Нет страницы 154-155! 2 страница

Современные подходы к использованию возможностей средств информационных и коммуникационных технологий при проведении лабораторного эксперимента

В настоящее время существуют три основных подхода к использованию возможностей средств ИКТ при проведении лабораторного эксперимента, которые могут быть реализова­ны не только в школах, но и в колледжах, вузах.

Первый подход основан на использовании программных продуктов, позволяющих осуществить компьютерное модели­рование различных явлений и процессов.

Второй подход основан на использовании систем управле­ния реальными агрегатами и лабораторными стендами, в том числе удаленного доступа, с помощью персональных компьюте­ров, снабженных устройствами стыковки и датчиками.

Третий подход основан на использовании в исследовани­ях объектов технологии «Виртуальная реальность».

Рассмотрим примеры практической реализации обозна­ченных подходов и проведем их анализ.

Первый подход (использование программных продук­тов, позволяющих осуществить компьютерное моделирование различных явлений и процессов). Отметим, что разработка и использование современных программных средств в учебном процессе предполагают реализацию технологии мультимедиа, систем искусственного интеллекта, баз данных и баз знаний учебного назначения, систем машинной графики и анимации. Выделим два направления реализации компьютерного моде­лирования: математическое и имитационное модели­рование.

1. Моделирование явлений и процессов на основе постро­ения математической модели позволяет изменять условия про­текания процессов, с высокой точностью проводить замеры и рассчитывать необходимые параметры. Математическое моделирование еще называют вычислительным эксперимен­том. Целесообразность разработки компьютерных моделей в данном случае определяется возможностью создания матема­тической модели, адекватно описывающей протекание реаль­ного процесса или явления. Такого рода компьютерное моде­лирование физических процессов интегрирует в себе теорети­ческие и экспериментальные методы исследования.

Создание математической модели основано на теоретиче­ских предпосылках, а написанная на ее основе программа по­зволяет проводить экспериментальное исследование на вирту­альной опытной установке. В ходе исследования задаются ис­ходные данные на входе в установку, а на выходе проводятся необходимые замеры. Компьютерные моделирующие про­граммы являются не только электронным дополнением к тра­диционным учебным пособиям, но и позволяют использовать компьютер в качестве настольной мини-лаборатории, реали­зуя при этом интерактивный режим работы обучаемого с сис­темой.

Возможности средств ИКТ позволяют осуществить сбор информации и постановку эксперимента, создать условия, в которых возможны те или иные наблюдения и проведение на­учного исследования. В данном случае результаты измерений могут быть мгновенно проанализированы и представлены в наглядной форме.

Система позволяет при наличии заданной математической модели легко получить результаты моделирования (как прави­ло, в числовом выражении, а если это в принципе возможно, то и в формульном). Обучаемому остается самая тонкая работа — построение математической модели, понимание области ее применимости, интерпретация результатов моделирования. В ходе построения модели обучаемый вынужден более глубоко изучить предмет исследования. Автоматизация сложных вы­числений позволит обучаемому сконцентрировать свое внима­ние на понимании сущности изучаемого явления или процес­са. Умения перевести проблему из реальной действительности в адекватную модель, исследовать эту модель, правильно ин­терпретировать результаты исследования являются важней­шими элементами информационной культуры обучаемых.

Уникальными возможностями создания и исследования математических моделей различных процессов и явлений об­ладают пакеты Mathematika, Mapple, MatCAD, Mat- Lab. Расширяется их использование в целях моделирования различных явлений и процессов. Такого типа пакеты имеют элементы функционального программирования и библиотеки высокоуровневых функций для проведения лабораторных и учебно-исследовательских работ на компьютере. Современные программы численного моделирования систем и процессов становятся все более автоматизированными, что облегчает пользователю процесс постановки и решения широкого клас­са сложных задач.

Рассмотрим одну из сред для моделирования физических яв­лений и процессов, моделирования работы сложных систем — MatLab. Для расширения возможностей применения Mat- Lab в конкретных областях науки и техники разработаны специальные профессиональные приложения. Например, для имитации динамических систем используется сопутствующая интерактивная программа Simulink. Этот продукт позволяет представить исследуемую динамическую систему с помощью соединенных между собой функциональных блоков, а затем изучить ее поведение в динамике.

Сочетание программ MatLab и Simulink позволило со­здать широкий класс профессиональных инструментальных приложений (tool-boxes) для генерации, анализа и оптимиза­ции систем. Графическая система MatLab включает высоко­уровневые команды для двухмерной и трехмерной визуализа­ции данных, обработки изображений, анимации и построения графиков. Приложение Partial Differential Education (PDE) предназначено для решения уравнений в частных про­изводных в двухмерном пространстве и во времени методом конечных элементов. В пакете имеются готовые модули для решения инженерных и физических задач из таких разделов, как перенос тепла, строительная механика, электростатика, магнитостатика и диффузия.

Приложение Symbolic Math позволяет выполнять в среде MatLab аналитические вычисления. Пакет System Identifi­cation включает набор средств, предназначенных для оценки и идентификации систем. Он позволяет строить математиче­скую модель физической системы, например электрического мотора, только на основе входных и выходных характеристик.

Такого рода программы можно и нужно использовать при проведении лабораторных занятий по физико-математиче­ским, техническим и другим дисциплинам, при изучении ко­торых необходимо проводить лабораторные эксперименты. Изучение и применение профессиональных програм­мных приложений MatLab при численном моделирова­нии определенного круга задач позволит облегчить со­ставление математических моделей, визуализиро­вать результаты проведенного эксперимента, вовлечь обучаемых в настоящее научное исследование.

2. Имитационное моделирование, отражающее сущ­ность протекающих явлений и процессов без построения стро­гой математической модели. Такая разновидность компьютер­ного моделирования осуществляется посредством анимации и иногда называется физическим моделированием. Проведение лабораторных занятий с использованием средств компьютер­ного моделирования позволяет визуализировать разного рода явления и процессы, которые не поддаются непосредственно­му наблюдению. Имитационное моделирование целесообразно использовать и для изучения процессов, носящих вероятност­ный характер, недоступных прямому наблюдению, связанных с использованием сложного, дорогостоящего, экологически небезопасного оборудования.

Работа с имитационными компьютерными моделями позволяет существенно сократить время на подготовку и проведение сложных экспериментов, выделить самое важное, организовать интересное научное исследование. Возможность многократного повторения эксперимента позволит обучаемым приобрести навыки анализа резуль­татов эксперимента, сформировать умение обобщать полученные результаты и формулировать выводы.

Следует отметить, что разработчики программных средств иногда создают компьютерные модели простейших учебных приборов, работа которых демонстрируется на экране. В дан­ном случае компьютер весь эксперимент делает самостоятель­но. Обучаемый при этом выполняет пассивную роль, он толь­ко нажимает на кнопки, слабо понимая смысл этих действий. Зачастую разработчики моделирующих программ не предус­матривают возможность внесения изменений в условия проте­кания эксперимента, что не позволяет ученику осуществить в ходе лабораторного занятия полноценную исследовательскую деятельность.

При проведении лабораторных работ используются не только моделирующие программы. Все более широкое распро­странение получает второй подход к использованию воз­можностей средств ИКТ на лабораторных занятиях, основан­ный на разработке и использовании в учебном процессе систе­мы управления реальными агрегатами и лабораторными стендами (в том числе удаленного доступа) с помощью специ­ального оборудования персональных компьютеров, снабжен­ных устройствами стыковки, датчиками различного типа. Ос­новной задачей подобных технических комплексов является сбор данных, обработка и анализ информации.

Отметим, что ПЭВМ становится непременным атрибутом самых различных технических комплексов, в том числе сов­ременных систем управления и сбора данных, контрольно- измерительного и лабораторного оборудования, т. е. любых комплексов, основной задачей которых является обработка и интерпретация информации, поступающей из внешнего мира. Большая часть такого рода систем оснащена персональными компьютерами и снабжена устройствами стыковки, датчика­ми различного типа. Датчики воспринимают информацию из внешнего мира, координируют работу системы, обрабатывают поступающую информацию, передают ее в компьютер или пользователю в наиболее удобной для него форме.

Такого рода технические комплексы расширяют диапазон возможностей для исследования явлений, процессов, законо­мерностей их протекания в различных машинах, агрегатах, установках. Основные трудности реализации подобных техни­ческих комцлексов заключаются в том, что датчики и другие чувствительные устройства, как правило, имеют разнородные выходы. Подключение к компьютеру потребует использования или создания специальных схем преобразования сигналов, со­гласующих устройства, кодирующих преобразователи и т. д. Существуют разного рода схемные решения и прикладные про­граммы, позволяющие сопрягать самые разнообразные датчи­ки — температуры, расхода, Давления с компьютером. В них используются различные принципы измерения физических параметров и схемы предварительного преобразования сигна­лов, разные типы интерфейсных устройств, передающих дан­ные по телефонным линиям и локальным сетям.

Платы высокого качества, выпускаемые специализирован­ными компаниями, служат для организации сбора данных и их графического отображения на экране компьютера. ЭВМ выполняет разного рода расчеты, необходимые для преобразо­вания полученных в ходе измерения данных, и отображает полученные результаты в графическом или алфавитно-цифро­вом виде на своем мониторе.

Управлять работой компьютера можно не только через клавиатуру, но и с помощью разнообразных средств манипу­лирования текстовой и графической информацией или, как их еще называют, координатно-указательных устройств: ру­чек управления и шаровых манипуляторов, манипуляторов типа мышь, сенсорных экранов, световых перьев и цифровых планшетов. С помощью стандартных шин один компьютер мо­жет управлять несколькими лабораторными приборами через один стандартизированный интерфейс. С течением времени к существующему комплексу можно добавлять новые аппарат­ные и программные средства. Возможности обучающего комп­лекса позволяют каждому обучаемому проводить независи­мые лабораторные исследования, осуществлять расчеты и анализ полученных результатов.

Рассмотрим еще один дорогостоящий, но перспективный третий подход к использованию возможностей средств ИКТ при проведении лабораторных исследований — исследо­вания реальных и виртуальных объектов с помощью техноло­гии «Виртуальная реальность».

В нашей стране работы по созданию такого рода систем по­ка не получили должного развития. В развитых странах, осо­бенно в Англии, напротив, технологии «Виртуальная реаль­ность» уделяется большое внимание. К настоящему времени разработаны и применяются в обучении, в различных облас­тях науки и техники передвижные и управляемые роботы, технические комплексы. С помощью технологии «Виртуаль­ная реальность» можно проектировать, моделировать, иссле­довать и визуализировать протекание процессов и явлений в сложных промышленных комплексах, заводах, агрегатах, двигателях, биологических системах.

Работа пользователя с такого рода системами позволяет ему не только моделировать явления и исследовать их в каче­стве стороннего наблюдателя, но и предоставляет уникальную возможность «почувствовать» себя частью данной системы, ощутить себя внутри виртуального пространства.

Исследование реальных и виртуальных объектов с помощью технологии «Виртуальная реальность» по­зволяет обучаемому осуществить настоящее научное исследование, в котором он играет главную роль, что позволяет развивать у обучаемого исследовательские навыки, умение выдвигать и проверять гипотезы, го­товить его к будущей профессиональной деятельности.

Методика проведения лабораторного занятия

Рассмотрим методику использования средства обу­чения, функционирующего на базе информационных и коммуникационных технологий,при проведении уро­ков, на которых проводится лабораторный эксперимент.

В начале занятия обычно проводится допуск обучаемых к выполнению лабораторного эксперимента, готовится и прово­дится эксперимент, осуществляются замеры и затем расчеты тех или иных параметров, а в конце занятия проводится конт­рольный опрос и защита лабораторной работы. На занятии обучаемый знакомится с приборами, образцами современной техники, измерительной аппаратурой, изучает принцип их действия, получает сведения об областях их применения, на­блюдает различные физические явления и процессы, осознает их практическую значимость.

Следует отметить, что в образовательной деятельности час­то приходится пользоваться лабораторными установками, стендами и комплексами для того, чтобы повысить нагляд-

Рис. 8. Последовательность работы обучаемого с системой на лабораторном занятии

ность разного рода явлений и процессов. Если компьютер ис­пользуется как часть такого комплекса, то очевидно, что он должен обеспечить выполнение подобной же функции.

Ниже мы рассмотрим методику проведения полноценного лабораторного занятия с использованием средства обучения, функционирующего на базе ИКТ, в частности интеллектуаль­ной обучающей системы, реализованной на базе технологии мультимедиа и телекоммуникаций. Система может быть так­же использована для дистанционного обучения или самостоя­тельной работы обучаемых.

Методика проведения того или иного урока будет целиком и полностью зависеть от специфики предмета, целей и задач, которые ставит учитель перед учениками на конкретном заня­тии. На лабораторном занятии предусматривается использо­вание следующих модулей системы: информационного, моде­лирующего, расчетного и контролирующего (рис. 8).

Работа с информационным модулем предполагает исполь­зование базы данных. В информационном модуле содержится тема и цель конкретной лабораторной работы, описание материального обеспечения, теоретические сведения, описание лабораторной установки, краткое описание лабораторного эксперимента и всех этапов занятия. Более подробную ин­формацию обучаемый может найти в учебнике (учебном посо­бии) или в информационном модуле программы, а преподава­тель — в соответствующих методических разработках.

Лабораторные занятия включают в себя несколько этапов: подготовка к работе, допуск к работе, выполнение экспери­мента и снятие показаний приборов, обработка эксперимен­тальных данных, оформление результатов, защита работы (табл. 2). Обучаемый самостоятельно подбирает приемлемый для себя темп работы с программой и последовательно прохо­дит все этапы занятия.

Таблица 2

Методика проведения лабораторного занятия

с использованием средства обучения, функционирующего на базе информационных и коммуникационных технологий

Окончание табл. 2

В вводной части обучаемым напоминают содержание и цель лабораторного занятия, правила техники безопасности. Перед ними ставят определенную задачу или проблему, дают общее представление о практической значимости изучаемого материала и способах его применения. Это позволит актуали­зировать полученные ранее знания, выделить основные поня­тия и умения, необходимые для достижения целей занятия. Затем проверяется готовность класса, учебной группы к заня-

тию. Для проверки теоретической подготовки обучаемых к за­нятию рекомендуется проводить тестирование.

На этапе подготовки к проведению эксперимента обучаемые информируются о целях и порядке проведения лабораторного эксперимента и особенностях лабораторного стенда, установки. Компьютер выполняет информационную функцию. Ученик знакомится со справочной информацией, изучает или повторяет теорию протекания изучаемых про­цессов и явлений, основные расчетные формулы, значения коэффициентов, графический материал. Данная информация содержится в информационном модуле. На данном этапе у обучаемых формируются и развиваются представления об особенностях и принципах функционирования лабораторной установки.

В процессе компьютерного моделирования разного ро­да процессов и явлений, имитации работы лабораторных стен­дов обучаемым предоставляется возможность наблюдать за ходом эксперимента, вносить определенные коррективы в на­чальные параметры, исследовать закономерности протекания процессов и явлений. Моделирующие программы позволяют создать виртуальную лабораторию, имитирующую работу ре­альной лаборатории, дающую возможность изучать разного рода явления и процессы изнутри, в замедленном или убыст­ренном режиме работы.

При работе обучаемых с компьютерными моделями, во-первых, наблюдается активизация их творческого потен­циала, формирование исследовательского интереса, усиление познавательной мотивации. Во-вторых, отмечается повыше­ние эффективности зрительного восприятия статической и динамической информации в графическом представлении; появление эффекта сиюминутности и управляемости дейст­вия, связанного с возможностью изменения значений физи­ческих параметров, определяющих результат исследования; повышение интереса учеников к выполнению заданий с по­мощью компьютера, углубление физических представлений и знаний.

Моделирующие программы позволят обучаемым не толь­ко наблюдать и изучать явления и процессы, но и исследо­вать их. В некоторых программах в ходе занятия обучаемый имеет возможность внести изменения в условия протекания процесса, провести анализ полученной компьютерной модели и количественные измерения, решить задачи выбора опти­мальных параметров. В ходе данной работы обучаемый про­водит эксперимент и интерпретирует его результаты. Жела­тельно, чтобы в программе предусматривалась возможность многократного повторения учебного материала, лабораторно­го опыта, расчетов, возможность выбора учеником индивиду­ального темпа работы на занятии. Отметим, что интеллекту­альная обучающая система предоставляет педагогу возмож­ность выбора наиболее предпочтительного для него метода обучения, например индуктивного или дедуктивного. Обу­чаемый имеет возможность исследования частных случаев, исходя из общих законов, или, наоборот, в результате изуче­ния частных установить общий закон или закономерность. Подобные программы позволяют изучить протекание процес­сов, провести анализ результатов эксперимента и оптимизи­ровать режимы процесса.

В ходе занятия необходимо предусмотреть возможность выбора индивидуального режима и темпа работы обучаемого в зависимости от его уровня. Система осуществляет обмен ин­формацией и информационное взаимодействие между педаго­гом, обучаемым и системой. В результате такой организации работы системы преподаватель имеет возможность получать информацию о том, на каком этапе занятия находится каж­дый ученик, о его оценках.

^ На данном этапе занятия у обучаемых формируются уме­ния экспериментально-исследовательской деятельности, зна­ния о практическом использовании изученных законов, уме­ние работать с компьютерными моделями.

На этапе обработки экспериментальных данных обучаемые с использованием расчетного модуля производят необходимые вычисления, строят графики, диаграммы, про­водят анализ полученных результатов.

На следующем этапе занятия обучаемые оформляют от­чет по лабораторной работе и повторяют теорию, обобщают и анализируют полученные результаты, делают вы­воды по работе.

В процессе защиты лабораторной работы обучаемые должны продемонстрировать полученные теоретические зна­ния и приобретенные в ходе экспериментального исследова­ния практические навыки.

184. Применение средства обучения, функционирующего на базе информационных и развитию исследовательских навыков и интеллектуаль­ных способностей обучаемых в области экспериментальной деятельности;

185. активизации учебной деятельности обучаемых в процес­се осуществления эксперимента, исследования, выдвижения гипотезы, ее проверки;

186. усилению мотивации обучения, побуждающей обучае­мых к серьезной, сложной, но интересной деятельности;

187. стимуляции различных видов мышления, таких как аб­страктное, логическое, образное;

188. существенному сокращению времени на подготовку и проведение сложных экспериментов за счет автоматизации вычислительной деятельности;

189. концентрации внимания обучаемого на усвоении важ­нейших законов, терминов, определений;

190. формированию умения оптимально организовать свою работу;

191. предоставлению каждому обучаемому средств для осуществления упражнений в определенном виде деятельнос­ти;

192. организации интересного научного исследования;

193. овладению обучаемыми умениями и навыками исполь­зования современных информационных и коммуникацион­ных технологий для решения профессионально значимых за­дач.

Рекомендации по разработке методики проведения

лабораторного занятия

Рекомендуем при написании методики проведения лабора­торного занятия с использованием средств ИКТ заполнять таблицу по аналогии с таблицей 2.

Заполняя функции системы (комплекса) средств ИКТ в таблице, не следует забывать, что ее использование в ходе лабораторного занятия позволяет автоматизировать управ­ление учебной деятельностью; осуществить поиск, хранение, накопление и представление разного рода информации при использовании баз данных, средств телекоммуникации и свя­зи; улучшить наглядность демонстрируемого учебного ма­териала за счет компьютерной визуализации изучаемого объекта и его составных частей, моделирования или имита­ции разного рода явлений, объектов, процессов, лаборатор­ных экспериментов с помощью средств компьютерной графи­ки и анимации; автоматизировать обработку результатов эксперимента; автоматизировать контроль знаний, умений, навыков.

Система заменяет педагога при выполнении следующих функций:

194. организация учебной деятельности и управление учеб­ным процессом;

195. контроль, диагностика и коррекция работы обучаемых;

196. анализ допущенных ошибок;

197. выдача ученику информации о правильности ответа на вопросы, методические указания и рекомендации.

В зависимости от уровня готовности класса к занятию и доступности тех или иных средств ИКТ педагог может изменять методику проведения лабораторного занятия. Если лабораторный эксперимент проводится в лаборатории, а по­том по необходимости моделируется на компьютере, то у преподавателя остается большая часть его функций: под­готовка и проведение лабораторного эксперимента, раск­рытие сущности исследуемого явления или процесса, созда­ние атмосферы коллегиальности и сотрудничества, развитие интереса к предмету, контроль над правильностью расче­тов, анализ результатов автоматизированного опроса. Если же лабораторный эксперимент выполняется на компьютере, то большую часть перечисленных выше функций выполняет система.

^ Описанная выше методика применения средств ИКТ на лабораторном занятии позволяет проводить компью­терный эксперимент, имитировать работу сложных установок и машин, протекание слишком быстрых или медленных явле­ний и процессов, экологически опасных процессов и экспери­ментов. Использование средств ИКТ на лабораторном занятии способствует сокращению времени сообщения необходимой учебной информации, автоматизирует процессы контроля знаний, расчетов результатов лабораторного эксперимента, стимулирует проблемно-поисковую и самостоятельную учеб­но-профессиональную деятельность, обеспечивает формирова­ние и совершенствование учебных умений по поиску и перера­ботке различной информации, позволяет индивидуализиро­вать и дифференцировать обучение.

Коммуникаци Рекомендации для учителя, подбирающего средство обучения, функционирующее на базе ИКТ, для проведения лабораторных занятий

Педагог, которому предстоит выбрать то или иное элек­тронное средство для проведения лабораторных занятий, дол­жен сделать свой выбор в пользу того программного продукта, который обладает большей частью из перечисленных ниже возможностей. Использование таких средств на уроке позво­лит:

198. моделировать протекание разнообразных явлений и процессов, работу лабораторных стендов, агрегатов, машин с возможностью задания и изменения начальных и граничных условий; проводить замеры необходимых параметров;

199. многократно повторять весь эксперимент или его фраг­менты, регистрировать необходимые данные и физические па­раметры;

200. визуализировать изучаемые явления и процессы не только в статике, но и в динамике;

201. наглядно иллюстрировать детали лабораторных стендов, установок;

202. варьировать параметры исследуемой системы и условия эксперимента, которые сложно реализовать в натурном экспе­рименте;

203. изменять масштаб времени;

204. автоматизировать обработку и анализ результатов экспе­римента; обеспечить представление результатов в виде таб­лиц, графиков, диаграмм;

205. исследовать количественные параметры модели, а не только визуализировать их качественные характеристики;

206. решать задачи исследовательского характера;

207. проектировать, конструировать механизмы, машины, имитировать их работу средствами анимации;

208. реализовать возможности интеллектуального управле­ния ходом учебного процесса;

209. автоматизировать контроль знаний, умений, навыков, полученных в ходе лабораторного занятия.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое компьютерная модель и чем она отличается от некомпьютерной модели?

2. Что должна включать методика проведения лаборатор­ного занятия с Использованием средства ИКТ?

Темы и вопросы для обсуждения

1. Роль модельного подхода в современном естествозна­нии.

2. Важна ли последовательность выполнения лаборатор­ной работы с использованием средств ИКТ с методической точки зрения?

3. Какие практические умения и навыки формируются у учащегося при выполнении лабораторной работы с использо­ванием средства ИКТ?