Компоненты электронных средств образовательного назначения и структура модельных учебных объектов

ИНСТРУМЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ РЕСУРСОВ

Д. В. Баяндин

КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ И СТРУКТУРА МОДЕЛЬНЫХ УЧЕБНЫХ ОБЪЕКТОВ

Целью настоящей работы является уточнение структуры полнофункционального, то есть обеспечивающего поддержку широкого спектра форм организации учебных занятий и видов учебной деятельности, электронного средства образовательного назначения (ЭСОН), а также внутренней структуры входящих в его состав модельных объектов. Примеры приводятся для предметной области "физика".

Состав электронных средств образовательного назначения

В состав ЭСОН входят виртуальные учебные объекты, представляющие собой его содержательное наполнение, и объекты, позволяющие организовать работу пользователя. Выделим следующие компоненты полнофункционального ЭСОНх

- предметно-информационный, представленный описательно-иллюстративной и интерактивной моделирующей частями, из которых первая предназначена для отражения реального мира в рамках изучаемой предметной области, его описания аппаратом учебной дисциплины с целью предъявления готового знания, а вторая - для активного добывания нового знания самим учащимся;

- предметно-процедурный, ориентированный на усвоение и закрепление знаний, выработку умений и навыков, оценку качества этих процессов на основе взаимодействия пользователя с системами интерактивных задач, тренажеров и тестов;

- методический;

- система навигации (навигаторы, справочники, поисковые системы, структурнологические модели дисциплины, отражающие взаимосвязи ее понятий и законов).

Развитые ЭСОН, способные обеспечить относительно автономную работу учащихся,

должны иметь в своем составе в качестве интеллектуального ядра предназначенную для управления обучением единую, глобальную для данной учебной дисциплины экспертную систему, содержащую:

- базовую, достаточно универсальную модель обучения;

- систему ведения с обучаемым диалога, по ходу которого строится модель его знаний по данной дисциплине;

- автоматизированную систему навигации, обеспечивающую генерацию - на основе полученной модели знаний и базовой модели обучения - индивидуальной образовательной траектории.

Глобальная экспертная система дисциплины должна, во-первых, иметь развитый интерфейс, предпочтительно самоценный, то есть информативный и облеченный в наглядную графическую форму; во-вторых, быть способной поддерживать с учащимся диалог на уровне генерации заданий, которые бы сопровождали и направляли работу в среде.

Глобальная экспертная система должна:

а) по ответам учащегося (правильным и неправильным) "понимать", какие знания, умения и навыки не сформированы в должной мере, то есть должна уметь измерять знания;

© Баяндин Д.В., 2OO8

5

б) кратко, но корректно и наглядно объяснять материал;

в) направленно задавать новый вопрос.

При наличии такой системы возможно

создание дополнительной мотивации обучения - игровой (повторить, догнать, преодолеть помехи), проблемной или иного рода. Все перечисленное помогает формированию некоторой - в идеале оптимальной для данного учащегося - траектории движения в среде обучения. Глобальная экспертная система решает задачу управления обучением со стороны компьютерной среды.

В настоящее время такие мощные экспертные системы создаются для достаточно узкопрофильных задач, например, при разработке тренажеров-имитаторов, предназначенных для персонала производственно-технологических установок. Для учебных дисциплин в их традиционном понимании глобальные экспертные системы, возможно, будут созданы в перспективе на основе технологий искусственного интеллекта. С их развитием в принципе могут стать реальностью полноценные программнотехнологические (то есть не требующие

постоянного вмешательства педагога) средства обучения. Пока же в реально существующих ЭСОН глобальная экспертная система заменяется методическими рекомендациями, встроенными в программный продукт или (и) изложенными в виде прилагающейся к нему брошюры. Необязательность выполнения таких рекомендаций определяет невысокий уровень эффективности программно-технологических средств.

Поэтому большинство современных ЭСОН используются в качестве программнометодических средств, предоставляющих возможность выбора маршрута пользователю (учащемуся или учителю), с опорой на оглавления, каталоги и навигаторы системы. Управление учебным процессом в этом случае обычно осуществляется учителем, отслеживающим ход обучения либо традиционно визуально, либо с помощью создаваемых программным средством журналов работы (дневников учащихся), которые показывают, какой материал "пройден" и насколько успешно.

Результаты работы экспертной системы и содержание файлов журналов пользователя

Рис. I

являются исходными данными для систем мониторинга.

Описанная структура ЭСОН изображена на рис. I, из которого видно, что функции большей части компонентов ЭСОН обеспечиваются педагогическим инструментальным средством, которое является важнейшим элементом виртуальной среды обучения. Оно обеспечивает процесс разработки ЭСОН, его функционирование и настройку на уровень пользователя. В последние годы в этом качестве все чаще выступают объектно-ориентированные среды проектирования и моделирования.

Каждому компоненту ЭСОН соответствуют свои формы организации учебного материала, а им, в свою очередь, различные виды виртуальных учебных объектов.

Виртуальные учебные объекты, входящие в состав ЭСОН, ранжированы на рис. I в порядке возрастания сложности. При этом они естественным образом составляют три блока, связанные с изложением учебного материала (левый блок), закреплением учебного материала и контролем его усвоения (средний блок) и навигацией по программному средству (правый блок). Эти блоки соответствуют трем частям дидактического аппарата любого учебного пособия: аппаратам представления, усвоения и ориентировки, выделенным в работах [3, 4], по аналогии с традиционной учебной книгой. В ряде работ выделяют также аппарат обработки, специфический для электронных изданий.

Типы виртуальных учебных объектов

Учебные объекты, входящие в состав виртуальной среды обучения и, соответственно, в ЭСОН, можно подразделить на объекты исчисляемые и неисчисляемые.

Более простой класс неисчисляемых объектов включает в себя тексты, статическую двумерную (оцифрованные традиционные фотографии и рисунки, оригинальные цифровые изображения) и, отчасти, трехмерную графику, видео и

анимации. Соотношение между типами неисчисляемых объектов визуального ряда [4] удобно представить в виде схемы, изображенной на рис. 2.

статический динамический

синтетический

АЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЛ ////////////,

ч\\\\\\\\\\\\ ////////////,.

і і і і Рисунок \ \ - Анимация

////////////

////////////,

////////////,.

ч  ч  Ч  Ч  Ч  Ч  Ч

2 3 -С і 1 с .            \ \ \ \\\\\\\\\\ \\\\\\\\\\ \\\\\\\\\\ ////////////, ////////////,

Фото Видео

\ \ \ N \\\\\\\\\\ \\\\\\\\\\ \\\\\\\\\\ ////////////, ////////////, ////////////,

Рис. 2. Классический визуальный ряд

Неисчисляемые объекты существуют в учебной среде как законченные с содержательной и технической точек зрения информационные блоки, не изменяющиеся при функционировании среды. Вмешательство пользователя в их структуру в ходе обучения не предусмотрено. Иначе говоря, процесс предъявления каждой единицы такой информации (и потребления в известной мере тоже) детерминирован. Поэтому неисчисляемые, детерминирован-ные объекты, естественно, не обладают весьма важным для процесса учения свойством интерактивности.

К классу исчисляемых объектов в предметной области "физика" отнесем: интерактивные модели различных видов, интерактивные задачи, интерактивные тренажеры операциональных навыков, сформированные на основе таких задач и тренажеров тесты, а также интерактивные обучающие сценарии.

Исчисляемые объекты принципиально интерактивны, их предъявление и

В

потребление не являются детерминированными. Они обладают свойством давать адекватные реакции на действия пользователя, иначе говоря, обладают поведением. Поэтому будем также называть исчисляемые объекты модельными.

Под моделированием в широком смысле понимают способ отображения и познания действительности, состоящий в замещении исследуемого феномена его моделью. Эту последнюю понимают [2, 5] как вспомогательный реальный объект или абстракцию, обладающую существенными чертами исходного объекта или явления, используемую для изучения этого объекта или явления и обладающую прогностическими свойствами.

При использовании понятия модели в широком смысле к этому типу объектов относят и двумерные (даже полиграфические) изображения молекул или технических устройств, схемы экспериментальных установок, отображающий демонстрационные эксперименты аудио-визуальный ряд. Все перечисленные объекты - цифровые или выполненные традиционными средствами -действительно являются моделями фрагментов реального или воображаемого мира, моделями знания. С этой точки зрения моделью является также текст, описывающий тот или иной феномен. Мы, однако, понимаем здесь модель в более узком смысле как "живой", интерактивный объект, поведение которого меняется в зависимости от условий, а потому называем модельными только исчисляемые, недетерминированные объекты.

Модельные объекты представляются наиболее важной и перспективной составляющей современных ЭСОН. Ядром, "мозгом" всех исчисляемых объектов является математическая модель, которая подлежит интерпретации входящим в состав виртуальной среды обучения решателем задач.

Структура и роль модельных объектов учебной среды по физике

1. В виде модельных объектов предметноинформационного компонента ЭСОН, то есть

в виде интерактивных моделей, могут быть представлены понятия предметной области (например, физические тела или системы тел, их свойства и характеристики, физические явления) и законы. Математическая модель описывает структуру объекта, его дистрибуцию в заданной системе координат, закономерности поведения в сложившихся или созданных условиях. Говоря об адекватности модели, имеют в виду корректность этого описания для определенных классов ситуаций.

Интерактивная компьютерная модель -это программная система, допускающая управление со стороны пользователя и адекватно реагирующая на его действия. Такие системы в большинстве случаев отображают внешний вид (если он есть) и поведение системы, взаимосвязи ее характеристик, а также визуализируют глубинные, скрытые в реальном мире от глаз и приборов процессы и даже реально не существующие или не имеющие внешнего вида объекты (понятия).

Объекты этого типа имеют одноядерную, многоядерную или иерархическую структуру.

Для базовых, элементарных моделей характерна одноядерная структура. Такие модели описывают феномен "на микроуровне", обладают объективной сущностью. Они в значительной степени универсальны в смысле возможности вхождения в состав разнообразных более сложных моделей. Само по себе ядро, математическая модель, будучи "сущностью в себе", как правило, не является готовым виртуальным учебным объектом. Это элемент конструктора, кирпичик, из которого складывается объект (рис. 3 а). Поэтому базовым, элементарным моделям свойственна высокая ценность при постановке исследовательских задач, конструировании. Информационные входы и выходы для математического ядра не являются закрепленными, благодаря чему возможно решение обратных задач. Сказанное, конечно, относится не к тому случаю, когда модель сразу формулируется в виде жесткого алгоритма, а к случаю более общему, когда она записывается в виде систем

Рис. 3. Структура интерактивных моделей различной организации

алгебраических и дифференциальных уравнений на языке среды моделирования, а алгоритм строится решателем задач скрытым от пользователя образом. Фиксация входных и выходных параметров происходит на уровне взаимодействия ядра с другими базовыми моделями или элементами интерфейса, в соответствии с технологией построения исследуемой системы и методическими соображениями по ее использованию в учении.

Полноценный объект учебной среды имеет помимо ядра слои визуализации и управления (рис. 3 б). Система визуализации обеспечивает предъявление изображения и поведения объекта в реальном или фазовом пространстве в натурном или абстрактном виде (информационные транспаранты, числовые данные, цветовая индикация, таблицы, графики, диаграммы - векторные, столбчатые, цифровые, цветовые). Система управления, основанная на манипуляционнографическом интерфейсе, позволяет производить перемещения и модификации объекта, изменение его характеристик посредством рычагов управления или непосредственного ввода числовых параметров; особо может быть выделен блок настройки модели (возможно, с отдельного учительского пульта) и блок задания начальных условий.

Богатство визуализации и количество рычагов управления ограничивается не столько возможностями модельного ядра или

среды моделирования, сколько методическим назначением учебного объекта в целом. В соответствии с этим назначением нужно обеспечить, во-первых, условия для концентрации внимания учащегося на конкретной проблеме и, во-вторых, доступность потребных для ее решения инструментов. Таким образом, в слоях визуализации и управления, в основном, сосредоточен инструментарий обеспечения методики.

Одноядерная структура присуща простым модельным объектам; в общем случае возможна более сложная организация. Она возникает, если сущность моделируемого феномена выражается не одной элементарной математической моделью, а их системой, которую можно изобразить в виде схемы.

Для сообщества равноправных базовых объектов характерна многоядерная модель (рис. 3 в). В случае же, когда объединение базовых объектов в систему порождает некоторое новое качество, когда система управляется не только законами отдельных объектов, но и новыми законами, стоящими над ними, вне их, модель имеет иерархическую структуру (рис. 3 г). Количество уровней в иерархии может быть сколь угодно большим.

При рациональной организации учебной среды сложные модели обычно создаются не "с нуля", а на основе конструкторов базовых моделей. Процесс конструирования будет удобным, если изначально был сделан оптимальный выбор элементарных моделей

внутри разделов и тем. Это значит, что для постановщика, "предметного" автора среды, самым серьезным является этап "дискретизации" и формализации предметной области.

Слой визуализации в многоядерных и иерархически организованных моделях может полностью или частично сохраняться для каждого ядра отдельно, но, как правило, появляется обобщающий визуализатор. То же касается системы управления.

Приведем примеры интерактивных моделей различной организации, изображенных на рис. 3, применительно к физике.

Базовые модели: второй закон Ньютона для частицы, движущейся в условиях воздействия абстрактных полей; закон Ома для однородного или неоднородного участка цепи.

Одноядерные модели: движение тела, брошенного под углом к горизонту, с возможностью задания начальной скорости и угла бросания; протекание тока через резистор в условиях изменения его сопротивления и внешнего напряжения.

Многоядерная модель: разветвленная электрическая цепь с изменяемыми параметрами.

Иерархически организованная модель: идеальный газ в изменяемых внешних условиях (например, нагревание или сжатие).

Обратим внимание, что объединение электрических элементов в сложную цепь не привело к иерархически организованной модели, поскольку правила Кирхгофа, традиционно используемые при аналитическом решении таких задач, являются прямым следствием законов, примененных в базовых моделях. Напротив, для описания столкновений частиц идеального газа потребовалось использовать законы сохранения импульса и энергии, независимые от законов Ньютона, значит, многоядерная структура данной системе не соответствует.

Описанный выше ряд моделей различной организации является результатом последовательного использования объектноориентированного подхода в моделировании, когда каждому существенному в контексте решаемой задачи объекту отобра-

жаемой реальности в соответствие ставится его математическая модель. "Микроскопическое" модельное описание, как уже говорилось, обеспечивает наибольшую гибкость учебной среды, возможность с минимальными затратами создать модель новой системы на базе уже разработанного набора элементарных моделей (правда, первоначальные усилия, направленные на разработку конструктора, обычно очень значительны). Однако нередко детальным описанием моделируемой системы пренебрегают. Причинами этого могут быть:

- несущественность в решаемой задаче поправок, которые дает детальное описание;

- нецелесообразность стремления к универсальностью конструктора, когда для достижения целей обучения достаточно рассмотрения одной-двух частных ситуаций;

- чрезмерная сложность изучаемой системы, делающая необходимой редукцию модели.

В этих случаях вместо структурированной в виде схемы математической модели используется упрощенное представление системы, которое можно назвать интегративной одноядерной моделью. Информация, которую дает такая модель, естественно, не содержит многих деталей и описывает систему на "макроуровне". Несмотря на "обедненность", такая модель может обладать новым качеством, новой сущностью. В продолжение ранее приведенных примеров: модель разветвленной электрической цепи, записанная на языке правил Кирхгофа, не содержит новой сущности, а описание идеального газа на языке уравнения состояния и законов термодинамики обладает ею. Можно также привести примеры, в которых обобщение моделей производится самим разработчиком учебной среды, а не берется готовым из исторически сложившихся в физике подходов.

Упрощенное описание изучаемой системы интегративной моделью, уменьшение числа степеней свободы могут привести к тому, что ее ценность с точки зрения учебного исследования снизится; в этом случае целесообразно ее использование лишь в

целях демонстраций. С другой стороны, интегративная модель может войти в состав более сложной системы, имеющей собственную иерархическую структуру, в качестве базовой, как элемент нового конструктора, описывающего феномен на другом уровне. Например, основанная на уравнениях состояния и законах термодинамики модель газа в цилиндре под поршнем может быть частью модели некоторого технического устройства или промышленной установки. Таким образом, базовый уровень объектности относителен: то, что интегративно на одних масштабах, может быть "микроскопично" на других. Относительна и ценность модели, поскольку она зависит от объекта и цели исследования.

Модель любой структуры имеет выход, с которого информация поступает к ученику; ученик, в свою очередь, подает управляющие сигналы на вход. В более сложном случае имеется еще одна часть системы - экспериментальная установка. Модель может управлять ею или обрабатывать исходящую от нее информацию (рис. 4). Таким образом, субъект управления, ученик, воздействует на объект управления, модель (через клавиатуру, мышь, джойстик) или реальную систему (путем перемещения объектов, их трансформации и изменения свойств, создания и уничтожения).

2. Интерактивные модели как объекты учебной среды могут играть при обучении естественнонаучным дисциплинам различные роли. В порядке возрастания сложности это:

- интерактивные анимации,

- динамические иллюстрации,

- модельные демонстрации (демонстрационные стенды),

- модели локально-исследовательского характера (лабораторные стенды),

- модельные конструкторы (конструкторские стенды).

Модельная демонстрация обычно строится на основе модели, имеющей небольшое число доступных пользователю "рычагов управления", позволяющая наглядно иллюстрировать явление или поведение объекта в создаваемых условиях. Математическое ядро может быть как простым, так и сложным, но характерной особенностью является упрощенная система управления. Подчеркнем, лаконичность системы управления связана не с особенностями ядра модели, а с методическим аспектом: внимание учащегося должно сосредоточиться на проявлениях актуальной предметной сущности, не рассеиваясь на богатстве возможностей управления. Входы и выходы модели, используемой для демонстрации, как правило, закреплены. В соответствии с

Рис. 4. Структура и место модельного объекта в системе учения

предоставляемыми пользователю возможностями можно выделить следующие подвиды демонстраций:

а) отображающие не поведение, а только внешний вид объекта, его структуру и пространственную конфигурацию при неизменных условиях (но, возможно, при изменении ракурса в трехмерном пространстве);

б) обеспечивающие только задание начальных условий (с возможностью повторного расчета в новых условиях);

в) обеспечивающие непрерывное влияние на ядро в ходе расчета (изменение пользователем свойств объекта и переменные внешние воздействия).

Модельные демонстрации могут быть редуцированы по двум направлениям.

Первое, связанное с сокрытием пульта системы управления, приводит к динамической иллюстрации, действие которой разворачивается без участия, только под наблюдением, пользователя. Это не означает, однако, что динамическая иллюстрация -детерминированный объект, равноценный традиционной анимации, поскольку в модельном ядре может происходить генерация значений параметров. Например, в моделях, иллюстрирующих тепловое или броуновское движение, диффузию, случайным образом задаются начальные скорости частиц, и в каждом варианте расчета процесс протекает различным образом, так что детерминированности на микроуровне нет (на макроуровне она может быть или не быть в зависимости от особенностей системы). Поведением такая модель, во всяком случае, обладает. Это позволяет проводить наблюдение за изучаемой системой, анализировать ее поведение, сравнивать исходы при различных вариантах развития событий. Составление прогноза также возможно, но на основе не одной динамической иллюстрации, а их серии или же при длительном наблюдении процесса. Таким образом, динамические иллюстрации, хотя имеют ограниченные возможности поддержки исследовательской деятельности, все же позволяют выполнять элементы исследования, применять некоторые его методы.

Второе направление редукции модельной демонстрации - упрощение математического ядра вплоть до полного его подавления с точки зрения физической содержательности, когда ядром, по сути, становится логика визуализации; в этом случае модель вырождается в интерактивную анимацию. (Для примера приведем сюжет со стрельбой из лука заранее данными стрелами разной массы. Каждой стреле ставится в соответствие определенная дальность полета, что позволяет ввести понятие инертности тела.) Последовательность действий пользователя не предопределена, но предопределено поведение системы в каждом из немногих рассматриваемых случаев, поскольку иллюстрируемый эффект примитивен.

Локально-исследовательская модель (модельный лабораторный стенд) предоставляет пользователю значительное число степеней свободы и обеспечивает исследование и анализ различных сторон моделируемого явления, особенностей поведения объекта при свободном выборе последовательности воздействий и их интенсивности. С точки зрения структуры этот виртуальный учебный объект обладает развитой системой управления и системой визуализации "с запасом" изобразительных средств (либо моделирующая среда позволяет их пополнять по ходу дела). Входы и выходы могут быть закреплены или переключаются динамически. Например, для иллюстрации изменений состояния идеального газа при циклических процессах нужно поочередно фиксировать один из параметров р-У-Т, при этом другой служит аргументом, а оставшийся -рассчитываемой функцией. Сам переключатель играет при этом роль дополнительной степени свободы.

Модельный конструктор основан на наборе элементов, позволяющих пользователю собрать на экране, спроектировать новую систему, чтобы затем исследовать ее. Математическое ядро в этом случае имеет самую сложную, иерархическую организацию. Система управления должна быть развитой, притом желательно, чтобы среда моделирования позволяла пополнять ее в ходе

работы. Система визуализации, по умолчанию, представлена локальными оболочками отдельных элементов, но обобщенный слой визуализации может создаваться пользователем средствами среды моделирования. В плане гибкости, адаптивности к запросам пользователя конструкторы являются высшей формой организации модельных объектов.

Наконец, выделим особо случай, когда интерактивная модель предоставляет не один, а два и более пультов управления. Такой виртуальный учебный объект может использоваться для проведения деловой игры, соревнования.

Итак, для всех разновидностей интерактивных моделей ядрами объектов учебной среды являются математические модели, обычно снабженные оболочками управления и визуализации. Для удобства использования объекты должны обеспечиваться методическим сопровож-дением. Поэтому с точки зрения пользователя формула виртуальных учебных объектов как элементов учебного материала имеет вид: интерактивная модель = математическое ядро + системы визуализации и управления + методика использования. Кроме того, виртуальная среда обучения позволяет манипулировать объектами ЭСОН в меру возможностей педагогического инструментального средства. В зависимости от развитости инструментария модификация моделей или невозможна ("Открытая физика", продукты "1С" и "Кирилла и Мефодия"), или предполагается ("Живая физика", "Виртуальная физика").

3. Ко второму, более сложному типу исчисляемых объектов в составе ЭСОН относятся элементы его предметнопроцедурной компоненты - интерактивные задачи и интерактивные тренажеры [1]. Назовем их модельными объектами процедурного типа.

Такие объекты, во-первых, описывают некоторую сущность в пределах предметной области, во вторых, обеспечивают возможность достижения пользователем поставленной цели путем перемещения объектов,

манипуляций с инструментами, графических построений и других действий, а не просто путем выбора ответа или ввода числа (слова); в-третьих, благодаря наличию в своей структуре экспертной системы способны распознавать по действиям пользователя логику решения и оценивать его правильность.

Таким образом, математическая модель входит в структуру объекта процедурного типа в двух "ипостасях": в виде математического ядра, описывающего физическую сущность и обеспечивающего на своей основе генерацию задания и получение его решения; в виде прилегающего к нему слоя экспертной системы, основанной на математической модели необходимых для решения действий (рис. 5).

Слои управления и визуализации трансформируются в случае интерактивной задачи в единую манипуляционно-графическую систему.

Процедурные объекты часто совмещают в себе черты качественных и количественных задач. Они не позволяют допускать небрежность и оставлять неопределенность в графическом изображении ситуации, требуют от учащегося задумываться при выполнении рисунка, построении картины векторов, записи уравнений над вопросами, которые при решении задачи на доске или бумаге часто упускаются.

Интерактивная задача - программная система, предполагающая совершение при выполнении задания выверенной последовательности активных действий, которые обеспечиваются развитым манипуляционно-графическим интерфейсом.

Математическое ядро обеспечивает:

- генерацию условия задачи и, как следствие, ее многовариантность за счет случайного или направленного выбора:

а) пространственно-временной конфигурации системы;

б) состава и свойств ее подобъектов;

с) состава исходных и искомых параметров;

д) значений характеристик, их модулей

и направлений векторов, других свойств;

- определение искомых параметров системы в соответствии с условием задачи (в том числе, решение обратной задачи);

- представление ответа в неявном, модельном виде (расчет выполняется системой после окончания работы учащегося, например, по нажатию им кнопки "Готово"), что исключает "подсматривание" ответа;

- вариативность формы представления исходной и получаемой информации (вербальная, численная, в виде аналитической или графической зависимости, стробоскопического изображения, чертежа, формулы, системы уравнений, динамической системы - видео, анимации, модельной демонстрации, модельного исследования);

- возможность преобразования информации из одной формы в другую.

Математическая модель экспертной системы позволяет:

- произвести просчет типовых ошибочных действий учащегося, распознавать его логику при неправильных рассуждениях и в соответствии с этим диагностировать и классифицировать ошибки;

- строить методически полную систему реакций и подсказок;

- формировать динамическую модель знаний ученика.

Результатом работы экспертной системы отдельной интерактивной задачи является информация, которая может служить входной для глобальной экспертной системы, осуществляющей управления процессом обучения в среде.

Интерактивный тренажер - программная система, предназначенная для освоения технологических приемов и отработки навыков, необходимых при решении задач или работе с приборами и оборудованием (включая оценку погрешности измерений, отображение функциональных зависимостей в форме таблиц, графиков, формул и так далее).

Обычно тренажер представляет собой последовательность тематически связанных, обладающих содержательной преемствен-

вход

V

генерация

варианта

выход ^

Рис. 5. Структура интерактивных задач и тренажеров

ностью, шаг за шагом усложняющихся заданий. Выполняя их, учащийся вынужденно последовательно и самостоятельно разбирает ключевые ситуации для некоторого класса задач. Системность рассмотрения вкупе с целенаправленностью и осмысленностью манипуляций графическими и текстовыми объектами обеспечивают усвоение и фиксацию действий, связанных с ними знаний, умений и навыков, в результате чего в сознании учащегося складывается устойчивая и ассоциативно связанная совокупность представлений и операциональных компетентностей по изучаемой теме.

Экспертная система осуществляет пошаговый контроль правильности действий ученика, генерируя контекстные реакции на ошибки, что обеспечивает формирование индивидуальной траектории обучения. Гсли система подсказок полна и методически продуманна, она гарантированно дает реальный обучающий эффект: кто быстрее, кто медленнее, учащиеся приходят к финишу тренажера с различным, но ненулевым уровнем освоения учебного материала, со сформированными в определенной мере знаниями, умениями и навыками. При этом

для учителя существенно снижаются объемы рутинной работы - многократных детальных объяснений с контролем освоения каждого элемента.

В целом, экспертная система тренажера работает более "дотошно", чем для интерактивной задачи, имеет более детализованную систему реакций, понуждающую ученика "проговорить" в интерактивном диалоге аргументированную цепочку умозаключений

[13-

Структура интерактивного тренажера в основном схожа с представленной на рис. 5. Отличия для тренажера, содержащего серию заданий, выражаются в многоядерной или иерархической его организации; при этом каждое ядро соответствует одной из ситуаций, рассматриваемых в рамках тренажера. Экспертная система также перестает быть монолитной: выделяются блоки, связанные с оценкой выполнения отдельных заданий, и обобщающий уровень, отслеживающий усвоение материала в целом.

Среди принципов построения компьютерных тренажерных комплексов выделим четыре группы, связанные с требованиями, предъявляемыми:

- к предметному содержанию:

а) единство подходов и дидактических приемов в системе тренажеров в целом;

б) полнота рассмотрения в пределах тренажера класса ситуаций, анализ всех имеющих к нему отношение объектов, понятий, законов;

в) логическая последовательность и преемственность в разнообразии» для рассматриваемых в рамках серии заданий ситуаций;

г) полнота и системность представления всех этапов решения задач данного класса в рамках блока тренажеров по некоторой теме;

- к формируемым компетентностям:

а) развитие навыков анализа ситуации;

б) развитие системного и логического мышления;

в) формирование навыков характе-

ристики ситуации на языке графических и текстовых объектов;

- к организационной структуре:

а) конкретность и поэлементность отработки умений и навыков в пределах каждой серии заданий;

б) наличие развитой системы предметной поддержки, сети реакций на действия пользователя;

в) наличие нескольких уровней вложенности для блока тренажеров:

- по классам задач в рамках темы;

- по уровню сложности ситуаций внутри классазадач;

- по разнообразию ситуаций внутри класса задач;

- по элементам и этапам решения внутри классазадач;

а) постепенность роста сложности в рамках серии заданий;

б) множественность маршрутов обучения для обеспечения его вариативности;

в) динамическое формирование траектории обучения для его индивидуализации;

- к интерфейсу:

а) преемственность от задания к заданию: сходство дизайна, функционирования сервисных элементов, единство технологических приемов работы пользователя;

б) достижение активного характера учебной деятельности за счет инструментальной обеспеченности, развитого манипуляционно-графического аппарата;

г) высокая интерактивность за счет контекстно-формируемых реакций и иерархически организованной системы помощи;

д) наглядность и конкретность текстовографического отображения как самой анализируемой ситуации, так и действий пользователя;

е) наличие развитой системы технической поддержки.

4. Обучающий сценарий - синтетическая, комбинированная форма организации учебного материала. Он может содержать теоретические сведения с иллюстрациями, модельный эксперимент демонстрационного

или исследовательского характера, блоки отработки умений и навыков, а также работающую в режиме вопрос-ответ экспертную систему, предназначенную для контроля хода обучения и его корректировки. Обсуждавшийся выше интерактивный тренажер, по сути, является частным случаем обучающего сценария.

Отличительная особенность обучающих сценариев состоит в том, что они, как правило, имеют строго обусловленную (при этом, возможно, сложную и разветвленную) внутреннюю сеть маршрутов прохождения учебного материала. В узлах этой сети, своеобразных точках ветвления, в зависимости от успешности выполнения обучаемым тех или иных заданий определяется траектория дальнейшего движения, точнее, шага движения до следующего узла. Обучающие сценарии делятся на группы, каждая из которых имеет свою функцию:

1) изложение и иллюстрация материала (теории или образцов решения задач), возможно, с контролем усвоения на элементарном уровне;

2) выработка навыков выполнения стандартных процедур при решении задач или выполнении работ лабораторного практикума;

3) обучение общим подходам решения задач (в зависимости от успешности действий регулируется сложность задач);

4) закрепление материала (с определением уровня усвоения).

Обучающие сценарии "Активной физики" решают все четыре названные задачи; "Уроков Кирилла и Мефодия" и "ТеасЬРго

Физики" - только задачу 1; "Репетитора Боревского" - задачи 2 и 3; "Виртуальной физики" - задачи 1, 2 и 4; "1C: Школы. Физика, 10 11 класс. Подготовка к ЕГЭ" - задачи 1, 2 и

4, "Подготовка к ЕГЭ по физике, 2004" ("Физикон") - задачи 1 и 4.

В структуре обучающего сценария в общем случае могут быть представлены все блоки интерактивных моделей, задач и тренажеров (см. рис. 3 и 5). Соответственно, обучающий сценарий может относиться к предметноинформационному, либо к предметнопроцедурному компонентам ЭСОН, либо к обоим компонентам одновременно.

Итак, модельные объекты практически всех типов имеют развитые (в той мере, которая определяется их предметным содержанием) математическое ядро (кроме интерактивных анимаций) и систему визуализации (кроме конструкторов, для которых она создается пользователем). Экспертную систему содержат только процедурные объекты и обучающие сценарии. Наибольшие отличия для объектов разных типов связаны с системой управления: облегченная в интерактивных анимациях и демонстрационных моделях и даже полностью отсутствующая в динамических иллюстрациях, она наиболее развита в локальноисследовательских моделях (лабораторные работы), процедурных объектах и обучающих сценариях, а в модельных конструкторах, в основном, создается самим пользователем. Тем не менее, в целом, структура модельных объектов всех типов схожа, а ее особенности определяются функцией (иначе говоря, ролью) объекта в составе среды обучения.

Библиографический2список

1. Баяндин Д.В. Интерактивные компьютерные тренажеры в школьном курсе физики / Д.В. Баяндин, Н.Н. Медведева, Н.К. Ханнанов // Физика в школе. 2006. № 4. С. 3-10.

2. Новик И. Б. О моделировании сложных систем / И. Б. Новик. М.: Мысль, 1965.

3. Оспенникова, Е. В. Электронный учебник. Каким ему быть? / Е. В. Оспенникова // Наука и школа. - М.: МИГУ, 2004. - N° 2. - С. 18-25.

4. Современная учебная книга: подготовка и издание / под ред. С. Г. Антоновой, А. А. Вахрушева. М.: МГУИ, 2004. 224 с.

5. Штофф В. А. О роли моделей в познании / В. А. Штофф. Л.: ЛГУ, 1963.