Содержание к диссертации
Введение
1 .Аналитический обзор 11
1.1 Использование персональных компьютеров в учебном процессе и противоречия связанные с учебным процессом 11
1.2 Проблемное обучение в средних специальных учебных заведениях 13
1.3 Критерии оценки эффективности обучаемости студентов 14
1.4 Оптимизация учебного процесса 19
1.5 Выводы по разделу 27
2. Концептуальные основы оптимизации учебного процесса 29
2.1 Деятельностный подход - основа формирования профессионального обучения 29
2.2 Моделирование учебного процесса. Фундаментальные структуры и принципы моделирования. 33
2.3 Основы оптимального управления педагогическим процессом. 37
2.4 Концептуальные основы обучаемости студентов 44
2.5 Выводы по разделу 49
3. Методическая система оптимизации обучению САПР 50
3.1 Особенности построения САПР 50
3.2 Методическая система изучения САПР и особенности его изучения в техническом колледже. 57
3.3 Дерево целей и принцип формирования содержания обучения САПР. 63
3.4 Основные методы, средства и формы обучения САПР 72
3.5 Выводы по разделу 89
4. Основы обучаемости студентов колледжа 90
4.1 Формирование эффективной обучаемости студентов на основе принципа адаптивности 90
4.2 Статистическая закономерность обучаемости студентов 94
4.3 Экспериментальные исследования обучаемости студентов разделам САПР 99
4.4 Выводы по разделу 101
5. Обучение профессиональным навыкам работы с САПР 102
5.1 Формирование обучения навыкам компьютерного моделирования дискретных систем (на примере изучения пакета прикладных программ Electronics Workbench) 101
5.2 Формирование обучения навыкам компьютерного моделирования распределительных систем (на примере моделирования по принципу Гюйгенса Френеля)
5.3 Обучение проектированию защитных сооружений с применением САПР
5.4 Выводы по разделу
Заключение
Литература
- Использование персональных компьютеров в учебном процессе и противоречия связанные с учебным процессом
- Деятельностный подход - основа формирования профессионального обучения
- Особенности построения САПР
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время профессиональная подготовка специалистов не в полной мере отвечает требованиям технического прогресса. В частности, при обучении решению проектных задач не достаточно используются современные компьютерные технологии.
Развитие методических основ изучения систем автоматизированного проектирования (САПР) и других автоматизированных систем столкнулось со специфической проблемой, имеющей место, пожалуй, только в области вычислительной техники - стремительные темпы развития технических средств и программного обеспечения потребовали не менее стремительных темпов модернизации всех компонентов системы обучения, причем, по возможности, с упреждением этого развития. Об этом, в частности, свидетельствует появление новых версий пакетов прикладных программ таких как: MathC AD (В.П.Дьяконов, В. Ф.Очков), MICRO - CAP, ACCEL ЕОА(РазевигВ.Д.) и др.
Проблема исследования. Традиционно, освоение навыков и умений проектирования, фактически сводится к изучению методов использования компьютеров и имеющегося программного обеспечения для выполнения таких частных проектных операций как реализация: вычислений, графики, других составляющих технического проекта. В этой ситуации обучение навыкам принятия решений не реализуется и выбор оптимального проекта осуществляется самим учащимся без использования компьютеров и программного обеспечения, т.е. эффективность и оптимальность принятия решения, как правило, остается вне САПР.
Оптимизация процесса профессионального обучения опирается, с одной стороны, на математические основы теории оптимального управления, теории массового обслуживания и другие разделы математики, а с другой стороны, на основы теории оптимизации учебного процесса (Ю.К.Бабанского) и выбор критериев оптимизации, задаваемых
"извне" и позволяющих обеспечить необходимое качество управления процессом.
В педагогике проблеме выбора критериев оптимизации учебного процесса посвящены работы:
- В.П. Беспалько, который в качестве критерия оптимизации предложил
использовать отношение числа правильно решенных задач к числу
решений;
И.Т. Огородникова, предлагавшего использовать в качестве критерия объем, системность и осмысленность знаний;
- А.Т. Молибога, предполагавшего в качестве критерия использовать
уровень успеваемости;
А.А. Овчинникова, В.В. Пумского, предлагавших в качестве критериев взять качество и прочность усвоения материала;
- В.П. Мезинцева и В.Н. Блинова, предлагавших использовать время как
основной критерий оптимизации учебного процесса и другие.
Однако проблема оптимизации учебного процесса так и остается далекой от своего разрешения, о чем свидетельствует, в частности, планирование учебного процесса, реализуемое вне аппарата оптимального управления, практически во всех учебных заведениях.
Возможность решения этой проблемы ограничена противоречиями, состоящими в том, что:
имеет место несоответствие между морально устаревшим техническим и методическим обеспечением учебного процесса и современными информационными технологиями;
имеет место несоответствие между традиционной организацией учебного процесса и требованиями оптимального управления учебным процессом, обуславливающими необходимость оптимизировать процесс профессиональной подготовки студентов технических колледжей в соответствии с новейшими информационными технологиями и достижениями в области научно-методического обеспечения учебного
процесса;
имеет место несоответствие между наличием биологической закономерности функционирования нейронной системы в процессе обучения человека и традиционной методикой формирования учебного процесса, не учитывающей адаптационные процессы;
- имеет место несоответствие между традиционным содержанием обучения
САПР и необходимостью обучения навыкам принятия оптимального
технического решения.
Объект исследования - система профессиональной подготовки студентов технического колледжа в области решения проектных задач.
Предмет исследования - аспекты оптимизации процесса обучения решению проектных задач с использованием САПР.
Цель исследования - совершенствование методической системы профессиональной подготовки студентов технического колледжа на основе использования САПР.
Гипотеза исследования - эффективность профессиональной подготовки студентов может быть обеспечена, если:
реализуется оптимальное управление учебным процессом, обеспечивающее полное соответствие организационных форм и методов профессиональной подготовки с техническими возможностями учебного заведения и выполненное на основе сетевого планирования, причем важнейшей составляющей такого планирования является научно исследовательская работа (НИР) студентов, способствующая реализации развивающего обучения, индивидуальному подходу и развитию творческой личности;
- структура методической системы обучения САПР и взаимодействие
между элементами этой системы, формируются на основе оптимального
маршрута проектирования, получаемого из множества маршрутов, за счет
использования компьютерного моделирования физических свойств
проектируемого объекта;
- оценка уровня обучаемости разделам САПР как отдельных студентов, так
и группы в целом, осуществляется на основе экспоненциальной временной
зависимости, параметры которой - латентный период и константа
экспоненциального роста, являются параметрами обучения,
обусловленными биологической закономерностью усвоения нового материала.
Проблема, цель и гипотеза исследования определили необходимость решения следующих задач.
Задачи исследования:
1.Выполнить анализ тенденций развития методической системы профессиональной подготовки студентов и средств, ее реализующих, в системе среднего профессионального образования на примере изучения САПР в техническом колледже, а также методов преподавания дисциплин, входящих в сферу изучения САПР и других информационных технологий.
2.0пределить структуру методической системы обучения САПР и особенности оптимального управления процессом обучения навыкам проектирования.
3.Провести педагогические эксперименты с целью проверки эффективности разработанных методов, а также исследовать обучаемость студентов в процессе работы с САПР.
4.Разработать методику обучения навыкам формирования выбора оптимального технического решения и проиллюстрировать ее на примере обучения компьютерному моделированию распределенных и дискретных физико-технических систем.
Методы исследования: анализ литературных источников по философским, социальным, психолого-педагогическим и биофизическим проблемам, связанных с информатизацией общества и педагогическими процессами; анализ литературы по вопросам математического описания процессов управления, вариационных методов, сетевого планирования; анализ литературы по вычислительной технике, инженерному проектированию, информационным технологиям, программированию, а также методике преподавания в технических колледжах и других учебных заведениях; анализ учебных программ, учебников и учебных пособий;
изучение и обобщение отечественного и зарубежного опыта информатизации образования; методы решения проблем в рамках системно-структурного подхода; методы моделирования и обработки результатов исследований, основанные на теории вероятностей и
математической статистики; методы проведения педагогических экспериментов.
Этапы исследования. Исследования проводились на базе Московского технического колледжа в течение 1996 - 2000 гг. и включало в себя четыре этапа.
На первом этапе было выявлено состояние рассматриваемой проблемы, проводились наблюдения за учебным процессом, анализировалась работа преподавателей; формулировались цель, задачи, гипотеза исследований.
На втором этапе проводились теоретические исследования, создавался концептуальный аппарат оптимизации процесса формирования профессиональной подготовки студентов, разрабатывались научные подходы в области оптимального управления учебным процессом, создавались автоматизированные системы обучения.
На третьем этапе проводились педагогические эксперименты, оценивалась эффективность методов обучения и результативности управления и планирования, сопоставлялись различные формы организации учебного процесса.
На четвертом этапе обобщались полученные результаты, формулировались основные выводы, осуществлялось внедрение полученных результатов.
Научная новизна работы состоит в том, что: - разработана методика оптимального управления процессом обучения
САПР;
показано, что количественная оценка результативности учебного процесса, по дисциплине в целом и по ее разделам в отдельности,
осуществляется в соответствии с экспоненциальной временной
зависимостью;
- выполнено научное обоснование методики формирования навыков
выбора оптимального технического решения на основе моделирования
проектируемых систем и определения системы проектно-технических ограничений.
Теоретическая значимость результатов исследования состоит в:
исследовании возможности оптимального управления профессиональной подготовкой студентов технических колледжей посредствам применения сетевого планирования в учебном процессе;
экспериментальном подтверждении гипотезы о применимости адаптационной закономерности обучаемости студентов в процессе освоения САПР;
обосновании методической системы формирования профессиональных навыков студентов технических колледжей;
обосновании методики обучения навыкам моделирования как распределенных, так и дискретных физико-технических систем.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты исследований могут быть использованы как в средних, так и в высших профессиональных учебных заведениях.
Апробация результатов исследования.
Материалы диссертационной работы и основные выводы выполненных исследований докладывались и обсуждались на:
- заседании кафедры информатики и информационных технологий в
системах управления Серпуховского военного института Ракетных войск
(ноябрь, 1999г.);
IX Международной конференции "Информационные технологии в
образовании" (ноябрь, 1999г.);
- научных семинарах Московского технического колледжа (октябрь, 1999
г.; январь, 2000г);
- научном семинаре физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова
(февраль, 2000г.);
- XIX Межведомственной научно-технической конференции «Проблемы
обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных
технических систем», Серпуховской военный институт Ракетных войск
(июнь 2000г.).
Основные положения, выносимые на защиту:
1 .Методическая система обучения САПР, включающая в себя классические составляющие системы; цель, содержание, организационные формы и методы обучения, отличающиеся тем, что для получения оптимального проектного решения структура методической системы, т. е. взаимодействие между элементами методической системы, формируется на основе оптимального маршрута проектирования, получаемого из множества маршрутов, за счет использования компьютерного моделирования физических свойств проектируемого объекта.
2.Мето дика обучения САПР, построенная на основе сетевого планирования учебного процесса и НИР студентов.
3.Закономерность изменения уровня обучаемости разделам САПР, представляющая собой экспоненциальную временную зависимость, параметры которой - латентный период и константа экспоненциального роста, являются параметрами обучения, обусловленными биологической закономерностью усвоения нового материала и используемой методики обучения
4.Мето дика формирования навыков выбора оптимального технического решения и компьютерного моделирования распределенных систем на примере волновых процессов.
Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается комплексной методикой исследования, соответствием использованных методов задачам исследования, использованием математических методов обработки результатов исследования, апробацией полученных результатов в учебном процессе.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка литературы, включающего 149 наименований. Общий объем работы составляет 135 страницы машинописного текста, 13 рисунков, 10 таблиц.
Использование персональных компьютеров в учебном процессе и противоречия связанные с учебным процессом
Переход современного общества к информационной эпохе своего развития выдвинуло в качестве основной задачи, стоящей перед системой образования, задачу формирования основ информационной культуры будущего специалиста. При этом потребность общества в квалифицированных специалистах, владеющих арсеналом средств вычислительной техники, превращается в ведущий фактор образовательной политики. Появление персональных компьютеров универсальных средств для обработки информации - означает не только революцию в области накопления, передачи и обработки информации. Эта революция коренным образом затронула и образование.
Совершенствуются персональные компьютеры, развиваются вычислительные сети, создаются новые информационные технологии... Компьютеры стали незаменимым помощником преподавателя в его педагогической деятельности.
Особое место вычислительная техника занимает в решении задач автоматизированного проектирования. Специализированные программные продукты позволяют автоматизировать выполнение сложнейших технических чертежей, решить задачи схемотехнического моделирования электронных устройств, помочь в выполнении сложных математических расчетов и т.д.
Поиск ответа на традиционный дидактический вопрос - как учить -выводит на категорию методов обучения, без которых невозможно достичь поставленной цели, наполнить обучение познавательной деятельностью.
Проблеме методов обучения в педагогике посвящено достаточно много работ (А.А.Вербицкий, А.А.Журавлев, В.П.Беспалько и др. (см. например 88). В соответствии с комплексным исследованием [88] метод обучения можно трактовать как способ достижения цели обучения, представляющий собой систему действий преподавателя, организующего учебно-познавательную деятельность обучающегося.
Обучение САПР является частью общего процесса обучения, и ему присущи все основные закономерности, противоречия и принципы, характерные процессу обучения другим учебным дисциплинам. Вместе с тем имеются и свои специфические особенности.
Следует отметить, что процесс обучения САПР и ее информационным технологиям имеет свою систему противоречий, к которым можно отнести :
1. Противоречия, связанные с особенностями алгоритмизации компьютерной обработки данных и способами мышления обучаемых, реализуемых на основе биологической природы человека и гуманитарного содержания предыдущего обучения, что, как правило, приводит к возникновению психологического барьера на начальных стадиях обучения.
2. Противоречия, связанные с динамикой функционирования проектных систем и статическими методами изучения
составляющих этих систем.
3. Противоречия, связанные с биологическими законами функционирования нейронной системы человека в процессе обучения и стандартами обучения, обусловленными социальными, экономическими, гуманитарными и др. требованиями к системе обучения.
4. Противоречие между необходимостью осмыслить сложные процессы функционирования проектных систем и ограниченными возможностями обучаемых "по переключению внимания" [36]. Важной составляющей этого противоречия является противоречие, связанное с невозможностью восприятия процесса обработки информации в информационных системах органами чувств человека [24,26,36].
В настоящее время формирование информационной культуры в стране осуществляется в основном через государственную систему стандартов информационной подготовки, в рамках которой и определяется совокупность учебных дисциплин, методология преподавания которых во многом связана с научно-техническими достижениями в области вычислительной техники и информационных технологий.
Однако, независимо от характера информационной подготовки развитие методических основ столкнулось со специфической проблемой -стремительные темпы развития технических средств и программного обеспечения потребовали не менее стремительных темпов модернизации всех компонентов системы обучения, причем, по возможности, с "опережением" темпов этого развития.
Деятельностный подход - основа формирования профессионального обучения
Формирование информационной подготовки в учебных заведениях осуществляется на основе деятельностного подхода (В.П.Беспалько, А.А.Вербицкий, П.Я.Гальперин, Н.Ф.Талызина и др.), в соответствии с которым общей методологической задачей становится разработка концептуальной модели деятельности специалиста [88].
Естественно, что такая модель строится на основе анализа основных видов деятельности специалиста - выпускника колледжа.
деятельности, которая разработана в педагогической психологии и является универсальной для любой специальности и любого учебного предмета [36,115].
Таким образом, общей методологической задачей при организации учебного процесса изучения САПР является разработка концептуальной модели деятельности специалиста, которая позволяет далее формализовать и трансформировать реальную деятельность специалиста в модель его подготовки [41,36].
Построение моделей деятельности специалиста неразрывно связано с тремя основными понятиями:
-специалист, осуществляющий деятельность;
-предмет, на который направлена или с которым сопряжена деятельность;
-среда (или среды), в которой протекает деятельность.
Естественно предположить, что деятельность специалиста, обучаемого САПР связана с научно техническими решениями. Основной составляющей среды, в которой протекает его деятельность, является САПР.
Объединение перечисленных компонентов в одном исследовании возможно, если воспользоваться общей теорией систем, в рамках математических основ которой на первый план выступает применение теоретико-множественных структур [36,141].
В связи с важностью понятия структуры, рассмотрим этот вопрос более подробно.
Остановимся на определении математической структуры. "Задать математическую структуру - это значит задать одно или несколько отношений, в которых находятся между собой элементы (или подмножества) некоторого абстрактного множества и указать систему условий (аксиом), которым удовлетворяют данные отношения " [145].
К настоящему времени известны только три типа структур, к которым сводятся все остальные, - так называемые порождающие структуры:
1) структура порядка, задаваемая схемой и играющая важную роль при рассмотрении отношений, приводящих к понятию счетного множества;
2) алгебраическая структура, выражающая идею операции;
3) топологическая структура, связанная с понятием непрерывности, окрестности и предела.
При изложении материала в основном будет использоваться структура порядка.
Заметим, что наряду с порождающими математическими структурами, на основе которых построена математика, т.е. построен способ мышления, и, как следствие, логический и математический аппарат оптимального управления процессами, существуют так называемые физические структуры (впервые введенные Ю.И.Кулаковым, 1968 г.), которые имеют дело с реальными физическими объектами.
Данное определение структуры применяется к описанию систем в том случае, когда есть экспериментальные данные, позволяющие описать систему.
Понятие структуры тесно связано с другим понятием - понятием взаимодействия. Например, в теории элементарных частиц учет взаимодействия приводит к тому, что частицы как бы приобретают пространственно-временную структуру.
Особенности построения САПР
Системы автоматизированного проектирования во всем мире интенсивно внедряются в практическую деятельность человека, что связано с расширяющимся использованием персональной вычислительной технике.
Разработка математических моделей проектируемых объектов, использование математических методов оптимизации и численных методов расчетов обеспечивает наибольший экономический эффект при системном подходе к решаемой проблеме.
При проектировании объекта участвуют следующие автоматизированные системы:
-автоматизированные системы научных исследований (АСНИ); системы автоматизированного проектирования (САПР); автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП);
-отраслевые автоматизированные системы управления (ОАСУ).
Для большей эффективности работа всех автоматизированных систем должна быть согласована прежде всего по обрабатываемой информации, а их организация должна удовлетворять общим принципам автоматизированных систем.
Под проектированием понимается процесс переработки информации об объекте, при котором входная информация обычно представлена в виде технического задания (ТЗ), а результирующая в виде конструкторской технологической документации.
Техническое задание обычно содержит как целевые функции, предъявляемые к объекту, так качественные и количественные требования к его функциональным параметрам.
Учитывая, что полная классификация объектов проектирования до настоящего времени еще жестко не определена, рассмотрим основные признаки классификации.
По характеру основных физических процессов, что соответствует их математическому описанию, объекты подразделяются на:
-распределенные (непрерывные) к которым можно отнести, например, морские порты, волновой процесс на акватории которого определяется такими физическими явлениями как дифракция, рефракция, отражение и интерференция;
-дискретные, которым можно отнести различные детали машин, механизмов и строительных конструкций.
По физическим принципам работы выделяются такие технические системы, как радиоэлектронные, гидротехнические, механические, химические и другие
По условиям эксплуатации технические системы делятся в зависимости от области их использования на космические, наземные, морские и т.д.
По конечному результату объекты проектирования можно разделить на изделия и процессы.
Создание САПР базируется прежде всего на использовании вычислительной техники. С началом применения вычислительной техники в расчетах и проектировании произошел переход к комплексной автоматизации процесса проектирования в целом, причем современные САПР предусматривают полную
автоматизацию всех расчетных и чертежных работ а также автоматизацию изготовления всей необходимой документации (чертежей, спецификаций, смет, нормативов и т.д.).
Определим основные цели, ради которых создаются САПР:
-обеспечение высоких темпов научно-технического прогресса;
-повышение качества и технико-экономического показателей проектирования;
-повышение производительности труда проектно-конструкторских работ;
-уменьшение стоимости проектируемых объектов, снижение трудоемкости и сроков проектирования;
-повышение качества проектируемой документации;
-исключение на ранней стадии процесса проектирования «неудачных» проектов.
Достижение этих целей не возможно без применения современных средств ВТ и программного обеспечения. При этом целесообразно ввести следующие частные классификации.
а) Классификация по используемой вычислительной техники.
-к первому классу относятся САПР используемые персональные компьютеры;
-ко второму классу относятся САПР, который используют в качестве аппаратных средств компьютерные сети, что увеличивает мощность, надежность и выживаемость систем;
-к третьему классу относятся САПР, базирующиеся на сетях отраслевого и регионального уровня, что позволяет создать интегрированные банки данных (ИБД).
б) Классификация по возможностям САПР.
-индивидуальные инженерные САПР - реализуется на персональных компьютерах, предназначены для выполнения отдельных видов инженерных расчетов и проектных работ.; специализированные САПР - это системы коллективного пользования, предназначенные для выполнения массовых проектных работ по конкретному изделию;
