Углубление деятельностного подхода при обучении физике на основе моделирующих компьютерных систем

4. Государственная программа подготовки специалистов воспитания.

5. Разработка национальной системы воспитания, объединяющей усилия в области воспитания всех государственных ведомств.

6. Формирование ценностных основ российской государственности и приоритетов национального образования.

7. Признание факта приоритетности воспитания учащихся и отказ от попыток замены его психологическим манипулированием.

8. Разработка современных моделей и технологий воспитания на информационно-компьютерной основе.

На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1. Воспитание является более широким понятием, нежели образование. Традиционно педагогика трактовалась как наука о воспитании как сознательно и целенаправленно орга-

низованном процессе [15, с.178]. Психология, социология, другие науки играют в воспитании инструментальную роль.

2. Современное отсутствие общегосударственной идеологии и ценностей лишает воспитание стратегических целей, без которых оно теряет смысл.

3. Институт воспитания является неотъемлемым атрибутом любого общества, процесс воспитания обеспечивает его развитие посредством передачи социально-исторического опыта в соответствии с интересами государства, этносов, социальных групп.

4. Теоретические проблемы воспитания в современной российской педагогической науке разработаны слабо. Единая государственная система воспитания сегодня не создана, что требует концептуального осмысления проблемы на уровне государственного руководства страны, педагогической и социологической науки.

Библиографический список

1. Итоги оперативно-розыскной деятельности органов внутренних дел и служебно-боевой деятельности внутренних войск в 1998 году (отчет перед гражданами РФ). - М., 1999.

2. Наливайко, Н.В. Философия образования: некоторые проблемы формирования концепции. - Новосибирск, 2000.

3. Социальные технологии. Толковый словарь / под ред. А.Я. Дятченко и В.Н. Иванова. - Москва-Белгород, 1995.

4. Краткий словарь по социологии / под ред. Д.М. Гвишиани и Н.И. Лапина. - М., 1989.

5. Конвенция МОТ № 169 «О коренных и ведущих племенной образ жизни народах в независимых странах» // Права и свободы народов в современных источниках международного права. - Казань, 1995.

6. Лопуха, А.Д. Современная война (сущность, способы и средства ведения в III тысячелетии) / А.Д. Лопуха, В.В. Сметанников. - Новосибирск, 2000.

7. Орлов, А. Сценарии социально-экономического развития России до 2007 года // Обозреватель - 1999. - № 10.

8. Глазьев, С. Геноцид. - М., 1998.

9. Подберезкин, А. «Посеянное в тернии» (Русский путь: сделай шаг!) // Обозреватель. - 1999. - № 4.

10. Лопуха, А.Д. Жизненные силы патриотизма в современной России: опыт социологического анализа. - М., 2000.

11. Конституция Российской Федерации. - М., 1997.

12. Народное хозяйство СССР за 60 лет. Юбилейный статистический ежегодник. - М., 1977.

13. Теория и практика коммунистического воспитания / под ред. Ж. Т. Тощенко. - М., 1980.

14. Социальное управление. Словарь. - М., 1994.

15. Краткий педагогический словарь пропагандиста. - М., 1984.

Статья поступила в редакцию 15.12.09

УДК 378.16

Д.В. Баяндин, доц. ПГТУ, г. Пермь, E-mail: baya@stratum.ac.ru

УГЛУБЛЕНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТНОГО ПОДХОДА ПРИ ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРУЮЩИХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ

Обсуждаются возможности развития информационно-образовательной среды на основе технологий математического и компьютерного моделирования в целях усиления деятельностного компонента как средства повышения эффективности обучения и развития умения учиться самостоятельно.

Ключевые слова: информационно-образовательная среда, среда обучения, математическое и компьютерное моделирование, интерактивность.

На сегодняшний день сложились условия, в которых стала необходимой и возможной модернизация традиционной системы обучения. Одна из важнейших задач модернизации -реализация на практике принципа сознательности, активности и самостоятельности в учении. Решению этой задачи способствует накопленный потенциал современных информационнокоммуникационных технологий (ИКТ), в том числе технологий мультимедиа и моделирования.

Учащемуся совершенно недостаточно слушать учителя, рассматривать наглядные пособия и наблюдать за демонстрациями, если целью учения ставится качественное и результативное (в смысле способности применения знаний) уяснение, осмысление, усвоение учебного материала. Деятельностная компонента традиционного курса физики - это операции с текстовографической информацией, решение задач, лабораторный практикум. Но в условиях реального учебного процесса учитель не в состоянии детально отследить каждый шаг каждого учащегося при аудиторном и домашнем решении задач или при выполнении лабораторных работ, адекватно оценить правильность действий и их самостоятельность. В результате мотивированный ученик

учится добросовестно, немотивированный же практически всегда имеет возможность лишь имитировать учение. Продуманное использование современных ИКТ в информационно-образовательной среде, с одной стороны, способствует повышению мотивации учащихся, а с другой - побуждает их не имитировать учебную деятельность, а реально осуществлять ее.

В течение последних полутора десятков лет в среднем и, особенно, в высшем образовании декларируется перенос центра тяжести учения на самостоятельную работу школьников и студентов, на развитие механизмов их самообразования и формирование новой информационной культуры. Этому препятствуют традиция обучения на основе прямой передачи знаний педагогом и недостаток необходимых ресурсов и условий. Разрешение противоречия также требует серьезной модернизации информационно-образовательной среды школы и вуза.

Научным фундаментом для современного этапа развития информационно-образовательной среды стали труды Б.Г. Ананьева, Ю.К. Бабанского, В.П. Беспалько, Л.С. Выготского, П.Я. Гальперина, В.В. Давыдова, Е.Н. Кабановой-Меллер, И.Я. Лернера, Е.И. Машбица, П.И. Пидкасистого, Н.Ф. Талы-

зиной, В.Ф. Шаталова и других выдающихся психологов и педагогов. Дидактике обучения с использованием ИКТ, проблемам модернизации содержания и методов обучения, развитию принципов и технологий создания программных средств учебного назначения посвящено большое количество монографий, диссертаций и научных статей, например, [1-6]. Постепенно складывается понимание того, что эффективная полнофункциональная среда обучения должна основываться на технологиях математического и компьютерного моделирования. Однако проблемы оптимизации структуры такой среды, уточнения свойств и функций ее элементов, их внутренней организации требуют дальнейшей разработки. Предлагаемый в данной работе подход к решению этих проблем реализован и апробирован в учебном процессе в рамках активной обучающей среды «Виртуальная физика». Подмножеством этой среды является, в частности, комплекс «Физика-10», разработанный под руководством автора Институтом интеллектуальных технологий (г. Пермь) под патронажем издательства «Просвещение-МЕДИА» в рамках проекта «Информатизация системы образования» (конкурс инновационных учебно-методических комплексов) Национального фонда подготовки кадров.

Технологии моделирования и развитие информационнообразовательной среды

Решению обозначенных проблем и задач может способствовать использование в составе информационно-образовательной среды электронных средств образовательного назначения (ЭСОН), содержащих интерактивные виртуальные учебные объекты.

При изложении нового материала с использованием ИКТ уровень его уяснения, осмысления и усвоения, адекватность этих процессов могут быть измерены при помощи сопутствующих вопросов, требующих активного восприятия, анализа и обобщения предъявляемых материалов. При традиционном обучении удостовериться в наличии такой деятельности у всей аудитории невозможно.

При решении на компьютере интерактивных задач, при тренаже необходимых для этого умений и навыков в соответствии с учением об интериоризации алгоритм действий «проходит через руки», легче усваиваясь мозгом. Компьютерная система регламентирует на этапе тренажа необходимые шаги (дает ориентировочную основу действий), позволяет последовательно рассмотреть ключевые ситуации, пройдя их с постепенным повышением сложности заданий, оценивает правильность действий в измененных и нестандартных ситуациях, обеспечивает при необходимости возможность возврата к типовым ситуациям, реализуя цикличность процесса учения, осуществляет детальный контроль, проводит статистическую обработку результатов и отслеживает динамику развития учащихся.

При работе с интерактивными компьютерными моделями - как дополнению к лабораторному практикуму - учащиеся осуществляют в режиме диалога такие формы деятельности как наблюдение, сопоставление, обобщение, выбор, анализ результатов, поиск условий для реализации поставленной задачи, конструирование ситуаций и систем. Благодаря наличию обратной связи возможна корректировка системы представлений и системы действий; в ряде случаев может возникать игровой момент, элемент соревнования с компьютерной системой.

Использование ЭСОН с такими свойствами дает возможность индивидуализировано и автоматически определять целесообразный объем занятий учащихся: каждый должен усвоить основной материал ценой, соответствующей его способностям и исходному уровню подготовки, благодаря прохождению индивидуальной траектории обучения. При этом если в процессе учения обеспечена непрерывность уровня сложности (то есть сложность нарастает последовательно и постепенно), то даже относительно большой объем работы воспринимается учащимся легче и усваивается быстрее и надежнее, чем при выполнении немногих разрозненных заданий, содержание которых не складывается в мозгу обучаемого в систему.

Создание «интеллектуальной» обучающей системы с

описанными свойствами возможно на основе технологий математического и компьютерного моделирования. Обсудим теперь такую систему более подробно.

Состав полнофункциональной обучающей системы

Полнофункциональное ЭСОН должно содержать интерактивные виртуальные учебные объекты, обеспечивающие поддержку процесса обучения на всех его этапах.

1. С позиций использования такого ЭСОН как средства усиления деятельностной компоненты процесса учения и его индивидуализации, основным типом учебных объектов являются интерактивные задачи и интерактивные тренажеры. Назовем их 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.

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

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).

Математическая модель входит в структуру процедурного объекта: 1) в виде математического ядра, описывающего физическую сущность и обеспечивающего на ее основе генерацию задания и получение его решения; 2) в виде прилегающего к нему слоя экспертной системы, основанной на математической модели необходимых для решения действий.

Математическое ядро обеспечивает:

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

о пространственно-временной конфигурации системы;

о состава и свойств ее подобъектов;

о состава принимаемых во внимание исходных и искомых параметров;

о значений характеристик, их модулей и направлений, 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»), так что исключено «подсматривание» ответа;

• вариативность формы представления исходной и получаемой информации (вербальная, численная, в виде функциональной или графической зависимости, стробоскопической картины, 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:

• производить анализ действий учащегося, распознавать его логику при неправильных рассуждениях, диагностировать и классифицировать ошибки;

• оценивать степень усвоения материала и сформиро-ванности знаний, умений и навыков, генерировать контекстные реакции, направляющие работу учащегося;

• формировать динамическую модель знаний ученика.

Информация, полученная экспертными системами тренажеров, может быть исходной для глобальной экспертной системы, которая строит модель обучаемого и вырабатывает

содержание и последовательность дальнейших шагов обучения.

Манипуляционно-графический интерфейс позволяет подавать на модельное ядро управляющие воздействия и всесторонне визуализирует изучаемый феномен, а кроме того предоставляет возможности операций с изображениями объектов, фрагментами текста; построения отрезков, векторов, ломаных, окружностей, углов, графиков функций; измерения расстояний, углов, то есть всего того, что ученик делает при решении задач в тетради, - при постоянном контроле этих действий экспертной системой. Это дает возможность ставить задания на установление соответствия между текстовыми или графическими объектами, на составление фраз (определений, формулировок законов) из предложенных фрагментов; строить картины действующих на тела сил как на качественном (какие и как направлены), так и на количественном (каковы их величины) уровне, картины электрических и магнитных полей (например, проводить их расчет на основе принципа суперпозиции); строить разнообразные графики зависимостей характеристик от параметров задачи и т. д. Можно поставить задачу исследования того или иного эффекта на интерактивной модели с представлением результата в виде числа, графика, фразы для оценки экспертной системой.

Интерактивный тренажер, в отличие от задачи, - это последовательность тематически связанных, обладающих содержательной преемственностью, 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 и 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.

Учебная среда должна также содержать блоки текущего и рубежного контроля, включающие как простые задания традиционных форм закрытого и открытого типа, так и более сложные задания - с множественными ответами, на установление соответствия и далее вплоть до высокоинтерактивных заданий, предполагающих построение графиков, картин векторов и компоновку систем объектов.

2. Тренажерно-контролирующую часть в учебной среде должен предварять аудио-визуальный ряд, иллюстрирующий основную учебную информацию и предполагающий активное его потребление (восприятие) учащимся. Аудио-визуальный ряд включает в себя, прежде всего, динамические демонстрации в форме видео, анимаций, интерактивных моделей. Динамический иллюстративный ряд может предъявляться независимо или быть включен в статический ряд, который для улучшения восприятия представляет собой максимально структурированное и лаконичное отображение учебного материала (например, в виде опорного конспекта). Особенностями статического ряда являются иерархичность его гипертекстовой организации с минимумом текста на верхних уровнях, акцентом на визуальную информацию в виде рисунков, фотографий, трехмерной графики, а также ссылками на элементы упомянутого динамического ряда. Сопровождаемое видеофрагментами, анимациями и моделями изложение теории должно быть насыщено несложными, но контекстно привязанными к демонстрациям контролирующими заданиями, назначение которых - определить, насколько учащийся вник в учебную информацию, понял, проанализировал и усвоил ее. Ошибки в ответах являются поводом к повторному прохождению материала, его дополнительному осмыслению. Таким образом, второе важнейшее направление ИКТ-сопровождения учебного процесса - это представление иллюстративно-демонстрационного ряда с контекстным контролем уяснения, осмысления и усвоения материала.

3. Третий тип элементов среды - интерактивные модели не демонстрационного, а локально-исследовательского характера (модельные лабораторные стенды), а также модельные конструкторы. Такие объекты, с одной стороны, продолжают и углубляют иллюстративно-демонстрационный ряд, а с дру-

гой - предполагают эвристическую, поисковую деятельность по изучению моделей, формированию модельного знания. Этот вид работы особенно полезен и важен для самостоятельных, инициативных учащихся, которым работа с тренажерами представляется необходимой, но рутинной. В то же время, слабым, неподготовленным учащимся работа с моделями обычно малопонятна и сложна, особенно при самостоятельном восприятии; поэтому при использовании моделей необходимы значительные усилия учителя по организации работы учащихся, желательно в аудиторном варианте.

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 в виде числовой информации, графиков и диаграмм, 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). Система визуализации обеспечивает предъявление изображения и поведения объекта в реальном или фазовом пространстве в натурном или абстрактном виде (графики, информационные транспаранты, цветовая индикация, диаграммы - векторные, столбчатые, цифровые, цветовые).

Останавливаться подробнее на структуре интерактивных моделей различного типа и назначении элементов этой структуры здесь не представляется возможным из-за ограниченного объема публикации; отметим лишь, что - весьма упрощенно -модель можно рассматривать, как объект процедурного типа, лишенный экспертной системы.

Итак, состав полнофункциональной обучающей среды определяется назначением виртуальных учебных объектов: интерактивные тренажеры и задачи необходимы для формирования знаний, умений и навыков, тесты - для контроля усвоения материала, структурированное изложение теории с демонстрациями различного типа и проверочными заданиями обеспечивает новое качество наглядности в комбинации с отслеживанием интенсивности учебной деятельности, модели способствуют развитию мышления, самостоятельности, навыков исследования.

4. Развитые ЭСОН, способные обеспечить относительно автономную работу учащихся, должны также 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 учащимся диалога, по ходу которого строится модель его знаний;

• автоматизированную систему навигации, обеспечивающую генерацию - на основе полученной модели знаний учащегося 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.

Глобальная экспертная система должна:

а) по ответам учащегося «понимать», какие знания, умения и навыки не сформированы в должной мере, т.е. должна уметь измерять знания;

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.

Структура полнофункционального ЭСОН

Итак, в состав ЭСОН входят виртуальные учебные объекты, представляющие собой его содержательное наполнение, и объекты, позволяющие организовать работу пользователя.

Выделим следующие компоненты полнофункционального

ЭСОН:

• предметно-информационный, представленный описательно-иллюстративной и интерактивной моделирующей частями, предназначенный для отражения реального мира в рамках изучаемой предметной области и его описания аппаратом учебной дисциплины с целью предъявления готового знания и активного добывания знаний;

• предметно-процедурный, ориентированный на усвоение и закрепление знаний, выработку умений и навыков, оценку их качества посредством взаимодействия с пользователем в рамках интерактивных задач, тренажеров и тестов;

• методический (с блоками преподавателя и учащегося);

• система навигации (навигаторы, справочники, поисковые системы, структурно-логические модели дисциплины, отражающие взаимосвязи ее понятий и законов);

• система управления обучением.

Каждому компоненту ЭСОН соответствуют разные формы организации учебного материала, а им, в свою очередь, различные виды виртуальных учебных объектов. Такая структура изображена на рис. 1.

Виртуальные учебные объекты, входящие в состав ЭСОН, ранжированы на рис. 1 слева направо в порядке возрастания сложности. При этом они естественным образом образуют 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 [4,6] по аналогии с традиционной учебной книгой.

Интерактивные учебные объекты и управляющая процессом обучения экспертная система основываются на методах математического и компьютерного моделирования. Наибольшие перспективы, по нашему мнению, имеют разработки, основанные не на методах прямого программирования, а на использовании педагогических инструментальных средств. Инструментальность технологии позволяет педагогу организовать среду сообразно особенностям его деятельности и его предметного мира. Образуется активная компьютерная среда, то есть среда, способная адекватно интерпретировать и диагностировать действия пользователя; обеспечивать управление моделями, проведение расчетов и наглядное отображение их результатов; реагировать на действия пользователя, обеспечивать обратную связь, управлять процессом обучения.

В системе компьютерной поддержки предметного обучения, построенной на основе активной среды, реализуются:

• деятельностный подход, формирование не только знаний, но и умений и навыков решения задач дисциплины -на основе высокой степени интерактивности;

• наглядность представления реальных объектов (явле-

ний) и абстрактных понятий, визуализация мысли - на основе мультимедийности, модельности описания;

• вариативность представления материала, гибкость системы, открытость для модификаций не только разработчиком, но и пользователем (учителем, учащимся) - на основе модельного и инструментального подхода;

• развитие самостоятельности учащихся, формирование умений создавать новое знание и навыков принимать решения, что является важным шагом в решении задачи «научить учиться» - на основе модельного подхода;

• личностно-ориентированный подход, индивидуализация обучения - на основе модели обучения и модели знаний, формируемых глобальной экспертной системой.

интерактивным

моделирующий

компонент

предметно-

процедурный

компонент

система система

управления навигации

обучением

Педагогическо (среда проек

е инструмен тироеания и

7?а льноесредс моделироеани

методинескии

компонент

гипертекст и пассивный статический динамический визуальный ряд визуальный ряд

І і

тексты, видео, аудио,

рисунки, фото, анимации 20- и 30-графика, таблицы, схемы, диаграммы

Нетсляемые объекты

\____________________________/

интерактивный локальные глобальная динамический экспертные системы экспертная визуальный ряд I система

I

интерактивные интерактивные модель обучаемого,

модели и их тренажеры и задачи, модель обучения конструкторы, контрольные работы,

взаимодействия с реальным

тво

Исчисляемые объекты

У\

У\

*!

каталоги объектов, системы поиска, Д*

Ео

ф Л

Зіо

; и і >

навигаторы, справочники, структурно-логические модели

аппарат роет

аппарат

ориентировки

Рис. 1. Структура ЭСОН и виртуальные учебные объекты в его составе

Библиографический список

1. Агеев, В.Н. Электронные издания учебного назначения: концепции, создание, использование: учебное пособие / В.Н. Агеев, Ю.Г. Древс; под ред. Ю.Г. Древса. - М.: МГУП, 2003.

2. Горбунова, И.Б. Повышение операционности знаний по физике с использованием новых компьютерных технологий: дисс. ... д-ра. пед. наук. - СПб., 1999.

3. Зайнутдинова, Л.Х. Создание и применение электронных учебников (на примере общетехнических дисциплин): монография. - Астрахань: Изд-во ООО «ЦНТЭП», 1999.

4. Оспенникова, Е.В. Развитие самостоятельности школьников в учении в условиях обновления информационной культуры общества: монография, в 2 ч. - Пермь: ПГПУ, 2003. - Ч.1., Ч.11.

5. Поздняков, С.Н. Моделирование информационной среды как технологическая основа обучения математике: дисс. ... д-ра пед. наук. - М., 1998.

6. Современная учебная книга: подготовка и издание / под ред. С.Г. Антоновой, А.А. Вахрушева. - М.: МГУП, 2004.

Статья поступила в редакцию 4.12.09