Содержание к диссертации
Введение
Глава -1. Анализ этапов развития, классификация и требования к электронным образовательным ресурсам (ЭОР) 22
1.1. Этапы компьютеризации образования 23
1.1.1. Первый этап компьютеризация образования и эксперименты по использованию компьютерных технологий в предметном обучении 23
1.1.2. Систематические разработки электронного образовательного контента для использования на персональных компьютерах 26
1.1.3. Внедрение сетевых технологий в практику создания электронных образовательных ресурсов 28
1.1.4. Внедрение мультимедийных и телекоммуникационных технологий в практику создания и использования электронных образовательных ресурсов 36
1.1.5. Интеграция электронных учебных ресурсов и создание сред для их разработки 39
1.1.6. Проблема интеграции учебной и научной деятельности 46
1.2. Классификация электронных обучающих средств 47
1.2.2. Общие положения 48
1.2.3. Варианты классификаций электронных обучающих ресурсов 51
1.2.4. Специфические особенности классификации электронных образовательных ресурсов по физике 56
1.2.5. Внутренние связи между вариантами классификации электронных образовательных ресурсов по физике 64
1.3. Требования, предъявляемые к цифровым образовательным ресурсам 65
1.3.2. Требования к цифровым образовательным ресурсам для среднего образования 66
1.3.3. Требования к конкретным типам электронных учебных ресурсов 71
1.3.4. Специфические требования к электронным учебным ресурсам по физике 79
1.4. Заключение 82
1.5. Основные выводы 83
Глава – 2. Концепция автоматизации создания ЭОР и алгоритмы электронных конструкторов виртуальных физических систем 85
2.1. Концепция электронного конструктора и его использования в обучении 86
2.1.1. Концепция использования компьютерного моделирования в преподавании физики 86
2.1.2. Концепция использования программ-конструкторов физических моделей 91
2.1.3. Требования к программам-конструкторам для автоматизированной разработки электронных моделей физических систем 94
2.1.4. Анализ существующих электронных конструкторов учебных физических моделей с точки зрения предложенной концепции и сформулированных требований 98
2.2. Алгоритмы реализации программного комплекса электронного
конструктора «Частицы в электрических и магнитных полях» 100
2.2.1. Общая характеристика разработки 100
2.2.2. Алгоритмы и программная реализация 102
2.3. Алгоритмы реализации программного комплекса
«Оптический конструктор» 110
2.3.1. Общая характеристика разработки 110
2.3.2. Алгоритмы и программная реализация 111
2.3.3. Примеры образовательного контента, созданного на базе электронного конструктора 115
2.4. Современная версия базовой части моделирующей программы-конструктора для моделирования движения частиц в силовых полях 117
2.4.1. Общая характеристика разработки 117
2.4.2. Алгоритмы и программная реализация 118
2.4.3. Использование программы-конструктора 125
2.5. Программа-конструктор визуализаторов электростатических и магнитостатических полей 129
2.5.1. Общая характеристика программ 129
2.5.2. Алгоритмы и программная реализация 130
2.5.3. Использование программы-конструктора 136
2.6. Дополнительные интерактивные программы для моделирования физических систем 138
26.1. Программа-конструктор интерактивных симуляций процессов в линейных электрических цепях 139
2.6.2. Программа-конструктор виртуальных опытов по дифракции света 142
2.6.3. Численное моделирование электростатических и магнитостатических
систем для случаев различных граничных условий для потенциалов 145
2.7. Java-версии программы-конструктора моделей оптических
систем геометрической оптики 150
2.7.1. Общая характеристика программ «Оптический конструктор» 151
2.7.2. Алгоритмы и программная реализация 152
2.7.3. Использование программы-конструктора 164
2.8. Концепция и алгоритмы использования компьютерного моделирования для решения задачи включения в образовательный процесс элементов исследовательской деятельности 166
2.8.1. Концепция использования компьютерного моделирования для привлечения учащихся к научным исследованиям в области атомно- молекулярной физики 167
2.8.2. Электронные ресурсы для учебно-научной деятельности в области атомно-молекулярной физики 172
2.8.3. Компьютерное моделирование в области физики нелокальной плазмы 181
2.9. Заключение 193
2.10. Основные выводы 195
Глава – 3. Многофункциональные электронные сборники: структура, алгоритмы построения и варианты реализации 197
3.1. Концепция электронных мультимедийных сборников 197
3.1.1. Варианты использования сборников 197
3.1.2. Разработка новых вариантов использования электронных аналогов традиционных форм обучения 202
3.1.3. Реализации концепции мультимедийных сборников 215
3.2. «Физика; модель –эксперимент – реальность» -серия сборников мультимедиа материалов для изучения физики в старших классах 215
3.2.1. Сборник мультимедийных ресурсов
"Гравитация: развитие взглядов от И.Ньютона до А.Эйнштейна" 217
3.2.2. Сборник мультимедийных ресурсов "Электрические и магнитные поля: удобная теоретическая модель или физическая реальность?" 233
3.2.3. Сборник мультимедийных ресурсов
«Развитие взглядов на природу света» 251
3.3. Серия электронных мультимедийных сборников по курсу Общей физики 260
3.3.1. Сборник 1: «Классическая и релятивистская механика» 263
3.3.2. Сборник 2: «Молекулярная физика и термодинамика» 277
3.3.3. Сборник 3: «Электродинамика» 280
3.3.4. Сборник 4: «Оптика» 291
3.4. Новые варианты использования возможностей современных информационных и мультимедийных технологий в электронном образовательном контенте 297
3.4.1. Использование технологий создания стереоскопических изображений
для разработки лекционных демонстраций по физике 297
3.4.2. Создание мультимедийных описаний к лабораторным работам 305
3.4.3. Разработка единого алгоритма взаимодействия объектов апплетов, порождаемых объединенной программой конструктором 306
3.5. Заключение 309
3.6. Основные выводы 311
Глава – 4. Результаты апробации электронных конструкторов и сборников ЭОР по физике 314
4.1. Использование мультимедийных сборников при чтении углубленного курса «Элементарная физика» и организации факультативных занятий в рамках проекта «Физика и компьютер» 314
4.1.1. Организация обучения в рамках образовательного проекта «Физика и компьютер» 315
4.1.2. Организационные решения и основные итоги реализации экспериментального образовательного проекта «Физика и компьютер» 321
4.2. Использование ресурсов мультимедийных сборников
для научно-просветительской и профориентационной работы
с мотивированными и одаренными учащимися старших классов 324
4.2.1. Цикл лекций «Школьникам о современной физике» 324
4.2.2. Дистанционный курс для Гимназического союза России 325
4.2.3. Распределенные лекции Центра подготовки одаренных школьников Ленинградской области 327
4.2.4. Использование мультимедийных ресурсов для интенсивной и углубленной массовой подготовки абитуриентов 328
4.2.5. Научно-популярная телевизионная передача «Пратик-Ум» 330
4.3. Алгоритмы использование мультимедийных сборников для сопровождения углубленного изучения курсов общей физики студентами бакалавриатов физико-математических специализаций 332
4.3.1. Организация на Физическом факультете СПбУ нового образовательного направления «Прикладные математика и физика» 332
4.3.2. Алгоритмы использования мультимедийных сборников в учебном процессе на образовательном направлении
«Прикладные математика физика» 346
4.3.3. Использование мультимедийных сборников для организации самостоятельной работы студентов младших курсов 350
4.3.4. Использование мультимедийных сборников для организации целевой подготовки студентов по профилю «Электрофизика» по заказу работодателя 352
4.4. Использование мультимедийных сборников для организации углубленного преподавания курса физики в Национальном Исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики 355
4.4.1. Алгоритмы использования мультимедийных сборников в организации обучения физике с бакалавриатах Университета ИТМО355
4.4.2. Предварительные результаты эксперимента по организации интенсивного обучения фундаментальным основам физики студентов НИУ ИТМО 358
4.5. Использование электронных конструкторов и мультимедийных сборников для поддержки работ по формированию у широких слоев населения современной естественно-научной картины мира .362
4.5.1. Использование мультимедийных сборников для сопровождения углубленного преподавания курса «Концепции современного естествознания» для студентов гуманитарных специализаций 363
4.5.2. Использование ресурсов электронных сборников для создания многоуровневого МООК- курса по физике 367
4.6. Заключение 372
4.7. Основные выводы 373
Глава -5. Методы привлечения учащихся к научным исследованиям с использованием электронных конструкторов 376
5.1. Привлечение учащихся к мини-исследованиям, проводимым на базе электронного образовательного контента .376
5.1.1. Использование компьютерных симуляций в качестве источника задач для теоретических мини- исследований 377
5.1.2. Исследования в области программирования электронных сборников и средств автоматизированного создания электронного учебного контента 380
5.2. Включение элементов научного исследования в физические практикумы путем объединения реального и модельного эксперимента .382
5.2.1. Концепция создания автоматизированных лабораторных практикумов с включением элементов научного исследования 383
5.2.2. Трансформация учебного практикума в исследовательский путем включения численного моделирования: «Исследование газового разряда» 385
5.2.3. Трансформация учебного практикума в исследовательский путем включения численного моделирования: «Эксперименты в аэродинамический трубе» 392
5.2.4. Трансформация учебного практикума в исследовательский путем включения численного моделирования: «Изучение гистерезисных эффектов в системах с высокотемпературными сверхпроводниками» 395
5.3. Использования современных компьютерных технологий для поддержки работ по привлечению обучающихся к научным исследованиям .403
5.3.1. Использование компьютерного моделирования в исследованиях столкновительных переходов между различающимися по спину высоковозбужденными уровнями гелия 405
5.3.2. Численное моделирование нелокальной неравновесной плазмы 416
5.3.3. Использование численного моделирования газовых разрядов для развития нового подхода к анализу составов газовых смесей на основе электронной столкновительно1 спектроскопии .426
5.3.4. Численное моделирование газового разряда в воздухоподобных смесях .444
5.4. Заключение 446
5.5. Основные выводы .447
Заключение 449 Список литературы
- Внедрение мультимедийных и телекоммуникационных технологий в практику создания и использования электронных образовательных ресурсов
- Требования к программам-конструкторам для автоматизированной разработки электронных моделей физических систем
- Концепция и алгоритмы использования компьютерного моделирования для решения задачи включения в образовательный процесс элементов исследовательской деятельности
- Включение элементов научного исследования в физические практикумы путем объединения реального и модельного эксперимента
Внедрение мультимедийных и телекоммуникационных технологий в практику создания и использования электронных образовательных ресурсов
Начавшийся во второй половине ХХ века лавинообразный процесс развития информационных технологий, подготовленный предшествующими достижениями микрофизики, затронул практически все стороны жизни современного общества и ведет к глобальным техническим, социальным, экономическим и политическим изменениям, последствия которых трудно прогнозировать. Традиционно консервативная (в хорошем смысле этого понятия) область деятельности, связанная с образованием, так же оказалось вовлеченной в процесс информатизации. Этот процесс приобрел характер своеобразного состязания, в ходе которого новая интенсивно развивающаяся область информационных технологий постоянно генерирует новые вызовы-предложения, обращенные к сфере современного образования. Такие вызовы частично принимаются, в результате чего возникают новые варианты использования компьютерных, мультимедийных и телекоммуникационных технологий в образовательном и научно-образовательном процессах. К настоящему времени электронная обучающая продукция уже изготавливается в весьма внушительных объемах, предпринимаются многочисленные попытки ее систематизации и организации доставки к потенциальным пользователям (преподавателям и обучаемым), стало доступным разнообразное оборудование, обеспечивающее возможность коллективного и индивидуального использования электронного образовательного контента, накоплен определенный положительный опыт его использования в образовательном процессе.
Несмотря на явные успехи в области компьютеризации образования на сегодняшний день было бы неправильным говорить об органичном вхождении информационных технологий в процесс обучения. Пока еще не возник такой синтез компьютерных и образовательных технологий, при котором оправданное и целесообразное использование новых эффективных возможностей превратилось бы из декларируемой идеи в реальную практику, реализуемую в рамках естественным образом организованного учебного процесса. Именно такой вывод был сформулирован в обзоре, посвященном анализу ситуации, сложившейся в области внедрения компьютерных технологий в обучение физико-математическим и естественно-научным дисциплинам в конце прошлого столетия [1]. В его второй части [2] были перечислены основные наиболее перспективные пути внедрения уже ставших в то время общедоступными и еще только апробируемых информационных технологий в преподавание естественнонаучных дисциплин.
Компьютеризация образования в России прошла несколько этапов, начиная с массового обучения элементам компьютерной грамотности и заканчивая внедрением новых форм и технологий электронного обучения в предметные области. Каждый этап характеризовался своим уровнем развития IТ технологий и соответствующими ему учебно-методическими задачами в области образования. На протяжении всей истории внедрения компьютеров в обучение область преподавания физики выступала в виде своеобразного полигона для апробации и внедрения новых идей и инноваций в этой области.
До конца 80х годов ХХ века в реализуемом в России учебно-научном процессе доминировало использование компьютеров коллективного пользования. В учебные планы высших учебных заведений, как правило, включались курсы обучения алгоритмическим языкам программирования и практикумы по решению простейших задач численными методами. На этом этапе компьютеры практически не использовались в сфере предметного изучения конкретных естественнонаучных дисциплин.
Начало первого этапа реальной компьютеризации образования в России было обусловлено появлением в России во второй половине 80х относительно доступных персональных компьютеров. В связи с этим первым магистральным направлением компьютеризации нашего образования было массовое обучение навыкам работы с персональным компьютером и элементам программирования [3]. К началу 90х годов проблема обеспечения начального уровня компьютерной грамотности среди учащейся молодежи в целом была решена [4].
К указанному периоду следует отнести первые эксперименты по использованию компьютеров в обучении в предметных областях, не связанных с информатикой и Computer Science. Эта деятельность велась сразу в нескольких направлениях. Гипертексты Не удивительно, что одним из первых вариантов использования персональных компьютеров в предметной области явился переход к созданию учебных текстов на электронных носителях. Даже этот простейший вариант использования компьютера в обучении сразу продемонстрировал заметные преимущества перед своим традиционным аналогом. Удобство подготовки, хранения и поиска, автоматизированная проверка текстов, возможность оперативного изменения их содержания, расширенные возможности подготовки иллюстраций, простота распространения - все эти ставшие за последние 20 лет привычными преимущества предопределили неизбежность перехода к использованию текстов на электронных носителях.
В настоящее время практически завершен переход на компьютерный вариант подготовки к изданию учебных текстов [5, 6]. При этом в массовом обучении по-прежнему доминирует использование печатных текстов, занимающих лидирующее место в официально используемых методиках нашего образования. При организации обучения и самостоятельной работы учащихся в малых группах все больше возрастает доля текстовой информации, получаемой через электронные средства доставки и визуализации. Предпосылками к этому являются простота поиска информации, дешевизна и удобство доступа к ней [7].
На сегодняшний день уже сформировались достаточно обширные электронные библиотеки, среди которых важное место занимают хранилища текстовых учебных ресурсов [8 - 10]. В качестве примера таких электронных ресурсов, ориентированных на поддержку преподавания физики, уместно привести завоевавшие популярность электронные библиотеки [11, 12]. Среди образовательных ресурсов такого рода заметное место занимают мини-библиотеки оригинальных учебных ресурсов по физике, создаваемых ведущими университетами [13]. Использование электронной формы текстов наиболее оправдано в подборках оригинальных конспектов лекций, постоянно обновляемых их авторами. . Новой важной формой электронных текстовых материалов, существенно отличающей их от традиционных текстов, явился возникшее на рассматриваемом этапе компьютеризации представление информации в гипертекстовом виде. Такая форма предоставляет обучаемому определенную свободу в выборе уровней подробности и сложности изучаемого материала [14]. Таким образом, уже на этом простейшем уровне компьютеризации обучения стали возникать элементы интерактивности.
В пользу целесообразности использования электронных текстов свидетельствует простота их объединения с другими видами электронных учебных ресурсов и, наконец, возможность их быстрого и относительно дешевого превращения в традиционную печатную форму. Несмотря на понятную ностальгию по традиционным печатным изданиям и сопротивление переходу на новые электронные формы, приходится признать, что подготовка новых печатных текстов (в том числе – для традиционных учебных изданий на бумажных носителях) сегодня полностью компьютеризирована. При этом были начаты продолжающиеся до сих пор активные работы по переносу ранее изготовленной печатной продукции на электронные носители [15].
Требования к программам-конструкторам для автоматизированной разработки электронных моделей физических систем
На базе развитого обобщенно-формализованного подхода осуществляются разработки конкретных приложений предложенных общих подходов к систематизации к конкретным областям, например, [247]. При этом признается, что «… к настоящему времени ни один из бизнес-процессов систематизации ЭИР не доведен до уровня формального описания в стандартной нотации, опубликованного для открытого обсуждения и обмена опытом. Сейчас существует острая потребность в опережающем формировании технологической инфраструктуры систематизации ЭИР сферы образования…» [248]. Последнее подразумевает необходимость продолжения и развития работ в указанном актуальном и практически значимом направлении. Общие подходы к классификации электронных образовательных ресурсов используются при создании электронных коллекций ресурсов, их каталогов, систем поиска и фильтрации образовательного контента Так, например, в Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов [233] для организации поисковой системы осуществлена группировка ресурсов по признакам, характеризующим их функциональное назначение и форму организации: 1) наборы цифровых ресурсов к учебникам, поурочные планирование, методические рекомендации, инструменты организации учебного процесса; 2) инновационные учебные материалы, инструменты учебной деятельности, электронные издания, коллекции, комплексные ресурсы. Помимо этой носящей несколько неоднородный характер основной классификации ресурсы делятся по 1) их потенциальному пользователю (преподаватель / учащийся), 2) по предметным областям, 3) по соответствию материалов стандартным программам годовых циклов обучения (1 - 11 классы). В зависимости от сформированного пользователем запроса со стороны пользователя, конкретизирующего признаки (1-3) осуществляется автоматический подбор имеющихся ресурсов, результаты которого предлагаются в виде массивов ссылок на электронную продукцию со сходным функциональным назначением. Исключение из общей схемы представляет лишь фильтрация по признаку «преподаватель / учащийся»: ресурсы по поурочному планированию и методические рекомендации обучаемым вообще не предоставляются.
Федеральный центр информационно – образовательных ресурсов [232] использует несколько отличную систему классификации. Поиск организуется: 1) по уровню образовательных программ (основное общее образование, среднее полное общее образованием т.д. ); 2) по типу образовательных модулей (информационный, практический, контрольный); 3) по перечню учебных дисциплин (биология, география, …, физика, химия); 4) по году обучения (1 – 11 классы); 5) по характеру обучения (базовое, специальное); 6) по ограничению доступности для обучаемых (затруднения концентрации внимания, нарушение цветовосприятия, пониженный слух, …). Пункты классификации 3-6 касаются ресурсов, ориентированных на использование в среднем общем образовании и заменяются на характеристики профессиональной деятельности в случае программ профессионального образования.
Специфические особенности классификации электронных образовательных ресурсов по физике Отдавая дань масштабности и грандиозности проектов создания единых коллекций образовательных ресурсов по всем предметам и дисциплинам, приходится отметить ряд неудобств, возникающих при их использовании для поиска материалов для преподавания или изучения конкретных разделов конкретных курсов. Глобальные классификации неизбежно носят несколько формализованный характер и в первую очередь ориентированы на описание учебного контента как такового, а не на процедуры решения конкретных педагогических или познавательных задач с его помощью. Очевидно, что практическое удобство использования глобальных систем классификации снижается по мере перехода к поискам конкретных ресурсов по сопровождению индивидуализированного обучения «на микроскопическом уровне», т.е. получения материалов для конкретных тем и занятий в конкретной предметной области с учетом конкретных особенностей аудитории обучаемых и творческих замыслов преподавателей. Аналогичные требования построения классификации на предметном уровне возникают и при развитии подходов к решению актуальной сегодня проблемы автоматизации процессов предметного обучения и целью его персонализации, демократизации (увеличения доступности элитарных форм) и интенсификации работы преподавателей. Специфические свойства электронных образовательных ресурсов наиболее соответствуют именно этим задачам организации массового высококачественного индивидуализированного образования.
Для реализации этой уникальной функции электронных образовательных ресурсов и для анализа особенностей цифрового учебного контента на «микроскопическом» уровне представляется целесообразным дополнение общей системы классификации критериями, позволяющими осуществлять поиск, отбор и анализ материалов для информационного и мультимедийного сопровождения курсов, создания индивидуальных образовательных траекторий для малых групп учащихся, обеспечения технической поддержки совместной деятельности преподавателей и учащихся по интенсификации предметного обучения за счет использования новых информационных, компьютерных, мультимедийных и телекоммуникационных технологий и автоматизации всех перечисленных видов учебно-педагогической деятельности. В рамках поставленной задачи создания предметной («микроскопической») классификации наиболее удобной представляется подход, представляющее собой естественное развитие идеи [241], проиллюстрированной на рис. 1.1.d, в основе которого лежит идея группировки ЭОР по ячейкам-хранилищам, представляющим собой элементы многомерного многообразия.
В качестве основного классификационного признака (первой «координаты» многомерной системы) разумно использовать тип учебно-методический работы как преподавателя, так и обучаемого, для сопровождения которого используется рассматриваемое электронное образовательное средство. В настоящее время существует весьма обширная литература, посвященная классификациям типов деятельности участников образовательного процесса – преподавателей и учащихся (например, [249-251]). Общей чертой большинства имеющихся классификаций является попытка построения инвариантной схемы, не зависящей от особенностей изучаемого предмета. Оправданность такого подхода падает по мере детализации и перехода к микроскопическому описанию, наиболее важному при решении задач создания конкретного учебного контента, ориентированного на практическое использование. Среди многочисленные вариантов классификаций, предложенных в [251] наиболее близкой к принятому за основу подходу [243] является систематизация по решаемым дидактическим задачам: приобретение знаний, формирование умений, применение приобретенных знаний, творческая деятельность, закрепление, проверки знаний, умений и навыков. Спроецированная на конкретную область физики классификация ресурсов по типам познавательной деятельности приведена на рис. 1.2.
Помимо выделенных в [243] трех основных типов (информация, практикум и контроль) кажется необходимым расширение классификации путем включения еще, как минимум, двух типов деятельности: организация процесса обучения и привлечение обучаемых к творческой поисковой работе, приближающейся к научному исследованию.
Первый из упомянутых дополнительных видов деятельности работников образования неизбежно присутствует в повседневной практики, слабо связан с педагогическим творчеством, но в современных реалиях требует заметных затрат времени и выполнения заметных объемом однотипной работы не только работниками административных подразделений, но и преподавателями-предметниками. Эти особенности требуют отнесения указанных форм работы преподавателей к первыми претендентами на автоматизацию и/или максимальную компьютеризацию. В качестве примера такой деятельности можно привести работу по компьютерному моделированию учебных программ по физике [252].
Концепция и алгоритмы использования компьютерного моделирования для решения задачи включения в образовательный процесс элементов исследовательской деятельности
Перечисленные варианты оправданного использования компьютерного моделирования в обучении физике указывают на недостаточную обоснованность попыток обвинения его сторонников в подмене реального физического эксперимента его численным аналогом. Подобные подмены представляются совершенно недопустимыми не только для физики, но и для любой другой естественнонаучной дисциплины, фундаментом которой являются экспериментальные исследования. По существу, компьютерное моделирование должно рассматриваться как некоторая альтернатива не физическому эксперименту, а аналитическому описанию физических систем и явлений. Последнее, очевидно, касается как исследовательской, так и образовательной деятельности. Численное моделирование существенно расширяет набор задач, доступных для рассмотрения в реальном времени аудиторных занятий и позволяет представлять результаты в существенно более наглядном и легко воспринимаемом виде, чем традиционное аналитическое описание, часто использующее графические иллюстрации получаемых результатов.
Еще одним важным свойством компьютерных симуляций физических систем является их высокая интерактивность, позволяющая пользователю легко управлять виртуальной моделью, изменяя начальные условия и ее внутренние параметры. Последнее оказывается весьма важным для демонстрации не только особенностей выбранной системы, но и существенно более глубоких и абстрактных фундаментальных законов, для иллюстрации которых эта система была включена в рассмотрение.
Следующим шагом увеличения интерактивности моделирующих программ является предоставление пользователю возможности выбора способов отображения результатов численного моделирования. Наиболее естественное для визуальных демонстраций отображение результатов с помощью графиков при необходимости может быть дополнено выводом таблиц значений и анимацией временного поведения системы. При необходимости может ставиться задача визуализации результатов численного моделирования в форме, приближенной к изображению реальной физической системы или ее условному образу, соответствующему традициям, сложившимся в практике преподавания физики.
Еще одна перспективная возможность состоит в существенном расширении крута учебно-научных задач, которые могут быть предложены учащимся в целях их привлечения к реальным исследованиям уже на ранних периодах обучения в бакалавриатах высших учебных заведений. С одной стороны, сам процесс создания электронного образовательного контента и практического исследования возможностей использования в этой области новых информационных технологий представляет на сегодняшний день важную и актуальную задачу. Привлечение учащихся к подобной деятельности обеспечивает формирование у них весьма важных для будущей деятельности компетенций. Одновременно с этим такая деятельность является реальной эффективной формой активного обучения соответствующим разделам физики. С другой стороны, высокая степень автоматизации процессов численного моделирования позволяет привлекать учащихся к участию в реальных научных исследованиях, тематика которых выходит далеко за рамки программ изучаемых ими дисциплин. Такое «опережающее» погружение в научные исследования не только формирует необходимые для будущей научной деятельности компетенции, но и стимулирует процесс самостоятельного освоения ориентированными на будущую научную деятельность студентами новых для них разделов физики, являющийся неотъемлемой частью их планируемой исследовательской деятельности.
Естественным развитием идеи последовательного увеличения уровня интерактивности моделирующих программ является переход к так называемым электронным конструкторам виртуальных моделей физических систем, допускающим изменение не только начальных условий и количественных характеристик этих систем, но и редактирование их качественного состава путем добавления новых элементов или замены уже имеющихся. Идея подобного расширения функциональности моделирующих программ была сформулирована автором еще в середине 90х годов [134, 135, 208].
Предложенная идеология создания программ-конструкторов возникла в результате поиска решения двух задач совершенствования предметного обучения в области физики. Первая из задач состояла в поиске вариантов автоматизации создания электронных моделей интерактивных физических демонстраций с целью разработки информационного и демонстрационного сопровождения учебного материала, ориентированного на различные группы учащихся. Весьма сходные между собой физические иллюстрации используются при обучении физике на существенно различающихся уровнях подачи материала: от элементарных курсов, ориентированных на учащихся средних учебных заведений, до специализированых университетских курсов, рассчитанных на углубленное изложение материала. В случае развития индивидуализированных подходов к обучению возникает необходимость создания целых серий step-by-step усложняющихся моделей изучаемых систем, ориентируемых на различные микро группы обучаемых. Упрощенные варианты моделей, без сомнения, полезны не только изучающим физику в минимальном объеме, но и для учащихся, ориентированных на максимально углубленно изучение курсов: наборы последовательно приближающихся к возможно более адекватному описанию действительности компьютерных моделей полностью соответствуют стандартной модели изучения нового материала методом «от простого к сложному». Очевидно, что решение задачи разработки серий имеющих достаточно большое сходство между собой компьютерных программ-демонстраций является естественным полем для постановки работ по автоматизации производства образовательного контента. Создание программ-конструкторов, автоматизирующих разработку учебных моделей, ориентировано не только на разработчиков учебного контента, но и на его пользователей -преподавателей и учащихся. Последнее в первую очередь касается наиболее активных и творческих участников учебного процесса, для которых новое средство открывает возможность существенных модификаций уже имеющихся моделей и создания принципиально новых собственных разработок. не требующих больших трудозатрат на программную реализацию оригинальных физических идей.
При использовании учащимися электронные конструкторы призваны обеспечивать возможность организации трех типов самостоятельной работы: ознакомительного, виртуального экспериментального исследования и сопровождения обучения приемам разработки собственных теоретических моделей изучаемого явления.
Первые тип наиболее оправдан для закрепления обязательной части учебного материала, уже освоенного по традиционным методикам. Он состоит в самостоятельном повторении уже готовых электронных экспериментов, варьировании параметров модели и способов отображения результатов моделирования. Подобная деятельность сопровождается изучением интерфейса программы, принципов и техники построения компьютерной модели. При этом обучаемый получает возможность не только закрепить полученные теоретические знания, но и проверить их применимость при различных условиях вплоть до определения границ работоспособности модели. Последнее, естественно, требует построения более общей (по сравнению с изучаемой) электронной модели изучаемой физической системы.
Второй вид самостоятельной работы с электронным конструктором является логическим продолжением первого ознакомительного этапа. Он состоит в углубленном самостоятельном изучении свойств смоделированной системы в результате постановки собственных численных экспериментов, анализа их результатов и самостоятельного планирования и выполнения новых виртуальных экспериментов. Последнее нередко подразумевает самостоятельную разработку новой компьютерной модели системы. На практике подобные мини-исследования, как правило, инициируются специально составляемыми преподавателем заданиями, содержащими ряд вопросов, выходящих за рамки стандартного курса.
Компьютеризированная разработка теоретической модели представляет собой в известном смысле задачу, обратную изучению виртуальной модели, и соответствует наиболее эффективному варианту использованию компьютерных технологий в интересах учебно-научного процесса. В рассматриваемом случае решается задача самостоятельного построения компьютерной модели какого-либо явления природы или процесса, внешние особенности которых в общих чертах известны. Примерами заданий для такого типа работы могут быть создание моделей океанских приливов, падение спутника в атмосфере планеты, изучение резонансов в системах из нескольких связанных маятников и т.д. Как правило, деятельность такого рода подразумевает разработку ряда компьютерных моделей, отличающихся друг от друга не только количественными параметрами и набором входящих в них примитивных объектов, но и настройкой моделирования взаимодействий между входящими в модель объектами.
Включение элементов научного исследования в физические практикумы путем объединения реального и модельного эксперимента
Другой особенностью использованного в программе-конструкторе алгоритма является его тесная связь с основными идеями объектно-ориентированного программирования, позволившего отказаться от создания виртуальных численных моделей физических систем, основанных не на решении описывающих их в целом системы дифференциальных уравнений, составляемых программистом (или автоматически порождаемых программой). Вместо такого «теоретико-математического» подхода была реализована альтернатива, в гораздо большей степени соответствующая физической картине мира. В ее рамках каждый составляющий виртуальную систему объект «принимал решения о своем поведении» на основании получаемой им информации («взаимодействии») с другими объектами путем решения сравнительно несложных уравнений движения (или реализации каких-либо иных внутренних «микро-алгоритмов»), осуществляемых методами его класса.
В рамках такого подхода общий алгоритм функционирования виртуальной системы мог бы быть сведен к единой для всех моделей, простой, но ресурсоемкой схеме: «каждый элементы опрашивает все элементы системы (включая себя) о их состояниях и прогнозирует свое изменение», что во многом соответствует картине мира, используемой классической физикой. Однако на практике число «взаимодействий» (обменов данными между объектами) может быть значительно уменьшено за счет их малости или желания приблизить виртуальную модель не к реальной системе, а ее заведомо упрощенному теоретическому описанию. В этом случае общей алгоритм существенно упрощается, «адаптируясь» к конкретной задаче или системе. Описанное упрощение происходит автоматически на этапе конструирования виртуальной системы, сопровождающемся составлением объектами списков тех элементов, с которыми они будут обмениваться данными в период своей активности, назначаемой управляющим объектом или программой в целом. Эта особенность позволяет именовать описанный и реализованный подход «объектно-ориентированным моделированием», использующим «самоадаптируемые алгоритмы».
В ходе выполнения процедуры интегрирования собственного уравнения движения каждый из объектов типа _particle передавал интегральному объекту _field запрос о его характеристиках в необходимых для выполнения алгоритма интегрирования пространственно-временных точках. При необходимости на последнем этапе обработки каждого глобального шага интегрирования осуществлялся учет поправок, обусловленных радиационными потерями.
Визуализация результатов расчетов осуществлялась через определяемое по заданной скорости анимации число глобальных шагов. В ее ходе каждый из настроенных на отображение результатов моделирования объектов класса _Window запрашивал перечисленные в его списке объекты _Particle о соответствующих своей настройке параметрах их состояний и осуществлял вывод на свое рабочее поле графических образов элементов моделируемой системы в последовательности, соответствующей их взаимному расположению вдоль ориентированной перпендикулярно экрану оси координат.
В ходе выполнения описанного цикла пользователю предоставляется возможность его прекращения, перезапуска, а также организации паузы, в ходе которой открывается диалог по редактированию, удалению или созданию объектов типа _Window, _Particle и _Field.
Важным элементов концепции создаваемого конструктора было решение об отказе использования каких-либо готовых оболочек для создания учебных компьютерных анимаций. Ориентация на одни лишь базовые языки программирования в сочетании с использованием объектно-ориентированного подхода обеспечили возможность реализации новых идей, возникающих на этапе его использования.
Одним из примеров расширения возможности конструктора явилось создание нового, по-видимому носящего уникальный характер для современных учебных моделирующих программ класса окон, предназначенных для иллюстраций эффектов, возникающих при переходах в движущиеся системы отсчета. В ходе моделирования окна перемещались по экрану в соответствии с законом, определяемым пользователем. Отображаема в движущемся окне картина развития системы во времени, совпадала с восприятием неподвижного наблюдателя. После завершения демонстрации в остановившемся окне сохранялись траектории объектов, регистрируемые движущимся вместе с окном наблюдателем.
Алгоритмы использования программы-конструктора для построения электронного учебника с встроенными интерактивными демонстрациями
Интерактивные электронные демонстрации были объединены в единый комплекс, являвшийся прототипом электронного учебника. Он был реализован из дочерних объектов классов, разработанных для генерации моделирующих программ (рис. 2.6). Поддержка электронным учебником традиционных функций, реализуемых в печатных учебных изданиях, осуществлялась с помощью окон _Menu, _Help, _Picture, _List.
На рис.2.8 приведен примерный алгоритм функционирования внешней оболочки электронного учебника, осуществлявшего интеграцию интерактивных образовательных ресурсов в единый учебно-информационный блок. На рисунке фиолетовыми стрелками показаны возможные действия пользователя, зелеными - процессы создания новых окон, красными – диалоги между объектами, приводящие к появлению контекстно-зависимой информацией.
Главные идеи организации первой версии программы электронного учебника состояли в следующем. Основная программа обеспечивала отображения главного меню, позволяющего пользователю возможность выбрать текущий режим работы: а) выбор или изменение учебного модуля; б) получение контекстной помощи по работе с системой и/или по физике, в) использование электронного учебника в режиме книги, г) обеспечение быстрого доступа к интерактивным моделям учебника, д) разработка оригинальных разделов и модулей.
Выбор любого из перечисленных пунктов главного меню приводил к появлению специализированного окна или группы окон, обеспечивающих реализацию необходимой функции. Так для предоставления возможности осуществления быстрого поиска и навигации по предметной части учебника программой генерировалась трехуровневая система поисковых меню («Раздел» «Тема», «Модуль»). Специальные клавиши главного меню обеспечивали появление и закрывание окон для вывода текстовой информации по работе с системой и кратного справочника по физике. Переход к режиму работы с учебником, как с электронной книгой сопровождался генерацией двух окон для отображения основного гипертекста и связанного с ним окна для вывода графических изображений. Запуск моделирующего ядра электронного конструктора осуществлялся либо по выведенной на главную панель кнопке, либо по ссылке в окне гипертекстов. В случае запуска компьютерной демонстрации на экране появлялись окна отображения результатов моделирования и окон, осуществляющих управление моделирующей программой. Переход же к режимам поиска и активной работы с моделью подчеркивается созданием окна со списком демонстраций по заявленной теме.
