Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Развитие педагогических технологий реализации лабораторного практикума и тенденции их развития в дистанционном инженерно-техническом образовании 16
1.1. Роль и место лабораторного практикума в инженерно-техническом образовании 16
1.2. Анализ состояния разработки проблемы организации лабораторного практикума в заочном и дистанционном инженерном образовании 28
1.3. Организация и методика исследования проблемы применения виртуальных лабораторий в учебном процессе технических ВВУЗов 47
Глава 2. Экспериментальное исследование процесса дистанционного образования в технических ВВУЗах на основе использования виртуальных лабораторий 60
2.1. Анализ возможных вариантов организации лабораторного практикума в заочном и дистанционном образовании технических ВВУЗах 60
2.2. Разработка программы эксперимента по использованию в учебном процессе виртуальных лабораторий 70
2.3. Анализ результатов эксперимента по использованию виртуальной теплофизической лаборатории в учебном процессе 86
Глава 3. Необходимые условия эффективного применения виртуального лабораторного эксперимента в дистанционном образовании военнослужащих 95
3.1. Требования к методической поддержке выполнения расчетно-экспериментальных заданий 95
3.2. Структура и параметры компьютерно-моделирующих комплексов с эмуляцией лабораторных измерений 107
3.3. Условия эффективного использования сетевых технологий проведения лабораторного эксперимента 118
Заключение 135
Литература 139
Приложения 155
- Роль и место лабораторного практикума в инженерно-техническом образовании
- Анализ возможных вариантов организации лабораторного практикума в заочном и дистанционном образовании технических ВВУЗах
- Требования к методической поддержке выполнения расчетно-экспериментальных заданий
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время деятельность высшей школы России, реформа высшего образования направлена на выполнение Закона Российской Федерации об образовании и постановлений правительства по вопросам образования, так как прогресс в экономическом, социальном, культурном и техническом развитии страны возможен только при условии совершенствования национальной образовательной системы.
В последние годы выработана и начинает реализовываться многоуровневая структура высшего образования.
Имея ввиду, что высшее образование - это прежде всего самообразование, а самообразование это прежде всего активные действия обучаемого, высшая школа должна быть лучшим инструментом, который раскрывает обучаемому основные методы мышления и исследования. Молодые люди, приходящие на первый курс высших военных учебных заведений, зачастую не умеют ни логически мыслить, ни следить за чужими мыслями, ни читать книги, ни пользоваться компьютерами, ни выражать свои мысли. Однако главная задача высшей школы - это привития обучаемым определенного уровня культуры, как важнейшей составляющей образованности. Из ВВУЗа должен выходить, прежде всего, образованный человек. Рост образованности сегодня выступает важнейшим социальным заказом для высшей школы, в том числе и для технических ВВУЗов. [30]
Следует особо подчеркнуть, что отечественная педагогика всегда устанавливала тесную взаимосвязь между совершенствованием деятельности и формированием личности обучаемых. Только при включении обучаемого в активную учебную деятельность, адекватную содержанию и целям обучения и воспитания, можно сформировать личность. Обоснование принципа единства познания и деятельности
содержатся в фундаментальных исследованиях ведущих отечественных психологов: Л.С.Выгодского, П.Я.Гальперина, А.Н.Леонтьева, С.Л.Рубинштейна, А.А.Смирнова, В.М.Теплова, Н.Ф.Талызиной и др.
В этой связи, П.И. Пидкастый, говоря о взаимосвязи сознания и деятельности, писал: «Специфическая особенность человеческой деятельности заключается в том, что сознательная и целенаправленная деятельность. В ней и через нее человек регулирует свои цели, объективирую свои замыслы и идеи в преобразуемой им действительности. Вместе с тем объективное содержание предметов, над которыми он оперирует, и общественной жизни, в которую он своей деятельностью включается, входит определяющим началом в психику индивида. Значение деятельности в том прежде и заключается, что в ней и через нее устанавливается двойственная связь между человеком и миром, благодаря которой бытие выступает как реальное единство и взаимопроникновение субъекта и объекта» [108].
Многие дидакты и философы прошлого (Платон, Аристотель, Я.А. Коменский, И.Г.Песталоцци, К.Д.Ушинский и др.) отмечали, что развитие и образование ни одному человеку не могут быть даны или сообщены. Всякий, кто желает научиться чему-либо, должен достигнуть этого собственной деятельностью, собственными силами, собственным напряжением. То есть главные усилия педагогов должны были направлены на то, чтобы научить обучаемого учиться, то есть самостоятельно и активно добывать новые знания, умения, навыки и самостоятельно контролировать ход этого процесса. Поэтому в настоящее время для высшей школы во главу угла должна становиться задача переориентации дидактической системы высшей школы с преимущественно информационного типа обучения на обучение, позволяющее выявлять и развивать познавательные и творческие способности студентов, управлять формированием их самостоятельной
активности, а так же воспитывать в этом процессе волевые и
профессиональные свойства личности, . обеспечивающие
самостоятельную, активную, целеустремленную и, главное, результативную учебную и профессиональную деятельность учащихся [109].
Таким образом, важнейшим вопросом в решении задачи повышения эффективности и качества учебного процесса является проблема активизации и управления познавательной деятельностью обучаемого с опорой на развитие элементов самостоятельности, самоуправления и самоконтроля.
Эффективность обучения определяется качеством подготовки специалистов при заданном уровне затрат на обеспечение учебного процесса. Качество современного специалиста в области пожарной безопасности определяется умением использовать вновь приобретенные знания для принятия технически обоснованных решений, подтвержденных нормативной документацией, расчетами или экспериментом.
Конфуций писал: «Слышу - забываю, вижу - понимаю, делаю -запоминаю». [61] Этот педагогический принцип сохраняет свою актуальность до сих пор. Поэтому при получении инженерного образования сотрудниками Государственной противопожарной службы значительное внимание уделяется формированию умений и навыков, связанных с измерением величин технических параметров и обработке результатов этих измерений. Для решения поставленных задач на дисциплинах общенаучного и общетехнического циклов в среднем от 15% до 25% учебного времени отводится на лабораторный практикум.
Традиционная технология организации и проведения лабораторного практикума по дисциплинам общенаучного и общетехнического циклов при заочной форме обучения предполагала проведение лабораторных
работ только во время пребывания слушателей в стенах учебного заведения в течение лабораторно-экзаменационной сессии, что существенно увеличивало ее продолжительность. При этом увеличивались затраты на обучение и ,отрыв военнослужащих от выполнения ими своих должностных обязанностей. С точки зрения оптимизации процесса обучения подобная технология представляется далеко не самой удачной, так как слушатели выполняют значительное количество лабораторных работ по различным учебным дисциплинам в ограниченный отрезок времени. Как показывает анализ плана обучения, на различных курсах, в течение 10 - 15 дней слушатели должны выполнить от 20 до 30 лабораторных работ, что в сочетании с написанием 4-5 письменных контрольно-проверочных работ и защитой 3-4 курсовых работ и проектов создает непосильную нагрузку на обучаемых. В таких условиях преподавателям не всегда удается добиться от слушателей соответствующей подготовки к проведению лабораторных работ, что, в свою очередь сказывается на качестве подготовки сотрудников ГПС.
Условиями успешного решения накопившихся противоречий, связанные с организацией и проведением лабораторного практикума в рамках традиционной формы - заочного обучения и получения необходимого опыта, необходимого для перехода от заочной формы обучения к дистанционному образованию военнослужащих является решение следующих задач:
нахождение путей и методов интенсификации лабораторных занятий за счет более качественной подготовки слушателей путем внедрения в педагогическую практику индивидуальных комплексных заданий, содержащих как расчетную, так и экспериментальную компоненты;
разработка вариантов методической поддержки использования материально-технической базы комплектующих органов (первичных
средств пожаротушения, технического вооружения, средств оперативной связи и пожарной автоматики, транспорта, имеющейся в наличии оргтехники) для самостоятельного выполнения слушателями индивидуальных заданий во внеаудиторный период обучения;
разработка оптимальной структуры и программная реализация программно-компьютерных комплексов, а так же необходимой методической поддержки, позволяющих слушателям выполнять лабораторные работы самостоятельно во внеаудиторный период обучения;
разработка необходимой методической поддержки, позволяющей обеспечить документирование и пересылку результатов выполнения индивидуальных заданий и лабораторных работ в институт заочного и дистанционного образования и на кафедры учебного заведения с использованием телекоммуникационных средств комплектующих органов.
Педагогическая значимость поставленной проблемы, ее недостаточная научная разработанность в психолого-педагогической и технической литературе, потребность технических ВВУЗов в практических рекомендациях по использованию дистанционных технологий обусловили выбор темы исследования, определили цель, объект и предмет исследования.
Цель исследования - разработка дистанционных педагогических
технологий организации лабораторного практикума, позволяющих
повысить качество подготовки военных инженеров при заочной форме их обучения и создание необходимых предпосылок для перехода на новую форму обучения - дистанционное образование.
Объектом исследования явился процесс дистанционного и заочного форм обучения специалистов в технических ВВУЗах.
Предмет исследования - выявление условий и путей эффективного дистанционного обучения военных инженеров в технических ВВУЗах на основе современных информационных технологий.
В процессе исследования была выдвинута рабочая гипотеза: Эффективность заочного обучения специалистов в технических ВВУЗах повысится, если:
при организации лабораторного практикума будут использованы сетевые и кейс дистанционные технологии;
формой программной реализации сетевых и кейс технологий является виртуальная лаборатория слушателя;
использовать образцы техники для выполнения лабораторных экспериментов по месту службы.
Исходя из цели и гипотезы исследования, решались следующие задачи:
Оценить возможности использования существующего отечественного и зарубежного опыта использования современных педагогических технологий проведения лабораторного практикума в учебном процессе технических ВВУЗах по дисциплинам общеинженерного цикла.
Определить и обосновать психолого-дидактические требования к комплекту учебно-методических материалов, поддерживающих дистанционные технологии проведения лабораторного практикума с учетом специфики функционирования комплектующих органов.
Разработать комплекты методической документации и соответствующего программно-компьютерного сопровождения лабораторного практикума, необходимого для внедрения в учебный процесс института дистанционного и заочного образования СПб Университета ГПС МЧС России дистанционных технологий проведения лабораторного практикума по дисциплинам «Пожарное
водоснабжение», "Гидравлика", "Основы теплотехники" и «Теплотехника».
Экспериментально подтвердить эффективность использования разработанных дистанционных технологий проведения лабораторного практикума в учебном процессе института дистанционного и заочного образования СПб Университета ГПС МЧС России на дисциплинах общеинженерного цикла.
Оценить возможность распространения разработанных дистанционных технологий проведения лабораторного практикума в учебном процессе курсантов очной формы обучения.
Методологической основой исследования явились:
философские, психологические и педагогические концепции познавательной деятельности обучаемых при самостоятельной работе над учебным материалом (СИ. Архангельский, В.П. Беспалько, Н.В. Кузьмина, Н.Ф. Талызина, В.А.Якунин и др. );
дидактические и психологические закономерности в учебном процессе (Р. Аткинсон, Д.П. Давыдов, З.Н. Занков, В.Я. Ляудис, И. Зелинский, и
др-);
применение законов кибернетики как наиболее общей теории управления учебным процессом (Н. Винер, А.И. Берг, У.К. Ричмонд В.Д. Никандров и др.).
использование системного подхода в изучении педагогических явлений.
В процессе исследования использовались следующие методы: 1. Теоретический анализ психолого-педагогической, методической и технической литературы по проблеме исследования с целью определения ее теоретической основы и разработанности.
Контент-анализ учебно-методической литературы и планирующей документации дисциплин общеинженерного цикла, разработанных для института дистанционного и заочного образования.
Программная реализация необходимых функций обработки результатов лабораторных измерений и моделирования физических процессов
Наблюдение за работой курсантов и слушателей во время выполнения ими лабораторного практикума.
Педагогический анализ письменных работ и устных ответов слушателей, статистическая и качественная обработка результатов.
Свободное интервью и анкетный опрос слушателей и преподавателей, анализ результатов опроса и беседы.
Запись на магнитный носитель результатов обращения слушателей к моделирующему комплексу.
Использование личного опыта преподавания автора в пожарно-технических ВУЗах МВД и МЧС.
Анализ экспертных оценок методических материалов и программных продуктов.
Ю.Педагогический эксперимент: констатирующий и формирующий. Логика исследования:
Исследование проводилось в несколько этапов в период с 2002 по 2008 годы.
На первом этапе (2002-2005г.г.) проводилось изучение
педагогической, психологической, методической и технической литературы, относящейся к исследуемой проблеме, производилось обоснование темы и определение задачи исследования, была сформулирована рабочая гипотеза исследования.
На втором этапе (2005-2007 г.г.) в теоретическом аспекте было проведено уточнение гипотезы исследования, обоснование связей между компонентами предлагаемого программного продукта и методическим обеспечением. Практический аспект исследования состоял в разработке программы и проведении констатирующего и формирующего экспериментов, была проведена программная реализация версии виртуальной теплофизической лаборатории.
На третьем этапе (2007-2008 г.г.) в теоретическом аспекте произведено уточнение и доработка предлагаемых условий эффективного использования виртуальной лаборатории. В практическом аспекте -проведение контрольного измерения эффективности использования виртуальной лаборатории, а так же программная реализация уточненных версий виртуальной теплофизической лаборатории.
Кроме того, был проведен теоретический анализ результатов исследования и оформление диссертационной работы. На защиту выносятся:
Авторская концепция обеспечения условий эффективности обучения слушателей дистанционной формы образования по общетехническим дисциплинам основе использования виртуальных лабораторий.
Методика использования виртуальной лаборатории в рамках новой формы самостоятельной работы - выполнения комплексного расчетно-экспериментального задания.
Оптимальная форма реализации дистанционных технологий в виде виртуальной лаборатории.
Разработанные автором в ходе исследования теоретические выводы и практические рекомендации.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования
состоит в том, что:
Сформулирована концепция сопровождения дистанционных технологий реализации лабораторного практикума в учебном процессе технических ВВУЗов.
Разработана структура оригинальной виртуальной лаборатории, реализующей как информационные функции, так и функции проведения виртуального эксперимента применительно к задачам обеспечения внеаудиторной самостоятельной работы слушателей дистанционной формы обучения.
Разработана структура оригинального автоматизированного рабочего места преподавателя, реализующего функции информационной поддержки проверки выполнения курсантами и слушателями индивидуальных расчетно-экспериментальных заданий (РЭЗ), предварительной оценки качества их выполнения и формирующего рецензию на выполненное задание по разработанным критериям.
Практическая значимость исследования состоит в том, что:
На основании сформулированных психолого-дидактических требований разработан комплект учебно-методических материалов для самостоятельной работы слушателей дистанционной формы обучения по дисциплине «Термодинамика и теплопередача», поддерживающих функции виртуального лабораторного эксперимента:
Внедрена в педагогическую практику Санкт-Петербургского Университета ГПС МЧС РФ виртуальная теплофизическая лаборатория «COMMOD».
3. Методические и программные разработки, полученные при создании виртуальной лаборатории "COMMOD" были использованы при создании технических заданий для других учебных предметов ВУЗа: «Пожарное водоснабжение», "Гидравлика", "Основы теплотехники" и «Теплотехника». Достоверность научных положений, полученных результатов и обоснованность рекомендаций обеспечивалась:
выбором обоснованных и проверенных на практике показателей эффективности разработанного программного продукта как инструмента реализации дистанционных технологии выполнения лабораторного практикума;
длительностью (более 2-х лет) эксперимента, измерением остаточных знаний экспериментальной и контрольной группы независимыми экспертами;
применением методов математической статистики и возможностей современных ПЭВМ при сборе и обработке полученных в ходе эксперимента данных;
согласованностью прогнозов исследования и достижений передового педагогического опыта высших учебных заведений, личным опытом преподавания автора в технических ВВУЗах.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на:
международной конференции «Современные технологии обучения». - СПб.: - 2005 г.
международной конференции «Региональная информатика-2006». -СПб: - 2006 г.
Внедрение результатов исследования осуществлялось непосредственно в ходе формирующего эксперимента в Санкт-Петербургском Университете ГПС МЧС России, разработанный автором программный продукт был рекомендован к использованию в учебном процессе кафедры физики и теплотехники Санкт-Петербургского Университета ГПС МЧС России со слушателями дистанционной и заочной форм обучения.
Роль и место лабораторного практикума в инженерно-техническом образовании
Современное понятие «лабораторный практикум» тесно связано с традиционным более широким понятием «лабораторная работа» и включает в себя, не только собственно процесс проведения лабораторного эксперимента, но и инструментарий этого процесса, необходимый для осуществления лабораторного эксперимента самим обучаемым в рамках используемой технологии обучения. Под технологией обучения понимается определенная системная концепция, которая обеспечила бы оптимальную организацию учебного процесса на основе использования современных информационных средств. [38]
При осуществлении лабораторного эксперимента обучаемые, как правило:
определяют цель лабораторного эксперимента;
выдвигают проверяемую гипотезу или выбирают таковую из предлагаемого списка;
подбирают необходимые измерительные приборы и вспомогательное оборудование;
собирают и тестируют экспериментальную установку;
проводят необходимые предварительные наблюдения за ходом эксперимента;
проводят предусмотренные методикой проведения необходимые измерения;
по результатам проведенных измерений вычисляют абсолютные и относительные погрешности измеряемых величин, проводят статистическую обработку полученных результатов;
в случае косвенных измерений проводят обработку полученных результатов;
строят графические зависимости непосредственно измеренных величин и величин, полученных в ходе обработки результатов измерений;
анализируют полученные результаты и делают вывод о корректности выдвинутой или выбранной гипотезы, принимают либо отвергают ее;
оформляют отчет по результатам эксперимента и производят его защиту в случае необходимости.
При этом обучаемые формируют экспериментальные умения и навыки и развивают конструкторские способности при работе с различным оборудованием.
В учебном процессе технического учебного заведения лабораторный практикум выполняет следующие основные функции:
1. Является источником новых знаний о физических явлениях, принципах работы приборов, аппаратов, машин и механизмов, технологических процессов.
2. Обеспечивает фундаментальное основание уже известных по ранее изученному материалу теорий, критерий истинности полученных знаний в ходе теоретического курса.
3. Служит иллюстрацией изучаемых явлений, живым созерцанием, средством раскрытия их практических применений. [37]
Поскольку лабораторный эксперимент, как правило, организуется на конечной стадии изучения соответствующей темы, то, на основе его результатов обучаемые оценивают свою деятельность в целом и отдельные действия, свои успехи и неудачи, а также производят нужную корректировку проделанной работы, восполняют обнаруженные пробелы, то есть, в конечном счете, от того, насколько удачно организован лабораторный практикум, в значительной степени зависит качество его профессиональной подготовки.
Анализ возможных вариантов организации лабораторного практикума в заочном и дистанционном образовании технических ВВУЗах
Педагогическая сущность процесса обучения военнослужащих и воинских коллективов изучается частью военной педагогики - военной дидактикой. Военная дидактика это относительно самостоятельная в рамках военной педагогики научная дисциплина. Основной ее целью является раскрытие общих закономерностей обучения военнослужащих, его содержания, принципов, методов, организационных форм, то есть тех проблем, которые относятся к обучению и образованию военнослужащих. В системе педагогических наук военная педагогика на протяжении длительного времени развивается на стыке педагогики и военной науки. В системе учебных заведений военные высшие технические учебные заведения занимают особое место. Обучающиеся в них курсанты и слушатели готовятся для специфической деятельности, связанной с несением боевой службы в мирное время и выполнением своих обязанностей в трудной и сложной боевой обстановке. Помимо общегражданских качеств, которыми должен обладать будущий офицер, он должен иметь ряд особых морально-психологических качеств, необходимых в боевой обстановке и службе: широкого, быстро переключающегося и устойчивого внимания, хорошей наглядно-образной и словесно-логической памяти, гибкости и глубины мыслительных процессов. [113]
Офицерам, выпускникам технических ВВУЗов, необходимы, кроме того, некоторые специфические качества, связанные с его инженерной деятельностью. Для целостного анализа инженерной деятельности существенно установить наиболее общий способ связи, который, по определению В.И. Свидерского, образует основная структура явлений. [124] И элементом основной структуры инженерной деятельности является действие инженера, результат которого выражается в инженерном решении. Основная структура инженерной деятельности характеризует способ связи ее элементов в самом общем виде. Внешняя же структура инженерной деятельности дает возможность представить роль технических наук в инженерном образовании и правильно определить роль лабораторного практикума.
Требования к методической поддержке выполнения расчетно-экспериментальных заданий
Одной из важнейших задач на пути внедрения виртуальных лабораторий в инженерном ВУЗе МЧС РФ является создание обширной информационной базы данных, которая в конечном итоге должна содержать в электронном виде учебную, учебно-методическую, справочную и в идеале некоторую дополнительную литературу для более глубокого изучения дисциплин вуза.
Плохое обеспечение литературой, а особенно специальной, в удаленных от центра городах не позволяет слушателям дистанционной формы обучения найти необходимую информацию для выполнения контрольных заданий, а основная масса литературы в библиотеках морально устарела и не может удовлетворять современным требованиям к знаниям сотрудников Государственной противопожарной службы.
Поэтому прежде всего необходимо провести работу по переводу учебной литературы и учебно-методических изданий в электронный вид. Это огромная, но исключительно нужная работа, особенно учитывая сказанное выше. Такая база данных является начальным этапом, платформой для создания качественного дистанционного образования в системе МЧС.
Необходимо отметить, что не всякий печатный текст можно .разместить в Глобальной сети, он должен быть "читаем" и удобен в пользовании, т.е. во-первых - это должен быть гипертекстовый документ. Во - вторых электронный учебник или пособие отвечает несколько иным требованиям к изложению материала, учитывая, что слушатель дистанционной формы обучения самостоятельно осваивает дисциплину, в том числе и проводит виртуальных эксперимент. Специфичные требования к документам, размещаемым на сервере Института дистанционного и заочного образования университета, порождают еще одну проблему - необходима специальная группа сотрудников.
Независимо от типа носителя (обычная учебная книга или электронное пособие) традиционно высоким дидактическим потенциалом обладает текст, который по-прежнему остаётся важнейшим источником знаний по предмету. В новой среде учебные тексты имеют гипертекстовую архитектуру, разнообразны по содержанию и имеют значительную научно-популярную составляющую. Грамотная организация электронного учебного текста - основа для формирования у слушателей заочной формы обучения обобщённых умений в потреблении и обработке «готового» знания. Инструментарий виртуальной среды позволяет слушателям искать и систематизировать информацию, готовить рефераты, обзоры, презентации, сопровождающие устные сообщения по предмету и пр.
Педагогическая практика показывает, что для обеспечения необходимой мотивации оперативного выполнения индивидуального задания на лабораторный эксперимент рекомендуется использовать контролирующие программы еще на этапе изучения теоретического материала. Работа с виртуальной лабораторией также должна начинаться с предлабораторного коллоквиума, который проводится в форме программированного опроса на готовность обучаемого к осмысленному проведению лабораторного эксперимента. Здесь возможно использование как линейных, так и разветвленных обучающих программ, хотя в [85] В.Д. Никандров отмечает, что в линейных обучающих программах вопросы формулируются таким образом, что, по крайней мере, девять из десяти ответов будут правильными, и это должно обеспечить необходимую положительную мотивацию. Как видно из анализа, в линейных обучающих программах действие алгоритмов функционирования и управления можно признать достаточно сбалансированными, но излишне детерминированными. [117] Разветвленная обучающая программа это «индивидуальный», без участия преподавателя метод обучения, который представляет собой автоматизацию традиционного процесса индивидуального обучения. [95] Материал, подлежащий изучению, преподносится слушателям в виде малых порций информации (обычно в виде одного параграфа или меньше, но не более одной страницы или экрана), усвоение которых немедленно проверяется. Результат проверки автоматически определяет материал, который предъявляется слушателю вслед за этим. После ответа на проверочный вопрос обучаемому автоматически предъявляется следующая порция и следующий вопрос. Если обучаемый ответил на вопрос неправильно, предыдущая порция информации рассматривается заново, ему объясняется характер ошибки и производится повторная проверка. Контрольные вопросы предполагают множественность при выборе ответа, причем для каждого неправильного ответа из этого набора предусмотрена особая корректирующая последовательность порций учебной информации.
