмотря на все свои явные преимущества, имеет один существенный недостаток — высокую трудоемкость разработки ЭУ. Автор учебника должен быть Зс1-моделером, аниматором, художником и программистом. Создать некий конструктор для разработки различных объек-тно-ориентированных ЭУ также не представляется возможным, так как моделировать Зс1-объекты все равно придется под каждый конкретный случай. К тому же попытка унифицировать этот подход может погубить все преимущества, связанные с созданием уникальных, ярких и интересных образов. Разработкой таких учебников, по мнению автора, должны заниматься специализированные студии, а преподаватели будут учувствовать в процессе разработки в качестве методистов и консультантов. Трудоемкость же создания будет компенсироваться качественным и востребованным продуктом, который можно воспроизводить неограниченным тиражом. Также хотелось бы отметить тот факт, что такие учебники очень легко переводить на другие языки, благодаря небольшому объему текстовой информации и универсальности образов.

Библиографический список

1. Агеев В.Н. Электронная книга: новое средство коммуникаций / МГУП. М.: Мир кн., 1997. 230 с.

2. Аленичева Е. Электронный учебник: проблемы создания и оценки качества // Высшее образование в России. 2001. № 1. С. 121-123.

3. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем М.: Филинъ, 2003. 613 с.

4. Зайнутдинова JI.X. Создание и применение электронных учебников (на примере общетехнических дисциплин). Астрахань: Изд-во ЦНЭП, 1999.

5. Коменский Я.А. Избранные, педагогические сочинения: в 2 т. М.: Педагогика, 1982. Т. 1. 656 с; т. 2. 576 с.

6. White М. A. The Third Learning Revolution // Electronic Learning. 1988. Vol.7. № . 4.