Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Универсальные математические пакеты как элемент системы информационных технологий обучения в техническом вузе 16
1.1. Анализ структуры системы информационных технологий в высшей школе и дидактические проблемы использования универсальных математических пакетов 16
1.2. Технико-педагогический анализ основных характеристик универсальных математических пакетов 25
1.3. Определение целей использования, роли и места универсальных математических пакетов при подготовке специалиста-электромеханика 33
Выводы по 1-й главе 63
Глава 2. Применение универсальных математических пакетов в процессе подготовки специалиста в техническом вузе 66
2.1. Экспериментальная проверка дидактических условий применения универсальных математических пакетов при изучении естественнонаучных, общепрофессиональных и специальных дисциплин для достижения телеологических целей 66
2.2. Анализ влияния учебной деятельности с использованием УМП на достижение целей аспекта существования 87
2.3. Универсальные математические пакеты как средство меж дисциплинарного синергетического взаимодействия и развития индивидуальности обучающегося 108
Выводы по 2-й главе 123
Заключение 126
Список использованных источников 131
- Анализ структуры системы информационных технологий в высшей школе и дидактические проблемы использования универсальных математических пакетов
- Технико-педагогический анализ основных характеристик универсальных математических пакетов
- Экспериментальная проверка дидактических условий применения универсальных математических пакетов при изучении естественнонаучных, общепрофессиональных и специальных дисциплин для достижения телеологических целей
Введение к работе
Актуальность исследования. Современный уровень и темпы развития научных и промышленных технологий требуют от специалистов непрерывного получения знаний, способностей овладения новыми, заранее неизвестными аспектами профессиональной деятельности. Причем, темпы развития технологий таковы, что даже непрерывное образование не всегда позволяет человеку идти в ногу со временем (О.В. Долженко, В.Л. Шатуновский, Ф. Янушкевич). «Человеку зачастую не хватает жизни, чтобы приобрести такой запас профессиональных и общекультурных знаний, который необходим с точки зрения объективных потребностей общества» (В. Паронджанов). Эти потребности оказывают самое непосредственное влияние на всю систему высшего образования.
Социальный заказ общества в настоящее время заключается в том, что современный специалист, кроме набора знаний и умений, должен из стен технического вуза вынести умение перестраивать свою профессиональную деятельность по мере поступления новых задач, связанных с изменениями в технологиях, овладевать новыми сферами профессиональной деятельности и находить оптимальные решения в заранее неизвестных условиях. Очевидно, что сложившаяся система высшего технического образования, ориентированная на усвоение стабильных и неизменных знаний в полной мере достичь этих целей не в состоянии.
Современный этап развития высшей технической школы характеризуется углублением и других противоречий (О.А. Абдуллина, Ю.К. Бабанский, М. Зи-новкина, B.C. Леднев), в том числе: между формирующейся новой парадигмой образования, в основе которой лежат жизненные цели и мотивы самого человека, и способностью системы образования выявить и помочь ему реализовать эти цели; между потребностями обучающихся в широких, системных, межпредметных знаниях и реальными возможностями по удовлетворению этих потребностей в рамках традиционной дисциплинарной системы.
В процессе серьезной и кардинальной перестройки системы высшего технического образования значительную роль играют новые информационные технологии. Несмотря на сложности и противоречия, возникшие на пути использования информационных технологий в учебном процессе (Е.И. Вишты-нецкий, Б.С. Гершунский, А.О. Кривошеев, Е.С. Машбиц, А.В. Соловов), компьютерное обучение становится одним из ведущих и перспективных направлений совершенствования системы образования.
Спектр использования информационных технологий в вузе достаточно широк: от применения программ контроля знаний обучаемых до использования глобальных информационных сетей (И.В. Абраменкова, Ю.П. Горохов, В.И. Гриценко, А.К. Гультяев, И.И. Жевнов, А.Д. Иванников, Н.В. Клемешова, В.М. Макаров, Н.В. Макарова, Л.Ф. Плеухова, А.Я. Савельев, Ю.А. Татарников, А.Д. Хомоненко, Ю.А. Щеглов и др.). Под влиянием информационных технологий в современном инженерном образовании возрастает спрос на математические методы исследования и конструирования, на развитие творческого мышления, опирающегося на соответствующий математический аппарат (В.П. Дьяконов, В.Ф. Очков, Н.А. Сливина). Поэтому значительную роль в системе информационных технологий обучения (СИТО) играют универсальные математические пакеты (УМП), обладающие широким дидактическим и развивающим потенциалом.
УМП характеризуются использованием новейших достижений фундаментальной и прикладной науки, наличием мощных и разветвленных справочных систем и учебников, богатыми наборами встроенных математических функций, развитой системой графики. Однако, несмотря на широкое применение математических пакетов, задача их адекватного использования по-прежнему актуальна. Анализ применения УМП в высшей школе показывает, что чаще всего мощные программы математического моделирования применяются лишь как калькуляторы, обладающие широкими математическими возможностями. Значительно реже УМП используются для формирования учеб-
8 ной деятельности. Не решена проблема применения пакетов в соответствии с отдаленными целями образования, практически неизученными остаются возможности УМП по развитию индивидуальности будущего специалиста. Значительную проблему составляет недостаточная подготовка преподавательского состава к использованию УМП, связанная, главным образом, с отсутствием научно обоснованных методик их применения.
Эти противоречия для своего решения требуют рассмотрения ряда вопросов.
Каковы технико-педагогические возможности и эргономические свойства УМП?
Каковы цели использования УМП в процессе подготовки специалиста в техническом вузе?
Какими свойствами должны обладать учебные задачи, для решения которых целесообразно использовать УМП?
Какова динамика учебной деятельности в среде УМП?
Какие методологические принципы лежат в основе развития индивидуальности обучаемого при условии дидактически обоснованного использования УМП в учебной деятельности?
Таким образом, противоречие между широкими возможностями УМП и неразработанностью дидактических условий их применения позволяет сформулировать проблему исследования: каковы дидактические условия применения УМП в целях подготовки специалиста с высшим техническим образованием с учетом современных темпов развития технологий?
Цель исследования: определить дидактические условия применения УМП в процессе изучения естественнонаучных, общепрофессиональных и специальных дисциплин (ЕНД, ОПД и СД соответственно) при подготовке специалиста с высшим техническим образованием.
Объект исследования: система информационных технологий обучения в техническом вузе.
Предмет исследования: дидактические условия использования универсальных математических пакетов в процессе подготовки специалистов в техническом вузе.
Гипотезы исследования.
УМП могут использоваться как дидактические средства, если:
выявить и применить на практике их технико-педагогические и эргономические свойства;
цели применения УМП связать не только с ближайшими, но и отдаленными целями подготовки будущего специалиста, а сами дидактические цели рассматривать с двух сторон — с позиций выполнения требований образовательных стандартов и с позиций признания ценности развития индивидуальности обучаемого;
определить сущность и характеристики учебных задач, для решения которых целесообразно применение УМП;
исследовать и учитывать в процессе обучения динамику учебной деятельности с использованием УМП.
Задачи исследования.
Выявить технико-педагогические и эргономические свойства УМП.
Обосновать теоретически и проверить экспериментально дидактические условия применения УМП в учебной деятельности при подготовке специалиста в техническом вузе.
Проанализировать динамику учебной деятельности с использованием УМП и влияние этой деятельности на достижение целей аспекта существования и развитие интеллектуальной, мотивационной и предметно-практической сфер индивидуальности.
Исследовать УМП как средства междисциплинарного взаимодействия и си-нергетического воздействия на формирование будущего специалиста и развитие его индивидуальности.
Методологической базой исследования являются теоретические основы
10 общей теории обучения (Ю.К. Бабанский, В.П. Беспалько), психологическая теория деятельности (П.Я. Гальперин, Л.С. Выготский, А.Н. Леонтьев, Б.Ф. Ломов, и др.), положения системного анализа дидактических проблем (Ю.К. Бабанский), теории информации и ИТ обучения (Б.С. Гершунский, Е.С. Маш-биц, А.В. Соловов), теоретических основ компьютерной математики (В.П. Дьяконов, В.Ф. Очков), теории синергетики (Г. Хакен, И. Пригожий), психолого-педагогической теории индивидуальности (О.С. Гребенюк, Т.Б. Гребенюк).
В работе использовались теоретические и эмпирические методы решения научно-педагогических проблем. К теоретическим методам относятся методы системного анализа педагогических явлений и проблем, деятельностного подхода к анализу проблем обучения, синергетического подхода к познанию закономерностей, обуславливающих процессы самоорганизации учебной деятельности курсантов, междисциплинарной интеграции и развития индивидуальности обучаемых.
К эмпирическим относятся методы педагогического эксперимента, анкетирования; анализ результатов учебной деятельности студентов, исследование свойств математических пакетов, разработка и применение компьютерных программ.
Исследование проводилось на базе кафедры электромеханики Калининградского военного института ФПС Российской Федерации (КВИ ФПС РФ) в 3 этапа:
На первом этапе (1997 - 1999) проводилось изучение универсальных математических пакетов, накопление эмпирического материала в процессе преподавания информатики, изучался отечественный и зарубежный опыт применения в сфере высшего образования информационных технологий в целом, и УМП в частности, возник замысел исследования, были сформулированы тема, проблема и предмет исследования.
На втором этапе (1999 - 2001) были разработаны гипотеза, задачи и основные теоретические положения диссертационного исследования, создава-
лось программное обеспечение в среде УМП, началось проведение педагогического эксперимента, проводилась инициативная научно-исследовательская работа на кафедре электромеханики.
На третьем этапе (2001-2002) были завершены теоретические исследования, проводилась интерпретация материалов, полученных в ходе экспериментальной работы, разрабатывались компьютерные лабораторные установки и методические рекомендации по применению математических пакетов при подготовке специалиста-электромеханика, подготовлено к изданию учебное пособие, а также завершалось литературное оформление диссертации.
Экспериментальной работой было охвачено 143 курсанта.
На защиту выносятся следующие положения: 1. Дидактическими условиями применения УМП являются:
применение УМП должно осуществляться в соответствии с выявленными технико-педагогическими свойствами (свойствами пакетов, способными оказать влияние на цели, дидактические возможности и варианты применения программ в процессе обучения) и эргономическими свойствами (возможностями пакетов по представлению учебного материала, позволяющими ускорить его глубокое понимание и прочное усвоение, повысить продуктивность процесса мышления, интенсифицировать интеллектуальную деятельность);
УМП следует применять в расчете на достижение не только ближайших, но и всего множества отдаленных целей, а сами дидактические цели рассматривать с двух сторон - с позиций выполнения требований образовательных стандартов и с позиций развития индивидуальности обучающегося;
УМП должны рассматриваться как средство учебной и профессиональной деятельности при решении задач, в основе которых лежит математическое моделирование изучаемых объектов, а традиционные средства решения либо дороги, либо технически труднореализуемы, либо недостаточно полно и наглядно отражают протекающие физические процессы, либо в принципе
12 не могут быть применимы в условиях ограниченного бюджета времени.
Стратегия применения пакетов должна разрабатываться выпускающей кафедрой в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (ГОС ВПО), с широким охватом естественнонаучных, общепрофессиональных и специальных дисциплин, с включением в естественнонаучные дисциплины курсов, ориентированных на профессиональную предметную область, с разработкой интегрированных дисциплин, при изучении которых комплексные задачи профессиональной деятельности решаются с использованием УМП;
Применение УМП в соответствии с выявленными дидактическими условиями интенсифицирует процесс обучения, так как освоение методов моделирования и проектирования начинается с первого курса, обеспечивает формирование не только познавательных, но и профессиональных мотивов и интересов, способствует всестороннему развитию интеллектуальной, моти-вационной и предметно-практической сфер индивидуальности обучающихся.
Применение УМП в соответствии с выявленными дидактическими условиями приводит к созданию условий для междисциплинарной интеграции, а дидактический процесс следует рассматривать с позиции синергетики как открытую, неустойчивую, самоорганизующуюся, нелинейную систему.
Научная новизна исследования заключается
в выявлении дидактических условий применения УМП в высшей технической школе;
в исследовании динамики познавательной деятельности в среде УМП;
в обосновании УМП как средств и базовой основы междисциплинарной интеграции, а дидактического процесса с использованием УМП как открытой, неустойчивой, самоорганизующейся, нелинейной системы.
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что в педагогике высшей школы в определенной степени заполняется ниша, связанная с односторонним использованием УМП в качестве систем математических рас-
13 четов. Доказано, что УМП могут использоваться в качестве дидактических средств, а в дальнейшем и средств профессиональной деятельности. Внесен определенный вклад в развитие теоретических положений использования ИТ обучения, а также получили развитие взгляды, оценивающие влияние этих технологий на процессы междисциплинарной интеграции и развитие основных сфер индивидуальности будущего специалиста технического профиля. Исследована динамика учебной деятельности с использованием УМП, выявлены механизмы, лежащие в основе изменения целей, потребностей и мотивов деятельности. Доказано, что дидактическая среда, в которой УМП применяются в соответствии с выявленными дидактическими условиями, имеет все признаки синергетической среды.
Практическая значимость исследования состоит в том, что предложены способы использования УМП в учебной деятельности студентов в техническом вузе, оказывающие развивающее влияние на обучающихся; разработаны компьютерные программы, их методическое и информационное обеспечение, применение которых способствует достижению поставленных дидактических целей. Результаты исследования реализованы в КВИ ФПС РФ на кафедре электромеханики в процессе преподавания ЕНД, ОПД и СД.
Личный вклад автора в проведенное научное исследование состоит в том, что проведен анализ современного состояния проблемы в теории и практике, осуществлена экспериментальная работа, направленная на выявление дидактических условий эффективного применения УМП. Подведены итоги теоретического и эмпирического исследований.
Достоверность полученных результатов обусловлена применением в качестве теоретической основы исследования методологических принципов проведения научно-педагогического исследования и основных категорий педагогики, а также экспериментальной проверкой полученных результатов на практике.
14 Апробация исследования и внедрение полученных результатов в
практику осуществлялось в ходе опытной и экспериментальной работы на кафедре электромеханики КВИ ФПС РФ.
Основные положения диссертационного исследования обсуждались и были одобрены на заседаниях кафедр педагогики и психологии Калининградского государственного университета, электромеханики КВИ ФПС РФ, а также на VI, VII, VIII, IX межвузовских научно-практических конференциях КВИ ФПС РФ 1999 - 2002 годов, международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию образования Калининградского государственного технического университета (Калининград, 2000), международной конференции «Педагогика индивидуальности как основа становления и развития открытой образовательной системы» (Калининград - Светлогорск, 2002).
По теме диссертации опубликовано 9 научных трудов.
Структура работы: работа состоит из списка основных обозначений и сокращений, введения, двух глав, заключения, списка использованных источников (171 наименование) и 13 приложений. В диссертации содержится 13 рисунков.
Во введении дана краткая характеристика основных противоречий высшей технической школы, в том числе применения ИТ обучения, доказана актуальность темы, указаны цель, объект, предмет, гипотезы и задачи исследования, а также определены методологическая база, применяемые методы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, теоретическая и практическая значимость, достоверность полученных результатов. Приведены данные об апробации работы и структуре диссертации.
Первая глава - «Универсальные математические пакеты как элемент системы информационных технологий обучения в техническом вузе» - посвящена рассмотрению актуальных проблем применения ИТ в техническом вузе, определению места УМП в системе ИТ и в структуре подготовки специалиста, выявлению дидактических целей и проблем их использования.
Вторая глава — «Применение универсальных математических пакетов в процессе подготовки специалиста в техническом вузе» посвящена исследованию практических аспектов применения УМП в ЕНД, ОПД и СД при подготовке инженера-электромеханика, анализу динамики учебной деятельности в среде УМП, рассмотрению УМП как средства междисциплинарного синерге-тического взаимодействия и развития индивидуальности обучаемого, а также описаны результаты педагогического эксперимента.
В Заключении излагаются основные выводы проведенного исследования.
В приложениях приводятся дидактические материалы эксперимента.
Анализ структуры системы информационных технологий в высшей школе и дидактические проблемы использования универсальных математических пакетов
В Концепции информатизации высшего образования Российской Федерации [77] сформулирована глобальная цель информатизации образования, которая сохраняет актуальность и в настоящее время и заключается «в глобальной рационализации интеллектуальной деятельности за счет использования новых ИТ, радикальном повышении качества подготовки специалистов с новым типом мышления, соответствующим требованиям постиндустриального общества».
Таким образом, речь идет не просто о применении ИТ в системе высшего образования и даже не о создании методов эффективного применения этих технологий, а об информатизации всей сферы образования [12, 14, 27, 46, 56, 76, 77, 143, 144, 145, 165 и т. д.]. Передовой опыт наиболее развитых стран показывает, что это направление совершенствования высшего образования является одним из наиболее важных и перспективных.
Решение данной задачи не может носить фрагментарный, бессистемный характер и имеет достаточно длительную перспективу. Однако грандиозные темпы развития ИТ во всем мире не дают, в то же время, возможности отсрочки решения этой проблемы. В [77], кроме целей, определены также концептуальные вопросы, задачи и направления развития информатизации сферы образования.
К основным направлениям информатизации образования Концепция относит:
1. информатизацию учебного процесса;
2. информатизацию научных исследований в вузе;
3. создание единой информационной среды высшей школы;
4. интеграцию высшего образования России в мировую систему.
Проведенные исследования в большей степени относятся к первому направлению и частично ко второму.
Среди рассматриваемых в [76 и 77] концептуальных вопросов в данной диссертационной работе особое внимание уделено «эволюционному развитию сложившейся методологии образования за счет использования явных преимуществ компьютерных технологий (наглядность, возможность использования различных форм представления информации - звук, изображение, обработка и хранение больших объемов данных)» и «разработке инфраструктуры обеспечения процесса информатизации высшего образования», в том числе учебно-методического, технологического и инструментального обеспечения.
Вопросы целесообразности применения ИТ в образовании рассматривались многими учеными (Т.В. Габай, Е.И. Машбиц, Н.Ф Талызина, Н.В. Клемешова, Н.А. Сливина, Б.С. Гершунский, А.В. Соловов, В.П. Дьяконов, В.Ф. Очков и др.). При этом неоднократно отмечалось, что эффективность применения новых технологий часто оказывается ниже ожидаемой. В Концепции делается вывод о том, что ИТ следует применять, если при этом решаются следующие задачи:
1) достигается «доступ к большему объему учебной информации»;
2) обеспечивается «образная наглядная форма представления изучаемого материала»;
3) поддерживаются «активные методы обучения».
Указанные задачи можно рассматривать как условия эффективного использования ИТ, однако вызывает сомнение полнота перечисленных условий. Применение информационно-компьютерных технологий может рассматриваться в различных направлениях, которые целесообразно объединить в 4 больших группы [77]:
1) компьютерная техника и информатика как объект изучения;
2) компьютер как средство повышения эффективности педагогической деятельности;
3) компьютер как средство повышения эффективности научно-исследовательской деятельности;
4) компьютер как компонент системы образовательно-педагогического управления.
Исходя из тематики диссертационного исследования, будем рассматривать психолого-педагогические проблемы первых двух направлений применения ИТ. Именно эта сфера, как показывает практика применения ИТ, оказывается наименее разработанной, и из-за ее недооценки зачастую наносится ущерб образовательному процессу.
Проблеме классификации и структурирования ИТ в сфере высшего образования посвящены труды многих ученых (Б.С. Гершунский, Ю.П. Горохов, А.Д. Иванников, Н.В. Макарова, А.В. Соловов и др.). Можно утверждать, что наиболее общая классификация ИТ дана в [77], а терминологические проблемы в основном решены в [116]. Однако эти документы зачастую вступают в терминологические противоречия между собой. Так, термин «информационные технологии», понимаемый в [116] как «система научных и инженерных знаний, а также методов и средств, которая используется для создания, сбора, передачи, хранения и обработки информации в предметной области высшей школы», в [77] по существу заменен на термин «информационные ресурсы». С другой стороны, представленное определение никак не связано с процессом обучения, что не может считаться оправданным. Представляется более корректным определение А.В. Соловова [144, с. 31]: «Информационные технологии обучения - это совокупность электронных средств и способов их функционирования, используемых для организации обучающей деятельности». Это определение примем за основное, уточнив лишь, что в диссертации рассматривается применение ИТ не только в обучающей деятельности, но и в учебной деятельности курсантов.
Технико-педагогический анализ основных характеристик универсальных математических пакетов
Для обоснованного выбора пакета при решении той или иной задачи целесообразно выявить технико-педагогические свойства наиболее распространенных математических программ [52,64,90, 117, 124, 126, 139, 140].
Пакет Axum
Изготовитель - фирма MathSoft. Для данного пакета характерны следующие свойства:
- мощные средства работы с 2-х и 3-х мерной графикой;
- разнообразные функции статистической обработки данных;
- хорошая интеграция с Excel и MathCad;
- удобные встроенные учебник и справочник;
- набор функций для работы с электронными таблицами;
- богатый набор встроенных математических функций;
- удобный редактор математических выражений;
- возможность сохранять графические файлы в различных форматах;
- наличие собственного командного языка, позволяющего писать пользовательские функции, автоматизирующие различные действия.
Пакет Maple
Изготовитель - фирма Maple Waterloo. Основные свойства пакета:
- оригинальная организованная справочная система; - реализация математических библиотек в виде семейства специализированных пакетов;
- удобный встроенный учебник;
- богатые библиотеки;
- 2500 встроенных функций;
- основной режим работы - режим немедленного выполнения командной строки;
- достоинства графических возможностей:
а) границы области существования графика могут задаваться аналитически;
б) возможно построение различных геометрических абстракций (линий,
фигур, тел);
в) графикой можно управлять программно;
- встроенный язык программирования оснащен средствами отладки;
- наличие ядра Maple, обеспечивающего поддержку основных функций.
Пакет MathCad
Изготовитель - фирма MathSoft. Основные свойства пакета:
- возможность численного и символьного решения математических задач (символьная математика заимствована из Maple);
- запись выражений идет в обычном математическом виде - как в книге или тетради;
- возможность оперировать с единицами измерения;
- наличие центра ресурсов Quick Sheets, связанного не только с файлами на компьютере, но и с Web-сервером фирмы MathSoft;
- встроенная система MathConnex, позволяющая интегрировать различные Windows-приложения и создавать имитационные модели;
- встроенный язык программирования;
- наличие средств создания текстовых комментариев и оформления отчетов;
- возможность обмена данными с Excel, m-файлами MatLab, ASCII-файлами и т.д. Пакет Mathematica Изготовитель - фирма Wolfram Research. Основные свойства пакета:
- программа состоит из двух частей:
а) ядра;
б) интерфейсного процессора;
- возможность создания документов в формате HTML и LaTex;
- справочники, учебники, демонстрационные файлы;
- аналитические и численные средства решения;
- 2-х и 3-х мерная графика;
- встроенный язык программирования, позволяющий выбрать оптимальный метод программирования (процедурное, функциональное, объектно-ориентированное);
- одиннадцать стандартных дополнений.
Пакет MatLab
Изготовитель - фирма Math Works. Основные свойства пакета:
- около 800 встроенных функций;
- наличие ядра пакета и около 30 инструментальных приложений;
- возможность визуализации и аудификации данных;
- наличие средств создания собственного графического интерфейса;
- уникальные средства обработки данных toolboxes (волнового анализа, цифровой обработки изображений, поиска решений на основе нечеткой логики, построения и анализа нейронных сетей, анализа и синтеза сетей в условиях неопределенности);
- возможность взаимодействия с Word и Excel;
- система визуального моделирования Simulink;
- способность работать под управлением различных операционных систем: Windows, Unix, MacOS;
- три справочных системы: в форматах HTML, PDF и встроенная система по функциям MatLab; - возможность создания специализированных функций и программ пользователя в виде М-файлов;
- средства объектно-ориентированного программирования.
Следует отметить и другие существенные характеристики пакета:
- MatLab - динамично развивающаяся система, над совершенствованием ко торой работают специалисты разных областей науки и техники многих стран мира. Это стало возможным благодаря открытости системы, каждый код которой доступен любому пользователю и открыт для совершенствования.
- Инструментальные средства пакета охватывают практически все давно известные и новые области знаний (коммуникации и связь, управление динамическими системами, обработка сигналов и изображений, нейронные сети, нечеткая логика, волновой анализ и др.).
- Благодаря использованию принципов объектно-ориентированного программирования, разработчики пакета сумели максимально приблизить пакет к пользователю, не всегда глубоко владеющему методами моделирования и вычислительными средствами в своей предметной области: практически каждое инструментальное средство имеет пользовательский интерфейс, в котором можно решать круг наиболее важных задач, начиная от импорта своих данных, и кончая записью на диск полученных результатов.
- Наличие инструментальных средств визуального моделирования систем (Simulink) позволяет сравнительно просто создавать модели сложных систем. Вместе с широкими графическими возможностями, анимацией и звуком эти средства послужили основой создания ряда широко известных тре нажеров.
- Применение MatLab позволяет использовать для решения задач самые последние достижения науки, так как система является плодом сотрудничества мирового сообщества ученых, его лучших представителей. Использование аппарата имитационного моделирования Simulink во многих случаях исключает утомительные и трудоемкие этапы составления и отладки программ, позволяя сосредоточить основные усилия непосредственно на решении предметно-ориентированных задач. Студенту нужно освоить правила использования готовых функциональных блоков, из которых составляется модель проектируемого устройства. Кроме того, в составе Simulink имеются источники сигналов, измерительные приборы и средства наблюдения за процессами и характеристиками процессов.
Создание модели сводится к перемещению с помощью мыши необходимых блоков из библиотек Simulink в окно создаваемой модели и соединению этих блоков между собой. Работая с программой Simulink, можно создавать модели линейных и нелинейных, аналоговых, дискретных и смешанных цепей и систем, изменять параметры блоков непосредственно во время процесса моделирования и сразу же наблюдать реакцию моделируемой системы. Все это делает работу с Simulink одинаково привлекательной как для начинающих пользователей, так и для опытных специалистов.
Экспериментальная проверка дидактических условий применения универсальных математических пакетов при изучении естественнонаучных, общепрофессиональных и специальных дисциплин для достижения телеологических целей
Практические вопросы применения УМП удобно рассматривать, используя задачный подход при формировании учебной деятельности (Г.А. Балл, Т.В. Габай, В.Я. Ляудис, Е.И. Машбиц, Н.Ф. Талызина и др.). При этом понятие «задача» рассматривается в широком смысле, то есть как элемент, «единица членения учебного материала» [15]. Применяя понятие «задача» в нашем исследовании, необходимо найти ответы на два вопроса:
1) какими общими свойствами должны обладать задачи, чтобы их решение целесообразно было осуществлять в среде УМП;
2) каковы особенности учебных задач, решаемых в техническом вузе при изучении ЕНД, ОПД и СД.
Отвечая на первый вопрос, используя классификацию задач, предложенную Г.А. Баллом, можно отметить, что, если в качестве решателя используются система Человек плюс математический пакет, то задачи, решаемые при помощи соответствующих пакетов, должны быть:
1) по характеру предмета задачи - информационные, то есть предметами задач являются математические модели;
2) по степени общности задач — родовые, то есть каждой из задач соответствует некоторый класс индивидуальных задач;
3) по учету разрешимости задач - принципиально разрешимыми. В такой трактовке наиболее существенным свойством задачи, с точки зрения использования УМП, является ее информационность, так как математические пакеты ориентированы на решение таких задач, в основе которых лежит математическое моделирование изучаемых объектов.
Сами темпы развития математических пакетов свидетельствуют о том, что математическое моделирование объектов и процессов проникает во все сферы науки, техники и образования.
Построение математических моделей может иметь много аспектов, в зависимости от выдвигаемых на первый план целей моделирования [122]. Нас же, в первую очередь, будет интересовать модель как структура для хранения знаний. Рассмотрим общий механизм применения УМП, если целью построения модели является хранение знаний, то есть модель является познавательной.
Модель рассматривается как результат познания, зафиксированный в мозгу человека и в среде математического пакета. В этом случае у модели можно выделить две стороны - семантическую и синтаксическую. Семантическая сторона модели - это содержание знаний, а синтаксическая сторона — это способы, с помощью которых, знания вводятся в модель и кодируются в ней. Математические пакеты позволяют при помощи встроенных синтаксических средств создать математическую модель на основе семантической сети понятий, хранящейся в мозгу человека.
Создав модель, обучающийся начинает изучать ее основные свойства и параметры, используя встроенный синтаксический язык. В результате модель позволяет уточнить первоначальное представление об объекте исследования. Получив новые знания об объекте, то есть, расширив семантическую сторону модели, обучающийся имеет возможность вводить новые параметры в модель и продолжать ее изучение.
Таким образом, модели, построенные средствами УМП, благодаря наличию активной моделирующей среды, способны постоянно уточняться и расширяться. Ведущая роль в этом процессе принадлежит обучающемуся, как носи 68 телю семантических знаний о модели и умений использовать синтаксические возможности программ.
Другой значительной областью применения пакетов является их использование не для «чистого» познания, а для решения какой-либо целевой задачи. Аспект познания в этом случае имеет побочный эффект, подчинен аспекту управления моделью, а механизм применения пакетов существенно зависит от постановки задачи и требований к представлению результатов.
Перейдем теперь непосредственно к вопросам применения пакетов в техническом вузе.
На базе кафедры электромеханики КВИ ФПС РФ проводился педагогический эксперимент по сквозному применению УМП при подготовке инженера-электромеханика. Эксперимент охватывал среди ЕНД — информатику, среди ОПД - теоретические основы электротехники, среди СД - основы автоматизированного проектирования электромеханических систем. УМП использовались, применяя терминологию Е.И. Машбиц, как в обучающей, так и в учебной деятельности.
Вначале проверим дидактические условия применения УМП при изучении ЕНД, отметив, в случае необходимости, некоторые принципиальные положения, касающиеся блока этих дисциплин в целом, особенности применения программ в дисциплинах, и затем проведем обобщение полученных результатов.
Особенностью современного инженерного образования является значительное повышение спроса на использование адекватных математических моделей и методов их качественного и всестороннего исследования, ориентация на развитие творческого мышления, опирающегося на соответствующий математический аппарат [40, 117, 139, 140, 142, 154]. Следовательно, изучение численных методов, имитационного моделирования, методики вычислительных экспериментов, компьютерного макетирования должно стать важнейшими задачами ЕНД. Очевидно, что указанные задачи носят творческий характер, и ма 69 тематические расчеты в них выполняют вспомогательную роль. А раз так, то традиционные функции математики - изучение методов решения вычислительных задач - отходят на второй план.
Действительно, еще каких-то 10-15 лет назад задачи, стоящие перед ЕНД были традиционны и очевидны. Например, в курсе математики рассматривались различные задачи — интегрирование, дифференцирование, решение дифференциальных уравнений и так далее. Обучающимся давалось понятие о физическом и геометрическом смыслах соответствующих математических конструктов, а львиная доля учебного времени тратилась на освоение формальных методов решения тех или иных задач. Причем, зачастую значительную роль играло и продолжает играть обычное заучивание. Обучающимся ставятся традиционные задачи, например, найти интеграл функции, и при нахождении интеграла предлагается анализировать внешний вид подынтефальной функции и затем выбирать один из возможных методов нахождения первообразной. При этом за рамками процесса обучения остаются важнейшие концептуальные проблемы, а именно: у обучающихся недостаточно формируются когнитивные основы создания математических моделей для решения задач профессиональной области; решение математических задач, как правило, не связывается с процессами, стоящими за формулами; на анализ и интерпретацию результатов просто не остается времени.
