Модель обучения физике с использованием полнофункциональной моделирующей компьютерной среды

УДК 37.02

МОДЕЛЬ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ПОЛНОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МОДЕЛИРУЮЩЕЙ

КОМПЬЮТЕРНОЙ СРЕДЫ

Д.В. Баяндин

Аннотация. Описан реализованный на практике подход, при котором все фазы учебного процесса поддерживаются компьютерной средой, насыщенной интерактивными моделями, интерактивными заданиями и тренажерами. Построена информационно-дидактическая модель обучения, отражающая соответствие компонентов среды и основанных на них форм организации занятий и видов учебной деятельности. Рассмотрены возможности использования компьютерной среды в плане организации самостоятельной работы учащихся. Обсуждается роль системы мониторинга учебных достижений и инструментов систематизации знаний.

Ключевые слова: информационно-дидактическая модель учебного процесса, компьютерная обучающая среда, интерактивные модели и тренажеры, система мониторинга, систематизация знаний.

MODEL OF PHYSICS TEACHING WITH USE OF

A MULTIFUNCTIONAL COMPUTER MODELING ENVIRONMENT

D. Bayandin

Abstract.The article describes the approach that was implemented in practice. With this approach all the stages of learning are supported by computer environment filled by interactive models, interactive tasks and training. An informational and didactic model of learning process which represents the correspondence between environment components and types of classes and educational activities is created. The capability of computer environment in organization of students' independent work is examined. The role of system monitoring educational achievements and tools for knowledge systematization are discussed.

Keywords: information and didactic model of the educational process, computer learning environment, interactive models and simulators, monitoring system, knowledge systematization.

Информационно-образовательная среда (ИОС) за последнее десятилетие активной информатизации системы образования существенно изменилась, и в наибольшей, пожалуй, степени эти изменения коснулись обучения физике. Роль виртуальной составляющей ИОС курса физики стала весьма заметной, хотя все еще далекой от идеала. Применение программных средств в школе страдает, во-первых, несистемностью и фрагментарностью, а во-вторых,

превалированием пассивных форм виртуальных учебных объектов (ВУО) - текстов, статичной графики и видео, а также создаваемых на их основе презентаций. Менее трети педагогов применяют анимации и модельные демонстрации, в основном, в режиме фронтальной работы. Чаще, чем ВУО других видов, учителя используют компьютерные тесты с простейшими типами заданий. Между тем потенциал виртуальной составляющей ИОС в части физики очень значителен. В рамках проекта «Информатизация системы

образования» (2005-2008 гг.) и помимо нее разработан ряд программных комплексов нового поколения, содержащих высокоинтерактивные объекты - модели и модельные конструкторы, а также задачи и тренажеры с серьезными

экспертными системами анализа действий учащегося. Схожая ситуация с обучением фундаментальным дисциплинам в вузе. Лучше дело обстоит со специальными дисциплинами, для которых используются универсальные математические и специализированные программные пакеты.

Имеющийся опыт - личный и транслированный учителями, использующими разработанный под методическим руководством автора программный продукт "Интер@ктивная физика" (Институт инновационных технологий, г. Пермь), позволяет утверждать, что одним из способов повышения уровня обученности школьников и студентов физике является системное использование всех видов ВУО, в том числе высокоинтерактивных, причем не только при фронтальной, но и при индивидуальной работе, во всех видах учебной деятельности. Это означает, что среда компьютерной поддержки обучения должна быть полнофункциональной и основанной на технологиях математического и компьютерного моделирования. Структура, состав и функции такой среды обсуждались, например, в исследованиях [1,6]. Здесь они представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. - Структура предметной виртуальной среды и ее состав

Современная виртуальная учебная среда использует манипуляционно-графический

интерфейс, обеспечивающий взаимодействие пользователя и компьютерной системы через операции с графическими объектами, отображающими содержание учебной дисциплины. Это позволяет производить с помощью мыши и клавиатуры перемещения и трансформации объектов различного рода построения, в том числе графиков, картин векторов. Объекты предметно-процедурного компонента среды дополнительно включают экспертные системы диагностики и оценки действий пользователя.

Такого рода учебная среда, "Интер@ктивная физика", содержащая около полутора тысяч ВУО разных видов, в течение ряда лет используется в учебном процессе школ и вузов Пермского края, других регионов России и Казахстана.

Отличительная особенность нашего продукта состоит в акценте на обеспечение индивидуальной, в том числе самостоятельной, работы с многовариантными интерактивными заданиями и тренажерами (около 700) и интерактивными моделями (около 400). Педагогу предоставлен удобный инструмент компоновки ВУО в тематические наборы, он обеспечивает создание индивидуализированных траекторий обучения. Успешность прохождения учебного материала оценивает экспертная система, автоматически заполняющая электронный журнал, размещенный в глобальной сети и доступный не только педагогам и учащимся, но и их родителям.

Данные журнала обрабатываются системой мониторинга, позволяющей сопоставлять результаты обучения отдельных учащихся, классов, школ, отслеживать динамику развития. Результаты обучения отображаются также на индивидуальных картах знаний учащихся, представляющих собой части структурнологической модели курса физики. Карта служит инструментом систематизации знаний, поскольку визуализирует отношения и взаимосвязи явлений, понятий, законов и свойств объектов, а также степень их освоения учащимися. Таким образом, карта знаний является инструментом построения модели обучаемого. Подробное описание такого подхода дано в исследовании [4].

Результаты, полученные автором с использованием компьютерной среды в техническом и педагогическом университетах Перми, изложены, например, в исследованиях [2-3]. Наиболее детальный эксперимент проведен со студентами, обучающимися по профилю «Информационные технологии в образовании» направления подготовки 230400.62 «Информационные системы и технологии» физфака педуниверситета. Здесь наш продукт использовался в полной мере как полнофункциональная среда, то есть на всех этапах учебного процесса и для всех видов занятий. Студенты, сдававшие ЕГЭ по информатике, имели слабую подготовку по физике, в связи с чем, для освоения вузовского курса требовалась реабилитация школьной базы. Были задействованы все компоненты среды с упором на использование в часы

самостоятельной работы интерактивных тренажеров для формирования знаний и умений, необходимых при решении задач и проведении физического эксперимента. В лабораторном практикуме наряду с реальными установками использовались модельные стенды.

В целом успешные педагогические эксперименты, проведенные автором в двух университетах Перми, а также опыт,

полученный учителями школ Пермского края, позволили уточнить модели процесса компьютеризованного обучения,

представленные в педагогических

исследованиях [5, 6, с. 61-68]. На рисунке 2 модель детализована на трех уровнях: источников информации, форм организации учебного процесса и видов учебнопознавательной деятельности.

Рисунок 2. - Информационно-дидактическая модель компьютеризованного обучения

Чтобы не перегружать схему, стрелками Из четырех источников информации -

указаны не все связи и соответствия между преподаватель, учебная литература,

блоками, а лишь важнейшие или не вполне окружающий мир и виртуальная учебная среда -

очевидные. последняя раскрыта на уровне ее компонентов;

соответствующие блоки объединяет пунктирная линия. На следующих двух уровнях элементы схемы, имеющие отражение в виртуальной среде, также обведены пунктирной линией. Видно, что таких элементов большинство; это означает, что виртуальная учебная среда близка к тому, чтобы поглотить классическую ИОС. При этом нивелируется различие между учебными объектами, представленными в материальном и в виртуальном виде (например, несущественно, где размещены тексты и изображения - в реальной книге или на экране компьютера), на первый план выходит не носитель информации, а используемая для работы с ней технология. Соответственно, работу с компьютером нет смысла выделять в отдельный вид учебной деятельности, поскольку он способен отображать и пассивные, и интерактивные объекты. Представляется, что на нынешнем этапе модель обучения следует строить без привязки к материальным объектам - носителям информации, по признаку используемых информационных технологий.

Таким образом, появление и развитие виртуальной составляющей ИОС не влечет за собой революционных изменений в методике обучения. Скорее можно говорить о воплощении

принципа соответствия: прежняя модель

обучения является частным случаем новой. Различные компоненты виртуальной образовательной среды органично встраиваются в структуру традиционных форм организации занятий и видов учебной деятельности, разумеется, если субъекты образовательного процесса свободно владеют соответствующими информационными технологиями.

Принципиальное изменение происходит не на методическом, а на техническом уровне: это потребность в компьютерной технике и сетевых технологиях. Информационные технологии, прежде всего, математическое и компьютерное моделирование, породили новые виды средств обучения, но методика их использования не является принципиально новой (сказанное не означает, что модернизированной методике преподавателей не нужно обучать). При сохранении ядра методики обучения виртуальная среда может существенно повысить ее эффективность при условиях: 1) системного использования, прежде всего,

высокоинтерактивных ВУО; 2) использования ВУО в индивидуальной работе, при различных формах организации занятий, включении их во все виды учебной деятельности.

Литература:

1. Баяндин Д.В. Виртуальная среда обучения: состав и функции // Высшее образование в России.

- 2011. - № 7. - С. 113-118.

2. Баяндин Д.В. Дидактические аспекты применения интерактивных компьютерных технологий в лабораторном практикуме //

Образовательные технологии и общество (EducationalTechnology&Society). - 2014. - Т.18.- №

3. - С. 511-533.

3. Баяндин Д.В. Модульная педагогическая технология и вариант ее реализации на основе ресурсоизбыточной среды компьютерной поддержки обучения // Педагогическое образование в России. - 2014. - № 1. - С. 214-220.

4. Баяндин Д.В., Мухин О.И. Структурнологическая модель школьного курса физики в электронных средствах образовательного

Сведения об авторе:

Баяндин Дмитрий Владиславович (г. Пермь, Россия), кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры общей физики Пермского национального исследовательского политехнического университета, e-mail: baya260861@yandex.ru

Data about the author:

D.Bayandin (Perm, Russia), candidate of physico-mathematical sciences, docent, associate professor at Department of General Physics, Perm National Research Polytechnic University, e-mail: baya260861@yandex.ru

назначения // Вестник Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета. Серия: Информационные компьютерные технологии в образовании. - 2014. - №9. - С. 28-45.

5. Зенцова И.М., Оспенникова Е.В. Домашний

экспериментальный практикум по физике как форма учебных занятий и особенности его организации с применением средств ИКТ // Вестник Пермского государственного

гуманитарно-педагогического университета. Серия: Информационные компьютерные технологии в образовании. - 2014. - № 9. - С. 64-72.

6. Оспенникова Е.В. Использование ИКТ в

преподавании физики в средней

общеобразовательной школе: методическое

пособие. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. -655 с.