Проектирование физического эксперимента с применением интернет-систем и компьютерного моделирования

УДК 378

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА С ПРИМЕНЕНИЕМ

ИНТЕРНЕТ-СИСТЕМ И КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Е.Н. Васильева, И.В. Левкин, Ш.Г. Хусаинов

Аннотация. Представлены краткий анализ состояния и пути повышения качества и эффективности учебного процесса студентов бакалавров агроинженерных специальностей; предложены методика и примеры построения мультимедийных интерактивных образовательных интернет-систем по курсу общей физики с учетом возможности их использования при обучении на специальностях агрономического профиля и при дистанционном обучении; показаны информационная цепочка и схема развертывания исследования, состава и последовательности выполняемых субъектом действий в натурном и модельных экспериментах; отражены некоторые аспекты, позволяющие индивидуализировать подход к обучению студентов-бакалавров.

Ключевые слова: физический эксперимент, лабораторный практикум, самостоятельная работа, познавательная деятельность.

DESIGN OF THE PHYSICAL EXPERIMENT WITH THE APPLICATION

OF INTERNETSYSTEMS AND COMPUTATIONAL MODELING

E. Vasilyeva, I. Levkin, Sh. Khusainov

Abstract. The article presents a brief analysis of the condition and ways of improving the quality and efficiency of the educational process of Bachelor students of Agroengineering specialties; proposed methods and examples of building interactive multimedia educational Internet systems for the course of General physics, taking into consideration the possibility of their application in teaching on the specialties of the agricultural profile, and distance learning; shows the information chain and the scheme of the deployment of research, composition and sequence of actions performed by the subject in full-scale and model experiments; reflects some aspects allowing to individualize the approach to teaching undergraduate students.

Keywords: physical experiment, laboratory practical work, independent work, cognitive activity.

В результате введения новых образовательных стандартов (Федеральные Государственные Образовательные Стандарты -ФГОС) произошло кардинальное изменение распределения времени учебной нагрузки по дисциплинам базового курса, уменьшилось количество часов, выделенных на изучение курса общей физики, что негативно повлияло на качество физического образования - главной составляющей инженерной подготовки студентов бакалавров агроинженерных направлений, особенно при дистанционном обучении.

В соответствии с ФГОС время на аудиторную и внеаудиторную (самостоятельную) работу студента-бакалавра очной формы обучения делится в отношении «50% на 50%», что потребовало изменения не только структуры, но и методики преподавания учебных дисциплин. В настоящее время наблюдается снижение уровня подготовки абитуриентов по базовым курсам математики и физики, которые необходимы для глубокого понимания, анализа и оценки процессов по специальным дисциплинам. Особенно сильно это отставание ощущается в направлении лабораторного практикума [2;6], который является неотъемлемой частью

образовательного процесса и способствует пониманию перехода от теоретической базы к практическим навыкам, что необходимо будущим специалистам, поскольку перенос из лабораторной модели в натуру требует всесторонних оценок и понимания изменений и процессов, происходящих с материалами.

Современные интернет-системы

обеспечивают практически неограниченный доступ к информационным ресурсам и дают возможность создать учебно-методический контент для самоподготовки учащихся, включающий курс лекций, материалы семинарских занятий и лабораторные тренажеры [3-5]. Интернет-технологии позволяют удаленно, самостоятельно и в достаточной степени полно отработать базовые навыки решения сложных задач из курса общей физики и наглядно демонстрируют решение и применение физических законов, поскольку моделируют физические процессы с большой точностью. Современные интернет-системы, при сравнительно небольших затратах, позволяют существенно повысить качество и эффективность учебного процесса. Электронные интернет-системы (e-Leaming и др.) [3] со встроенными

редакторами дают возможность оперативно создавать и редактировать учебно-методический контент с интерактивной анимацией, применять системы самоконтроля и удаленного тестирования, проводить консультации в режиме онлайн, что при удаленном (дистанционном) обучении является важной составляющей. При обучении студентов-бакалавров в аграрных вузах, зачастую возникает необходимость применения дистанционных методов обучения, поскольку размеры страны и рабочий график не позволяют всем желающим присутствовать единовременно в одной аудитории. Помимо всего перечисленного, некоторые из подобных программ позволяют с высокой точностью смоделировать опытную часть задачи и увидеть процесс на анимированных мультимедийных тренажерах и выполнить проверку теоретических расчетов с учетом погрешности.

Применение интернет систем на аграрных направлениях обучения позволило существенно расширить возможности лабораторного практикума: дополнить лабораторными работами, мультимедийными комплексами, реализовать которые не представлялось возможным. При участии выпускающих кафедр аграрных направлений обучения были разработаны лабораторные комплексы, которые в дальнейшем помогут студентам-бакалаврам овладеть специальными дисциплинами. Совместная разработка учебных моделей мультимедийных комплексов позволила создать непрерывную, логически выстроенную образовательную систему, в которой отчетливо прослеживается понимание необходимости базового курса дисциплин, в частности общей физики и математики. Привнесение в курс общей физики прикладного аспекта показало положительную динамику при сдаче экзамена по «остаточным знаниям», а так же повысило заинтересованность в процессе обучения, простимулировав студентов к самостоятельной работе и приобретению новых знаний.

При самостоятельной работе студент получает различные навыки и компетенции на всех этапах решения задачи с применением мультимедийных технологий, что, несомненно, помогает в процессе освоения дисциплины. Также необходимо отметить, что информатизация учебного процесса повышает заинтересованность и активизирует

познавательную деятельность, стимулируя обучающихся к самостоятельному поиску и решению задач, что является очень важной частью процесса обучения [1;6].

Основными целями информатизации физического образования считают следующие:

- развитие личности студента, подготовка к самостоятельной и продуктивной деятельности в условиях информационного общества;

- развитие коммуникативных способностей посредством выполнения совместных проектов;

- формирование умений принимать оптимальные решения в сложной ситуации;

- формирование навыков исследовательской деятельности (при работе с моделирующими программами);

- реализацию социального заказа;

- интенсификацию процесса обучения физике за счет активизации познавательной деятельности [1].

При классическом подходе к процессу обучения студент в первую очередь знакомится с основами классической механики. В этом разделе существует огромный комплекс задач, построенных на процессах изменения состояний различных макросистем тел, их взаимодействии, переходе различных видов энергии из одного вида в другой, повторяющихся процессов. Алгоритм! решения задач механики разнообразны и требуют зачастую общего подхода к пониманию сути процесса, но необходимо владеть теоретической базой (формулами, законами, теоремами и пр.), а также уметь «визуализировать» процесс. Именно помощь в «визуализации» и осуществляют различные интернет системы мультимедийного комплекса.

Применение анимационных технологий при создании курса лекций позволяет создавать мультимедийные интерактивные тренажеры для визуализации физических процессов и явлений [6]. На рисунке 1 в качестве примера представлен тренажер по разделу кинематика «Движение в поле силы тяжести».

Мультимедийный тренажер, см. рисунок 1, функционально можно разделить на управляющую и информационную

составляющие. Управляющая часть - это интерактивная панель, с помощью которой задаются начальные условия виртуального эксперимента (в нашем случае - начальные координаты и вектор скорости), выбираются параметры для визуализации (вектор скорости, радиус-вектор, полное ускорение и др.), осуществляются запуск программы и ее остановка в фиксированный момент времени.

В информационном поле отображается динамика изменения выбранных параметров в режиме реального времени. При наведении курсора на название соответствующего кинематического параметра встроенные функции выводят на экран методику расчета и временную зависимость соответствующей физической величины.

аоо

100

|_1 Координаты х. у К Вектор скорости |_1 Проекции вектора скорости И Радиус-вектор V

И Полное ускорение В Нормальное ускорение И Тангенциальное ускорение и Максимальная высота подъема |_1 Дальность полета

:ш> 200 300

60 м у = 90 м 1 = 00:00

400

500

600

( (хо-бОм) С

с Старт Стоп Сброс

* (Уо = 90м) (Г^* С^?

а= 45 град

С-^

Рисунок 1. - Мультимедийный интерактивный тренажер «Движение в поле силы тяжести»

Обучающимся предлагается проработать различные варианты решения подобных задач самостоятельно приобрести навыки визуализации решений, что, безусловно, способствует лучшему пониманию сути процесса и явления.

Из данного примера видно, что решение задачи в общем виде имеет сложную структуру и должно быть отработанно на лекциях и практических занятиях, а подробный разбор частных случаев вполне можно осуществить самостоятельно. При использовании подобных моделей студенты могут получить данные и проводить анализ исходных и конечных результатов, что позволяет существенно расширить варианты проверочных заданий и подобрать (уникальные) индивидуальные траектории обучения не только на очном, но и на заочном отделениях.

Компьютерные модели позволяют наглядно иллюстрировать физические эксперименты и явления, создавать ситуации различной степени сложности и наглядно видеть влияние дополнительных факторов [3]. Использование интерактивных технологий дает обучающимся возможность решить сложные задачи, максимально приближенные к реальным условиям, что упрощает переход от теоретического курса к практическому применению. Конечно, компьютерная лаборатория никогда не заменит реальную физическую лабораторию, но реализовать все

процессы в учебных аудиториях иногда попросту невозможно в силу объективных причин (к примеру, работу ядерного реактора), и тогда компьютерное моделирование, несомненно, способствует лучшему пониманию изучаемого процесса.

Анимационные технологии применяются и при создании методики решения задач повышенного уровня сложности. Каждый элемент решения сопровождается подробными методическими указаниями и анимациями. При необходимости, обучаемый имеет возможность регулировать скорость подачи учебного материала. Универсальность методики позволяет применять ее для проведения практических занятий по всем разделам общего курса физики.

Интернет-технологии позволяют создать мультимедийные тренажеры, функционально приближенные к физическому практикуму и предназначенные для самоподготовки к лабораторным работам. На основании данных виртуального эксперимента обучаемый проводит вычисления и заносит полученные результаты в таблицу. Программа автоматически проверяет правильность полученных данных (с учетом погрешности эксперимента) и указывает ошибки расчетов. Пример практической реализации виртуального эксперимента «Упругое соударение двух тел» представлен на рисунке 2. Измеряя углы отклонения шаров до и после соударения,

обучаемый проверяет закон сохранения импульса.

Данные расчетов импульсов каждого тела и системы заносятся в таблицу (нижняя строка на

рисунке 2). После нажатия кнопки «Проверить значения импульсов» программа автоматически проверяет правильность введенных данных.

Рисунок 2. - Виртуальный тренажер «Упругое соударение двух тел»

Хотелось бы отметить ещё одно несомненное преимущество интерактивных систем и интернет-технологий, это возможность создания уникальных и индивидуальных заданий, которые соответствуют личностным качествам обучающегося и позволяют улучшить процесс освоения дисциплины. Понимая, что скорость подачи и восприятия материала в группе обучающихся различны, нивелировать некоторые моменты, подстроив модели под личные качества обучающегося при помощи интерактивных компьютерных программ, довольно просто. Это приносит ощутимую пользу, повышая уровень подготовки. Учитывая ещё и факторы различных внутренних особенностей распорядка дня обучающегося, ему становится проще подстроиться под процесс обучения и не изматывать себя чрезмерными усилиями, а планомерно выполнять задания согласно индивидуально составленному расписанию.

Работа обучающихся с компьютерными моделями и виртуальными лабораториями чрезвычайно полезна, так как они могут ставить многочисленные эксперименты и даже проводить небольшие исследования. Интерактивность открывает перед обучающимися огромные познавательные возможности, делая их не только

наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов.

Процесс компьютерного моделирования для обучающихся увлекателен и поучителен, так как результат моделирования всегда интересен, а в ряде случаев может быть весьма неожиданным. Создавая модели и наблюдая их в действии, обучающиеся могут познакомиться с рядом физических явлений, изучить их на качественном уровне, а также провести небольшие исследования.

Разумеется, компьютерная лаборатория не может заменить настоящую физическую лабораторию. Тем не менее, при выполнении компьютерных лабораторных работ у студентов формируются навыки, которые пригодятся им и для реальных экспериментов - выбор условий экспериментов, установка параметров опытов и т.д. Все это превращает выполнение многих заданий в микроисследования, стимулирует развитие творческого мышления обучающихся, повышает их интерес к физике, способствует развитию логического и системного мышления, что наиболее актуально при современных запросах для инженерных направлений подготовки студентов-бакалавров.

Таким образом, внедрение интернет-систем в образовательный процесс открывает новые

возможности повышения его эффективности за счет создания открытых информационных образовательных систем. Разработанные информационные методики обработки и передачи информации дают возможность сочетать дистанционную форму изучения материала, консультаций и тестирования на основе интернет-технологий с очной формой

обучения и контроля знаний на базе компьютерных классов. Основываясь на данных тестирования, преподаватель имеет возможность подбирать индивидуальные траектории обучения, что также является существенным преимуществом открытых обучающих интернет-систем.

1. Иванов Ю.С. Основы параметрического моделирования при решении дидактических задач в системах автоматизированного обучения: дис. ... д-ра пед. наук: 13.00.01 / Ю.С. Иванов // КГТУ им. А.Н. Туполева. - Казань, 1995. - 374 с.

2. Левкин И.В. Некоторые аспекты организации и проведения лабораторных работ по физике для студентов-бакалавров с применением интерактивных технологий / И.В. Левкин, А.В. Рассказов, Ш.Г. Хусаинов // Казанский педагогический журнал. -Казань. - 2018. - № 5. - С. 137-140.

3. Маликов Р.Ф. Практикум по компьютерному моделированию физических явлений и объектов: учеб.

пособие / Р.Ф. Маликов. - Уфа: Изд-во Баш. ГПУ, 2005. - 291 с.

4. Майер Р.В. Информационные технологии и физическое образование / Р.В. Майер. - Глазов: Из-во ГГПИ, 2006. - 64 с.

5. Хусаинов Ш.Г. Автоматизированный лабораторный практикум / Ш.Г. Хусаинов // Вестник института экономики, управления и права. Вып. 2. -Казань, 2000. - С. 87-92.

6. Хусаинов Ш.Г. Подведение итогов деятельности обучаемого в автоматизированном лабораторном практикуме / Ш.Г. Хусаинов // Инновационные процессы в системе профессионального образования. -Казань, 2014. - С. 46-57.

Сведения об авторах:

Васильева Елена Николаевна (г. Москва, Россия), доцент кафедры высшей математики, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, e-mail: elenanvasileva@yandex.ru

Левкин Иван Вячеславович (г. Москва, Россия), ассистент кафедры физики, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, e-mail: levckiniv@yandex.ru

Хусаинов Шаукат Габдулхакович (г. Москва, Россия), доктор педагогических наук, профессор, профессор кафедры физики, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, e-mail: shaukat-husainov@yandex.ru

Data about the authors:

E. Vasilyeva (Moscow, Russia), Associate Professor of Mathematics, Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «Russian Timiryazev State Agrarian University», e-mail: elenanvasileva@yandex.ru

I. Levkin (Moscow, Russia), Assistant of Physics Department, Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «Russian Timiryazev State Agrarian University», e-mail: levckiniv@yandex.ru

Sh. Khusainov (Moscow, Russia), Doctor of Pedagogical Sciences, Professor, Professor at the Department of Physics, Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «Russian Timiryazev State Agrarian University», e-mail: shaukat-husainov@yandex.ru

Статья поступила в редакцию 26.10.18