Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Использование системы "виртуальная реальность" в процессе лабораторно-практических занятий 16
1.1. Понятие системы "виртуальная реальность", ее место и значение в педагогическом процессе 16
1.2. Сущностные характеристики физического эксперимента с использованием моделирующих компьютерных программ как одного из уровней погружения в "виртуальную реальность" 31
1.3. Структурирование моделирующей компьютерной программы 48
Выводы по главе I 72
ГЛАВА II. Методические основы разработки моделирующей компьютерной программы и ее экспериментальная проверка 79
2.1. Состав и структура моделирующей компьютерной программы для организации и проведения лабораторно-практических занятий . 79
2.2. Организационно-педагогические условия реализации моделирующей компьютерной программы в системе лабораторно-практических занятий студентов 101
2.3. Экспериментальная проверка моделирующей компьютерной
программы и ее результаты ] 20
Выводы по главе И 140
- Понятие системы "виртуальная реальность", ее место и значение в педагогическом процессе
- Сущностные характеристики физического эксперимента с использованием моделирующих компьютерных программ как одного из уровней погружения в "виртуальную реальность"
- Состав и структура моделирующей компьютерной программы для организации и проведения лабораторно-практических занятий
Введение к работе
Актуальность проблемы. Поиск оптимальных путей обучения с использованием практически неограниченных возможностей компьютерной техники является важной задачей современной педагогики, психологии, методики обучения различным предметам вузовских курсов.
Систематические исследования в области компьютерной поддержки процесса профессиональной подготовки имеют более чем 30-летнюю историю. За этот период в США, Канаде, Англии, Франции, Японии, России и ряде других стран было разработано большое количество компьютерных систем учебного назначения, ориентированных на различные типы ЭВМ.
Несмотря на то, что разработку компьютерного продукта учебного назначения (методических и программно-информационных средств) считают весьма дорогостоящим делом в силу его высокой наукоемкости и необходимости совместной работы высококвалифицированных специалистов: психологов, преподавателей-предметников, компьютерных дизайнеров, программистов, тем не менее, многие крупные зарубежные фирмы финансируют проекты создания компьютерных обучающих систем и ведут собственные разработки в этой области. Это обусловливается тем, что компьютерные технологии обогащают сферу обучения принципиально новыми дидактическими возможностями, связанными с доступностью ПЭВМ, простотой диалогового общения, графическим и наглядным представлением сложных технологических процессов.
Применение графических и наглядных иллюстраций в учебных компьютерных системах не только позволяет увеличить скорость передачи информации обучаемому и повысить уровень ее понимания, но и способствует развитию таких важных для специалиста любой отрасли качеств, как интуиция, профессиональное "чутье", образное мышление. В этой связи Ю.М.Цевенко и Е.Ю.Семенова отмечают, что " компьютер, снабженный техническими средствами мультимедиа, обеспечивает широкое использование дидактических возможностей графики и звука, позволяет использовать фрагменты текста, графику, оцифрованную речь, звукозаписи, фотографии, мультфильмы, видеоклипы и т.п." [190].
Общие педагогические и психологические аспекты компьютеризации образования рассматривались Аіександровьш Г.Н., Гальпериным П.Я., Ивановым Ю.С., Машбицем Е.И., Ретинской И.В., Талызиной Н.Ф., Христочевским С.А., Чекалевой Н.В., Шугриной МБ. и др.
Анализ компьютерных средств профессиональной подготовки встречается в работах Владимирова А. В., Соловьева А.В. и др.
Использованию компьютеров в процессе самостоятельных и лабораторно-практических работ учащихся посвящены труды Белавина В.А., Паскаля И.Ю., Пойзнера Б.Н. и др.
Проблемы разработки обучающих компьютерных программ и тренажеров поднимаются в исследованиях Бащмакова А.И., Башмакова И.А., Соловьева А.И., Чекотова К. и др.
Несмотря на то, что комьютеры уже много лет используются в образовании, тем не менее в педагогической теории нет единых подходов к решению таких проблем, как наиболее эффективные формы и методы внедрения компьютера в учебный процесс; единая классификация обучающих программ; недостаточно разработана проблема использования компьютерных программ в лабораторно-практической (экспериментальной) работе студентов и технологии их разработки для этих целей.
Наиболее полной и интересной для профессиональной педагогики представляется классификация обучающих компьютерных программ в которой авторы выделяют следующие пять типов: 1) тренировочные, 2) наставнические, 3) проблемного обучения, 4) моделирующие (имитационные), 5) игровые [95,с.27].
Среди них можно отметить моделирующие (имитационные) компьютерные программы как наиболее функциональные в лабораторно - практической (экспериментальной) деятельности студентов. Это обусловливается тем, что именно они в значительной степени решают проблему экспериментального изучения сложных объектов, когда проведение реальных экспериментов по тем или иным причинам затруднено или просто невозможно. Нередко при организации учебных экспериментов имеют место естественные технические сложности, не говоря уже о том, что данные реальных опытов являются весьма ограниченными, часто количественные закономерности не используются, а опыты носят иллюстративный характер. Именно здесь приходит на помощь моделирующая (имитационная) компьютерная программа. При этом открывается возможность оперативного, опережающего изучения функционирования новых сложных образцов техники и передовых технологий ещё до поступления соответствующих образцов и процессов в учебные заведения Она (моделирующая компьютерная программа) позволяет избежать сложных, а иногда и просто недоступных измерений физической реальности.
Моделирующие компьютерные программы целесообразно рассматривать в рамках технологического аспекта исследований и разработок средств обеспечения так называемой "виртуальной реальности", который рассматривался в работах Кай-Микаэль Яа-Аро, Патрушева А., Потапова Е., Питера Койя, Райкова А. И., Р. Хофа, Роберт И.В., Рыжова В.А., Петровой Н.П. и некоторых других исследователей.
Основное приложение моделирующие компьютерные программы, как элемент системы "Виртуальная реальность", в настоящее время нашли в процессе тренажа спортсменов, профессиональной подготовке специалистов в области астронавтики, архитектуры, медицинской диагностики и хирургии, организации развлечений и досуга, а также в областях, использующих научную визуализацию. Широкое использование моделирующих (имитационных) компьютерных программ в данных жизненно-важных отраслях хозяйственной и культурной деятельности человека подтверждают их огромную практическую значимость, высокий обучающий потенциал и объясняется тем, что, если возможности трехмерной компьютерной графики позволяют осуществлять, например, прогноз результатов хирургической операции, представляя трехмерное изображение на экране компьютера, то использование системы "Виртуальная реальность" позволяет создать иллюзию реально проводимой хирургической операции.
Создание моделирующих компьютерных программ в системе средств виртуальной реальности как условие визуализации учебной информации в образовательном процессе обеспечивает достижения чувства присутствия учащихся в реальном мире за счет предоставления им высококачественных образов. Обеспечивается как бы "погружение" учащихся в синтетическое окружение, что существенно отличает системы виртуальной реальности от интерактивной компьютерной графики или мультимедиа. Возможность достижения чувства присутствия пользователей в реальном мире, вызванное погружением в мир виртуальный, требует принципиального, отличия визуально-графических систем виртуальной реальности, от систем мультимедиа.
Таким образом, "виртуальная реальность", в том числе и моделирующая компьютерная программа как ее компонент, имеет большие преимущества по сравнению с действительной реальностью. Прежде всего это возможность моделировать в лабораторном эксперименте любые ситуации, даже такие, которые выходят за рамки допустимых пределов в реальности; позволяет обучающемуся как можно больше чувствовать себя активным звеном в процессе обучения, а не пассивным созерцателем представляемой ему информации. Образовательный потенциал любой моделирующей программы огромен.
Отсюда следует, что создание и использование моделирующих (имитационных) компьютерных программ как составной части системы средств виртуальной реальности для целей обучения может дать значительный педагогический эффект, недостижимый с помощью других технических средств и типов обучающих программ, так как она превосходит их по своим дидактическим возможностям. Кроме того, они могут быть широко использованы как мощное средство повышения качества подготовки и переподготовки специалистов. При этом открываются реальные пути реализации принципа опережающего профессионального обучения.
МКП рекомендуется использовать в системах очного и заочного обучения для углубления и расширения возможностей лабораторного эксперимента; при проведении лабораторных работ для дисциплин, не являющихся профилирующими для данной специальности. Особенно перспективно применение МКП в системе дистанционного образования, т.к. для этого вида образования лабораторное оборудование обычно недоступно. Однако в процессе профессионального обучения моделирующие компьютерные программы не нашли еще достойного места.
Несмотря на то, что в настоящее время имеется определенный выбор моделирующих компьютерных программ, проведенный нами анализ показал, что в учебном процессе они или не используются ("Физика в картинках", "Живая физика"), или не в полной мере используются все их возможности. Это объясняется тем, что, как отмечает Машбиц Е.И., многие из них по своим дидактическим характеристикам нельзя назвать удовлетворительными [94].
Таким образом уровень качества программного продукта учебного назначения, закладываемый еще на этапе его проектирования (при подготовке учебного материала, при создании сценариев учебной работы с компьютерными системами моделирующего типа, разработке задач и упражнений и т.п.) не отвечает современным требованиям. Такое положение обуславливается тем, что: во-первых, для разработки имитационных компьютерных программ необходимо хорошо знать, с одной стороны - содержание предметной области и учитывать присущую ей специфику обучения, с другой стороны -хорошо представлять технологические (физические и др.) процессы, протекающие в объектах профессиональной деятельности. Нередко разработчики моделирующих компьютерных программ не владеют на требуемом уровне одной из этих сторон; во-вторых, методические аспекты компьютерных технологий обучения развиваются не адекватно развитию технических средств, в виду сложности их структуры. Именно "нетехнологичность" имеющихся разработок считается одной из основных причин разрыва между потенциальными и реальными возможностями моделирующих компьютерных программ; в-третьих, отсутствует научно обоснованная методика разработки моделирующих компьютерных программ для учебного процесса и в частности для обучающего эксперимента.
Возникает противоречие между большими потенциальными возможностями моделирующих компьютерных программ и отсутствием аргументированной теории их разработки; насущной необходимости применения в практике лабораторного эксперимента моделирующих компьютерных программ и отсутствием научно обоснованных условий их эффективного использования в процессе лабораторно-практичсеких занятий
Проблема исследования: каковы методика разработки МКП и организационно-педагогические условия их реализации в процессе лабораторно-практических занятий студентов.
Объект исследования: процесс организации и проведения лабораторно-практических занятий в вузе.
Предмет исследования: моделирующие (имитационные) компьютерные программы в процессе лабораторно-практических занятий студентов вуза.
Цель исследования: выявить и обосновать организационно- педагогические условия повышения эффективности использования моделирующих компьютерных программ в процессе лабораторно- практических занятий студентов.
Гипотеза исследования: Моделирующие компьютерные программы обеспечат эффективность процесса в процессе лабораторно-практических занятий студентов, если: содержание моделирующей компьютерной программы рассматривается как элемент системы "виртуальная реальность" и отражает реальные процессы, протекающие в объектах профессиональной деятельности; - основой разработки моделирующей компьютерной программы выступают следующие фундаментальные теории: теория отображения информации, философия моделирования виртуальной реальности, математическое моделирование, психология восприятия компьютерного пространства; - моделирующая компьютерная программа разработана на основе поэтапной методики, обеспечивающей функциональную полноту ее структурных блоков и содержания, реализацию основных требований к ней ; - раскрыты и обоснованны организационно-педагогические условия реализации моделирующих компьютерных программ в процессе лабораторно-практических занятий.
Задачи исследования:
Провести анализ теории разработки и использования моделирующих программ для организации лабораторно-практических занятий студентов.
Разработать методику создания компьютерных моделирующих программ для лабораторно-практических занятий студентов.
3. Выявить и экспериментально проверить организационно- педагогические условия проведения эксперимента с использованием моделирующих компьютерных программ в процессе лабораторно- практических занятий.
Характер объекта и предмета исследования определили отбор методов, используемых в работе, предполагающих сочетание изучения теории и практики развития идеи использования средств "виртуальной реальности" в обучении.
Из числа теоретических методов в работе были использованы: анализ философской, технической, психологической, педагогической и методической литературы; синтез данных из различных областей науки, моделирование. Эмпирические методы, реализованные в педагогическом эксперименте, включали создание педагогических ситуаций, наблюдение, анкетирование, анализ полученных результатов, их математическая обработка и графическая интерпретация.
Методологической основой исследования послужили: психолого- педагогические аспекты компьютеризации образования (ТО.К.Бабанский, В.А.Белавин, В.П.Беспалько, И.М.Бобко, Б.С.Гершунский, П.Я.Гальперин, Ю.С.Иванов, Л.Б.Ительсон, Ю.Н.Кулюткин, Е.И.Машбиц,
А.М.Матюшкин, М.И.Махмутов, Г.С.Сухобская, Н.Ф.Талызина,
С.Пейперт, Б.Ф.Скинер, Дж.К.Мерредит и др.), теория философии моделирования (В.А.Веников, В.В.Габдреев, В.М.Глушков, К.Е.Морозов, И.Б.Новик, В.А.Штофф, К.Клаус и др.); основы теории отражения информации (В.Ф.Венда, Б.Ф.Ломов, А.М.Столяров, Ф.Е.Темников и др.); теория зрительного восприятия (В.А. Барабанщиков, Л.М.Веккер, Дж.Гибсон, Ф. Клике, Р. Франсе и др.), теория виртуальной реальности (Б.Девис, А.Орлов, А.Н.Райков, И.В.Роберт, В.А.Рыжов, Н.П.Петрова и т.д.), ситемный подход в педагогических исследованиях профессиональной педагогики (С.Я.Батышев, ГЛЗ.Мухаметзянова и т.д.).
Исследование осуществлялось в 3 этапа:
1. Поисково-аналитический (1996-1998 г.г.). Предусматривал предварительное изучение теории и практики разработки и использования моделирующих копьютерных программ в обучающем эксперименте студентов.
2. Моделирующий (1996-1998 г.г.). Включал разработку аппарата исследования и проекта создания и реализации моделирующей компьютерной программы для лабораторно-практических занятий студентов. Проводился констатирующий эксперимент.
3. Экспериментальный (1998-1999 г.г.). На этом этапе устанавливались причинно-следственные связи и зависимости реализации моделирующей компьютерной программы в процессе лабораторно- практических занятий студентов. Проведен формирующий эксперимент и математическая обработка его результатов. Производились доработка и структурирование диссертации.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования; 1. Показано, что при разработке моделирующих компьютерных программ необходимо учитывать принципы теории отображения информации, философии моделирования виртуальной реальности, математического моделирования, психологии восприятия компьютерного пространства, влияющие на их качество.
2. Разработана поэтапная методика конструирования моделирующей компьютерной программы для организации и проведения лабораторных занятий в вузе, включающая в себя инвариантную и вариативную части. Инвариантная часть методики представляет собой обобщенное описание структуры, содержание моделирующей компьютерной программы и требования к ним. Вариативная часть содержит рекомендации по разработке и требования к математической и "реальной" моделях объекта изучения как составным частям моделирующей компьютерной программы.
3. Определены организационно-педагогические условия проведения эксперимента с использованием моделирующих компьютерных программ в процессе лабораторно-практических занятий в вузе: подкрепление необходимым методическим обеспечением; наличие обратной связи от обучаемого к компьютеру; наличие четко определенной совокупности методов и приемов анализа и оценки деятельности студентов; владение преподавателем техникой работы с МКП; наличие плана выполняемой компьютером работы и прогноза возможных изменений в ходе эксперимента; реализация в структуре лабораторно-практических занятий модели знаний, модели обучаемого и модели управления.
Практическая значимость исследования заключается в том, что предложенная методика создания моделирующих компьютерных программ может быть использована научными и практическими разработчиками для комплексной разработки аналогичных программ для их использования в процессе лабораторно-практических занятий студентов. Использование моделирующих компьютерных программ и реализация выявленных организационно-педагогических условий обеспечивают эффективность и продуктивность лабораторно-практических занятий студентов. Разработаны и апробированы на лабораторно-практических занятиях студентов моделирующие компьютерные программы по курсу "Общая физика" по разделам "Молекулярная физика", "Полупроводниковый диод".
Апробация основных положений и выводов исследования проводилась на на VII Международной конференции "Применение новых технологий в образовании", Троицк, 1996 г., на VIII Международной конференции "Использование новых технологий в образовании", Троицк, 1997 г,, на научно-методической конференции "Подготовка специалистов с высшим образованием в современных условиях", Казань,1996 г., на Поволжской региональной научно-методической конференции "Подготовка специалистов в системе непрерывного многоуровневого образования", Казань, 1997 г., на Республиканской конференции "Проблемы энергетики", 1997 г.
Внедрение результатов исследования. Разработанные на основе исследования, методические рекомендации по созданию и реализации моделирующих компьютерных программ внедрены в практику работы кафедры физики Казанского филиала МЭИ, Казанского государственного педагогического университета. Результаты использовались в работе республиканской школы передового опыта "Информационные технологии в профессиональном образовании и разработка сценариев педагогических программных средств (ППС)".
Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечены всесторонним изучением проблемы, целесообразным сочетанием комплекса эмпирических и теоретических методов исследования, личным участием диссертанта в организации и проведении педагогического эксперимента.
На защиту выносятся:
1. Методика создания компьютерных моделирующих программ для организации и проведения лабораторных занятий в вузе, включающая в себя инвариантную и вариативную части. Инвариантная часть методики представляет алгоритмизированное описание структуры и содержания моделирующей компьютерной программы. Вариативная часть содержит рекомендации по разработке и требования к математической и "реальной" моделях объекта изучения как составным частям моделирующей компьютерной программы.
2. Организационно-педагогические условия проведения эксперимента с использованием моделирующих компьютерных программ в процессе лабораторно-практических занятий в вузе.
Структура диссертационного исследования. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы и приложений.
Понятие системы "виртуальная реальность", ее место и значение в педагогическом процессе
Компьютеризация общества породила множество новых проблем и научных споров. В педагогике эти споры и проблемы связаны в основном с тем, что учащиеся пребывают в мире, созданном на телеэкране, в микромире монитора компьютера. Компьютерные игры, телевизионный экран подчинили себе мир современного студента. По выражению английского исследователя Хиббарда, они живут в окружении, "развращенном компьютером" [76] (добавим - и телевизором, и кинофильмами, и радио). Многие видят [49] в этом опасность эскейтшзма-ухода от реальной жизни в мир иллюзий, фантомов, виртуальных объектов. Виртуальные психические состояния подростков совершенно реальны для них, ибо могут составлять и составляют реальное пространство жизни. Лабиринт, по которому блуждает подросток, или автомобиль, на котором он мчится, призрачны, но эмоции, которые он при этом испытывает, - они настоящие.
В чем тайна колоссальной привлекательности компьютерных игр? Именно компьютерные изображения, пожалуй оказываются наиболее точными моделями структур психики подростка. Именно на компьютере или с его помощью (пусть нередко кажущейся) генерируются те мыслительные образы, те наглядные представления, которые зачастую составляют основу дущевной жизни человека и образуют поток сознания [114].
Таким образом, виртуальная реальность и компьютерные технологии как ее элемент обладает огромным потенциалом для обучения вообще и профессиональной подготовки в частности.
Что же следует понимать под "виртуальной реальностью"? Одними из простейших примеров виртуальной реальности, издавна используемых в образовании являются тексты, иллюстрации, кино, телевидение, аудио-видеосредства. Все элементы системы виртуальной реальности направлены на визуализацию информации, а так же активизацию ощущений и восприятия.
Подходы к определению виртуальной реальности различных авторов не носят принципиальных отличий.
Одно из известных определений характеризует ее как: "...совокупность средств, позволяющих создать у человека иллюзию, что он находится в искусственно созданном мире, путем подмены обычного восприятия окружающей действительности (с помощью органов чувств) информацией, генерируемой компьютером" [64].
И.В.Роберт предлагает следующую формулировку: "Виртуальная реальность - это новая технология неконтактного информационного взаимодействия, реализующая с помощью комплексных мультимедиа -операционных сред иллюзию непосредственного вхождения и присутствия в реальном времени в стереоскопически представленном "экранном мире" [135, с.53].
Сущностные характеристики физического эксперимента с использованием моделирующих компьютерных программ как одного из уровней погружения в "виртуальную реальность"
Одним из основных преимуществ использования виртуальной реальности в лабораторно-практических занятлях является то, что на компьютере можно смоделировать любые ситуации, даже такие, которые невозможно изучить в ходе реального эксперимента.
Понятно, что создание специализированных тренажеров требует материальных и финансовых затрат, времени. Поэтому в целях обучения в настоящее время для решения целого ряда задач целесообразно использовать экранные тренажеры с применением современных персональных компьютеров. Причем такого рода тренажеры являются многоцелевыми. Так же можно констатировать, что для общеобразовательных дисциплин использование третьего уровня погружения в виртуальную реальность достаточно. Под третьим уровнем виртуальной реальности мы понимаем интерактивные моделирующие компьютерные программы, направленные на решение определенного класса задач, которые с помощью графических средств раскрывают сущность физического явления или объекта, а также отображают динамику используемых информационных структур.
Широкие возможности компьютерных моделирующих программ могут быть использованы при проведении лабораторно-практических работ.
Известно, что лабораторные работы, традиционно выполняемые студентами особенно младших курсов, отличаются рядом существенных недостатков. Прежде всего это, как правило, довольно поверхностные работы в профессиональном отношении.
Задача лабораторной работы как формы учебных занятий в большинстве случаев состоит лишь в иллюстрации теоретических сведений, получаемых на лекции. Однако в процессе выполнения даже такого рода лабораторных занятий студенты часто получают неточные данные, но из-за недостатка личного опыта, времени, оборудования, методических материалов не имеют возможности их серьезного сопоставления и дополнительной экспериментальной проверки.
Известно, что физические законы устанавливаются на основе обобщения научных фактов; факты же получаются в процессе эмпирических исследований, связанных с наблюдениями за явлениями, их описанием, с измерением физических величин и постановкой эксперимента
Состав и структура моделирующей компьютерной программы для организации и проведения лабораторно-практических занятий
Ю.В.Кожевников, И.А.Заляев, исследуя компьютерные обучающие комплексы, отметили, что "... диалоговая обучающая программа призвана обеспечить достижение требуемого уровня обученности через интерактивное взаимодействие обучаемого с базой знаний изучаемой дисциплины под управлением диалогового монитора [131]. Учитывая данную авторами характеристику диалоговой обучающей программы, мы предлагаем модифицированную модель компьютерного обучения с применением МКП (рис.3), которая раскрывает сущность интерактивного взаимодействия обучаемого U с МКП и ее структурой. В ходе такого взаимодействия осуществляется формирование знаний, выработка умений и навыков, проведение самоконтроля.
Программа Р "общается" с обучаемым U последовательным отображением на экране дисплея обучающих кадров К, приемом и
исполнением указаний U по обработке учебных заданий: ввести запрашиваемые данные, предоставить справочную информацию, ответить на возникающие вопросы, оказать помощь по исполнению заданий, исполнением указаний U по обработке учебных заданий: ввести запрашиваемые данные, предоставить справочную информацию, ответить на возникающие вопросы, оказать помощь по исполнению заданий, вернуться на предыдущий либо перейти на следующий кадр и т.п.
Информационная связь кадров поддерживается в программе Р единой базой данных D.
Логическую связь кадров предписывает сценарий обучения S, содержащий систему правил определения очередного отображаемого кадра в зависимости от действий обучаемого в текущем кадре.
