Информационно-методическое обеспечение естественно-научных дисциплин для распределенных образовательных структур

Новиков А.В., Свистунов Б.Л.

ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫХ ДИСЦИПЛИН ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ СТРУКТУР

Глобализация мировых технологических, информационных процессов создает технологические предпосылки глобализации образовательных процессов, а необходимость доступа в учебных и научных целях к современному лабораторному производственному оборудованию вызывает необходимость создания распределенных образовательных структур (РОС), включающих в себя, в частности, информационнообразовательные ресурсы, лаборатории удаленного доступа и ресурсные центры. В связи с этим представляется важной разработка методик, моделей и научно-обоснованных рекомендаций построения и функционирования информационно-методического обеспечения (ИМО) для преподавания в рамках РОС. Особую важность эта задача приобретает при подготовке специалистов технического профиля для таких фундаментальных дисциплин, как физика. Сформулируем основные требования к проектированию ИМО дисциплины «Физика» (ИМО ФИЗИКА).

В процессе проектирования должно быть обеспечено выполнение следующих требований к ИМО ФИЗИКА:

- необходимо учитывать модель профессиональной деятельности специалиста (ПДС), при этом должно быть обеспечено согласование семантики модели ПДС и ИМО ФИЗИКА;

- необходимо учитывать особенности автоматизированного управления практико-ориентированным образовательным процессом в рамках РОС с целью формирования у выпускников вузов требуемых компетенций.

Требование к необходимости структурирования большого объема информации с учетом семантических взаимосвязей вызывает необходимость применения обобщенных структурных моделей (ОСМ) ПДС и соответствующего математического аппарата. Подход, основанный на применении ОСМ ПДС, позволяет отображать не только обобщенную связность элементов модели, но и атрибуты элементов и связей между ними, то есть специфику предметной области - семантические структуры. Семантическая ОСМ ИМО ФИЗИКА должна быть семантически согласована с ОСМ ПДС.

Заметим, что традиционный гипертекст, получившее широкое распространение при построении электронный учебных изданий имеет существенные ограничения при создании семантических ОСМ, поскольку гиперссылка не несет семантического смысла, а модель ПДС описывает, в первую очередь, семантические связи между понятиями, описывающими объекты реального мира.

Семантическую ОСМ ФИЗИКА представим кортежем вида 8=<Е,У,Р,К.> , в котором Е=<Е5,Е1> - носитель модели; У=<Уе,У8> - сигнатура модели; Р - синтаксические правила формирования ОСМ; Я - семантические правила формирования ОСМ, определяющие формирование семантической составляющей, т.е. формализацию превращения синтаксической ОСМ в семантическую ОСМ.

Семантические правила Я расширяют формальные конструктивные процедуры описания элементов и их отношений Р с учетом количественных и качественных характеристик элементов Е и видов отношений

между ними, определяемых конкретным первичным описанием моделируемой системы.

Примером РОС является Пензенская государственная технологическая академия (ПГТА), представляющая собой многоуровневое образовательное учреждение, ориентированное, в первую очередь. на подготовку технических специалистов для инновационных областей экономики. ПГТА обеспечивает все уровни профессиональной подготовки: НПО, СПО, ВПО.

В процессе подготовки специалистов технического профиля особую роль играет преподавание таких фундаментальных дисциплин, как физика и математика. Естественным способом повышения качества подготовки специалистов в рамках многоуровневого образовательного учреждения является обеспечение сквозного цикла подготовки по фундаментальным предметам по всем уровням подготовки. Процедуру проектирования ИМО ФИЗИКА рассмотрим на примере наиболее важной ее части - практической и лабораторной подготовкой для интегрирования всех присутствующих в рамках РОС ПГТА уровней профессиональной подготовки: НПО, СПО, и ВПО.

В ходе проектирования соответствующего ИМО ФИЗИКА разработана концепция построения лабораторно-демонстрационного комплекса, аппаратно-программная реализация и методическое обеспечение лабораторно-демонстрационного комплекса, обеспечивающего экспериментальный компонент дисциплины физика. Комплекс позволяет осуществлять демонстрации изучаемых физических эффектов и явлений и служит основой для реализации виртуальных учебных экспериментов, выполняемых фронтально по одной теме по индивидуальным заданиям. Аппаратной основой комплекса являются высокотехнологичные, удобные для эксплуатации и относительно недорогие наборы демонстрационного оборудования, разработанные лабораторией Ь - микро (г.Москва).

В постановке и обеспечении физического практикума в массовом профессиональном образов а-нии в настоящее время можно выделить две тенденции. Во-первых, в связи с широким внедрением компьютерных моделирующих программ, а также трудностью приобретения дорогостоящего и сложного в эксплуатации физического лабораторного оборудования, многие образовательные учреждения переходят на виртуальный лабораторный практикум, полностью реализуемый средствами компьютерного моделирования. Очевидно, что такой подход существенно затрудняет овладение учащимися умением постановки инженерного эксперимента и грамотного применения соответствующих компетенций в своей практической деятельности.

Во-вторых, в сети 1п1егпе1 имеются демонстрационные лабораторные практикумы по физике, представляемые в рамках открытого образования. Существо такого подхода заключается в том, что по заранее объявленному расписанию в сети 1пЬегпеЬ, на известном сайте опытными преподавателями учебного заведения проводится конкретная лабораторная работа, и ее результаты могут быть на оговоренных условиях доступны любому, кто в этот момент будет находиться в сети. Привлекательность такого подхода состоит в относительной простоте его реализации.

Вместе с тем понятно, что образовательная ценность такого «лабораторного практикума» весьма низка ввиду пассивной роли учащихся, являющихся лишь «зрителями». Очевидно, целей образования можно достичь, лишь в том случае, когда учащийся имеет возможность активно воздействовать на изучаемый объект по определенной программе (алгоритму) и оценивать результаты такого воздействия, в конце концов, ошибаться и учиться на собственных ошибках.

С точки зрения эффективности усвоения учебного материала каждый объект изучения в рамках учебной дисциплины обязательно должен снабжаться всеми необходимыми компонентами теоретического, практического, модельного и экспериментального изучения.

В ПГТА проводятся комплексные исследования в области педагогики профессионального образования и ведутся разработки по созданию информационно-образовательной среды, обучающих технологий, ори-

ентированных на подготовку инженеров и техников, отвечающих современным требованиям работодателей, на развитие инженерного мышления и его креативного компонента.

В рамках этих исследований в 2006-2007гг. по заказу МЭСИ разработан лабораторнодемонстрационный комплекс по дисциплине «Физика». Комплекс предназначен для проведения лабораторного практикума. В качестве аппаратной части комплекса используются демонстрационные наборы оборудования «Газовые законы», «Тепловые явления», «Электричество 1-3», «Волновая оптика», «Определение постоянной Планка», поставляемые лабораторией «L-микро» (г.Москва http://www.l-mikro.ru). Этот лабораторно-демонстрационный комплекс в настоящее время используется заказчиком в учебном процессе.

Методическая концепция построения лабораторно-демонстрационного комплекса состоит в органическом сочетании реальных (натурных) и виртуальных экспериментов. Обязательная демонстрация изучаемого физического явления, эффекта с использованием физического оборудования и измерительных приборов позволяет убедить учащихся в реальности происходящих физических процессов, после чего компьютерные анимации воспринимаются ими существенно более адекватно. В компьютерных моделях возможно (более того - желательно) воспроизведение ситуаций, невозможных (недопустимых, опасных) в реальном эксперименте, например, режима короткого замыкания, неправильного подключения измерительных приборов, задание условий (значений напряжения, тока, давления, температуры и др.), приведших бы к выходу реального лабораторного оборудования из строя.

Данная методическая концепция позволила при некоторой доработке аппаратно-программного обеспечения создать востребованный образовательной практикой лабораторно-демонстрационный комплекс по дисциплине «Физика» для учреждений среднего профессионального образования (СПО). Программа по физике для учреждений СПО на базе общего образования предусматривает обязательное выполнение учебных экспериментов в объеме: 12 часов аудиторных занятий (гуманитарный профиль), 20 часов (педагогический и социально-экономический профиль), 36 часов (технический профиль). Программы для всех профилей охватывают 4 основные разделы курса: «Молекулярная физика и термодинамика», «Основы электродинамики», «Колебания и волны», «Квантовая физика» с различным количеством часов на лабораторный практикум по каждому разделу и теме.

Учебные физические эксперименты реализуются на базе разработанного лабораторнодемонстрационного комплекса в двух формах. Во-первых, обеспечивается цикл демонстрационных опытов для наблюдения явлений, установления эмпирических законов, подтверждения теоретических выводов, иллюстрации физических принципов, лежащих в основе техники и технологий. Во-вторых, обеспечивается самостоятельный учебный эксперимент в форме фронтальных компьютерных лабораторных работ с индивидуализированными заданиями различной сложности и объема. Выбор задания осуществляет преподаватель с учетом предыдущих результатов и потенциальных возможностей конкретного обучающегося.

Демонстрируемые в аудитории эксперименты смоделированы в базе лаборатории так, что каждый обучающийся получает индивидуальное задание для выполнения виртуального эксперимента, отличающееся от других как уровнем сложности, так и набором исходных данных. Полученные каждым обучающимся результаты по каждому эксперименту выводятся на принтер и затем используются для подготовки отчёта. Предусмотрена возможность видеодемонстрации натурных экспериментов для дистанционного обучения.

Комплекс включает развитое ИМО в электронном виде и на твёрдых носителях: учебно-методическое пособие, индивидуальный лабораторный журнал. Пособие содержит необходимые сведения об экспериментах и методике обработки данных; его материалы согласованы с базовыми учебниками.

Комплекс включает банк текстовых заданий, предназначенных как для входного - «допускового» -контроля, так и для проведения коллоквиумов, аттестационных «срезов», зачётов. Тестирование осуществляется в режиме «on-line» с использованием компьютерных рабочих мест обучающихся.

Применение комплекса и его программного обеспечения возможно в различных видах учебной работы: на лекциях и практических занятиях, для текущего и итогового контроля, для самоподготовки обучающихся в компьютерных классах, в электронных залах библиотек, для самостоятельной работы с использованием личных компьютеров. Комплекс позволяет реализовать современные методики учебного физического эксперимента, использовать действенные дидактические приёмы, способствующие пониманию физической сущности исследуемых явлений.

В настоящее время комплекс используется в учебном процессе химико-технологического техникума, входящего в состав ПГТА, и в ряде других учебных заведений СПО г.Пензы и Пензенской области. Данный комплекс может применяться также для компьютерной поддержки изучения физики в общеобразовательной школе, на подготовительных курсах для поступления в вуз, в профессионально-технических училищах, на младших курсах вузов.

Преподаватели могут использовать ИМО комплекса при подготовке к занятиям, а его мультимедийные электронные компоненты - в качестве наглядных пособий при объяснении новой темы. Готовя комплекс к занятиям, преподаватель может с помощью педагогических инструментальных средств, прилагаемых к комплексу, скомпоновать задания для итогового контроля, сформировать критерии оценки учебной работы для режимов контроля и тренажа, установить ограничения по времени ответов на вопросы, повысить или снизить квалификационные барьеры (минимальное число баллов) для допуска к работе на новом уровне усвоения, а также внести ряд других корректив в настройку комплекса.

Важным достоинством лабораторно-демонстрационного комплекса является возможность экспериментальной поддержки профессионально значимых аспектов учебного материала по дисциплине «Физика».

Разработанный учебный демонстрационно-лабораторный комплекс по дисциплине «Физика» представляет собой законченный и успешно апробированный товарный продукт, готовый к широкому тиражированию. Его можно рекомендовать для поставки в школы, профессиональные училища и техникумы в рамках оргмероприятий Министерства образования и науки РФ.