Модельный эксперимент при обучении студентов направления «Технологическое образование» общетехническим дисциплинам

сионально значимых знаний, умений, навыков; производственная практика на предприятии выбранного профиля; трудоустройство выпускника на предприятие или в организацию, сотрудничающую с УУК.

В случае использования средств формирования профессиональной мотивации будущего специалиста на всех этапах обучения в университетском учебном комплексе и реализации преемственности и последовательности в обучении в учреждениях Университетского комплекса позволит сформировать устойчивую профессиональную мотивацию.

Таким образом, нами были проанализированы возможные пути профилизации образовательной среды и показано их использование на примере Ассоциации «Университетский учебный комплекс». Применение данных путей на практике направлено на реализацию профильного личностно-ориентированного подхода, при котором существенно расширяются возможности выстраивания учащимся индивидуальной образовательной траектории.

1. Воронина Е.В. Профильное обучение: модели организации, управленческое и методическое сопровождение. М., 2006. С. 29.

2. Шамова Т.И., Худин А.Н. и др. Управление профильным обучением на основе личностно ориентированного подхода. М., 2006. С. 17-18.

3. Федоров И. О содержании, структуре и концепции современного инженерного образования // Alma mater. Вестн. выс. шк. 2000. № 2. С. 9-14.

Поступила в редакцию 29.10.2007 г.

Kargina E.M. Analysis of ways of educational environment profilisation (exemplified by the Association « University Study Complex» of Penza State University of Architecture and Building). The effective way of professional development of a future specialist is educational profilisation. The article considers principal ways of educational environment profilisation. The experience of activity of the Association «University Study Complex» of Penza State University of Architecture and Building which apply in practice the principals of profilisation of the education is given.

Key words: profilisation, way, Association «Universi-ty Study Complex», professional development.

МОДЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПРИ ОБУЧЕНИИ СТУДЕНТОВ НАПРАВЛЕНИЯ «ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ» ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИМ ДИСЦИПЛИНАМ

Р.М. Чудинский

Статья посвящена разработке и использованию модельного эксперимента в процессе организации и развития учебной деятельности студентов направления «Технологическое образование» при обучении общетехническим дисциплинам.

Ключевые слова: модельный эксперимент, технологическое образование.

Проблема моделирования - одна из важнейших методологических проблем, выдвинутых на передний план развитием ряда естественных наук XX в., в особенности физики, химии, кибернетики. В процессе подготовки студентов направления «Технологическое образование» модели и модельный эксперимент присутствуют практически во всех изучаемых общетехнических дисциплинах, а их рациональное и эффективное использование позволит более глубоко исследовать познаваемые объекты и явления, развивать учебную деятельность студентов, перевести ее на исследовательский уровень.

Процесс построения модели относится к числу системных задач, при решении которых синтезируют решения на базе большого числа данных. Использование системного подхода в этих условиях позволяет не только построить модель реального объекта или явления, но и на базе этой модели выбрать необходимое количество управляющей информации в реальной системе, оценить показатели ее функционирования и тем самым с помощью модельного эксперимента найти наиболее эффективный вариант построения и выгодный режим функционирования реальной системы. При этом модельный экспери-

мент есть метод научного познания для изучения объекта-оригинала путем создания и исследования субъектом его прототипа, замещающего реальную систему с определенных сторон, интересующих познание, и с последующим переносом полученной информации на систему.

Существенным отличием модельного эксперимента от натурного является его своеобразная структура, особенность которой заключается не в его субъективной стороне, а в объективной, в характере средств исследования и их отношении к объекту исследования. В то время как в натурном эксперименте средства экспериментального исследования, так или иначе, непосредственно взаимодействуют с объектом исследования, в модельном эксперименте взаимодействия нет, т. к. здесь экспериментируют не с самим объектом, а с его заместителем.

Для модельного эксперимента характерны следующие основные стадии: 1) переход от реального объекта или явления к модели -построение модели (моделирование в собственном смысле слова); 2) экспериментальное исследование модели; 3) переход от модели к реальному объекту или явлению, состоящий в перенесении (экстраполяции) результатов, полученных при исследовании, на этот объект или явление. Модель входит в эксперимент, не только замещая объект исследования, она может также замещать и условия, в которых изучается некоторый объект или явление в натурном эксперименте.

Для определения функциональных возможностей модельного эксперимента в процессе организации учебной деятельности студентов направления «Технологическое образование» при обучении общетехническим дисциплинам нами разработана система модельного эксперимента, схема которой представлена на рис. 1.

Элементами системы модельного эксперимента являются: виды познания (учебное и научное), критерии экспериментального исследовании явлений и объектов; классы моделей; классы модельного эксперимента над материальными моделями и классы компьютерного модельного эксперимента; основные принципы моделирования, которые необходимо учитывать при построении, конструировании и экспериментировании с моделью;

структура, характеристики, принципы и основные этапы модельного эксперимента над материальными моделями и компьютерного модельного эксперимента.

Учебная деятельность студентов направления «Технологическое образование» в процессе выполнения учебного эксперимента при обучении общетехническим дисциплинам протекает на двух уровнях: учебное познание и научное познание. Учебное познание характеризуется организацией преподавателем и самоорганизацией студентом или группы студентов своей совместной и/или индивидуальной самостоятельной продуктивной учебной деятельности. Главное же отличие учебного познания заключается в том, что студент исследует объект или явление с помощью учебного эксперимента и приобретает при этом лишь субъективно новые знания и новый опыт деятельности. В свою очередь на уровне научного познания студенты либо совместно в малых группах, либо вместе с преподавателем в качестве равноправных партнеров учебного процесса исследуют различные объекты и явления. Они на основе реальных фактов строят модель, выводят из нее следствия, проверяют их экспериментально и в результате получают новые факты. Эта исследовательская деятельность отличается от учебного познания тем, что она дает объективно новые для учебного эксперимента результаты: новую учебную теорию, новый учебный эксперимент или новую технологию их изучения. Естественно, что данный путь познания явлений природы наиболее сложен, но вместе с тем и наиболее ценен.

Этот этап непосредственно связан с деятельностью студентов по выбору явления или объекта исследования, иными словами, установления их границ, ограничений и измерителей эффективности, подлежащих познанию посредством эксперимента. В качестве таких объектов могут выступать лишь те или иные материальные объекты и явления. В большинстве случаев, исходя из проверяемых гипотез, а также на основании достоверных теоретических положений, студенты довольно точно определяют те конкретные объекты и явления, которые должны экспериментально исследоваться при изучении общетехнических дисциплин.

Рис. 1. Система модельного эксперимента

Осуществив выбор и анализ явления или объекта экспериментального исследования, производится их соответствие критериям экспериментального исследования явлений и объектов, для последующего выбора, каким типом эксперимента - натурным и/или модельным исследовать данные явления и объекты. В том случае, если средства и условия эксперимента реализуются непосредственно для исследования явления или объекта, то именно здесь на основе поставленной цели исследования объектов и явлений и последующего отражения студенты принимают решение о возможности осуществления этого эмпирического процесса посредством натур -ного эксперимента непосредственно на самом реальном объекте. Содержанием учебной деятельности являются следующие виды опыта деятельности, которые самостоятельно приобретают студенты при проведении учебного натурного эксперимента: наблюдение и изучение объектов и явлений; формулирование проблемы, определение цели эксперимента и выдвижение гипотезы исследования; выбор объекта экспериментирования и формирование критериев качества результатов; выбор класса эксперимента; построение плана эксперимента; выбор средств эксперимента; получение результатов эксперимента; анализ и обработка полученных результатов эксперимента, вычисление погрешностей измерений, формулирование выводов; интерпретация результатов эксперимента (практические выводы о возможном и необходимом применении полученных новых знаний и опыта деятельности).

Натурный эксперимент непосредственно над реальным объектом или явлением может быть невозможен в силу следующих причин:

1. Невозможность проведения натурного (реального) эксперимента по следующим причинам: а) используется дорогостоящее оборудование; б) натурный эксперимент опасен для здоровья студентов; в) высокая трудоемкость и продолжительность выполнения натурного эксперимента; г) сложность математических расчетов полученных экспериментальных данных; д) решение задач исследования процессов, где невозможно применить современное метрологическое оборудование.

2. Проверка и уточнение работы реальных объектов, дополнение натурного эксперимента.

3. Контроль за ходом познаваемого явления, процесса и закона, получение необходимой информации о нем и обработка полученной информации для последующего ее использования в реальном мире величин.

4. Максимальное ускорение переноса результатов модельного эксперимента на реальные объекты и явления.

5. Изучение принципа работы ряда устройств, приборов и установок для последующего их использования в натурном эксперименте.

Если это происходит, то в числе средств эксперимента используется модель, замещающая реальное явление или объект.

Классификация моделей является многозначной, но традиционно все модели подразделяются на материальные и идеальные (формальные или мысленные). Впервые такое разделение моделей было проведено А. Розенблютом и Н. Винером [1]. Естественно, что в дальнейшем определения материальных и идеальных моделей дополнялись и уточнялись, однако основное различие между материальными и идеальными (мысленными) моделями основано на том, являются ли они материальными аналогами изучаемых явлений и объектов, или это мысленные образы последних.

Класс материальных моделей разделен на три класса: геометрически подобные, физически подобные и математически подобные. Все эти модели существуют так же объективно, как машины или экспериментальные установки и приборы. У них специфическое назначение: они предназначены для воспроизведения структуры, характера протекания, сущности познаваемого явления или объекта.

Класс идеальных моделей в соответствии со сложившейся практикой можно разделить на три подкласса: 1) неформализованные идеальные модели - концептуальные модели; 2) частично-формализованные идеальные модели - вербальные, графические иконические, графические условные; 3) вполне формализованные идеальные модели - информационные, математические: графоналитические,

аналитические, алгоритмические. Также к идеальным моделям относится особый вид моделей, получивший название имитационные модели, которые представляют собой

своего рода совокупность и объединение концептуальной и алгоритмической моделей.

Материальные модели неразрывно связаны с идеальными моделями, главным образом потому, что субъект, прежде чем построить модель из каких-либо материалов, мысленно представляет себе, теоретически обосновывает, рассчитывает ее. Последние, прежде чем воплотиться в действительность и стать благодаря практической деятельности материальными моделями, существуют первоначально в человеческом сознании как образы этой действительности, как некоторые теоретические схемы. По мнению В.А. Штоф-фа [2], идеальные модели остаются таковыми даже в том случае, если они воплощены в какой-нибудь материальной форме, в виде рисунка, чертежа, схемы или просто системы знаков. Идеальный характер этих моделей не ограничивается только тем, что они выступают в виде модельных представлений, что они конструируются мысленно, в голове. Эти модели могут быть названы идеальными также и потому, что даже тогда, когда их элементы и отношения зафиксированы при помощи знаков, рисунков или других материальных средств, все преобразования в них, все переходы в другое состояние осуществляются мысленно, т. е. в сознании человека, который опирается при этом на определенную семантику и пользуется логическими, математическими, физическими и другими специфическими правилами и законами. Без этого такие рисунки, чертежи, системы знаков и другие конструкции лишаются смысла и вообще значения моделей как аналогов действительности. Однако особенностью

идеальных моделей является то, что они не всегда и не обязательно воплощаются в действительности, хотя и это не исключено. Большинство таких моделей и не претендует на материальное воплощение.

После выбора класса модели студенты приступают к проведению, соответственно, модельного эксперимента над материальными моделями или к выполнению компьютерного модельного эксперимента.

Эксперимент над материальными моделями как объектами познания наиболее приближен к натурному эксперименту. Во-первых, это относится к специфике самих материальных моделей, вследствие того, что к классу материальных моделей относятся

всевозможные модели, которые, хотя и созданы человеком, но существуют объективно, будучи воплощены в различных материальных предметах. Сюда же входят и так называемые живые модели, которые, хотя созданы и не искусственно, а отобраны человеком в силу присущих им определенных свойств, позволяют в упрощенной форме имитировать изучаемый сложный процесс. У них специфическое назначение: они предназначены для воспроизведения структуры, характера протекания, сущности изучаемого явления, объекта или системы.

При организации и выполнении модельного эксперимента над физически подобными, математически подобными и геометрически подобными материальными моделями студенты осмысливают и приводят в единую систему всю исходную информацию о задаче, объекте-оригинале и действующих на него внешних и внутренних факторах, оценивает значимость и характеристики переменных, структурных компонентов и параметров, при необходимости планирует и осуществляет дополнительные исследования системы объект-среда, которые расширяют и обогащают исходные представления.

С развитием микропроцессорной техники и созданием ЭВМ, трансформировавшихся затем в персональные компьютеры, модельный эксперимент претерпел свое революционное преобразование. При этом исследованиям с помощью персонального компьютера стали доступны сложные, высокоорганизованные системы со многими параметрами, вероятностные системы и т. п. Персональные компьютеры принципиальным образом изменили, прежде всего, саму постановку эксперимента, позволив многократно сократить сроки проведения циклов измерений и обработки результатов. Такой модельный эксперимент с использованием персонального компьютера получил название компьютерного модельного эксперимента. Суть компьютерного модельного эксперимента заключается в получении количественных и качественных результатов по имеющейся физической или компьютерной модели. Компьютерная модель должна по возможности отображать все основные факторы и взаимосвязи, характеризующие реальные объекты-оригиналы, ситуации, критерии и ограничения. Она должна быть достаточно

универсальной, чтобы по возможности описывать близкие по назначению явления и объекты-оригиналы, и в то же время достаточно простой, чтобы, в частности, позволить выполнить необходимые исследования с разумными затратами.

Компьютерный модельный эксперимент студенты могут проводить многократно, что зачастую невозможно осуществить с помощью натурного эксперимента в силу различных причин и обстоятельств, до тех пор, пока модель не пройдет все стадии построения и не выполнит свое главное предназначение -быть использованной для познания и исследования явлений и объектов.

Использование компьютерного модельного эксперимента в процессе изучения студентами общетехнических дисциплин имеет как преимущества перед натурным экспериментом, так и недостатки, один из которых -более узкий характер модели и, соответственно, его формализованного и/или неформализованного описания, по отношению к реальному объекту-оригиналу или системе. Технология компьютерного моделирования существенно снижает затраты на разработку модели, а также позволяет отработать функционирование устройств в режимах, близких к реальным, что особенно важно, когда устройство работает в режиме реального времени.

На сегодняшний день можно выделить следующие классы компьютерного модельного эксперимента: концептуальный

(концептуальные и вербальные модели); информационный (информационные модели); структурно-функциональный (графические иконические, графические условные и графоаналитические модели); математический -вычислительный эксперимент (аналитические и алгоритмические модели); имитационный (имитационные модели).

В настоящее время наиболее распространенными классами компьютерного модельного эксперимента являются вычислительный эксперимент и компьютерный имитационный модельный эксперимент, которые используются для организации учебной деятельности студентов направления «Технологическое образование» при обучении следующим дисциплинам: «Теоретическая механика», «Сопротивление материалов»,

«Теория машин и механизмов», «Электрорадиотехника», «ЭВМ в системах измерения и

управления». При этом содержанием учебной деятельности студентов являются следующие виды опыта деятельности, которые они самостоятельно приобретают при выполнении вычислительного эксперимента и компьютерного имитационного модельного эксперимента, отражающие их структуру, характеристики, принципы и основные этапы: формулирование проблемы; постановка задачи; выбор объекта или системы познания; формулирование модели; подготовка данных; трансляция модели; оценивание качества модели; планирование эксперимента; эксперимент с компьютерной моделью; интерпретация результатов; реализация модели.

Остальные классы компьютерного модельного эксперимента в основном отображают результаты проведенного преподавателем, студентом или группой студентов как компьютерного модельного эксперимента, так и натурного эксперимента и модельного эксперимента над материальными моделями. Так, например, графические условные, являющиеся одним из видов частично-формализованных моделей, могут отображать результаты эксперимента в виде графиков, диаграмм и схем, а аналитические модели реализовываться посредством персонального компьютера для решения аналитических зависимостей и обработки результатов эксперимента с помощью ряда известных программных средств. Информационные модели, относящиеся к подклассу вполне формализованных моделей, весьма многочисленны и разнообразны как по характеру задач, так и с точки зрения используемых специальных языков. По своему назначению и характеру задач информационные модели позволяют субъекту познания получать информацию о состоянии и функционировании компьютерной модели воздействия и внешней среды.

В процессе организации и самоорганизации учебной деятельности студенты при выполнении модельного эксперимента над материальными моделями и компьютерного модельного эксперимента обязательным образом должны использовать основные принципы моделирования: полноты описания объекта-оригинала или реальной системы при проведении модельного эксперимента; достаточности описания объекта моделирования; взаимной дополнительности описа-

ния объекта моделирования; открытости модели; долговременного прогнозирования работы модели; прямого дополнения моделей; выборочного описания модели; взаимного влияния моделей; заключительного вывода модельного эксперимента; экстраполяции результатов модельного эксперимента на объект-оригинал или реальную систему.

После проведения модельного эксперимента обязательным этапом является экстраполяция результатов, т. е. перенос результатов модельного эксперимента на реальный объект или явление. Естественно, что процесс экстраполяции результатов модельного эксперимента на реальный объект или явление должен быть теоретически обоснован. Метод экстраполяции основан на модельном отношении, т. е. на отношении между моделью, с одной стороны, явлением и объектом-оригиналом, с другой, являющееся таким отношением сходства, которое доступно строгой формализации. Это значит, что отношение сходства выявлено и точно сформулировано в виде определенных правил геометрического подобия, критериев физического подобия или вообще отношений гомо-или изоморфизма. В завершении данного этапа студент осуществляет переход от модели к объекту-оригиналу или реальной системе и на основе теории подобия (в частности, математического формализма) переносит результаты, полученные при модельном эксперименте, на познаваемое явление или объект.

Заключительным этапом является оценка качества результатов, полученных при выполнении студентами как натурного эксперимента, так и модельного эксперимента над материальными моделями и компьютерного модельного эксперимента. Если результаты натурного эксперимента оказываются неполными или являются неудовлетворительными, то студенты принимают решение о проведении модельного эксперимента над матери-

альными моделями или компьютерного модельного эксперимента для более глубокого исследования познаваемых явлений или объектов.

В свою очередь, если результаты модельного эксперимента над материальными моделями и/или компьютерного модельного эксперимента полезны, то студент принимает решение о практическом использовании результатов по познанию и исследованию законов природы. Вот здесь уже с учетом результатов модельного эксперимента студент или группа студентов проводят натурный эксперимент непосредственно на самом объекте или явлении. Таким образом, результаты натурного эксперимента вкупе с результатами модельного эксперимента на материальных моделях и/или компьютерного модельного эксперимента позволяют направления «Технологическое образование», в конечном итоге, более глубоко и полно познавать явления и объекты в процессе организации преподавателем и самоорганизации студентами своей учебной деятельности при изучении общетехнических дисциплин.

1. Розенблют А., Винер Н. Роль моделей в науке // Неуймин Я.Г. Модели в науке и технике. Л., 1984. С. 172.

2. Штофф В.А. Моделирование и философия. М.; Л., 1966. С. 26.

Поступила в редакцию 15.01.2008 г.

Chudinsky R.M. Modelling experiment in teaching general technical courses to students receiving technological education. The article is devoted to modeling experiment elaboration and use in the process of learning activity organization and development in teaching general technical courses to students receiving technological education.

Key words: modelling experiment, technological education.