Содержание к диссертации
Введение
1, Глава. Анализ проблем и задач методологии обучения 14
1.1. Обзор и анализ существующего программного обеспечения по физике 14
1.1.1. Программы, реализующие численные методы 14
1.1.2. Математические пакеты 15
1.1.3. Специализированные программы по физике 16
1.1.4. Моделирующие среды 18
1.2. Основные элементы задачи и факторы, влияющие на решение 20
1.2.1. Объект - задача: условие, требование. Данные задачи 25
1.2.2. Предметная область - физика. Общая классификация физических задач. Группы задач 31
1.2.3. Субъект - учащийся. Анализ и синтез формулировки задачи субъектом: переформулирование, перекодирование. Сложность и трудность 38
1.2.4. Система обучения решению: стратегии, общие и частные правила. Алгоритмические предписания 41
1.3. Требования к программе обучения решению задач 48
1.4. Выводы 49
2. Глава. Исследование и разработка алгоритма компьютерного моделирования задач 51
2.1. Основные понятия и цели моделирования. Математическое и компьютерное моделирование 51
2.2. Задача как объект моделирования 55
2.2.1. Классификация решаемости вычислительных задач в среде моделирования 55
2.2.2. Цели решения задач 57
2.3. Алгоритмы формализации задачи 59
2.3.1, Этапы создания формализованного представления задачи 62
2.3.2. Алгоритм реализации предметного представления 64
2.3.3. Алгоритм реализации модельного представления 68
2.3.4. Алгоритм реализации компьютерного представления 70
2.4. Предметное представление задачи 72
2.4.1. Пример анализа данных условия задачи об автомобилях 72
2.4.2. Алгоритм многоаспектного анализа задач 78
2.4.3. Недостаточность и переизбыточность данных 92
2.4.4. Формализация аспектов и субаспектов с помощью предикатов 93
2.5. Модельное представление задачи 94
2.5.1. Основные элементы алгоритма моделирования 95
2.5.2. Диаграмма процесса решения задачи 98
2.5.3. Классификация задач механики по типам 103
2.6. Компьютерное представление задачи 104
2.6.1. Формализм метода компонентных цепей и его преимущества 105
2.6.2. Необходимость расширения формализма компонентной цепи 107
2.6.3. Расширение базового формализма метода компонентных цепей.. 109
2.7. Выводы 123
3. Глава. Среда компьютерного моделирования задач 124
3.1. Функциональная схема среды компьютерного моделирования задач.. 125
3.1.1. Общие требования к среде компьютерного моделирования задач 125
3.1.2. Среда компьютерного моделирования как система 126
3.1.3. Функциональная схема среды 128
3.1.4. Назначение и описание работы программных модулей среды 130
3.2. Внешний интерфейс среды компьютерного моделирования задач 135
3.2.1. Пользователи среды 136
3.2.2. Режимы решения задач 137
3.3. Использование редакторов 138
3.3.1. Редактор данных 139
3.3.2. Редактор схем 142
3.3.3. Панель решения 150
3.4. Генератор и библиотека моделей компонентов 151
3.4.1. Библиотека моделей компонентов 151
3.4.2. Генератор моделей компонентов 152
3.5. Модуль контроля и анализа ошибок 153
3.5.1. Ошибки математические 153
3.5.2. Ошибки топологические 154
3.6. Модуль параметризации задач 155
3.7. Преимущества использования СКМЗ 156
3.7.1. Алгоритм выделения объектов из условия задач 156
3.7.2. Использование объектно-ориентированного подхода при моделировании структуры задачи 162
3.8. Выводы 166
4. Глава. Применение компьютерного моделирования в обучении решению задач 167
4.1. Компьютерное учебное пособие 167
4.1.1. Программная структура КУПа 173
4.1.2. Пример решения физической задачи 174
4.2. Использование формализованной задачи в КУПе 178
4.2.1. Формализованное представление задачи 178
4.2.2. Банки задач 180
4.2.3. К вопросу о сложности решения задач 181
4.3. Сравнение методик решения задач 182
4.3.1. Определение образовательного эффекта и успешности программы КУП по физике в учебном процессе 185
4.3.2. Оценка пользовательских интерфейсов КУПа 189
4.3.3. Экспериментальная проверка эффективности применения КУПа в обучении физике 192
4.4. Выводы 199
Заключение 201
Список использованных источников 203
- Основные элементы задачи и факторы, влияющие на решение
- Основные понятия и цели моделирования. Математическое и компьютерное моделирование
- Назначение и описание работы программных модулей среды
- Пример решения физической задачи
Введение к работе
Актуальность проблемы. С развитием компьютерной индустрии и IT-технологий, массовым оснащением компьютерами образовательных учреждений по общероссийской программе компьютеризации усилился интерес к использованию компьютеров в предметном обучении. Компьютер, как техническое средство, открывает большие возможности для совершенствования учебного процесса путем его автоматизации. Однако, использование компьютера в обучении предметам (в частности, физике) не получило широкого распространения и носит ограниченный характер. С одной стороны, проблема связана с методическим наполнением обучающих программ и программных средств, которое часто не соответствует содержанию учебного процесса по педагогическим причинам. С другой стороны, проблема имеет технический характер и связана непосредственно с разработкой самих программ. Предлагаемые разработчиками компьютерные программы по физике в основном являются закрытыми для пользователя: содержат закрытый банк задач, тестов, теорию и демонстрации без возможности добавления и решения задач обучающимся, что ограничивает выбор пользователя и ставит его в некоторые рамки предлагаемого материала. Программы же, позволяющие достичь открытости для пользователя, обычно не поддерживают решение задач по физике или достаточно трудны в использовании, требуют знания языков программирования (Pascal, С, Delphi, Excel) или знания численных методов. Поэтому остается актуальным поиск универсальных технологий автоматизации решения задач по естественно-научным дисциплинам, опирающихся на современные кибернетические подходы и открывающие новые возможности для эффективного овладения материалом. В том числе актуальна проблема создания такой открытой среды, в которой органично сочетаются традиционные и компьютерные методы обучения.
Для автоматизации процесса решения задач в открытых средах наиболее всего, на наш взгляд, подходит метод моделирования. Перевод некоторого исследуемого объекта в форму модели позволяет обнаружить в нем такие свойства, которые невыявляемы при непосредственном оперировании с ним, что ведет к конкретизации элементов условия задачи и более глубокому пониманию сути решения. Использование метода моделирования требует разработки метода формализации и алгоритмизации решения задач и создания программы, в данном случае - среды компьютерного моделирования задач (СКМЗ), которая сочетает традиционные и компьютерные методы, позволяющие решать учебные задачи, введенные пользователем.
Настоящая работа посвящена разработке алгоритмов формализации решения задач, созданию функциональной схемы СКМЗ и ее программной реализации, содержащей интерактивные редакторы для обработки входной и выходной информации, программные модули для обеспечения автоматизации процесса обучения компьютерному моделированию задач.
В рамках соответствия программы учебному процессу существует необходимость создания обучающего блока - компьютерного учебного пособия (КУП), наполнение которого может изменяться в зависимости от изучаемых образовательных предметов и методик. Так как программа в основном предназначена для предметного обучения, в качестве примера взяты задачи и материал по физике «КУП по физике». Обучающий блок -КУП и инструментальный блок - СКМЗ отделены друг от друга с целью обеспечения возможности раздельного изменения архитектуры и наполнения их пользователем.
Цель работы. Исследование и разработка алгоритмов формализации задач. Реализация на основе разработанных алгоритмов СКМЗ, предназначенной для автоматизации процесса решения вычислительных задач из различных предметных областей.
Объект исследования. Алгоритмы формализации и компьютерного моделирования вычислительных задач из разных предметных областей с использованием метода компонентных цепей (МКЦ).
Задачи исследования:
1. Выявить особенности процесса решения и определить классы решаемых задач для компьютерного моделирования.
2. Создать с учетом выявленных особенностей алгоритм формализации задач.
3. Разработать и создать функциональную структуру программы, включающую в себя интерактивные редакторы для обработки входной и выходной информации, а также программные модули, необходимые для автоматизации решения задач.
4. Создать программно-инструментальные средства, позволяющие ориентировать СМ МАРС (Среда Моделирования МАРС) на процесс компьютерного моделирования задач по естественно-научным дисциплинам.
Разработать компьютерное учебное пособие и на его основе показать эффективность применения компьютерного моделирования в обучении решению задач по физике.
Методы исследования работы. Реализация поставленных задач осуществляется с использованием системного подхода на основе применяемых в настоящее время наиболее эффективных программных средств (CASE-технологий, средств визуального программирования и т.д.), объектно-ориентированных подходов, метода компонентных цепей, развиваемого школой под руководством Дмитриева В.М.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Исследованы и предложены алгоритмы, позволяющие формализовать процесс моделирования задач.
2. Расширен формализм МКЦ для автоматизации компьютерного моделирования задач не только по техническим, но и по естественнонаучным дисциплинам.
3. На основе предложенных алгоритмов и требований впервые исследована и реализована открытая СКМЗ, позволяющая автоматизировать процесс решения вычислительных задач.
Практическая значимость. Предложенные методики и алгоритмы развивают теорию моделирования, пополняют банк моделей компонентов. Разработанная СКМЗ позволяет практически использовать ее в учебном процессе. На основе разработанных алгоритмов и СКМЗ создано методическое и программное обеспечение в виде КУП по физике, позволяющего обучать решению вычислительных задач по физике.
К защищаемым положениям относятся:
1. Алгоритмы формализации задачи, позволяющие правильно выделить основные этапы моделирования задач и их содержательную сторону. Диаграмма процесса решения задач, предназначенная для выделения элементов структуры задачи: объектов моделирования, состояний, условий переходов между состояниями.
2. Алгоритм многоаспектного анализа задач, позволяющий преобразовывать слабо структурированные исходные данные к виду хорошо структурированных исходных данных для реализации компьютерного моделирования задач.
3. Применение расширенного МКЦ для автоматизации компьютерного моделирования задач по естественно-научным дисциплинам за счет доопределения понятийно-определительного аппарата.
4. Разработка функциональной структуры и алгоритмов работы СКМЗ с учетом программно-аппаратных и психолого-педагогических требований, сформулированных в диссертации.
Реализация результатов работы. Создано компьютерное учебное пособие - КУП по физике, которое было внедрено в учебный процесс высшего колледжа информатики, электроники и менеджмента (ВКИЭМ) ТУСУРа, на кафедре Теоретических основ электротехники (ТОЭ) ТУСУРа и протестировано в Томском государственном педагогическом университете (ТГПУ) на кафедре общей физики.
Апробация работы и публикации. Основные теоретические результаты, а также результаты прикладных исследований и разработок докладывались и получили одобрение на международных, всероссийских и региональных конференциях, публиковались в сборниках трудов: 2 статьи в журнале «Вестник Томского Государственного Педагогического Университета», 2 статьи в журнале «Вестник Московского городского педагогического университета», 3 статьи в сборнике «Компьютерные технологии в образовании». Доклады на научно-технической конференции «Научная сессия ТУСУР - 2004» и XII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», проводимой в Томском Политехническом Университете, отмечены дипломами первой степени. На программные модули было получено свидетельство об отраслевой регистрации разработок № 4058 от 22 ноября 2004 года.
Общее число публикаций - 26. По теме диссертации - 23. Из них две работы находятся в печати.
Достоверность полученных результатов обеспечивается исходными теоретическими, методологическими и практическими данными исследований, апробацией результатов.
Личный вклад автора. Постановка задач исследования, проведение обзорных и теоретических исследований, разработка алгоритмов формализации задач, доведение разработок до программно-алгоритмических решений, конкретных алгоритмов, комплекса программ СКМЗ и КУП, теоретические и практические результаты и их интерпретация в основном получены соискателем.
Диссертация основана на теоретических идеях, предложенных научным руководителем, профессором Дмитриевым В.М, а также методических и экспериментальных исследованиях, выполненных соискателем совместно с сотрудниками кафедр ТОЭ ТУСУРа и кафедры общей физики ТГПУ.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 211 страниц основного текста, 98 рисунков, 92 использованных источника и 6 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Во введении представлены предпосылки, определяющие необходимость данной работы. Сформулирована цель, выделены основные решаемые задачи, показана актуальность работы, определена структура и общая характеристика диссертационной работы, представлены основные положения, выносимые на защиту, теоретическая и практическая значимость работы.
В первой главе рассматриваются актуальные на текущий момент подходы к процессу обучения решению задач. За основу рассмотрения в качестве примера взяты задачи по физике. Анализируются программные продукты, с помощью которых можно осуществлять решение задач. Выставляются программные требования к будущей разработке в зависимости от положительных и отрицательных свойств проанализированных программ. Далее, определяются основные факторы, влияющие на процесс обучения решению задач, и определяются основные условия, которые необходимо учитывать при их решении.
Во второй главе проводится исследование и разработка алгоритма компьютерного моделирования задач. Рассматривается математическое и компьютерное моделирование. Вводится классификация вычислительных задач, на . основании которой можно определить решаема ли она с помощью алгоритма компьютерного моделирования. Далее, для обучения выделению компонентов задачи предлагается метод многоаспектного анализа задач. Для выделения существенных и несущественных данных вводится механизм предикатного селектирования. Базовым методом реализации компьютерного моделирования задач является метод компонентных цепей. В этой главе осуществляется расширение базового формализма метода компонентных цепей (МКЦ), который позволяет решать задачи со слабо структурированными исходными данными (ССИД). Вводятся дополнительные классы компонентов, их математическое описание и визуальное представление. В заключительной части рассматривается алгоритм компьютерного моделирования задач на основе введенных методов и инструментов. Реализация данных алгоритмов позволяет создать структуру формализованного представления задач.
В третьей главе формализуются требования к СКМЗ. Рассматриваются основные элементы интерфейса среды. Описывается функциональная схема программы, назначение и работа составляющих модулей: редактора данных, редактора схем, панели решения, библиотека и генератор моделей компонентов. Описываются модули контроля и анализа ошибок. Далее приводится алгоритм решения задачи посредством СКМЗ.
Четвертая глава посвящена описанию методической поддержки процесса обучения задач компьютерному учебному пособию (КУП). Приводится структура функционирования КУПа, примеры решения задач по физике разделов «Кинематика», «Динамика». Далее показывается структура задачи в КУПе. Учитывая такую структуру, предлагается более продуктивно использовать оценивание сложности задач, создавать банки задач и на их основе выполнять классификацию по сложности задач. Завершение данной главы составляет сравнение методик решения задач ручным способом и с использованием компьютерного моделирования. Эффективность использования компьютерного моделирования задач подтверждается статистической обработкой полученных результатов проведенного эксперимента на двух группах учащихся.
В заключении подводятся итоги данной работы, описываются перспективы данного направления и преимущества, которые может дать автоматизация КУП и СКМЗ при массовом обучении процессу решения задач в качестве передовых технологий обучения.
Приложения содержат вспомогательные материалы, дополняющие основное содержание диссертации.
Основные элементы задачи и факторы, влияющие на решение
В данной главе диссертационной работы изучается область исследования, вводится терминология и анализируются факторы, влияющие на процесс обучения решению задач, а также доопределяются требования, цели и задачи данной работы.
Известно, что задача - это постановка или формулировка проблемы, которая ставится решающему её субъекту с целью получения ответа, либо, если ответ не найден, объяснить причины невозможности решения проблемы. Задачу можно сравнить с айсбергом (см. рис. 1.1), у которого в верхней части находится формулировка, а в нижней (под водой) находится решение этой задачи. Для того чтобы исследовать его подводную часть, субъекту необходимо иметь определенные знания. Дно у айсберга можно и не найти по двум причинам: либо формулировка неверна, либо у субъекта «недостаточно знаний», он не может постичь глубины решаемой задачи из-за поверхностных знаний в этом вопросе.
Поскольку проблема порождает задачу, мы не будем вдаваться в поиск причин возникновения данной проблемы и решения этой проблемы (в более широком смысле: выяснением и устранением причин возникновения проблемы). Ведь если найдено решение, проблема как таковая исчезает. Задачи же, которые предлагается рассматривать в данной работе, преследуют иные цели. Поскольку, даже если решение задачи будет найдено, она так и останется задачей для других субъектов, еще не решавших ее, поэтому будем ассоциировать проблему с задачей, рассматривая её с учебных позиций.
В пределах данной работы рассмотрим взаимодействие «субъект (обучаемый) - объект (задача)», игнорируя проблему. Но учебные позиции предполагают появление третьей стороны - системы обучения (школа, вуз, преподаватель,...), которая обучает и помогает решать задачи и следит за правильным выполнением данного процесса. Введем трёх участников процесса решения задачи: задача - обучающий - обучаемый (рис. 1.2).
Общей точкой сопряжения задачи и учащегося является обучающий. Задача обучающего ознакомить учащегося с изучаемой предметной областью, научить методике решения задач и осуществить своевременную помощь при возникновении вопросов.
В последнее время с развитием компьютерной индустрии и IT-технологий в системы педагогического образования стали внедряться компьютеры и обучающие программы в роли помощников процессов обучения по различным педагогическим направлениям. Иногда они используются для частичной или полной замены преподавателя, что позволяет перейти от группового обучения к индивидуальному. Примером могут служить различные программные продукты, которые решают узкие, специализированные задачи: с помощью тестовых программ осуществляется проверка знаний на контрольных точках и экзаменах, лучшее запоминание выполняется с использованием многократного просматривания и прослушивания программ на основе мультимедийных технологий и т.п. На первый план выносится программа, которая заменяет преподавателя целиком и полностью. Основным показателем применимости в обучении и использовании программы является проработка применяемой методики. Чем лучше она продумана, тем охотнее она используется в обучении [32, 33, 34, 35]. Такой подход к обучению можно охарактеризовать парой: учащийся -программа. Программа здесь используется как заменитель преподавателя. Преподаватель в свою очередь может только ограничить дозирование изучаемой учащимся информации.
В настоящее время в IT индустрии наступает момент создания программных систем другого типа [36]. Более перспективной и малоизученной является методика обучения, где используется трио: учащийся - преподаватель - программа. Здесь программа выступает в качестве инструментария, позволяющего изучать учащемуся предмет, а траекторию изучения задает преподаватель, учитывая специфику обучения (трудность и сложность предмета, разницу в подготовке учащихся и т.д.). Идея разделения этих задач в обучении привела к созданию программ, в которых инструментарий отделен от методики [37, 38]. Этот подход будет применен и расширен в данной работе, а также освещены дополнительные преимущества и возможности его использования (см. пункт 4.1).
Теперь определим, какие условия являются существенными для процесса решения задачи. На каждый рассматриваемый объект влияют различные условия. Проанализировав методическую и педагогическую литературу [39] по данному вопросу, выделим пять основных факторов, которые «существенно» влияют на конечный результат. Сопоставим каждому участнику процесса решения задач соответствующие ему факторы. Например, на каждого участника влияет предметная область физика, она влияет и на условие задачи и на методику решения и на умение решать задачи учащимся (рис. 1.3).
Основные понятия и цели моделирования. Математическое и компьютерное моделирование
В повседневной жизни мы имеем дело с объектами и процессами разной природы. С целью изучения их функционирования мы стараемся рассмотреть и понять их. Часто нас интересуют ответы на конкретные вопросы, поэтому мы рассматриваем объект не целиком, как он есть, а выделяем интересующие нас его свойства и функции. Моделью объекта называют любой другой объект, отдельные свойства которого полностью или частично совпадают со свойствами исходного. При другом определении под моделью понимают физический или абстрактный образ моделируемого объекта, удобный для проведения исследований и позволяющий адекватно отображать интересующие исследователя физические свойства и характеристики объекта [50]. Процесс такого замещения называют моделированием. Моделирование - это замещение исследуемого объекта (оригинала) его условным образом или другим объектом (моделью) и изучение свойств оригинала путем исследования свойств модели.
Модель как объект отображения никогда не может быть полной, она всегда ограничена и должна лишь соответствовать целям и задачам моделирования. Полнота модели определяется тем, сколько и каких свойств исходного объекта в ней отражено.
Исследуемый объект может быть реальным, а может быть воображаемым. Реальный объект может иметь естественную и искусственную природу. Например, камень, положенный на весы, имеет естественную природу, а сами весы являются техническим устройством, то есть имеют искусственную природу. Воображаемые объекты встречаются на ранних этапах проектирования технических систем, а их модели до момента воплощения называются экспериментальными. Более полная классификация моделей подробно рассмотрена в учебниках и литературе по имитационному моделированию [51].
Цели и задачи моделирования. Модель создается для исследования свойств и характеристик конкретного объекта. Используя построенную модель, можно уже на ранней стадии разработки в удобной и безопасной среде оценить, насколько удачны выбранная структура и параметры системы [52, 53]. В литературе выделяются множество целей и задач, ради которых создаются модели, и проводится ряд типов исследований с помощью моделирования. Выделим наиболее подходящие цели и задачи для данной работы: 1. Модель как средство осмысления помогает выявить взаимозависимости переменных, характер их изменения во времени и пространстве, найти существующие закономерности. 2. Модель как средство прогнозирования позволяет научиться предсказывать поведение объекта и управлять им, испытывая различные варианты управления на модели. 3. Модели как основа для поиска оптимальных параметров и характеристик, исследования экстремальных режимов. 4. Модели-тренажеры - выступают как эффективное средство обучения и подготовки студентов или персонала к профессиональной работе в реальных условиях. При реальном моделировании используется возможность исследования различных характеристик либо на существующем объекте целиком, либо на его части. Реальное моделирование является наиболее адекватным, но при этом его возможности, с учетом особенностей реальных объектов, ограничены и для моделирования сложных систем оно сопряжено с большими временными и материальными затратами. Все это привело к развитию абстрактного моделирования. Абстрактное моделирование часто является единственным способом исследования объектов, которые либо практически не реализуемы в заданном интервале времени, либо существуют вне условий, возможных для их физического создания. Наиболее мощным и универсальным методом абстрактного моделирования является математическое моделирование, которое в большинстве случаев позволяет отказаться от реального моделирования. При этом для моделирования с помощью персонального компьютера, обычно используют не абстрактные модели, а их подмножество - компьютерные (виртуальные) модели, которые можно исследовать с помощью трех типов математических моделей: аналитических, имитационных и аналитико-имитационных. Когда явления в сложной системе настолько сложны и многообразны, что аналитическая модель становится слишком грубым приближением, то приходится использовать имитационное моделирование. Основным преимуществом имитационного моделирования, по сравнению с аналитическим, это возможность решения более сложных задач. Имитационные модели позволяют учитывать наличие дискретных и непрерывных элементов, нелинейные характеристики системы, многочисленные случайные воздействия и др. Однако наряду с характерными достоинствами имитационных моделей, они имеют ряд существенных недостатков, как показано в литературе [54]. Использование аналитико-имитационных моделей объединяет достоинства аналитического и имитационного моделирования и позволяет охватить качественно новые классы систем. Использование компьютерного моделирования при решении задач При решении задач мы используем в качестве инструментария абстрактное моделирование. Человек, решая задачу, абстрактно мыслит, использует образное мышление, моделирует физически процесс и т.д. Но работа с образными категориями трудна в процессе общения и получения знаний на первоначальном этапе. Использование компьютерного моделирования позволяет целенаправленно обрабатывать информацию, моделировать ситуацию введенными образами и понятиями. В данном случае использование компьютера позволяет организовать индивидуальное обучение. Например, монитор можно использовать в качестве «рабочего стола» решения задачи. Здесь холст - монитор, карандаши и краски - инструмент моделирования, здесь четко понятно, где верх, где низ, где север, где юг. Происходит упрощение некоторых понятий, которые обучающий пытается объяснить вербально в процессе обучения решению задач. Прилагаемая помощь позволяет дополнять учителя на уроке или заменить его при работе в домашних условиях и т.п. Электронный учебник позволяет изучать теорию в том объеме, который необходим для решения задачи.
Назначение и описание работы программных модулей среды
Действия среды: Пользователю предоставляется дерево задач и в зависимости от категории и прав пользователя (см. пункт 3.2.1), определяемой при регистрации, предоставляется возможность создать, отобразить, изменить, удалить задачу. После выбора задания из дерева задач (см. модуль «дерево задач») выводится текстовая, схемная, табличная, графическая информация для обучаемого в редактор данных из модуля «банк задач и заданий». При выдаче задачи пользователю генерируются исходные данные (числовые значения) и вставляются в формулировку задачи с помощью модуля «модуль параметризации заданий» (см. параграф 3.6). Основные идеи рассмотрены в работе [73].
Действия, пользователя. Из дерева задач выбирается задача. В случае вербальной (словесной) постановки задачи система предлагает создать формулировку задачи в текстовом виде. После отображения формулировки пользователь читает условие и уясняет смысл терминов и выражений. Шаг алгоритма: «формализация данных». Действия среды. Для проведения многоаспектного анализа используется «редактор данных» и предметные аспекты и субаспекты. Используются соответствующие блоки представления данных. Действия пользователя. Вводится название задачи моделирования. Выполняется многоаспектный анализ задачи для предметных аспектов и субаспектов задачи, при помощи «редактора данных» с целью определения объектов задачи. Формулировка разделяется на условие и требование. В зависимости от контекста объекты задачи создаются из уже имеющихся элементов аспектов и субаспектов. Шаг алгоритма: «определение целей задачи». Действия среды. На данном этапе также используется «редактор данных», только целью здесь является определение пользователем существенных и несущественных данных с помощью модуля «модуль предикатной селекции». Действия пользователя. Определяется цель моделирования. Выбираются начальные глобальные параметры среды моделирования. Определяются требование и параметры оценивания (размерность, точность вычислений, ...) задачи на основе физического, математического, модельного, компонентного субаспектов. Далее определяется цель решения задачи, неизвестные величины, т.е. физические величины, которые необходимо найти в ходе решения задачи, способ представления ответа (графики, таблицы и т.д.) Подсистема «модельное представление». Шаг алгоритма: «построение модели». Действия среды. В блоке моделирования задачи вызывается редактор схем. В редакторе активизируется «библиотека моделей компонентов». Модели перетаскиваются из БМК в редактор и отображаются согласно коду, реализованному в модуле «генератор моделей компонентов задач». Действия пользователя. Осуществляется выбор необходимой системы единиц. С использованием редактора схем осуществляется построение структуры задачи в виде компонентной цепи. Во-первых, выбирается тип задачи (динамического и статического поведения). Во-вторых, вводятся объекты задачи (определение состояний, актов, объектных моделей). Шаг алгоритма: «построение компьютерной модели». Действия среды. Выполняется переход к детализации структуры задачи (определяются математические модели, вводятся отношения между свойствами объектов, вводятся модели системных отношений). Используется редактор схем и интерактивная математическая панель (ИМП). При создании КЦ все математические формулы и соотношения дублируются на панели решения. После создания компонентной цепи выполняется проверка наличия ошибок модулем «модуль предварительного тестирования и коррекции ошибок». В нем выполняются проверка собранной цепи и проверка совпадения размерностей физических величин. На данном этапе пользователь видит метки, которые сигнализируют о том, в каких местах и какие ошибки были допущены пользователем во время моделирования задачи. Действия пользователя. Пользователь осуществляет ввод исходной информации о количестве объектов, именах объектов, свойствах объектов, вводит известные значения параметров по условию задачи, доопределяет константы объектов из таблиц «константы физических величин». Выполняются дополнительные построения с целью создания компонентной цепи: вводятся модели отношений (с использованием ИМП), системные модели, осуществляется установление связей между переменными. Подсистема «компьютерное представление». Шаг алгоритма: «построение плана эксперимента». Действия среды. Планирование эксперимента для построенной КЦ осуществляется в редакторе схем за счет изменения значений, а также известных переменных на неизвестные и наоборот (см. пример пункт 3.7.2 «использование объектно-ориентированного подхода при моделировании структуры задачи»). По построенной и проверенной КЦ на предыдущих этапах моделирования (например преподавателем или экспертом), можно провести исследование собранной компьютерной модели задачи учащимся (как отдельная задача исследования характеристик построенной модели). Передача данных для расчета выполняется после сбора компонентной цепи и выполнения контроля правильности ввода математических формул. В случае получения ошибки программа выдает тип, номер ошибки и ее местоположение. Действия пользователя. При проведении эксперимента на вход параметров задачи учащийся вводит массив чисел определенного типа (поэтому их можно назвать параметризованными переменными). Этот массив либо генерируется, либо задается самим пользователем с целью проведения исследования (например, анализ поведения кривой, изменения типа источника сигналов с линейного на синусоидальный и т.д.). Вводятся расчетные матричные данные, выбираются методы обработки данных, осуществляется создание, добавление, составление и порядок использования макрокомпонентов (определение задач и подзадач).
Пример решения физической задачи
Выделение объектов задачи и их процессов помогает научить отдельно выделять существенные и несущественные (фиктивные) объекты задачи.
Расширение формализма МКЦ позволило ввести дополнительные элементы, необходимые для решения задач, а именно: решать задачи со слабо структурированными исходными данными. 6. Создание компонентов объектных моделей, системных и частных моделей отношения разбивает задачу на составляющие, которые несут различный семантический смысл в задаче и позволяют автоматизировать процесс компьютерного моделирования (свести к минимуму необходимость ввода повторяющихся действий, предоставить возможность численного решения). 7. Использование метода многоаспектного анализа решает проблемы обучения поиска «компонентов задачи» и переход от задач со слабо-структурированными исходными данными к задачам с хорошо структурированными исходными данными. 8. Компьютерное моделирование позволяет экспериментировать с задачей, оперативно изменяя параметры её структуры. Таким образом, осуществляется исследование свойств задачи. 9. В компьютерном моделировании частную методику шага можно изменять от простого (использованию по умолчанию) к сложному (путем детализации всех подшагов частной методики шага). Это позволяет по мере обучения пропускать рутинные повторяющиеся шаги, которым учащийся уже обучился, и использовать освободившееся время для решения более сложных задач. 10. Решение задачи и указание ошибок проводится в автоматическом режиме, что позволяет обучаться даже при отсутствии обучающего. Реализация компьютерного моделирования позволяет использовать десять основных преимуществ по сравнению с решением задач традиционным способом. Однако, в связи с вышесказанным, хотелось бы подчеркнуть, что это не означает, что нужно отказаться от решения задач традиционным способом, напротив, данный способ решения необходим при решении задач в уме и на бумаге, ведь не всегда компьютер под рукой. Главным образом данный метод компьютерного моделирования видится в обучении решению задач на первоначальном этапе, когда обучающемуся необходимо показать и научить его решать - моделировать задачи как конструктор, без отвлечения на второстепенные детали (математические выкладки, вычислительных операций и т.д.), обучить терминологии и применяемым методикам. Трудность «аспектного анализа» задачи - главная трудность решения на первых шагах, далее идет «запоминание методики», ожидаемый результат и оформление. Позже можно переходить к созданию системы уравнений и аналитическому выводу значений искомых физических величин. После успешного обучения всем тонкостям решения, можно переходить полностью к решению традиционным способом. Использование информационных технологий в обучении направленно на реализацию различных учебных целей и является технологическим процессом с заранее рассчитываемым результатом. Эффективность такого технологического процесса оценивается на базе специально разработанных, показателей на основе критериев, отражающих проявление и динамику развития творческого потенциала (креативности). Одной из главных целей преследуемых в оценке креативности является индивидуализация обучения в соответствии с потребностями учащегося, а также организация особых форм обучения: самостоятельные исследования, дискуссии, экспериментирование. Организация обучения физике с применением КУПа позволяет объединить все перечисленные формы обучения, учитывая желания и склонности обучаемого. Постоянное пополнение рынка образовательных программ: электронных учебников, кейсов, обучающих программ и других программных продуктов ставит перед преподавателем вопрос о дидактико-методической наполненности и соответствия заявленной тематике. Другой проблемой является соответствие обучающих программ Закону РФ «Об образовании» и отвечать основным требованиям, предъявляемым ко всем программам. Обучающая программа является эффективной, если она определяет момент перехода учащегося из зоны ближайшего развития в зону актуального развития. Актуальный уровень развития можно оценить через сформированность понятийного аппарата (таблица № 4.1) и продуктивность интеллектуальной деятельности, выраженная через развитие логического мышления (операциональность). Важным моментом для преподавателя является момент определения продуктивности интеллектуальной деятельности по результатам работы в программе. Для этого вводится показатель «динамика развития» (личностный рост) учащегося. Этот показатель может быть определен по следующим параметрам: 1. самооценка; 2. саморегуляция; 3. эмоциональное состояние; 4. коммуникативная компетентность; 5. интеллектуальная личностная рефлексия (включающая в себя саморегуляцию и систему представлений о том, как устроены научные знания, каковы особенности разных методов познания, сведений о своих собственных качествах ума и способах их эффективного использования). Для определения успешности программы необходимо выявить мотив деятельности учащихся, дефициты и простраивание образовательного заказа. В образовательной деятельности образовательный заказ формируется в случае, когда программа становится ресурсом, необходимой для реализации образовательных инициатив учащегося.
