Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРОЦЕССЕ ИЗУЧЕНИЯ ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИХ ДИСЦИПЛИН
1.1. Применение новых информационных технологии при изучении общетехнических дисциплин как потребность социально-экономического развития общества 19
1.2. Применение новых информационных технологии в процессе обучения общетехническим дисциплинам как лсихолого-педагогическая проблема 31
1.3 критерии отбора программно-педагогических средств 38
1 4 методика разработки программно-педагогических средств 48
Выводы по главе 1 62
ГЛАВА 2. СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ОБУЧЕНИИ ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИМ ДИСЦИПЛИНАМ
2 1. Структура курса общетехнических дисциплин в педагогическом Вузе 63
2.2. Обоснование выбора систем схемотехнического моделирования Для использоания их при обучении общетехническим дисциплинам. Их классификация и критерии отбора 72
2.3. Методика применения систем схемотехнического моделирования в процессе изучения общетехнических дисциплин 89
2.4. Методика проведения и результаты педагогического
Эксперимента по определению эффективности применения новых информационных технологий в процессе изучения общетехнических дисциплин 102
Выводы по главе 2 113
Заключение 114
Список литературы 119
Приложения134
- Применение новых информационных технологии при изучении общетехнических дисциплин как потребность социально-экономического развития общества
- Структура курса общетехнических дисциплин в педагогическом Вузе
- Методика применения систем схемотехнического моделирования в процессе изучения общетехнических дисциплин
Введение к работе
На современном этапе развития общества во всех сферах жизнедеятельности человека широкое распространение получили компьютерные технологии. Компьютеры используются повсеместно и предназначены для использования специалистами различного профиля; в быту, в бухгалтерии, в сфере бизнеса, в управленческой деятельности, инженерной и научной деятельности. И, поскольку сегодня компьютер практически повсюду воспринимается как неотъемлемая часть жизни: организация работы, досуга и домашнего хозяйства, - важно, чтобы персональные компьютеры также сыграли определенную роль и в самом процессе образования молодых людей. Умея работать с необходимыми в повседневной жизни вычислительными и информационными системами, базами данных и электронными таблицами, персональными компьютерами, человек информационного общества приобретает не только новые инструменты деятельности, но и (это главное) новое видение мира. Изменение условий жизни общества неизменно вызывает совершенствование образовательных концепций. При этом важная роль в реформировании образования принадлежит учительским кадрам, подготовка которых ведется в педагогических вузах. Учитывая это, а также все возрастающую конкуренцию на рынке труда, студенты по окончании вуза должны, наряду с полученными традиционными знаниями, готовится к работе с наиболее распространенными в их будущей сфере деятельности программными средствами. Поэтому еще в процессе обучения они должны приобрести навыки работы с текстовыми редакторами, электронными таблицами, базами данных, со средствами электронной почты и Internet. Кроме того, должны быть получены практические навыки работы с рядом специализированных пакетов, определяемых будущей специальностью. Например, студенты радиотехнического профиля должны изучить по крайней мере один пакет
схемотехнического проектирования. Студент-математик - систему математического моделирования, а студент, готовящийся к профессиональной педагогической, преподавательской деятельности -программно-педагогические средства. Это позволит устранить психологический барьер при переходе студента к своей профессиональной деятельности и практически без особых усилий адаптироваться на новом месте. Таким образом, ускоряющееся развитие науки, обновление техники, появление новых технологий, огромное количество новой информации, предъявляет всё более строгие требования к системе образования, удовлетворить которые, используя только традиционные средства и методы обучения, становится все труднее. В настоящее время перед высшей школой стоят задачи совершенствования учебного процесса, направленное на улучшение качества подготовки специалистов. В этом плане подготовка специалиста, способного решать задачи обучения информационным технологиям является одной из проблем, поставленных жизнью перед педагогическим образованием.
Проблема подготовки будущих учителей к педагогической деятельности освещена в работах Н.В. Апатовой, Н.А. Асташовой, В.А. Ефимова, И.А. Петрищенко, Д.В. Чернышевского, O.K. Филатова [14, 17, 74, 149, 213] и др. Уровни готовности студента к педагогической деятельности освещены в работах ПР. Атутова, С.Я. Батышева, B.C. Безруковой, В.И. Кагана, Н.В. Кузьминой, В.А. Сластенина, В.Д. Симоненко[19,25,27, 83, 108, 146, 185, 186] и др.
Необходимость и возможность внедрения компьютера в учебный процесс вряд ли вызывает сомнения. Поскольку компьютеры становятся все более доступными в системе образования, то в обозримом будущем компьютеризированное обучение может стать и уже становится одним из основных способов обучения. Компьютеризированное обучение в этом смысле означает любое обучение с применением компьютера. К
сожалению, обычно этим и ограничивается понятие использования новых информационных технологий (НИТ) в обучении. Т.е., в него включают лишь использование технических средств работы с информацией в системе образования. Такой подход вряд ли можно признать перспективным.
По мнению Д. Зарецкого и 3. Зарецкой [76], во-первых, остается «за кадром» связь с безкомпьютерным преподаванием, его методикой, в результате чего компьютеризированное преподавание как бы «повисает в воздухе»; во-вторых, преподавателю часто остается непонятно зачем нужно делать на компьютере то, что можно делать и без него; в-третьих, у обучаемого требуется целенаправленно формировать умение работать с информацией.
Таким образом, компьютерное обучение требует переосмысления всей концепции обучения. Однако это не означает необходимость ломки классических методик обучения. Вся классическая методика является блестящим примером информационной подготовки студентов или обучаемых. Компьютерное обучение может и должно быть основано на классической методике обучения. Традиционные методы обучения рассмотрены в работах Ю.К. Бабанского, А. Вербицкого, АН. Богатырева, Л.С. Выгодского, Л. Климберга, Н.В. Кузьминой, Ю.А. Кустова, П.И. Пидкасистого [21, 22, 39, 34, 42, 93, 108, 109, 145] и др.
Исследования, связанные с компьютеризацией образования, проводятся также во многих странах мира. Мировая практика подтверждает возможность совершенствования образования на основе широкого внедрения методов и средств современных информационных технологий. Компьютеризация образования создает базу для широкого внедрения в педагогическую практику преподавания различных предметов с применением новых информационных технологий обучения. Организация процесса обучения на основе использования возможностей
новых информационных технологий позволяет на более высоком уровне
решать задачи развивающего и дистанционного обучения,
интенсифицировать все уровни учебно-воспитательного процесса,
подготовить пользователей, владеющих современными
информационными технологиями. Эффективное применение
компьютеров улучшает качество обучения и позволяет преподавателю найти лучший способ преподавания. Компьютерное обучение должно составлять часть общей педагогической тактики и объединяться вместе с другими процессами в единый педагогический цикл. Для отслеживания результатов обучения необходимо проводить оценку эффективности применения этого технического средства обучения в учебном процессе. Студент за время обучения в вузе должен освоить новые информационные технологии в образовании, раскрывающие и развивающие его интеллектуальный потенциал.
Подготовка учителей к трудовой деятельности в условиях рыночно -экономических реформ изучается В.Д. Симоненко, Н.А. Шайденко, Чебышевой, С.Н. Шайлановым, И.М. Шлапаковым [185, 186, 214, 209, 215,218,126, 132, 159] и др.
Разработка содержания форм и методов формирования теоретических знаний и педагогических умений по отдельным видам деятельности изложены в работах О.А, Абдуллиной, И.В. Алехиной, Е.П. Белозерцева, В.П. Беспалько А.Г. Казаковой, В.И. Загвязинского, А.А. Орлова, Н.А. Шайденко [1, 2, 10, 28, 30, 84, 75,140, 214] и др.
Совершенствование самостоятельной работы описано в трудах В.Ф. Горбенко, ТВ. Никитиной, В.Н. Романенко, Ю.А. Миславского [54, 136, 129] и др.
Возможности повышения творческого характера деятельности обучаемых освещены в работах Г.В. Ившиной, Д.М. Комского, П.Ф.
Кравчука, Сеймура Пейперта [80, 99, 103, 182] и др. Вопросы инженерной педагогики изучены С.А. Елисеевым [69].
Как уже подчеркивалось выше, одним из перспективных направлений подготовки студента к профессиональной деятельности является компьютеризация обучения, разработанная рядом авторов: Б.С. Гершунским, А.Н. Богатыревым, СР. Долмановой, А.Н. Ершовым, B.C. Кузнецовым, Г.А. Кручининой, М.П. Лапчиком, И.А. Логвиновым, Ю.О. Овакимяном, Н.В. Разумовской, Л.А. Растригиньш, И.В. Роберт, Г.В. Рубиной, Н.Ф. Талызиной [44, 45, 33, 34, 65, 73, 105, 106, Ш, 112, 117, 121, 170, 171, 174,175,176, 177, 191] и др.
Например, Б.С. Гершунский проводит анализ серийно выпускаемых персональных компьютеров, раскрывает психолого-педагогические проблемы эффективного применения компьютерной техники в учебном процессе. Он приходит к выводу, что эффективность компьютеризации обучения зависит как от качества применяемых педагогических программных средств, так и от рационального и умелого их использования в учебном процессе.
Отдельные аспекты этой проблемы применительно к использованию компьютерной техники в образовании рассматривались ВТ. Афанасьевым, А.А. Дикой, А.Р. Есаяном, М.П. Лапчиком, Г.В. Рубиной [20, 63, 82, 111, 112, 176, 177] и др.
На необходимость комплексного использования различных средств обучения с применением компьютерных технологий указывают А.А. Атабаев, И.В. Алехина, В.В, Агеев, И.И. Дрига, И,И. Мархель, Ю.О. Овакимян, А.А. Степанов и др.
Психолого-педагогические проблемы компьютеризации образования изучены в работах: К.А. Абульхановой, В.В. Агеева, Т.В. Габай, Л.П. Гурьевой, Е.А. Климова, Е.А. Машбиц, Н.С. Назиповой, В.Д. Небылицына, Р.С. Немова, Ю.А. Миславского, В.В. Рубцова, А.Е.
Сережкиной, O.K. Тихомирова, Г.В. Фроловой, В.А. Якунина [6, 8, 43, 61, 94, 124, 133, 134, 135, 129, 178, 184, 194,204,222, 164] и др.
Вопросам применения современных компьютерных технологий в процессе обучения также посвятили свои работы такие авторы: В.Ф. Горбенко, М.В. Карчевская, Н.А. Клещева, Н.А. Клочко, Г,А. Козлова, М.Ю. Кривуляк, А.А. Кузнецов, Т.В. Сергеева, М.Ф. Поснова, В.Д. Симоненко, Г.В. Рубина, И.М. Шлапаков [54, 87, 92, 95, 96, 105, 107, 183, 153, 185, 186, 176, 177,218,219] и др.
На необходимость совершенствования обучения студентов педагогических вузов по техническим и, в частности, по радиотехническим наукам указывается в научных работах таких исследователей: О.А. Абдуллиной, М.М. Балашова, М.В. Гимранова, К.К. Гомоюнова, О.В. Долженко, В.Д. Симоненко, В.А. Тайницкого, ЮС Тюнникова, Н.И. Резник, В.Л. Шатуновского [3, 23, 47, 52, 64, 185, 186, 190,23, 173,64] и других.
Методика преподавания естественных наук, в частности общетехнических, исследуется в работах К.К. Аграновского, Ю.А. Быстрова, С.Ф. Денисова, ИГ. Мироненко, B.C. Ямпольского [9, 38, 62, 223, 116] и др.
В курсе преподавания радиоэлектроники ведущую роль играют различные технические средства, наглядные пособия и демонстрационный эксперимент. Принцип наглядности является одним из основных и практически присущ процессу преподавания любой из технических дисциплин. О необходимости сопровождения лекционного материала демонстрациями говорится в трудах ученых-методистов: Л,И. Анциферова, В.А. Бурова, Т.Н. Шамало, В.Г. Шуваева, В.П. Чулкова [13, 216, 220] и других. Например, A.M. Захаров [77] очень фундаментально раскрывает использование видеопроекции в демонстрационном эксперименте.
В процессе обучения общетехническим дисциплинам используются различные технические средства обучения. Применение компьютерной техники в учебном процессе рассмотрено в работах А.А. Абдукадырова, СИ. Архангельского, О.А. Витязь, Б.С. Гершунского, Л.И. Карпенко, М.В. Карчевской, Г.В. Рубиной, В.В.Рубцова, B.C. Кузнецова и других.
В настоящее время резко возрастают требования к фундаментальной подготовке студентов, которые наряду с прочными теоретическими знаниями должны обладать практическими умениями и навыками. Наиболее продуктивной формой учебных занятий, на которых происходит формирование у студентов практических умений и навыков является лабораторный практикум. В процессе выполнения лабораторных работ активизируется познавательная деятельность студентов, развивается их способность к самостоятельному труду, осмыслению сложных явлений и процессов, развиваются творческие способности.
Дидактическому обеспечению лабораторного практикума по общетехническим дисциплинам посвящены работы Ю.А, Грушевского, В.А. Каторгина, Ю.Ф. Колонтаевского, П.П. Головина, М.Н. Ляшко, М.Ф. Посновой, B.C. Ямпольского и других авторов, Так, в работах В.А. Каторгина [58] представлены лабораторные работы всего учебного курса электротехники с применением стандартного оборудования и сборкой исследуемых цепей и схем на макетной плате.
В работе Ю.Ф. Колонтаевского [98] представлен комплекс лабораторного оборудования для проведения работ лабораторного практикума по радиоэлектронике и методические рекомендации по их выполнению. Этот комплекс выполнен в виде стенда, на котором собирается исследуемая схема и подключаются измерительные приборы. Для формирования технического и творческого мышления обучаемых интересен подход, при котором используются современные технические средства и их неограниченные возможности, К таким
средствам можно отнести системы схемотехнического моделирования и проектирования, которые позволяют манипулировать узлами и деталями в соответствии с дидактическими задачами и целями. Такому подходу при проведении лабораторного практикума посвящены работы авторов: В.И. Карлащука, В.Д. Разевига, А.В. Ливенцова, С.Н. Шайланова [85, 168, 169, 116,215].
Анализ опыта применения компьютерной техники в процессе обучения позволяет констатировать, что потенциальные возможности применения компьютерной техники реализуются в практике не в полной мере. В практике педвузов фактически отсутствует опыт постановки такого курса для студентов, изучающих общетехнические дисциплины, который бы служил средой для активного использования новых информационных технологий как инструмента познания в процессе обучения. При изучении общетехнических дисциплин имеются лишь отдельные попытки использовать компьютерную технику в учебном процессе как средство обучения. Следовательно, существует недостаточная разработанность (однобокость) данной проблемы в вузе, что и определяет актуальность проведенного исследования.
Данная работа является одной из попыток использования НИТ в учебном процессе вуза при изучении предметов, не связанных с информатикой. Она основана на уверенности в том, что в рамках вузовских программ существует немало тем и предметов, а в вузовской методике и стратегиях обучения много аспектов, которые могут быть обогащены за счет привлечения персонального компьютера, в том числе при изучении общетехнических дисциплин, а в частности и при выполнении студентами лабораторного практикума. Кроме того, рассмотрены различные аспекты применения НИТ в учебном процессе, выявлены критерии отбора различных систем схемотехнического моделирования и проектирования.
Цель исследования: выделение и экспериментальная проверка форм и методов применения новых информационных технологий в педвузах при изучении общетехнических дисциплин, совершенствование учебного процесса по курсу общетехнических дисциплин в вузе на основе использования технологий компьютерного моделирования и проектирования.
Объект исследования: содержание, формы и методы обучения студентов педвузов общетехническим дисциплинам.
Предмет исследования: содержание методик применения новых информационных технологий в процессе обучения студентов педвузов общетехническим дисциплинам, системы компьютерного моделирования и проектирования.
Исследования проводились, исходя из того, что в качестве гипотезы исследования выдвинуто предположение о том, что применение новых информационных технологий повысит эффективность обучения студентов педвузов общетехническим дисциплинам, если:
разработаны критерии отбора систем компьютерного моделирования для использования их при обучении общетехническим дисциплинам;
выделено содержание программно-педагогических систем и отобраны методики программно-педагогических систем для изучения общетехнических дисциплин;
осуществлено адаптирование систем компьютерного моделирования и проектирования к учебному процессу;
показано, что использование систем компьютерного моделирования в учебном процессе для студентов педвузов усиливает их информационную, профессиональную и методическую подготовку, а также способствует выработке навыков научно-исследовательской работы и творческой активности студентов.
Исходя из цели исследования и выдвинутой гипотезы, а также в соответствии с объектом и предметом исследования определены следующие частные задачи:
провести анализ состояния исследуемых проблем в психологии, педагогике и методике преподавания общетехнических дисциплин в педагогических вузах;
разработать критерии отбора программно-педагогических систем и систем схемотехнического моделирования с точки зрения использования их в учебном процессе при изучении общетехнических дисциплин;
отобрать, классифицировать и адаптировать к курсу радиоэлектроники и
цифровой техники в педагогических вузах современные системы
компьютерного, схемотехнического моделирования;
разработать методику применения систем компьютерного
моделирования как инструмента познания при изучении
радиоэлектроники и цифровой техники и провести экспериментальную
апробацию разработанной методики;
рассмотреть возможность применения разработанной методики при
дистанционном обучении;
подготовить методические рекомендации для студентов и
преподавателей вузов по проведению компьютерных лабораторных работ
по радиоэлектронике и цифровой технике с использованием отобранных
систем компьютерного моделирования.
Общую методологическую основу исследования составляют философские положения о всеобщей связи, взаимообусловленности, развитии и целостности реального мира, а также о социальной, деятельностной и творческой сущности личности как целостной системы и многофакторном характере ее развития.
Теоретическим фундаментом исследования являются:
личностно - деятельностный подход в дидактике и психологии (теории
личности, деятельности и общения показаны в работах А.Н. Леонтьева,
А.В. Петровского, К.К. Платонова, В.А. Сластенин [114, 150, 151, 146] и
других);
в концептуальном плане работы по технологии педагогического
процесса (В.И. Андреев, Т.А. Авгошкова, В.В. Краевский, Т,И. Шамова
[11,4] и другие);
работы по активизации и оптимизации познавательной деятельности
посредством реализации методов форм обучения (СИ. Архангельский,
Ю.К. Бабанский, А.А. Вербицкий, И.Я. Лернер, М.И. Махмутов, В.М.
Монахов, Т.И. Шамова, Г.И. Щукина [16, 21, 22, 39, 115, 123, 122, 221] и
др.);
политехнизм образования (П.Р. Атутов, Н.И. Бабкин, С.Я. Батышев,
А.А Прядехо, А.Н. Прядехо [119, 25, 160, 161, 162, 163] и др.).
Использовались труды известных педагогов-психологов в области автоматизированных систем интенсивного обучения на базе компьютерной и аудиовизуальной техники (В.И. Андреев, СИ. Архангельский, В.П. Беспалько, Р.С. Немов, Н.Ф. Талызина и др.), теория компьютеризации образования (Н.В. Апатова, Б.С Гершунский, Е А. Машбиц, Г.И. Кириллов, И.В. Роберт и др.).
В процессе исследования применялись следующие методы научно-педагогического исследования:
анализ философской, психолого-педагогической, методической и специальной литературы по проблеме исследования;
выявление новых форм и методов обучения путём обобщения передового педагогического опыта;
психолого-педагогический анализ учебно-познавательной деятельности студентов;
педагогические наблюдения, беседы, анкетирование;
педагогический эксперимент в Омском государственном педагогическом университете на физическом факультете при изучении радиоэлектроники;
статистическая обработка опытно-экспериментальных данных с применением ЭВМ.
Таким образом, в процессе исследования использовались
теоретические (теоретический и логический анализ, синтез, критический
анализ литературных источников по педагогике, психологии,
кибернетике, информатике, программированию, дедукция,
абстрагирование, идеализация, теоретический анализ, целостный подход, моделирование), эмпирические (наблюдение, индукция, аналогия, беседы, интервью, анкетирование, исследование результатов деятельности абитуриентов и студентов, метод самооценки, экспертной оценки, опытная работа по конструированию и изготовлению моделей, педагогический эксперимент) и математические (с помощью теории вероятностей, корреляционного и факторного анализов энтропийного показателя результатов экспериментальных данных с помощью ЭВМ) методы исследования. Методы контроля исследования были обогащены новыми возможностями видео и компьютерной техники.
Основной базой опытно-экспериментальной работы был физический факультет Омского государственного педагогического университета. Исследование проводилось в течение 1996-1999 годов в Омском государственном педагогическом университете в несколько этапов. 1 ЭТАП. (1996-1997 г.г.)
Общее ознакомление с проблемой исследования;
формулирование цели и гипотезы;
постановка задач исследования;
изучение литературных источников;
анализ учебников по общетехническим дисциплинам;
анализ и отбор современных систем схемотехнического компьютерного моделирования и проектирования;
разработка комплекса компьютерных лабораторных работ по курсу
радиоэлектроники и цифровой техники;
описание работы некоторых систем схемотехнического компьютерного
моделирования и проектирования;
разработка методики применения систем схемотехнического
компьютерного моделирования и проектирования при изучении
общетехнических дисциплин.
2 ЭТАП, (1997 -1998г.гЛ
Создание организационных, материальных и методических условий для
экспериментальной работы;
составление программы опытно-экспериментальной работы;
апробация применения систем схемотехнического компьютерного моделирования и проектирования при изучении общетехнических дисциплин;
выбор эффективных форм организации деятельности студентов на
занятиях;
ЗЭТАП. Q998 - 1999 г.г/)
Проведение педагогического эксперимента;
обработка результатов опытно-экспериментальной работы;
анализ и обобщение результатов эксперимента, их математическая обработка.
Научная новизна исследования заключается в том, что:
разработаны классификация и подробное описание современных
компьютерных систем моделирования и проектирования с точки зрения
применения их в учебном процессе при изучении общетехнических дисциплин;
уточнены критерии отбора программно-педагогических систем и систем схемотехнического моделирования с точки зрения использования их в учебном процессе при изучении общетехнических дисциплин;
разработана методика применения современных компьютерных систем моделирования и проектирования (Electronics Workbench) при изучении общетехнических дисциплин на примере курса радиоэлектроники и цифровой техники;
выявлена возможность использования компьютерных лабораторных
работ в дистанционном обучении.
Теоретическая значимость состоит в том, что в процессе исследования выявлена зависимость эффективности изучения общетехнических дисциплин, в частности радиоэлектроники и цифровой техники, от форм и методов применения программно-педагогических средств, в том числе систем компьютерного схемотехнического моделирования и проектирования.
Практическая значимость исследования состоит в том, что:
разработан комплекс компьютерных лабораторных работ по курсу
радиоэлектроники и цифровой техники на основе классификации систем
схемотехнического компьютерного моделирования и проектирования
(Electronics Workbench);
разработана методика организации лабораторных занятий по радиоэлектронике и цифровой технике с использованием этого комплекса;
разработаны методические рекомендации по применению этого комплекса в учебном процессе при изучении общетехнических
ДИСЦИПЛИН-
Результаты исследования показывают, что эффективность обучения общетехническим дисциплинам повышается при использовании НИТ и могут быть использованы в учебном процессе как педагогических вузов, так и других образовательных учреждений.
Апробация и внедрение результатов исследования
осуществлялась в Новосибирском государственном педагогическом университете и в Омском государственном педагогическом университете. Основные положения и результаты исследования докладывались, обсуждались и получили одобрение на конференции «Современные проблемы методики преподавания математики и информатики» (Омск, 1997); на VII международной конференции «Информационные технологии в образовании» (Москва, 1998); на научно-практической конференции «Образовательная область «Технология». Опыт и пути внедрения в учебный процесс школ Тюменской области. (Ишим, 1998); на IV международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в подготовке учителя технологии, предпринимательства, экономики» (Тула, 1998); на VI международной практической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Новосибирск, 1999), на IX Ершовских чтениях в г. Ишиме (1999); на Всероссийской научно-практической конференции «Региональные проблемы информатизации образования» (Пермь, 1999); на X международной конференции «Применение новых технологий в образовании» (Троицк, Московская область, 1999); на III Сибирских методических чтениях (Омск, 1999); на научно-методических семинарах кафедры общетехнических дисциплин Омского государственного педагогического университета. По теме научного исследования выполнен
ряд квалификационных и дипломных работ, одна из которых «Использование системы схемотехнического моделирования Electronics Workbench'4.1 при проведении лабораторных работ по радиоэлектронике» Государственной приемной комиссией выдвинута на конкурс дипломных работ 1999 года.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов, рекомендаций, сформулированных в диссертации, обусловлены глубоким анализом психолого-педагогических закономерностей процесса обучения; реализацией дидактических принципов обучения при разработке методики использования НИТ при изучении общетехнических дисциплин; последовательным проведением этапов педагогического эксперимента; использованием математических методов обработки результатов.
Внедрение результатов исследования. Результаты исследования
внедрены в учебный процесс физического и математического факультетов Омского государственного педагогического университета.
На защиту выносятся:
классификация и критерии отбора систем схемотехнического компьютерного моделирования и проектирования для применения их при обучении общетехническим дисциплинам;
методика применения современных систем компьютерного моделирования и проектирования в учебном процессе при изучении общетехнических дисциплин;
комплекс компьютерных лабораторных работ по радиоэлектронике на основе применения системы компьютерного моделирования и проектирования;
комплекс компьютерных лабораторных работ по цифровой технике на основе применения системы компьютерного моделирования и проектирования.
class1 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРОЦЕССЕ ИЗУЧЕНИЯ ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИХ ДИСЦИПЛИН class1
Применение новых информационных технологии при изучении общетехнических дисциплин как потребность социально-экономического развития общества
В России возможности информатизации общества воспринимаются либо слишком восторженно, когда она провозглашается панацеей от всех бед, дающей немедленный экономический эффект, либо открыто пессимистически, отодвигая решение проблем информатизации как несущественных с точки зрения текущих экономических трудностей. Оптимисты игнорируют факт, что внедрение Новых информационных технологий - это не разовое мероприятие, а процесс длительной адаптации общества к нововведениям. Пессимисты не учитывают того, что информатизация является одним из ключевых факторов перемен в современном мире, закономерным этапом социально-экономического развития, через который проходят в той или иной форме все страны, вступившие на путь интенсивного развития. Продуманное распространение и умелое использование НИТ может стать и уже становится средством интенсификации социально-экономического развития России. Всякий заметный технологический рывок вызывает сначала недоверие, затем всеобщий восторг, после чего только начинается этап реальной практической эксплуатации. Несмотря на многолетний опыт использования ЭВМ в народном хозяйстве, Россия все еще находится на начальной стадии информатизации. Вопросы изучения социальных предпосылок информатизации на основе опыта развитых стран и анализа отечественной ситуации освещены в работах О.Н. Вершииской.[40]. Современный этап развития общества характеризуется конструктивным подходом к использованию компьютерной и м икр о электронной техники практически во всех сферах жизнедеятельности. Мировой опыт показывает, что информатизация общества является закономерным историческим процессом. Одним из условий информатизации общества является расширение сфер деятельности с использованием НИТ, Это, конечно, проявляется и в области образования, как одной из сфер человеческой деятельности. Отсюда возникает идея программированного обучения или информатизации образования. Сущность идеи программированного обучения состоит в повышении эффективности управления процессом учения с помощью современных знаний об управлении и специфике процесса учения при опоре на современную технику и во внедрении в процесс обучения НИТ. Весь ход исторического развития общества обусловил не только возникновение идеи программированного обучения, по и обеспечил ее широкое распространение в образовательную сферу. Принцип историзма при рассмотрении проблемы внедрения ЭВМ в образование дает возможность определить три варианта подхода к ее решению. Суть первого - в идее замены педагога машиной, объясняется переоценкой роли и возможностей компьютера в учебном процессе. Эта идея несостоятельна, т.к. лишает обучаемого возможности общения. Ее ошибочность доказана практикой. Второй подход заключается в отрицании возможности использования ЭВМ в обучении- В этом подходе проявлялась и продолжает проявляться инерция традиционного, т.е. безмашинного обучения. Наиболее продуктивным, реалистичным и практически значимым оказался третий подход, направленный на изучение возможностей и условий применения ЭВМ в учебном процессе, создание новых технологий обучения, основанный на применении компьютерной техники; признание при этом ведущей роли преподавателя в учебном процессе [10, 27, 36, 50, 60, 70, 71, 86, 88, 137, 139, 147, 148, 179, 181, 196, 197, 199,201, 206], Основу компьютеризации образования составляют два направления компьютеризации обучения. При первом, компьютер выступает как объект изучения; и усвоение знаний, умений и навыков ведет к осознанию возможностей компьютера, а также к его использованию при решении разнообразных задач. Другими словами, использование компьютера ведет к овладению компьютерной грамотностью. При втором направлении компьютер выступает как средство обучения, повышающее эффективность обучения.
Современное развитие науки, техники, технологии, и особенно электроники и компьютерной технологии, предъявляют все более высокие требования к подготовке специалистов. Сказанное в полной мерс относится и к будущим учителям, так как в общеобразовательной школе, да и в любой другой сфере деятельности, знания современного педагога так или иначе связаны со знанием электротехники, радиотехники, электроники, компьютерной техники. Эта связь проявляется как прямо, при преподавании соответствующих предметов и тематических разделов по программе, так и косвенно при преподавании смежных предметов, гак как современное обучение невозможно без знания и умения использования современных радиоэлектронных средств обучения, проектирования и производства. Использование в учебном процессе современных технических средств обучения и информационных технологий позволяет значительно повысить эффективность процесса обучения общетехническим дисциплинам и научить студентов пользоваться новыми информационными технологиями и применять их на практике. Применение информационных технологий в обучении отражено в концепции информатизации образования [100, 101, 102].
Под информатизацией образования принято понимать процесс обеспечения сферы образования методологией и практикой разработки и оптимального использования новых информационных технологий (НИТ ориентированных на реализацию психолого-педагогических целей обучения, воспитания, создание методических систем обучения, развивающих потенциал обучаемого, формирующих умения самостоятельно приобретать знания, осуществлять информационно учебную, экспериментально-исследовательскую деятельность, разнообразные виды самостоятельной деятельности по обработке информации. Термин «информационные технологии» ввел академик В.М. Глушков [50], он же определил, что информационные технологии - процессы, связанные с переработкой информации. Н.В. Апатова [14] конкретизировала приведенное выше определение уточнив, чш информационные технологии - это совокупность средств и методов, с помощью которых осуществляется процесс переработки информации. Более полное определение ввела И,В. Роберт [175]. Под информационной технологией обучения понимается процесс подготовки и передачи информации обучаемому с помощью программно-аппаратных средств и устройств, функционирующих на базе микропроцессорной техники, а также современных средств и систем информационного обмена, обеспечивающих операции по сбору, продуцированию, накоплению, хранению, обработке и передачи информации. Опираясь на материалы научных исследований, отраженных в работах И.В. Алехиной, ИМ. Апатовой, И.В. Роберт, Т.И. Сергеевой, А.Д. Сазонова, С.С. Свириденко и др. ученых можно сделать вывод, что современные новые информационные технологии обучения (СНИТО) есть совокупность внедряемых в систему образования принципиально новых методов и средств информационно-учебной деятельности, осуществляемой в соответствии с закономерностями учебно-воспитательного процесса. 2? К СНИТ относятся ПЭВМ, вычислительные локальные сети5 средства ввода-вывода и манипулирования информацией, средства архивного хранения больших объемов информации, устройства для преобразования аудиовизуальной информации - мультимедиа, современные средства связи, программы и др. В настоящее время внешня школа все еще находится в начале внедрения новых информационных технологий обучения на базе компьютерной техники:
распространяется первый положительный опыт использования педагогических программных средств и основ информационных технологий в образовательных курсах;
методически обосновывается применение современных компьютерных технологий;
изменяется традиционная методика обучения, вбирающая фрагменты использования информационной технологии в обучении,
С этим связан новый этап внедрения информационных технологий
перевод вузовских курсов па новую технологию обучения;
широкое использование информационных технологий в отдельных темах, т.е. преподавание различных предметов с применением новых информационных технологий обучения;
все более частое обращение педагогов к компьютерам при подготовки к занятиям и в управлении учебным процессом.
Для внедрения информационных технологий е образование также необходимо решить целый ряд задач - подготовить учителей, знакомых с возможностями информационных технологий, провести анализ действующих программ по предметам и определить возможные направления их компьютерной поддержки, произвести выбор технических и программных средств, на основе которых должны быть созданы учебно-методические комплексы; разработать комплекс нормативных документов по использованию компьютерных технологий в обучении, регламентирующих подготовку учителей, возможную систему стимулирования, безопасность работы преподавателя и обучаемого; приступить к поэтапному насыщению учебных заведений компьютерной техникой, обеспечить компьютерную поддержку управления образованием. Для педагогических высших учебных заведений характерным является инновационное движение. Оно определяется необходимостью перехода от подготовки учителей, способных к передаче определенных знаний и формированию простейших умений и навыков, на подготовку педагогов-творцов, способных обеспечить гармоничное развитие ребенка. Для достижения нового качества педагогического образования Министерство образования Российской Федерации разработало концепцию, в которой главные стратегические линии - это обновление педагогического образования в направлении его гуманизации и гуманитаризации, включая переход от изучения монопредметных наук к фундаментальному и практико - ориентированному образованию. Смена научной парадигмы в обновлении педагогических технологий, широкое внедрение современных информационных технологий позволяют педагогам подбирать такое содержание и способы обучения, которые были бы адекватны личностным особенностям обучаемых, соответствовали бы профессиональному опыту, имеющейся практике и осознаваемым затруднениям в педагогической деятельности. От улучшения качества профессиональной подготовки учителя во многом зависит успех развития системы образования. Среди прочих факторов уровень развития информационных технологий в образовании играет принципиальную роль, так как определяет становление информационного общества. Информатизация - объективное явление. связанное с повышением роли и степени воздействия интеллектуальных видов деятельности на все стороны жизни человека. В процессе информатизации образования происходит обеспечение сферы образования методологией и практикой разработки и оптимального использования новых информационных технологий (НИТ), ориентированных на реализацию психолого-педагогических целей обучения, воспитания, создание методических систем обучения, развивающих потенциал обучаемого, формирующего умения самостоятельно приобретать знания, осуществлять информационно учебную, экспериментально - исследовательскую деятельность, разнообразные виды самостоятельной деятельности по обрабогке информации.
Структура курса общетехнических дисциплин в педагогическом Вузе
Курс общетехнических дисциплин в педагогическом вузе включает R
себя следующие тематические разделы: "Электротехника", "Радиоэлектроника", "Радиотехника", "Основы автоматики и элементы вычислительной техники", "Цифровая техника э5. Место этих дисциплин в учебном процессе, как правило, определено на третьем и четвертом курсах педвуза после изучения высшей математики, общей и теоретической физики, а также после курсов информатики и информационного моделирования, изучение которых происходит на первом, втором курсах. Такое расположение базовых курсов позволяет избежать дублирования учебного материала и установить последователъно-параолельные во времени межпредметные (с физикой, информатикой, математикой) и внутри предметные связи с общими методами анализа, формирования единого подхода к изучению большого класса разнообразных процессов, цепей, устройств и систем, с получением пользовательских навыков работы на компьютере.
Важность установления межпредметных связей в преподавании учебных дисциплин отмечается в работах ученых-педагогов: Кирюшкина, Усовой А,ВЭ Федоровой В.Н. [198, 200] и др. Авторы отмечают, что межпредметные связи способствуют формированию системы знаний и создают целостное представление об изучаемых явлениях. Образовательный стандарт [55], учебные планы и программы по общетехническим дисциплинам ориентированы на применение в учебном процессе комплексных межпредметных связей как одного из основных дидактических принципов. Объединение вышеперечисленных
дисциплин в единый курс общетехнических дисциплин снимает или значительно ослабляет следующие недостатки:
дублирование учебного материала;
слабая связь курсов между собой;
отсутствие единой научно-технической сверхзадачи;
практическая невозможность варьировать содержанием и объемом
изучаемых тем в зависимости от местных условий (научно-методические интересы кафедры, материально-техническая база и др.)
Создание интегрированного курса общетехнических дисциплин позволяет выделить некоторые его разделы в самостоятельные дисциплины, но объединив в них материал, прежде разбросанный по всем курсам. Содержание курса общетехнических дисциплин имеет большие возможности для формирования социально-активной и гуманной позиции будущего педагога- Нужно умело пользоваться этими возможностями, обращая особое внимание на анализ перекрестных связей и влияний технических, экономических социально-политических проблем и решений, Курс обучения состоит из лекционной теоретической части и лабораторно-практических занятий. Изучение предмета сопровождается и дополняется параллельными факультативными курсами и курсами по выбору, примером которых могут служить такие курсы как «Техническое творчество», «Дополнительная специальность «Информатика»».
Шйью преподавания курса общетехнических дисциплин является формирование у будущих педагогов комплекса знаний и содержательно-методических умений и навыков, обеспечивающих в течение первых трех-пяти лет работы:
необходимый уровень преподавания в школе соответствующих разделов физики, информатики и факультативных курсов,
деятельность по трудовому и экологическому воспитанию; технически грамотную эксплуатацию и обслуживание сложной учебной электронной техники и оборудование, в том числе имеется в виду и компьютерная техника;
умелое использование в учебном процессе НИТ;
возможность дальнейшего самообразования при самостоятельном изучении новой научно-технической, учебно-методической литературы и при использовании возможностей компьютерной техники. Одной из основных задач изучения курса общетехнических дисциплин является то, что студент должен овладеть следующими понятиями;
автоматизация производства - один из основных факторов интенсификации народного хозяйства,
технотроника - отрасль человеческой деятельности, направленная на автоматизацию технологических процессов по получению и переработке вещества, энергии и информации на базе электронной техники применения НИТ;
электрификация - главнейшая предпосылка использования новых автоматизированных и компьютерных технологий;
радиотехника - техническая база средств массовой информации и каналов обмена данными в компьютерных сетях;
социальные, экономические и социологические факторы внедрения НИТ в образование;
принципы устройства и работы элементов, узлов и устройств электронных систем (информационных и энергетических);
технические и дидактические возможности использования НИТ в учебном процессе.
Целями и задачами изучения курса общетехнических дисциплин также предусматривается овладение студентами знаниями: теории электрических цепей;
принципов устройства и работы электрорадиоэлементов;
электроизмерительных приборов и электрических измерений,
электрических машин;
принципов устройства и работы электровакуумных и полупроводниковых приборов;
принципов радиосвязи и телевидения,
теории обработки и преобразования сигналов;
принципов функционирования усилительных, генераторных и преобразовательных схем;
принципов построения и функционирования радиоприёмных, радиопередающих, телевизионных устройств;
узлов и устройств автоматизированных микропроцессорных систем;
конструирования цифровых автоматов на современной элементной базе;
технических возможностей использования компьютерной техники и технологии; Кроме того, обучаемые должны овладеть умениями и навыками:
организации рабочего места;
планирования работы и выполнения правил охраны труда и техники безопасности;
пользования специальной научно-технической, учебно-методической и справочной литературой и различными системами схемотехнического компьютерного моделирования и проектирования на основе НИТ;
чтения и построения функциональных, принципиальных и монтажных схем элементов, узлов и устройств; использования конірольно-измерительной аппаратуры для определения и анализа основных параметров исследуемых систем;
использования средств вычислительной техники и возможности применения НИТ;
определения и анализа основных параметров, поиска и устранения типовых неисправностей в электрических схемах различных радиотехнических и электронных устройств;
решения конструкторско-технологических задач для оборудования школьных кабинетов физики и информатики и объектов технического творчества с использованием современной элементной базы электронной техники и НИТ.
Методика применения систем схемотехнического моделирования в процессе изучения общетехнических дисциплин
О целях, задачах, структуре и характере этих двух видов обучения было рассказано в предыдущих разделах настоящего исследования.
Следует отметить, что в настоящее время Б вузах страны во изложении материала по разделам "Радиотехника", Радиоэлектроника", крайне редко используется, например, демонстрационный эксперимент. На это влияют такие факторы:
несовершенство некоторых видов оборудования,
моральное старение приборов;
отсутствие современных демонстрационных приборов и установок, отражающих уровень современного развития радиотехники и радиоэлекгроники;
отсутствие соответствующего современным потребностям дидактического обеспечения.
Проблема разработки и производства нового поколения таких средств обучения весьма и весьма актуальна, а еще интереснее создать лекцию с демонстрационным экспериментом без создания самого демонстрационного оборудования. Использование НИТ в процессе чтения лекций требует создания качественно нового методического обеспечения курса по изучаемому предмету. Процесс подготовки лекционного курса для специализированной аудитории требует глубокого предметного и методического переосмысления материала, поэтому является эффективным средством повышения квалификации преподавателя. Студенты одобряют автоматизированную технологию лекционных занятий и отдают ей предпочтение перед традиционной. Предлагаемая методика рассчитана на использование пакета схемотехнического моделирования Electronics Workbench, описанного в предыдущем разделе, как при проведении лабораторных работ, так и в лекционной практике в качестве средства подготовки и проведения презентаций. Лекционная аудитория должна быть оборудована компьютером, установленном на столе преподавателя, и средствами, позволяющими видеть содержимое на экране преподавателя каждым студентом. Для этого может быть использован специализированный проектор. Лекция строится таким образом, что теоретический материал сопровождается демонстрацией изучаемого устройства. Например, при изучении транзистора преподаватель демонстрирует процедуру измерения параметров, снятие выходных и входных характеристик, «собрав» измерительную схему на глазах аудитории непосредственно на экране монитора с помощью встроенного схемного редактора и «подключая» виртуальные измерительные приборы. При этом даются необходимые пояснения как относительно теоретического материала, так и по использованию программной среды. Таким образом, студенты уже на лекции подготавливаются к проведению лабораторных работ, закрепляющих материал, прочитанный на лекции. Лекции представляются чередующимися фрагментами в необходимых объемах в методически обоснованной последовательности с заданными или диктуемыми целесообразностью временными интервалами, При демонстрации используется указатель, с помощью «мыши» перемещаемый по экрану по желанию лектора. Нужные части, элементы материала выделены разными шрифтами, размерами, цветами, расположением. Включены управляемые динамические модели лекционных демонстраций, устройств, процессов, зависимостей. Electronics Workbench "вдыхает5 жизнь в лекции с помощью виртуальных инструментов. Подключив виртуальный прибор пакета Electronics Workbench, наблюдается картина, которую можно получить используя реальный прибор. Регулируя параметры компонентов симулируемой схемы можно наблюдать мгновенную реакцию временной диаграммы на это. С помощью подобных приборов, соответствующих реальной действительности, легко исследовать различные конфигурации и использовать сценарии типа «а что если» во время лекций и при подготовке к лабораторным занятиям. Можно перечислить некоторые приборы, имеющиеся в системе - осциллограф, 16-канальпый логический анализатор, функциональный генератор, мультиметр, генератор слов, плоттер Боде (измеритель АЧХ) и другие.
Данная система приспосабливается к любому учебному плану. Electronics Workbench дополняет любой стиль обучения. При использовании ее для иллюстрации лекций, Electronics Workbench вносит ясность при чтении теоретического материала учебников и улучшает имеющиеся лаборатории. Как бы не был организован учебный процесс. Electronics Workbench помогает преподавателю делать его лучше. Можно перечислить основные особенности, которые соответствуют запросам практически любого преподавателя радиоэлектроники и цифровой техники - интерактивная симуляция смешанных аналого-цифровых схем; встроенные виртуальные инструменты и приборы; сотни деталей, тысячи моделей; немедленное обновление индицируемых временных диаграмм; расширенные возможности анализа, например Фурье-анализ; уникальные особенности для поиска неисправностей, плюс все, что было перечислено выше и будет перечислено ниже.Осознание того факта, что за последнее десятилетие у студентов заметно снизился интерес к учебе, способствует поиску новых активных методов преподавания и применению их на лекциях и практических занятиях. Повысить уровень знаний студентов, их практическую подготовку и заинтересованность в учебе призвано внедрение в учебный процесс методов компьютерного моделирования и проектирования, что, в частности, важно и при организации дистанционного обучения, В компьютеризации учебного процесса можно отметить два направления: изучение самой вычислительной техники и применение ее при изучении других дисциплин, в данном случае общетехнических. Основная проблема компьютеризации состоит в разработке оптимальной, рациональной методики включения компьютеров и НИТ в традиционный процесс обучения и установление диалектического сочетания современной компьютерной и традиционной технологий обучения.
Методике преподавания естественных наук [125] и традиционным методам обучения при изучении общетехнических дисциплин посвящены работы Абдулиноой О.А., Аграновского К.К,, Златогурского Д.Н., Киселева В.Г,, Баскакова СИ,, Быстрова Ю.А. и Мироненко ИХ., Витязя О А., Гимранова М.В., Гомоюнова К.К., Гоноровского НС, Грушевского ЮА и Каторгина В.А., Денисова С,Ф. и Дмитриевой В.М., Ерофеева Ю.ЬГ, Изъюровой Г.И. и Королева В.Г., Когана ВМ., Мальцевой Л.А., Фромберга Э.М и Ямпольского B.C., Пасынкова В.В, и Чиркина Л,К., Реда Э.Т, Стейнберга У.Ф., Степанова А.А., Токхейма Р., Хоровица П.И„ ХиллаУ.,ШихинаА.Я. [3,9,24,38,41,47,52,53, 58. 62, 81,97, 120, 205, 223, 144, 172, 188, 189, 195, 20S, 217] и др.
Методы обучения с использованием вычислительной техники в той или иной форме при изучении естественных и общетехнических дисциплин рассматриваются следующими авторами: Андреевым В.И., Анциферовым Л.И., Грушевским ЮЛ. и Каторгиным В.А., Дрига И.И, и Рахом Г,И., Захаровым А,М.? Карчевской М,В., Клейман Д.М,, Клещеевой Н.А,, Посновой М.Ф., Прессман Л.П, Прядехо А.А., Разевигом В.Д., Резником Н,И.; Филатовым О К,, Шамало А.Я.. Шайлановьщ С.Н., Шлапаковым И.М., Шуваевым В.Г. и Чулковым В.П. [12, 13, 59, 66, 77, 87, 91, 92, 153, 156, 157, 160, 161, 168, 169, 173, 203, 216, 215, 219, 220], а также в зарубежных публикациях [224, 225, 226, 227, 228]. В последние годы технологии глобальных компьютерных сетей активно внедряются в научно-образовательную деятельность вузов. Вопросам и проблемам дистанционного обучения уделяют внимание авторы: Богданова Д.А., Полат Е.С., Уолренд Д. [35, 152, 197] и др. Сегодня Internet позволяет любому студенту, где бы он не находился, в университетском городке или за его пределами, с помощью компьютера, подключенного хотя бы к телефонной сети, иметь у себя «под рукой» не только справочно-методический материал, но и обладать мощными сетевыми возможностями - оперативной связью с преподавателем (консультантом); доступом к российским и международным библиотечным ресурсам (библиографии, газеты, журналы, учебники), доскам объявлений (расписание, анонсы различных мероприятий и тлі), системам оперативной проверки знаний (тестирование по любым вопросам) и т. д., что делает образование наиболее массовым и доступным вдали от образовательных метрополий. В полной мере возможность применения в таком виде образования можно отнести и разработанную методику изучения общетехнических дисциплин с применением НИТ,
Рассмотрим возможность интеграции компьютерных технологий на примере преподавания общетехнических дисциплин. Процесс преподавания любой дисциплины состоит из лекционно-теоретических и лабораторно-практических занятий. Следовательно, по этим двум направлениям и необходимо искать пути совершенствования учебного процесса.
