Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 УЧЕБНЫЙ МУЛЬТИМЕДИЙНЫЙ КОМПЛЕКС КАК СРЕДСТВО ОБУЧЕНИЯ 13
1.1 Значение физического эксперимента в учебном процессе 13
1.2 Место технических средств в процессе обучения 17
1.3 Компоненты учебного мультимедийного методического комплекса. 20
1.4 Основные промышленно освоенные технологии создания проекционного оборудования 21
1.5 Основные характеристики проекционного оборудования и методика их определения для мультимедийного комплекса 24
ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЧЕБНОГО МУЛЬТИМЕДИЙНОГО КОМПЛЕКСА И МЕТОДИКА ЕГО ВКЛЮЧЕНИЯ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС 35
2.1 Принцип построения математической модели образовательного процесса с применением компьютерного эксперимента 35
2.2 Некоторые психологические аспекты восприятия информации 39
2.3 Роль и место натурного и виртуального эксперимента в курсе лекций по физике высшей школы 45
2.4 Описание программной составляющей УММК 49
2.5 Методика применения УММК для проведения виртуального эксперимента в лекционном курсе 57
2.6 Методика использования мультимедийного комплекса для создания проблемных ситуаций на лекции 70
ГЛАВА 3 СОЗДАНИЕ НАБОРА ДЕМОНСТРАЦИЙ ДЛЯ ЛЕКЦИОННОГО УЧЕБНОГО КУРСА 81
3.1 Анализ программных средств обучения и выявление оптимального состава разработчиков обучающих программ 81
3.2 Методика создания программной части мультимедийного комплекса 86
3.3 Примеры задач, решаемые с помощью компьютерного сопровождения - «Электростатические поля» 92
ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МУЛЬТИМЕДИЙНОГО КОМПЛЕКСА 116
4.1 Задачи и методика проведения педагогического эксперимента 116
4.2 Изучение влияния психофизиологического воздействия мультимедийного комплекса на восприятие человека с помощью физометра 129
4.3 Диагностика и коррекция неблагоприятных функциональных состояний обучаемого при определении места и времени компьютерного сопровождения в воспитательно-образовательном процессе 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 142
ПРИЛОЖЕНИЕ
- Значение физического эксперимента в учебном процессе
- Принцип построения математической модели образовательного процесса с применением компьютерного эксперимента
- Анализ программных средств обучения и выявление оптимального состава разработчиков обучающих программ
Введение к работе
Актуальность исследования. Формирование творческой личности будущего специалиста является актуальной проблемой не только для высшей школы, но и важнейшей социально - экономической задачей всего общества. Решение этой задачи заключается, прежде всего, в развитии творческих способностей студентов на всех этапах обучения, повышения их интеллектуального потенциала, активности и самостоятельности. Процесс обучения студентов заключается в использовании различных приемов и методик передачи знаний. Первым актом в обучении является доведение учебной информации до студентов, но в то же время, это не только сообщение и усвоение знаний, привитие навыков и умений. Следовательно, это сложная система организации, управления и развития познавательной деятельности студентов, это процесс многостороннего формирования знаний специалиста высшей квалификации. Такая система требует особой организации учебного процесса, всесторонней оценки возможностей средств, форм и методов обучения. Ведь обучаемый должен сначала воспринять содержание, осмыслить его, затем запомнить, и, наконец, научиться применять его на практике. В условиях возрастающего информационного потока все сложнее обеспечить высокий уровень образования, применяя для этой цели только традиционные методы обучения. Все это заставляет педагогов постоянно искать новые методы и формы образовательной деятельности, совершенствовать методику обучения, внедрять в учебный процесс более эффективные методы и средства с тем, чтобы активизировать процесс усвоения знаний, формирование умений и навыков. А это предполагает организацию научно - обоснованного учебного процесса, соответствующего современным и перспективным направлениям науки и техники. Только обучение с широким, комплексным использованием разнообразных технических средств позволяет осуществить в учебных заведениях научную организацию труда студентов и преподавателей. Чтобы правильно решить эти вопросы, нужно тщательно пересмотреть организацию процесса обучения, методику и техническое оснащение лекционной аудитории, которая должна обеспечиваться звукотехническими и светопроекционны-ми средствами передачи информации и другими наглядными устройствами, повышающими эффективность восприятия информации студентами. При этом они не должны заменять собой лекционные демонстрации, как основу иллюстративно - объяснительного метода обучения, а должны дополнять их и поддерживать! Для совершенствования учебного процесса необходим комплексный подход к процессу обучения с применением новейших технических средств обучения (ТСО) и информационных технологий. При этом возникает проблема их проектирования, создания и использования, а также оценки их педагогической полезности.
Данная работа посвящена вопросу разработки и методического сопровождения современных ТСО при изучении электростатических полей. Обращение к этому разделу не случайно. Как показали результаты исследования, проведенного методистами пединститутов Урало-Сибирской зоны, под руководством профессоров А. В. Усовой и Н. Н. Тулькибаевой, имеющийся в наличии натурный физический эксперимент не способствует качественному формированию понятия электростатического поля. Многие из разделов по изучению электростатики вообще не сопровождаются натурным физическим экспериментом (вероятно, в связи со сложностью его постановки). Возникает противоречие, не позволяющее достигнуть желаемого результата, а именно, недостаточная разработка натурного физического эксперимента не способствует активизации процесса усвоения знаний, формированию умений и навыков, развития творческого мышления студентов. Восполнить эти пробелы и решить данную проблему возможно постановкой виртуального эксперимента с использованием учебного мультимедийного комплекса.
Применение данного комплекса одновременно решает на практике и проблему наглядности, которая до сих пор является одной из актуальных ведущих методологических проблем в области естественных наук, в частности, физики, задача которой обеспечивать связь наблюдаемых явлений и создаваемых представлений с сознательным глубоким пониманием существа предмета изучения. Виртуальный эксперимент играет роль опосредственнои наглядности, отражает предмет изучения в образах, верных изображениях (действительных и условных), т.е. выражает признаки, проводя их через мышление.
Цель исследования состоит:
- в математическом обосновании использования учебного мультимедийного комплекса в учебном процессе;
- в разработке методики создания программной части мультимедийного комплекса (в эту же часть входит разработка сценария для программной части мультимедийного комплекса) и методики включения УММК в лекционный курс «Общая физика» на примере раздела «Электростатика».
Объектом исследования является учебный процесс обучения физики в техническом вузе.
Предметом исследования является разработка средств сопровождения лекций курса физики в ВУЗе на основе современных технологий.
Гипотеза исследования: если при проведении лекций наряду с традиционным демонстрационным экспериментом использовать УММК, включающий в себя набор компьютерных задач и методику
их применения, то процесс усвоения физических знаний будет происходить более эффективно (улучшается понимание, запоминание, активизируется познавательная деятельность студентов, усиливается наглядность).
В соответствии с целями и гипотезой были определены следующие задачи:
- изучить имеющиеся возможности современных ТСО и проблемы, возникающие в процессе их использования в лекционном сопровождении;
- определить условия применения УММК в практике лекционного обучения;
- улучшить возможности комплекса путем оптимизации технических характеристик его различных составляющих;
- разработать методику включения натурного и мультимедийного экспериментов в лекционный курс;
- разработать учебные программные продукты для мультимедийного комплекса по разделу курса общей физики «Электростатика».
Методологической основой исследования являются работы ряда отечественных и зарубежных ученых в области содержания образования (Гершунский Б. С, Леднев В. С, Скаткин Н. Н. и др.), интенсификации учебно-воспитательного процесса (Бабанский Ю. К., Данилов М. А., Занков Л. В., Кирсанов А. А. и др.), педагогического прогнозирования (Гершунский Б. С), создания и применения средств обучения (Зазнобина Л. С, Леднев В. С, Шахмаев Н.М. и др.)» компьютеризации и информатизации образования (Антонов И. Н., Бобко И. М., Разумовский В. Г., Кузнецов Э. И., Лапчик Н. П., Роберт И В., Уваров А. Ю., Борк А и др.), психологии восприятия информации (Выготский Л. С, Ломов Б. Ф. и др.), проектирования педагогических систем (Бес-палько В. П., Ильясов И. И., Кузьмина Н. В., Назарова Т. С. и др.).
Методы педагогического исследования.
Для решения и раскрытия поставленных задач, а также проверки исходных предположений, использовались следующие методы исследования:
- изучение и анализ литературы по дидактическим, педагогическим, психологическим и техническим проблемам, связанными с информатизацией образования;
- изучение и обобщение практического опыта использования новейших технических средств обучения в методике преподавания физики;
- педагогический эксперимент;
- анкетирование;
- психологическое тестирование.
Программный продукт.и методика его использования должны быть построены таким образом, чтобы доводить усвоение учебного материала до уровня активного использования его при решении поставленной задачи.
Принцип технического использования программной части мультимедийного комплекса. Все задачи представляют собой пакет программ, написанных для IBM-совместимых компьютеров и работают под управлением операционной системы MS-DOS версии не ниже 6.2. Меню выбора позволяет выбирать то или иное задание и запустить в желаемой последовательности показ составляющих его фрагментов. Благодаря использованию объектно-ориентированной оболочки, программный продукт обладает современными средствами диалога: объемные диалоговые окна, кнопки и т.д.
С целью облегчения работы лектора управление программным продуктом в процессе чтения лекции осуществляется с помощью ма нипулятора «мышь», хотя предусмотрена и возможность управления с клавиатуры.
Научная новизна и теоретическая значимость проведенного исследования заключается в том, что:
- адаптирована к учебному процессу математическая модель (теорема К. Шеннона), на основе которой можно определить возможности использования в педагогическом процессе УММК, а также выявить и обосновать дидактические условия интенсификации учебного процесса;
- разработана методика совместного использования натурного и виртуального экспериментов в курсе физики;
- разработана методика взаимодействия со студентами на основе проблемных ситуаций, созданных с помощью УММК.
Практическая значимость работы определяется тем, что:
- разработана методика создания учебных программ и непосредственно программы, обеспечивающие эффективное изучение раздела физики «Электростатика»;
- разработан педагогический сценарий компьютерного сопровождения лекционного материала по теме «Электростатика»;
- определены условия для максимально эффективного применения УММК в практике лекционного обучения.
По результатам создания педагогического сценария, проектирования и создания программного продукта для учебного мультимедийного комплекса получены сертификаты научно-методического совета Министерства образования РФ. Это говорит о том, что разработанный нами программный продукт для учебного мультимедийного комплекса соответствует требованиям, предъявляемым к программным продуктам, и рекомендован к внедрению в высших и средних учебных заведениях.
Опытно-экспериментальной базой служил:
- Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (г. Барнаул):
- Высшее Военное Авиационное Училище Летчиков (г. Барнаул).
На защиту выносится методика организации и проведения процесса обучения студентов с использованием УММК по разделу общей физики «Электростатика», включающая в себя следующее:
- совместное использование натурного и виртуального экспериментов в лекционном курсе;
- применение педагогического сценария при разработке и проведении лекции;
- способы создания и разрешения проблемных ситуаций с применением УММК.
Обоснованность и достоверность научных результатов и выводов обеспечена:
- использованием методов математического моделирования для расчета экспериментальных данных для получения наглядной и качественной интерпретации их результатов;
- использованием методов математической статистики для обработки экспериментальных данных;
- системным подходом к описанию и изучению объекта исследования, достаточной представительностью выборки обучаемых.
Апробация результатов исследования. Основные положения работы докладывались на следующих конференциях и совещаниях: семинаре «Интенсивные технологии в современном образовательном процессе» (г. Пенза, 1997 г.), третьей городской межвузовской научно-практической конференции «Молодежь - Барнаулу» (Барнаул, 2001), Н-й международной научно-методической конференции «Качество образования. Проблемы оценки. Управление. Опыт» (Новоси бирск, 1999 г.), V-й международной конференции «Современные технологии обучения» (Санкт-Петербург, 1999 г.), международной конференции «Современные технологии обучения» (Санкт-Петербург, 1998 г.), 54-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета (Барнаул, 1996 г.), конференции «Наука и образование: пути интеграции» (Анжеро-Судженск, 1998 г.), 56-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета (Барнаул, 1998 г.), IV-й международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в преподавании электротехнических дисциплин» (НЭТИ-98) (Астрахань, 1998 г.)
Значение физического эксперимента в учебном процессе
Особенностью XXI века является развернувшаяся между развитыми странами конкуренция по качеству интеллектуальных ресурсов и качеству образования [103, 145]. От этих составляющих во многом зависит судьба прогресса России. Однако, перестройка образования не может быть выполнена традиционными методами и средствами[1-3, 26]. Характер обучения должен быть нацелен на приобретение фундаментальных знаний и одновременно давать глубокую специальную подготовку [35].
Информационные технологии [74, 84] - один из путей решения проблемы повышения качества профессиональной подготовки специалистов. Компьютер сегодня является одним из средств, активизирующих познавательную деятельность студента и позволяющих преподавателю рациональней использовать отведенное на занятия время. Наиболее разумным методом преподавания является метод, при котором основные элементы преподавания соответствуют основным элементам процесса научного познания [147]. Основным источником научного познания является опыт. Но сами по себе ни опыт, ни разум не имеют большой силы. Процесс мышления состоит в том, что опыт дает разуму пищу для размышления. Активизация мышления обучающегося происходит в результате внутренних усилий, связанных с решением поставленной задачи.
Информационные технологии включают программированное обучение, интеллектуальное обучение, экспертные системы, мультимедиа, имитационное обучение, демонстрации [39, 47, 64]. Эти частные методики должны применяться в зависимости от учебных целей и учебных ситуаций: в одних случаях необходимо глубже понять потребности студента; в других - важен анализ знаний в предметной области; в-третьих -необходимо учесть психологические аспекты обучения. В качестве важнейших характеристик информационных технологий выделяют:
1) типы компьютерных обучающих систем (обучение и тренировка, программированное обучение, интеллектуальное репетиторство);
2) обучающие средства;
3) инструментальные системы.
Таким образом, главное в информационных технологиях - это компьютер с соответствующим техническим и программным обеспечением, что подтверждает и определение: информационная технология обучения - процесс подготовки и передачи информации обучаемому, средством осуществления которого является компьютер.
Такой подход отражает первоначальное понимание педагогической технологии как применение технических средств в обучении, которые должны решать дидактические проблемы в русле управления процессом обучения с точно заданными целями, достижение которых должно поддаваться чёткому описанию и определению. Педагогические технологии - это не просто использование технических средств обучения [97, 101, 158]. Педагогические технологии - выявление принципов и разработка приемов оптимизации образовательного процесса путем анализа факторов, повышающих образовательную эффективность посредством оценки применяемых методов [2, 76-79].
Таким образом, во главе становится процесс обучения со своими особенностями, а компьютер - это мощный инструмент, позволяющий решать новые, ранее не решенные дидактические задачи. Суть основного принципа системного внедрения компьютеров в образовательный процесс состоит в том, чтобы не перекладывать на компьютер традиционно сложившиеся приёмы и методы, а перестраивать их в соответствии с новыми возможностями, которые дают компьютеры. На практике это означает более полное решение задач, которые в силу различных объективных причин (большой объём, громадные затраты времени) не решаются на текущий момент или решаются неполно, но решение которых вполне возможно с помощью компьютера. Для реализации указанной программы необходимо использовать компьютерное сопровождение, характерными особенностями которого, в отличии от традиционных способов обучения, являются следующие:
- состязательная активизация мышления;
- длительная и устойчивая активность обучаемого;
- творческий характер и эмоциональная окрашенность процессов принятия решений;
- повышение интенсификации мыследеятельности.
Принцип построения математической модели образовательного процесса с применением компьютерного эксперимента
Одно из наиболее распространенных направлений использования информационных технологий - внедрение их в учебный процесс высшей школы [105, 106, 119, 120, 127]. Обучение является целенаправленной деятельностью и характеризуется стремлением к оптимальным решениям. Для реализации объективной возможности нахождения оптимальных решений в ходе процесса обучения требуются, в частности, и разработанные методы их поиска [71]. Определим место и время компьютерного сопровождения в учебном процессе. Для этой цели построим математическую модель учебного процесса, использовав для этого аналогию теоремы оптимального кодирования К. Шеннона, применив её к анализу учебного процесса. "Можно представить, какой эффект вызвало бы утверждение, что существует такой способ введения примеси (избыточности р) в продукт, при котором, введя количество примеси, равное утечки в трубопроводе, можно по нему доставить чистый продукт без потерь со скоростью, отвечающей пропускной способности трубопровода с утечкой".
Во главе учебного процесса стоит преподаватель. Он определяет пути, формы, средства и методы передачи, усвоения и формирования знаний в систему, осуществляет контроль за состоянием этих знаний, оценивает результаты того или иного раздела [124,117].
Управление процессом обучения начинается с управления психическими действиями студентов в ходе лекции. Лектор вводит студентов в круг рассматриваемых по теме вопросов, показывает методы подхода к анализу явлений, дает основу самостоятельной работы, своими эмоциональными приемами активизирует работу студентов. На организацию управления учебным процессом в лекционной аудитории влияет степень использования технических средств обучения. Процесс обучения складывается из следующих слагаемых [99]:
-передачи учебной информации студентам;
-закрепление полученной информации в памяти студентов;
-проверка качества усвоения и закрепление учебной информации в сознании студентов.
Преподаватель, ведущий занятия в аудитории, представляет собой источник сообщения, информационная энтропия Н(А) которого по данному сообщению мала (в идеале нуль). Полная совокупность сведений о каком-либо событии, процессе, состоянии должна быть передана обучаемому (то есть получателю сообщения) по информационному каналу сообщений.
Информация, поступающая от преподавателя, - это прямое воздействие на обучаемого, как на объект управления, который перерабатывает информацию в знания. Передача учебной информации студентам посредством лекции с применением наглядных пособий или технических средств обучения образует канал прямой связи. Студенты изучают под руководством преподавателя содержание учебной дисциплины, приобретают соответствующие знания, навыки, умения. Студенты - это база данных, накопленная обучаемым. Н(В) - это энтропия базы данных объекта обучения. На начальный момент обучения данной темы (раздела) Н(В) - максимальна, так как на данный момент существует максимальная неопределенность в голове студента. Ко всем студентам вуза предъявляются требования быть хорошими слушателями, поскольку не все преподаватели владеют искусством сообщения учебной информации. Основным здесь является умение во всяком сообщении находить основное и главное и такое же умение компетентно и достаточно научно зафиксировать его, с тем, чтобы этот материал затем использовался в своей самостоятельной работе.
Анализ программных средств обучения и выявление оптимального состава разработчиков обучающих программ
Пожалуй, наиболее сложной является проблема создания достаточно широкого набора демонстраций для лекционных учебных курсов [20,21,94,154,157].
Рассмотрим программные средства, в которых сосредоточено содержание обучения, что позволяет говорить о них, как о средствах преподавания и обучения. В руках преподавателя и обучающегося средства обучения выступают в роли представления содержания обучения, контроля и управления учебно-познавательной деятельностью обучающихся.. Один и тот же материал может быть представлен несколькими средствами обучения (печатные издания, аудио-видео и др.), каждое из которых обладает своими дидактическими возможностями. Преподаватель должен знать эти возможности, уметь распределять учебный материал по различным средствам для решения совокупности дидактических задач.
Под программными средствами здесь понимается:
1. Компьютерные обучающие программы;
2. Видео и аудио учебно-информационные материалы;
3. Виртуальные лабораторные практикумы.
Опыт показывает, что подготовка таких программных продуктов весьма трудоемка [102,104,121,123]. Без такой работы, даже после оснащения лекционной аудитории мультимедийным комплексом и другим оборудованием, мы имеем груду «мертвого железа» с ограниченными возможностями использования [67]. Что же касается программных продуктов, то, как показывает опыт, что компьютерные продукты представляют, может быть, даже большую ценность, сохраняющуюся и после полной замены оборудования (при условии, что продукты созданы на основе стандартных программных средств, что позволяет сохранить любой продукт даже после смены технических средств).
Изучение материалов по созданию технических средств информации (в частности, компьютерных продуктов) позволяет отметить тот факт, что на данном этапе инициаторами и исполнителями исследований и разработок являются в своем большинстве специалисты с техническим, а не с педагогическим образованием. Это объясняется тем, что технической и информационной основой являются средства новых информационных технологий, оценить возможности которых и использовать в системе образования на данном этапе может в достаточной степени специалист с инженерным образованием. Этим объясняется незначительное число чисто психолого-педагогических исследований, проведение лекций с компьютерным сопровождением, эффективно проводить которые могут представители научно-педагогической общественности.
О способах и приемах разработки компьютерного сопровождения написано много, как за рубежом, так и у нас в стране [19, 21, 49, 64, 155, 156]. Для разных отраслей человеческой деятельности необходимы разные, качественно отличающиеся, компьютерные программы. И хотя общий принцип разработки программ не меняется для каждой конкретной области деятельности, существуют некоторые особенности и отличия при их создании. В нашей работе мы расскажем об особенностях проектирования и разработки учебного компьютерного сопровождения, взяв в качестве примера содержание раздела учебной дисциплины - физики, раздел "Электростатические поля" [111, 112].
Проектирование и разработка компьютерного сопровождения состоит из нескольких этапов:
1) создание педагогического и компьютерного сценариев (этап проектирования);
2) разработка компьютерного сопровождения (этап реализации педагогического и компьютерного сценариев);
3) внедрение и использование компьютерного сопровождения в воспитательно-образовательном процессе.
Без сомнения, серьезное компьютерное сопровождение высокого по всем показателям уровня должно создаваться под руководством опытных научных руководителей целым коллективом программистов и, чем слаженней и организованней их работа, тем быстрее и качественней будет создано интересующее компьютерное сопровождение.
Педагогический сценарий [118] - является одной из форм описания и представления технологии обучения обучающихся. Он включает описание связей между его составными частями; текстами теоретического материала и практическими занятиями различного уровня трудности; ответами на вопросы (решение задачи); репликами и комментариями на ответы обучающихся; запросами о помощи и консультации; справочной информацией; переходами и т.д. Содержание педагогического сценария определяется содержанием учебной дисциплины, целями и задачами обучения, формами обучения, типом и конфигурацией ЭВМ [83]. Педагогический сценарий создается педагогом и служит для разработчика (программиста) основным источником при заполнении компьютерной программы теоретическим материалом учебной дисциплины. А также используется разработчиком в качестве инструкции и справочного материала для наиболее эффективного структурирования и размещения теоретического материала в компьютерной программе. Педагогический сценарий состоит из нескольких компонентов: установочного, предметного, обучающего, контролирующего, корректирующего и инструктивного.
