Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 9
І.І. Обучение (E-learning) - новая форма образования... 9
1.1.1. Инновационные технологии обучения 9
1.1.2. Дидактическая концепция электронного обучения 14
1.1.3. Информационные образовательные технологии 16
1.1.4. Принципы создания электронных учебных средств 21
1.1.5. Основные компоненты мультимедийного обучающего курса . 22
1.1.6. Проблемы идентификации обучающегося в электронном учебном процессе 31
1.1.7. Анализ качества электронного обучения 32
1.2. Электронное обучение в химико-технологическом и фармацевтическом образовании 35
1.2.1. Существующие системы электронного обучения специалистов по химико-технологическим и фармацевтическим специальностям 36
1.2.2. Компоненты мультимедийного обучающего курса по химико- технологическим и фармацевтическим специальностям 44
1.3. Выводы 50
1.4. Постановка задач исследования 51
2. Системный анализ в электронном обучении по химико-технологическим и фармацевтическим специальностям
2.1. Мультимедийные технологии в электронном обучении по химико- технологическим и фармацевтическим специальностям 52
2.2. Модульный принцип в создании мультимедийных обучающих курсов по химической технологии и фармацевтике 55
2.2.1.Источники информации для создания мультимедийных обучающих курсов в области химической технологии и фармацевтики 56
2.2.2. Структура мультимедийного обучающего курса по химической технологии и фармацевтики 59
2.3. Новые возможности электронного обучения 67
3. Мультимедийные обучающие курсы по химической технологии и фармацевтике
3.1. Мультимедийный обучающий курс «Оборудование и технологии фармацевтического производства» 74
3.1.1. Мультимедиа лекции 75
3.1.2. Видеолекции 87
3.1.3. Виртуальный лабораторный практикум по изучению гидродинамики псевдоожиженного слоя 89
3.1.4. Компьютерная система промежуточного контроля знаний . 104
3.1.5. Электронный учебник «Информационные системы и базы данныхв фармацевтике» 107
3.1.6.Ссылки на Интернет-ресурсы 111
3.2. Мультимедийные обучающие курсы по фармацевтике и химической технологии 115
3.2.1.Мультимедийный обучающий курс «Производство твердых лекарственных форм» 115
3.2.2. Мультимедийный обучающий курс «Производство жидких стерильных лекарственных форм» 118
3.2.3. Мультимедийный обучающий курс «Производство дисперсных лекарственных форм» 122
3.2.4. Мультимедийный обучающий курс «Процессы и аппараты химической технологии» 125
4. Базы данных как составная часть мультимедийных обучающих курсов по фармацевтике
4.1. Система баз данных по фармацевтике «PHARM» 136
4.2. База данных по патентам стерилизующих и дезинфицирующих средств 144
5. Заключение 149
6. Список литературы 150
- Основные компоненты мультимедийного обучающего курса
- Мультимедийные технологии в электронном обучении по химико- технологическим и фармацевтическим специальностям
- Виртуальный лабораторный практикум по изучению гидродинамики псевдоожиженного слоя
- База данных по патентам стерилизующих и дезинфицирующих средств
Введение к работе
Актуальность проблемы. В наиболее развивающихся отраслях
промышленности, какими, без сомнения, являются химическая и
фармацевтическая отрасли, спрос на специалистов высокого
профессионального уровня постоянно возрастает. Причина этого роста
заключается в том, что в вышеназванных отраслях все чаще разрабатываются
новые продукты, инновационные уникальные технологии, применяется
современное оборудование, а также происходит компьютеризация многих
производственных процессов. В связи с этим возникает острая необходимость
пересмотра существующих образовательных технологий и внедрение
современных информационно-коммуникационных технологий в
образовательный процесс. В сложившейся ситуации наиболее подходящей формой организации учебного процесса является электронное обучение, основной задачей которого является выведение на более высокий качественный уровень образовательных услуг, связанных с обучением, переподготовкой и повышением квалификации специалистов химической и фармацевтической отраслей.
Несмотря на стремительное внедрение электронного обучения в России и за рубежом, существует задержка в развитии электронного обучения по химико-технологическим и фармацевтическим специальностям по сравнению с реализацией электронного обучения по гуманитарным специальностям. Лимитирующими факторами при этом могут выступать особенности предметной области. Ликвидация упомянутого отставания с помощью создания мультимедийных обучающих курсов и средств электронного обучения с учетом особенностей подготовки специалистов в области химической технологии и фармацевтики представляет собой ключевой шаг к выводу электронного обучения в этих областях на принципиально новый уровень развития.
Основные научные результаты диссертации использованы при выполнении проекта «Интеграция научной и образовательной деятельности в рамках Российско-Швейцарского учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий» код РНП. 2.2.1.1.8730 при активной поддержке профессора Г. Леуенбергера (Фармацевтический институт г. Базель (Швейцария) .
1 Автор выражает свою признательность профессору Таисии Васильевне Мещеряковой за существенную помощь в подготовке диссертации.
Цель работы заключается в разработке с позиций системного анализа структуры мультимедийного обучающего курса, основанной на модульном принципе организации электронного обучения по химико-технологическим и фармацевтическим специальностям.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
анализ существующих систем электронного обучения по химико-технологическим и фармацевтическим специальностям;
разработка мультимедиа лекций, видеолекций, виртуального лабораторного практикума, компьютерной системы контроля знаний и электронного учебника, являющихся важными средствами электронного обучения, а также компонентами мультимедийных обучающих курсов;
разработка мультимедийных обучающих курсов по химической технологии и фармацевтике;
разработка моделей представления, хранения и поиска данных в области фармацевтики.
Научная новизна. Основные результаты диссертационной работы, представленные к защите и имеющие научную новизну, заключаются в следующем:
на основе модульного принципа разработана структура мультимедийного обучающего курса для электронного обучения по химико-технологическим и фармацевтическим специальностям. Применение модульного принципа позволяет отображать сложность, изменяемость, многоуровненность химической и фармацевтической отраслей промышленности, а также учитывать специфику организации электронного учебного процесса;
с учетом особенностей подготовки специалистов в области химической технологии и фармацевтики разработаны средства электронного обучения: мультимедиа лекции, видеолекции, виртуальный лабораторный практикум, компьютерная система контроля знаний и электронный учебник;
разработаны модели представления, хранения и поиска данных в области фармацевтики (по лекарственным препаратам и наполнителям).
разработана оригинальная модель представления, хранения и поиска данных по патентам стерилизующих и дезинфицирующих средств, позволяющая
создавать проблемно-ориентированную базу данных для подготовки фармацевтов в системе электронного обучения.
Практическая значимость. Разработанные на основе модульного принципа мультимедийные обучающие курсы по химической технологии и фармацевтике, а также их компоненты успешно внедрены в учебный процесс на кафедре процессов и аппаратов химической технологии и на факультете технологии органических веществ и химико-фармацевтических средств РХТУ им. Д.И.Менделеева. Созданная система баз данных по фармацевтике и база данных по патентам стерилизующих и дезинфицирующих средств могут быть включены в состав мультимедийных обучающих курсов, и использоваться для подготовки специалистов в области фармацевтики, а также быть востребованы профессионалами, работающими в фармацевтической отрасли.
Апробация. Результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: 15th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA'2002, Прага, 2002; Международная конференция молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2002», РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва, 2002; IV Научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов, Новомосковск, 2002; VII Межвузовская учебно-методическая конференция «Химико-технологические ВУЗы и Болонский процесс. Современные технологии обучения», Москва, 2005; VIII Межвузовская учебно-методическая конференция «Современные тенденции подготовки химиков-технологов: международный опыт и российские традиции», Москва, 2006; 17th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA'2006, Прага, 2006.
Созданные программные продукты используются в работе действующего портала электронного обучения «Pharmaceutics-Online» для студентов факультета технологии органических веществ и химико-фармацевтических средств РХТУ им. Д.И.Менделеева.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 учебных пособия.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и содержит 160 страниц основного текста, 57 рисунков и 2 таблицы. Список литературы состоит из 134 наименований.
Основные компоненты мультимедийного обучающего курса
Система включает в себя учебную информацию по всему комплексу дисциплин, необходимых для качественной подготовки инженера по химической технологии на 1-5 курсах, и применяется как при традиционном, так и при электронном обучении.
Согласно результатам опытно-экспериментальной проверки на базе Тамбовского государственного технического университета, организация химико-технологической подготовки инженера в вузе с использованием предложенной методики на основе описываемой среды способствует полному выполнению всех психолого-педагогических и дидактических принципов, требований и условий, активизируя учебно-познавательную деятельность студентов, повышая их мотивацию и уровень сформированности профессиональной культуры.
В Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева введен в эксплуатацию и успешно функционирует сервер химико-технологического образования. На сервере проведено тестирование программного комплекса «Виртуальный университет», систем дистанционного обучения «Прометей-2», «Доцент», использование которых в системе открытого химико-технологического образования является основой созданного в РХТУ образовательного портала (http://www.distant.ru). Внедрение информационно-образовательной среды в РХТУ активизировало работы по созданию электронных обучающих программ различных дисциплин, которые размещаются на образовательном сервере университета. Большое внимание уделяется разработкам специализированных сайтов, предназначенных, в основном, для поддержки учебно-организационной, учебно-методической деятельности кафедр университета и собственно учебного процесса [97, 98].
На крупном немецком фармацевтическом предприятии Glatt в г. Бинзене (Германия) создан технологический центр обучения ТТС, целью которого является проведение семинаров по следующим тематикам: гранулирование, таблетирование, нанесения покрытий, инкапсуляция и др. Также в процессе тренингов рассматриваются вопросы инновационных подходов, имеющих первостепенное значение в фармацевтическом и химическом производстве. Центр распространяет электронные версии материалов своих семинаров, которые помимо теоретической части содержат видеоролики с описанием различных процессов, применяемых в фармацевтической индустрии, и показом работы оборудования фирмы Glatt. Руководители технологического центра чувствуют необходимость проведения своих тренингов с помощью информационно-коммуникационных средств и в ближайшем будущем планируют организацию электронного обучения для специалистов в области химической технологии и фармацевтики [ 99].
В технологическом университете Вены (Австрия) на химическом факультете разработана система электронного образования iChemEdu, которая включает в себя три взаимосвязанных компонента iChemLab, IchemLecture и iChemExam [100]. 1. iChemLab - база данных, содержащая почти 400 детальных экспериментальных протоколов, полученных в результате проведения 7000 студентами экспериментов за последние 5 лет. Такая система решает проблему накопления знаний и хранит информацию о методиках проведения, результатах эксперимента и полученных данных (таких как выход химической реакции, физические свойства, спектры, хроматографические данные и др.). В такой системе студент имеет возможность объективно сравнивать полученные результаты со своими коллегами [101]. Эксперименты, проводимые студентами, тщательно проанализированы для определения времени, затраченного на выполнение тех или иных операций, и сохранены в системе. 2. iChemLecture - электронная коллекция учебников и контента (содержимого) по химии [102,103]. iChemLab и iChemLecture взаимосвязаны и студент имеет возможность переходить от деталей проведения эксперимента к объяснению теоретических понятий и зависимостей с помощью ключевых слов, что облегчает восприятие учебной информации. 3. iChemExam - пространство для проверки знаний, требуемых для осуществления эксперимента. Кроме общепринятых методов ответа, таких как «выбор из многих» в университете разработан инновационный подход к электронной оценки уровня знаний в химии, который основан на специальной методе кодирования для проверки ответа. Суть подхода состоит в следующем: студент вводит необходимую химическую формулу, которая, по его мнению, должна получиться в результате проведенной реакции; каждая формула имеет свой код, далее происходит сверка ответа с базой данной вопросов и выдается результат. В случае неправильного результата система дает разъяснения и связывает с учебным контентом в iChemLecture для повышения уровня знаний [104].
Мультимедийные технологии в электронном обучении по химико- технологическим и фармацевтическим специальностям
При реализации такой формы организации учебного процесса как электронное обучение, применяемое для обучения, переподготовки или повышения квалификации специалистов в области химической технологии и фармацевтики необходимо применение новых информационных технологий, а именно мультимедийных технологий, которые в значительной мере облегчают восприятие учебного материала. Мультимедиа технологии позволяют интегрировать различные виды учебного материала, представленного в различных форматах, таких как текст (doc, html); изображения (bmp, jpeg, pdf); анимированные картинки (gif, flc, fli); аудиокомментарии (wav, wma, MIDI, real audio); цифровое видео (avi, mpeg). Мультимедиа технологии соединяют в себе возможность одновременного получения образа объекта, процесса в различных информационных представлениях (графика, звук, видео) и реализацию динамики движения, преобразования объектов в виде анимации. С целью обеспечения целостности учебной дисциплины для подготовки специалистов в области химической технологии или фармацевтики возникает необходимость разработать такой мультимедийный обучающий курс (мультимедиа курс), который интегрирует все средства представления информации в единую информационно-обучающую среду, что, в свою очередь, способствует более эффективному восприятию учебной информации и позволяет воплотить новые подходы в образовательный процесс. Под мультимедийным обучающим курсом понимается программная система, обеспечивающая непрерывность и полноту дидактического цикла электронного обучения, включающего представление теоретического материала, обеспечение тренировочной учебной деятельности и контроля усвоения знаний, информационно-поисковую деятельность, математическое и имитационное моделирование.
При разработке мультимедийных обучающих курсов по химической технологии особое значение приобретает моделирование химико-технологических систем. Моделирование с применением мультимедиа технологий позволяет демонстрировать и исследовать сложные химико-технологические системы, глубже понять происходящие в них процессы, более четко представить работу аппаратов, применяемых в химической технологии. Мультимедиа курсы широко востребованы при изучении фармацевтических дисциплин. С помощью интерактивности таких курсов студент имеет возможность изучать работу фармацевтического оборудования и процессы, происходящие при получении лекарственных препаратов и составляющих их компонентов, а также моделировать сложные системы, к каковым, без сомнения, относятся производственные линии фармацевтических предприятий. Интерактивность позволяет акцентировать внимание на важных деталях и особенностях изучаемых процессов и явлений. Специфика мультимедиа курсов по химико-технологическим и фармацевтическим специальностям связана с большой долей учебного практикума, имеющего целью не только развития навыков решения задач и выполнения лабораторных работ, но и формирования комплекса профессиональных знаний, умений и навыков.
Для создания мультимедиа курсов необходимо привлечение специалистов из разных областей. В разработке мультимедиа курсов по химической технологии и фармацевтике принимают участие следующие группы разработчиков: авторы учебных материалов - преподаватели (носители знаний в области химической технологии и фармацевтики); программисты - разработчики мультимедиа курсов, отвечающие за программную реализацию; методисты - специалисты по методике подготовки средств электронного обучения, являющиеся связующим звеном между авторами и программистами; эксперты в области химической технологии и фармацевтики -специалисты, работающие на современных химических и фармацевтических предприятиях, в исследовательских институтах и других организациях. Привлечение к работе консультантов и психологов является желательным, но не обязательным условием. На рис. 2.1 представлен функциональный состав группы разработчиков мультимедиа курса по химической технологии и фармацевтике. Таким образом, применение мультимедийных технологий в электронном обучении по химико-технологическим и фармацевтическим специальностям является необходимым условием повышения эффективности и качества подготовки специалистов в этих областях.
Виртуальный лабораторный практикум по изучению гидродинамики псевдоожиженного слоя
Полноценная подготовка химиков-технологов и фармацевтов невозможна без ознакомления с работой реального оборудования и приборов и получения навыков работы с ними. Во многих российских ВУЗах возникают определенные трудности, связанные с приобретением технологического оборудования и проведением эксперимента из-за недостатка площадей для размещения этого оборудования, а также из-за недостаточного финансирования практической учебной деятельности университетов. В современных ВУЗах также остро стоит проблема организации практики на действующие химические и фармацевтические предприятия, так как большинство предприятий являются коммерческими или полукоммерческими структурами, и в любом случае, не заинтересованы в представлении производственного оборудования и систем контроля производства для изучения и практических работ. Не следует также забывать, что ряд процессов и технологических регламентов являются коммерческой или государственной тайной, а соответствующие предприятия - режимными объектами, доступ на которые осуществляется по специальным разрешениям и при подписании соответствующих форм допуска. Таким образом, организация производственной практики является задачей также трудноосуществимой. Отсутствие практических занятий по химической технологии и фармацевтике может сказаться на качестве подготовки будущих специалистов. Решением этой проблемы является разработка виртуальных лабораторных практикумов.
Нами был разработан виртуальный лабораторный комплекс для изучения работы оборудования фармацевтических и химических производств. В состав комплекса входят следующие виртуальные лабораторные практикумы (ВЛП): Изучение процесса разделения на мембранах; Изучение работы мембранного биореактора; Изучения процесса гранулирования MiniGlatt; Изучения процесса гранулирования High Shear; Изучение процесса гидродинамики псевдоожиженного слоя. Представленные виртуальные лабораторные практикумы являются компонентами практического модуля мультимедийного обучающего курса «Оборудование и технологии фармацевтического производства». Аппараты кипящего (псевдоожиженного) слоя часто применяются в химической и фармацевтической промышленности для осуществления диффузионных, каталитических процессов, процесса адсорбции, сушки, перемешивания, гранулирования, транспортировки и для некоторых других. В настоящее время весьма перспективным представляется применение псевдоожиженного слоя под давлением для газификации и сжигания низкосортного твердого топлива. Современные фармацевтические предприятия все чаще применяют аппараты кипящего слоя, в которых совмещаются несколько стадий процесса производства таблетированных форм, а именно процесса смешения, грануляции, увлажнения смеси раствором склеивающего вещества, сушки и опудривания. Процесс псевдоожижения имеет ряд существенных преимуществ, среди которых: равномерное распределение частиц по всему объему аппарата; легкое введение и выведение твердых частиц и жидкости; постоянное гидравлическое сопротивление слоя во всем диапазоне скоростей псевдоожижения; спокойное движение частиц (подобное жидкости) позволяет иметь непрерывный автоматический контроль и упрощает регулирование и контролирование процесса. Следует отметить, что данные преимущества отмечены с той точки зрения, что в расчет принимается только гидродинамическая составляющая процесса псевдоожижения, без учета тепло- и массообменных процессов. Исследования недостаточно изученных процессов гидродинамики псевдоожиженного слоя, несомненно, будут способствовать детальной оценке его достоинств и дальнейшему распространению в химической и фармацевтической отраслях промышленности. Аппараты кипящего слоя применяются в химической и фармацевтической промышленности благодаря простоте устройства, интенсивности действия, легкости автоматизации и контроля. По причине широкого применения аппаратов данного типа в современно развивающихся химической и фармацевтической отраслях промышленности, разработка виртуального лабораторного практикума «Изучение гидродинамики псевдоожиженного слоя» для подготовки химиков-технологов и фармацевтов представляется наиболее актуальной задачей.
База данных по патентам стерилизующих и дезинфицирующих средств
В области патентования лекарственных средств накоплен обширный информационный материал. Был проведен анализ данных о стерилизующих и дезинфицирующих средствах в области офтальмологии, стоматологии, а также средствах для обработки медицинского оборудования и изделий медицинского назначения. Целью анализа являлось выявление структуры и качественных характеристик данных, необходимых специалисту, занимающемуся разработкой новых стерилизующих и дезинфицирующих средств. Исходя из полученных результатов, выполнялось проектирование структуры разрабатываемого программного обеспечения. На основании проведенного анализа была спроектирована специализированная база данных, содержащая информацию по стерилизующим и дезинфицирующим средствам в вышеперечисленных областях. В качестве первичного источника данных для наполнения базы данных был использован ряд существующих баз данных по патентам в области фармацевтики, а также информация из специализированной литературы, справочников и информационных рассылок, распространяемых производителями стерилизующих и дезинфицирующих средств.
Первым этапом в достижении одной из целей работы было разработка схемы формализации данных по стерилизующим и дезинфицирующим средствам, и построение концептуальной модели базы данных (рис. 4.7). по данной схеме позволяет реорганизовывать и дополнять данные, что дает возможность получить высокоэффективный информационный продукт. При переходе от концептуальной модели к логической, каждому объекту концептуальной модели должны быть поставлены в соответствие таблицы, содержащие соответствующие атрибуты объектов. Необходимо установить связи между таблицами логической модели с помощью первичных ключей. В результате в данной предметной области построена информационно-логическая модель хранения и обработки данных (рис.4.8). Разработанные концептуальная модель данных, структура базы данных и учет требований к современным информационным продуктам послужил базой для выполнения инженерного проектирования структуры и функциональности специализированного программного обеспечения.
Патенты, представленные в разработанной базе данных содержат информацию о средствах очистки и дезинфекции контактных линз, дезинфицирующих растворов полости рта, средствах обработки стоматологического и эндоскопического оборудования, некоторых изделий медицинского назначения и многое другое.
Основной характерной и ценной частью разработанного программного продукта является информационно-поисковый модуль (рис.4.9). Данный модуль позволяет осуществить поиск необходимой информации по стерилизующим препаратам, группированной по номеру патента, стране, применению, активному веществу, вспомогательному веществу, ключевым словам аннотации, а также осуществлять полнотекстовый поиск информации.
Отличительной особенностью разработанной базы данных является тот факт, что база данных предоставляет специалисту возможность проводить поиск информации с использованием дополнительных критериев. В качестве таких критериев в данном случае могут выступать фактографические параметры, а именно: наименование активного вещества, содержащегося в стерилизующем или дезинфицирующем средстве и его количество, наименования вспомогательных веществ, входящих в состав средства и их количество, области применения.
Программный продукт разработан на базе Web-технологий и реализован на языке программирования РНР. Для создания базы данных по патентам стерилизующих и дезинфицирующих средств использовалась система управления базами данных Access. Основной функциональностью данного продукта является организация доступа к хранящейся в базе данных информации, ее обработка и анализ. Внешний вид отчетов, выдаваемых разработанной информационно-поисковой подсистемой, приведен на рис. 4.10.
Созданная специализированная база данных может являться компонентом информационного модуля мультимедийного обучающего курса и использоваться в электронном обучении для подготовки специалистов в области фармацевтики, а также может быть востребована профессионалами, занимающихся разработкой новых стерилизующих и дезинфицирующих средств.
