CC BY
133АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ
Е.В. Оспенникова, А.В. Худякова
ОБНОВЛЕНИЕ СИСТЕМЫ УЧЕБНЫХ ОБЪЕКТОВ СРЕДЫ ОБУЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ И ПРОБЛЕМА ОРГАНИЗАЦИИ ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ШКОЛЬНИКОВ В НОВОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СРЕДЕ
Обновление среды учения непременно влечет за собой соответствующие изменения в содержании и способах потребления информации обучаемыми. В этих условиях педагогическое сообщество обязано обратить внимание на проблему целенаправленного формирования у подрастающего поколения новой информационной культуры учения. Наша задача: вооружить школьников новым познавательным инструментарием -системой умений и навыков изучения предмета с использованием ЭВМ. В статье обсуждаются вопросы методики формирования у учащихся обобщенных подходов к работе с объектами виртуальной учебной среды.
Информационно-образовательная среда современного школьника насыщена множеством источников информации (природа, «вторая» природа, устные коммуникации, книга, виртуальная информационная среда). Содержание информации, наполняющей эти источники, претерпевает непрерывные изменения, при этом стремительно обогащается контент виртуальной образовательной среды, растет число и качество электронных учебных изданий.
Значительно возросла в последние пять лет обеспеченность школ современной электронно-вычислительной техникой. Увеличилось число учащихся, имеющих доступ к ЭВМ в домашних условиях. В ходе опроса, проведённого нами среди 620 учащихся 7 -10 классов школ г. Перми, было установлено, что 83,6% из них активно пользуются ресурсами новой среды обучения (у 69,2 % компьютер есть дома, 14,4% занимаются на нём в отведённые для этого часы в школе).
Материально-техническая оснащенность учебного процесса и достаточно развитая система учебных ресурсов новой среды обучения позволяют ставить задачу массового внедрения новых информационных технологий в практику работы современной школы. Есть основание надеяться в связи с этим на существенное изменение качества подготовки выпускников средней общеобразовательной школы Действительно, большинство новых организационных и методических идей, ориентированных на радикальное обновление учебного процесса, связывается в настоящее время именно с использованием компьютера. Насколько оправданы наши ожидания относительно значительного роста обучающего и воспитательного воздействия «компьютеризированной» школы?
© Е.В. Оспенникова, А.В. Худякова, 2005
Дело в том, что всякое обновление среды учения непременно влечет за собой соответствующие изменения в содержании и способах потребления информации обучаемыми. Как правило, в начале этого пути практика такого потребления складывается преимущественно стихийно и поэтому не приносит желаемых результатов. Этап перехода общества к более сложной информационной среде, включающей новые носители информации и средства ее обработки, не является исключением.
Действительно, учащиеся пользуются компьютером и ресурсами виртуальной среды в значительной мере по своему усмотрению и так как умеют. В этих условиях педагогическое сообщество обязано обратить внимание на проблему целенаправленного формирования у подрастающего поколения элементов новой информационной культуры учения [3]. Другими словами, пока мы не вооружим школьников новым познавательным инструментарием - системой умений и навыков изучения предмета с использованием ЭВМ - сколько-нибудь убедительный ответ на вопрос об эффективности новой среды обучения не может быть получен.
Игнорирование проблемы организации самостоятельной учебной деятельности детей в виртуальной информационной среде приведет к тому, что компьютером на уроке в лучшем случае будет пользоваться только учитель. При этом основным направлением эксплуатации этой дорогостоящей техники станет для него лишь предъявление «готового» учебного знания. Преимущественно презентационный стиль использования ЭВМ на учебных занятиях уже достаточно ярко обозначил себя в школах, где процесс информатизации идет несколько интенсивнее, чем в среднем во всей системе образования. Стремительный рост числа поурочных презентаций грозит нам явным «перекосом» в сторону экранных форм преподавания учебных предметов. Так, например, не исключено, что взамен феномена «меловая физика», может появиться новый образовательный негатив - «ЭКРАННАЯ ФИЗИКА».
Мы находимся в начале пути активного внедрения компьютера в практику преподавания всего многообразия школьных учебных предметов. Применение электронных учебных изданий (ЭУИ) на СБ и ресурсов Шегпе1;-сайтов в учебном процессе повышает интерес обучаемых к предмету. Важно понимать, что и у учащихся на этот счет тоже есть свои образовательные ожидания. Они, и нет смысла специально это доказывать, связаны с различными видами активной учебной работы детей. Нельзя допустить, чтобы этот интерес «разбился» о традиционно-пассивные экранные формы подачи учебного материала по принципу телевизионной передачи. К просматриванию красивых картинок на мониторе, как показывает практика, учащиеся быстро привыкают, и интерес к учению у них опять падает.
Уникальные особенности виртуальной среды, в особенности интеллектуальность, интерактив, моделинг, создают принципиально новые возможности для организации учебной деятельности ребенка, способствуют росту его познавательной
самостоятельности, дают каждому учащемуся возможность выработать и реализовать наиболее рациональный для него «индивидуальный стиль» информационного потребления.
Виды учебной работы школьников в виртуальной образовательной среде
В настоящей статье рассматриваются наиболее важные аспекты проблемы
организации самостоятельной работы школьников в двухкомпонентной учебной среде (традиционная книга + электронные учебные издания по предмету).
Как известно, процесс обучения может осуществляться в форме усвоения
обучаемым «готового» знания и в форме учебного исследования. Большую часть учебной информации школьники приобретают в «готовом» виде. Книга на сегодня -главный источник «готовой» учебной информации. «Готовое» учебное знание
представлено и в виртуальной информационной среде. В этих двух средах используются общие для них формы представления предмета учения: текст, рисунки,
фотоиллюстрации, графики, таблицы и т.п. При этом в виртуальной среде обучения задействованы весьма специфические для нее формы представления учебного материала: гипертекст, анимации, демонстрационные и манипулятивные динамические модели объектов и процессов, элементы «виртуальной реальности» (тренажеры, конструкторы, имитаторы), аудиоинформация и видеосюжеты.
Обращаясь к строгой научной лексике, следует сказать, что предмет учения представлен и описывается в виртуальной среде качественно новой совокупностью учебных объектов. Концепцию учебного объекта (learning object) предложил в 1992 г. Вэйн Ходжинс [7]. Комитетом стандартов обучающих технологий IEEE учебный объект определяется как «... любая сущность, цифровая или нет, которая может быть использована в одном и более контекстах, или на которую может быть сделана ссылка во время технологически обеспеченного обучения» [8]. Понятие учебного объекта обеспечивает концептуальную основу для механизмов обмена информационными ресурсами. Учебный объект как независимый информационный пакет предназначен также для конструирования новых более сложных образовательных ресурсов.
Исследователями ведётся работа по уточнению содержания данного понятия, разрабатываются классификации учебных объектов [2, 9, 10, 11]. В нашем понимании виртуальный учебный объект (ВУО) - это любой семантический элемент предмета учения или их система, представленные в виртуальной информационной среде в той или иной форме (знак, символ, текст, рисунок, модель, видеосюжет и пр. ). В этом толковании каждый учебный объект, действительно, может быть использован в разных образовательных контекстах и на него возможна ссылка.
Различают элементарные и сложные учебные объекты.
Объекты виртуальной учебной среды образуют ее основные составляющие -медиакомпоненты. Это:
• статичные (образные или символьные) объекты,
• видеообъекты,
• аудиоинформация,
• среда «виртуальной реальности» (или ее элементы).
Медиакомпоненты виртуальной среды и включенные в них объекты составляют основу контента современных электронных изданий учебного назначения.
На образовательном рынке России появилось достаточно большое число изданий этого вида. Жанровое разнообразие электронных образовательных изданий и задействованные в них медиаформы представления учебной информации существенным образом влияют на состав умений, которыми должен владеть современный школьник для того, чтобы успешно осваивать учебный предмет в новых условиях обучения. Умения в работе с объектами традиционной среды обучения (например, объектами учебной книги) при потреблении «готового» знания должны дополниться соответствующими умениями в работе с объектами виртуальной информационной среды.
Существует проблема определения системы дополнительных учебных умений, которыми необходимо овладеть современному школьнику в условиях усложнившейся информационно-образовательной среды учения. Возможно, что для каждого предметного цикла эта система будет иметь свою специфику. Состав данных умений можно определить исходя из анализа видов учебной работы школьника с компьютером в предметной информационной среде.
Перечислим основные виды работы учащихся с компьютером в образовательной области «физика».
Виды работы учащихся с компьютером при изучении физики
1. Работа с инструментальными программами (ЭВМ берет на себя функцию выполнение каких-либо процедур):
• программами диагностики состояния объекта, параметров, его характеризующих;
• программами преобразования информации (математическая обработка, графическая интерпретация, перевод информации в другую знаковую систему, классификация информации и пр.);
• программами управления объектами внешней среды.
2. Работа с обучающими программами:
• программами предъявления концептуальной составляющей предмета учения (в том числе и с составляющими их контент виртуальными учебными объектами):
- базами данных; сетевыми банками информации (текстами, графикой, аудио-и
видео фондами);
- ЭУИ различных жанров (информационный блок): учебниками и задачниками; электронными справочно-энциклопедическими пособиями; интерактивными обучающими средами (обучающими сценариями, моделирующими средами); электронными экспертными обучающими системами и др.;
• программами корректировки и закрепления учебного материала, формирования опыта деятельности (в том числе и с составляющими их контент виртуальными учебными объектами):
- учебниками и задачниками (блок корректировки и закрепления);
- электронными учебными тренажерами, репетиторами, учебными играми;
- интерактивными обучающими средами (блок корректировки и закрепления);
- электронными экспертными системами учебных достижений в форме: теста (традиционного, мультимедийного); интерактивного диалога
(традиционного, мультимедийного); игры (возможны варианты по видам учебных компьютерных игр).
3. Работа в сети Internet с коммуникативными программами:
• браузерами;
• почтовыми программами;
• программами интерактивного общения в информационных сетях.
4. Самостоятельная разработка программного обеспечения (в том числе к учебному процессу по предмету):
• с использованием универсальных инструментальных средств операционной системы Windows (текстовых и графических редакторов, мастера презентаций Microsoft Word и пр.);
• на основе технологии HTML, XML и др.;
• в моделирующих инструментальных средах (технология объектного
моделирования и проектирования);
• на основе традиционных алгоритмических языков и языков объектно-
ориентированного программирования.
Указанный состав видов работы учащихся с компьютером дает нам представления об умениях, которыми должны овладеть учащиеся для работы в виртуальной учебной среде. Каждое из перечисленных выше умений имеет сложный процедурно -
операционный состав и формируется постепенно. Первоначальное формирование значительного числа названных умений осуществляется в курсе информатики. Их закрепление, конкретизация и дальнейшее развитие должно осуществляться в предметных учебных курсах.
Организация самостоятельной работы учащихся с учебными моделями
К наиболее простым умениям перечисленного комплекса относятся умения работать с отдельными учебными объектами виртуальной информационной среды. В электронных учебных изданиях по физике самым интересным учебным объектом виртуальной информационной среды являются модели физических объектов и процессов. Такие модели позволяют учащимся всесторонне анализировать явления природы и более глубоко изучать особенности их протекания. Работа с моделями предполагает высокий уровень познавательной активности учащихся.
В процессе обучения должна решаться задача целенаправленного формирования у школьников умения работать с компьютерными моделями. Учащихся следует научить пользоваться моделями различных типов и самостоятельно извлекать в процессе работы с каждой моделью заложенную в неё информацию. Важно отметить, что данное умение по мере обучения должно приобрести обобщенный характер.
Решение проблемы формирования у учащихся обобщенных умений в работе с компьютерными моделями целесообразно начать с определения типологии учебных моделей.
Анализ программных продуктов по физике для средней общеобразовательной школы позволил выявить достаточное разнообразие представленных в них моделей.
В зависимости от объекта моделирования различают:
• модели объектов и процессов естественной природы;
• модели объектов «второй» природы (машин, приборов, инструментов) и технологических процессов;
• модели различных видов деятельности (эксперимента, систематизации и обобщения научных фактов; решения физических задач; научно-технического исследования и др.);
• модели отдельных действий и операций (например, действия измерения или его отдельной операции, к примеру, такой как определение цены деления шкалы прибора).
Модели первых двух типов составляют, как правило, основу для разработки более сложных моделей третьего и четвертого типов. Модель деятельности с учебными виртуальными объектами обычно отражена в сценарии обучающей программы (например, в структуре тренажера, в содержании и логике интерактивного диалога в среде «виртуальной реальности» и т.п.).
С точки зрения способа представления результатов моделирования все виртуальные модели можно разделить на статичные , динамические и комбинированные.
Статичные модели виртуальной среды и традиционной книги мало отличаются друг от друга. В большинстве ЭУИ они представляют собой отсканированные из традиционных учебников (учебных пособий) рисунки, показ которых сопровождается аудиоинформацией. Особенно широко модели данного вида используются в «Уроках физики» (Кирилл и Мефодий, http://www.km.ru) и в «1С: Репетитор. Физика» (1С, http://www.1c.ru/). Однако делаются попытки «оживить» эти модели. В энциклопедии Дорлинга Киндерсли «От плуга до лазера 2.0» (Новый Диск, http://www.nd.ru) статичные модели имеют гипертекстовую архитектуру, используются элементы гиперграфики (рис. 1,
2).
Динамические модели, используемые в электронных изданиях по физике, представляют собой принципиально новый тип учебного объекта. Они весьма разнообразны и отличаются друг от друга содержанием алгоритма, лежащего в основе обеспечивающей их работу компьютерной программы, а также уровнем доступа пользователя к его преобразованию (модификации).
Как известно, в алгоритме программы, задающей поведение любой виртуальной модели, имеются три блока: блок ввода данных, блок их обработки и блок вывода результата обработки на экран. Доступ к каждому из этих блоков может быть либо открыт, либо закрыт для пользователя. Этим обстоятельством и комбинацией различных вариантов доступа определяется возможность и характер управления моделью со стороны пользователя.
В зависимости от организации доступа пользователя к блокам алгоритма программы, все динамические модели, представленные в электронных учебных
изданиях, можно подразделить на две группы: демонстрационные и манипулятивные (рис.3, 4).
Демонстрационные динамические модели нередко называют анимационными моделями или просто анимациями. Это «живые» рисунки, таблицы, графики, диаграммы и пр. Параметры работы таких моделей изначально заданы автором-разработчиком и не могут изменяться пользователем. В этом случае доступ ко всем блокам алгоритма программы для пользователя закрыт. Такие модели представлены на дисках «Физика в анимациях» (Силтек, http ://www. infoline.ru/g23/5495/phy-sics/htm),
Рис.1. Пример статичной модели ЭУИ Рис. 2. Пример статичной модели
«1С: Репетитор» энциклопедии «От плуга до лазера»
Рис. 3. Пример демонстрационной Рис. 4. Пример манипулятивной
модели из ЭУИ «Физика. 7-9 классы» модели из ЭУИ «Открытая физика»
«Открытая Физика» (Физикон, http://www.physicon.ru/), «TeachPro Физика» (Мультимедиа Технологии и ДО, http://www.mmteach.ru/), «Курс физики XXI века» (МедиаХауз, http:// www. mediahouse .ru/), «Физика. 7-9 классы» (Просвещение - МЕДИА,
http://www.pmedia.ru/), «Физика 10-11 классы. Подготовка к ЕГЭ» (1С, http://www.1c.ru/), «Использование Microsoft Office в школе» (Московское представительство Microsoft и
Республиканский мультимедиа центр Министерства образования России, http://www.mmc .ru/) и др.
Наиболее интересными для учащихся являются манипулятивные динамические модели. Это модели, в которых пользователю открыт в той или иной мере доступ к управлению их работой. Уровень доступа может быть различным. Чаще всего пользователь имеет доступ к блоку ввода исходных данных, определяющих характер поведения модели. Что касается доступа к блоку обработки данных, то далеко не во всех манипулятивных моделях он оказывается открытым. Еще реже пользователю открывается доступ к блоку вывода результатов работы программы на экран.
Например, в модели «Система из двух линз» ЭУИ «Открытая физика» пользователь может с помощью мыши изменять положение обеих линз относительно предмета, т.е. совершать некие манипуляции (рис.5). Кроме того, в этой модели можно изменять оптическую силу линз. Другими словами, доступ к блоку ввода исходных данных в этой модели является открытым, а вот блок обработки данных в этой модели закрыт, и пользователь не может внести в него изменения.
В ЭУИ «Живая физика» («Институт Новых Технологий», http ://www. int-edu.ru/) и «Виртуальная физика» (лаборатория «STRATUM group», http://www.stratum.ac.ru/) при работе с моделями пользователем могут быть внесены изменения как в блок ввода исходных данных, так и в блок их обработки (рис. 6-7). В этом случае учащийся видит, с помощью каких уравнений получается выводимый на экран результат программирования и может изменять характер работы модели, внося изменения в ее математическое описание.
Рис. 5. Динамическая модель с открытым доступом в блок ввода исходных данных (ЭУИ «Открытая физика»)
Рис. 6. Электронный конструктор по геометрической оптике (ЭУИ «Виртуальная физика»)
Файл правка Вид Вставка ©эрпэт моделирование параметры Окна пэнссць Файл Правка Вид Вставка Формат Моделирование Параметры Окна Помощь
Рис. 7. Динамическая модель с открытым доступом в блок обработки данных (ЭУИ «Виртуальная физика»)
Виртуальные модели могут быть использованы для решения различных дидактических задач.
Статичные модели носят в основном информационный характер и применяются как средство наглядности. Демонстрационные модели расширяют диапазон способов представления информации и дают возможность изучать явления природы в их развитии.
В работе с манипулятивными моделями решается новая образовательная задача -формирование у учащихся познавательных умений (экспериментальных умений, умений в решении физических задач, в обобщении и систематизации информации и др.), в том числе умений и навыков компьютерного моделирования явлений природы. Качественно подготовленные манипулятивные динамические модели содержат больший объём учебной информации. В них «заложено», как правило, все многообразие частных случаев поведения модельного объекта. Такие модели создают условия для активной самостоятельной работы учащихся в виртуальной информационной среде, стимулируют творчество в познании.
В современных программных продуктах по физике представлены различные типы учебных моделей. Некоторые компьютерные программы содержат модели только одного вида («Физика в анимациях»). Есть и универсальные среды («Виртуальная физика», «Открытая Физика»), включающие все виды компьютерного моделирования. От типологии и качества используемых в электронном учебном издании моделей в значительной мере зависит его обучающий потенциал.
Формирование у учащихся обобщенного подхода к работе с учебными объектами виртуальной среды
Электронные учебные пособия обычно содержат специальные рекомендации по работе с имеющимися в них объектами (ВУО). Такие рекомендации, как правило, носят частный характер и предназначены для выполнения конкретных учебных заданий.
Является актуальной проблема разработки общих рекомендаций к работе с объектами виртуальной информационной среды. Это позволит освободиться от тиражирования множества частных инструкций по организации учебной деятельности школьников в виртуальной среде обучения, сделает работу детей более рациональной и творческой.
Рассмотрим проблему формирования у учащихся обобщенного подхода к анализу объектов новой среды обучения на примере организации их работы с виртуальными учебными моделями.
Многообразие учебных моделей не разрушает внутреннего (сущностного) единства данной формы представления предмета учения. Для каждого типа виртуальной модели может быть разработан некий обобщенный план (ОП) деятельности, следование которому позволит пользователю максимально полно извлечь заложенную в неё учебную информацию. Важно отметить, что наиболее удачные ОП, соответствующие моделям разных типов, могут служить основанием для совершенствования уже имеющихся и построения новых учебных моделей в виртуальной информационной среде. Это объясняется тем, что знание обобщенной структуры учебной деятельности с модельными объектами позволяет разработчикам более глубоко проанализировать содержание и функциональные возможности каждой вновь проектируемой интерактивной модели, более точно подобрать и реализовать приемы дидактической поддержки самостоятельной работы учащихся в виртуальной среде и обеспечить тем самым более высокую эффективность этой работы.
Базой для разработки обобщенных планов работы с виртуальной моделью объекта являются уже существующие в методической науке обобщенные планы познавательной деятельности для традиционных учебных сред (работа с книгой, выполнение эксперимента в учебной лаборатории и т.д. ) и структура алгоритма программы, на основе которой в виртуальной среде создается и функционирует какая-либо модель.
Нами подготовлены обобщенные планы учебной работы с виртуальными моделями различных типов [4, 6]. Кроме того, разработан общий план деятельности,
ориентированный на работу с любой динамической моделью (метауровень планирования познавательной деятельности). Содержание последнего представлено ниже.
Обобщенный план учебной работы с динамической манипулятивной модел ью
1. Определите тип модели, подберите для её анализа соответствующий обобщённый план.
2. Уточните уровни доступа к работе с моделью (блоку ввода данных, блоку их обработки, блоку вывода результата).
3. Обратите внимание в блоке ввода данных на те составляющие модель элементы, а также ее параметры, которые могут быть изменены. Уточните перечень изменяемых элементов модели, выясните (назначьте) пределы и шаг изменения значений параметров. Проанализируйте возможности доступа к блоку обработки данных и блоку вывода результатов моделирования на экран.
4. Рассмотрите различные состояния модели и пронаблюдаете особенности ее работы, произвольно изменяя состав элементов модели и значения параметров в блоке ввода данных.
Опробуйте также интересующие вас возможности управления моделью через блок обработки данных и блок вывода результатов на экран монитора.
5. Сформулируйте цели изучения учебного материала на основе работы с данной моделью (или цели самостоятельного исследования явления на основе предложенного модельного метода его описания).
6. Разработайте план работы с моделью (в частности, конкретизируйте обобщенный план, соответствующий данному типу модели).
7. Определите способы записи результатов работы модели (традиционные или электронные: таблицы, диаграммы, схемы, графики и пр.).
8. Изучите (исследуйте) работу модели в соответствии с намеченным планом. Зафиксируйте результаты работы рациональным способом.
9. Выполните при необходимости математическую обработку полученных данных. Используйте соответствующие задачам обработки инструментальные программы для ЭВМ.
10. Проанализируйте полученные данные, сформулируйте выводы.
11. Подготовьте устный рассказ (письменный отчет, компьютерную презентацию) о выполненной работе.
Рассмотрим кратко основные положения методики обучения школьников умению работать с компьютерными моделями.
При первом обращении к электронным учебным изданиям учитель обязан рассказать учащимся о назначении компьютерных моделей и показать их роль в создании более полного и глубокого представления о содержании учебного материала. Впоследствии, после приобретения ребятами некоторого опыта работы с конкретными моделями, стоит познакомить их с видами виртуальных моделей.
Необходимо разъяснить суть принципа дополнительности в отношении «текст -компьютерная модель». Показать что, какой бы ни была модель, она лишь дополняет информацию об описанном в тексте явлении (объекте, процессе), техническом устройстве или физическом эксперименте. Полезным является демонстрация учителем образца деятельности по анализу учебной модели на основе обобщённого плана. Значительным обучающим эффектом обладает обсуждение возможных направлений её модификации (совершенствования) с точки зрения задач исследования физического явления (технического объекта).
На начальном этапе обучения школьникам целесообразно предлагать задания, связанные с выполнением отдельных пунктов приведённого выше обобщённого плана, и лишь затем с использованием плана в целом. Работа над заданиями, в основе которых лежит обобщённое планирование, систематизирует знания учащихся, обеспечивает необходимую полноту усвоения учебного материала и формирует у них общий подход к работе с учебной информацией.
Введение обобщенных планов работы с виртуальной учебной моделью может осуществляться двумя способами.
Первый способ предполагает введение плана в «готовом» виде. Учитель выдает каждому ученику тот или иной обобщенный план, комментирует его содержание, дает образец развернутого анализа модели по обобщенному плану и определяет его как эталон деятельности (а также эталон устного ответа или письменного отчета о работе). Вслед за учителем учащиеся пытаются построить собственную работу и свои отчеты о выполнении заданий подобным образом.
Второй способ связан с организацией деятельности учащихся по самостоятельному составлению обобщенного плана на основе анализа предшествующего опыта работы с конкретными моделями. Подготовленные ребятами планы обсуждаются и уточняются на занятии в классе под руководством учителя.
Оба способа достаточно эффективны. Некоторое преимущество второго способа введения обобщенных планов отражает тот факт, что учащиеся при его применении не только приобретают основу для более рациональной учебной работы, но и осваивают способ нахождения этой основы - способ построения обобщенных планов учебной деятельности.
Ориентация на обобщённые планы при организации работы учащихся с виртуальными учебными моделями является принципиально важной, т.к. позволяет обучаемым извлечь максимально полную учебную информацию, заложенную в них автором-разработчиком.
Важным является целенаправленное формирование у учащихся умения самостоятельно строить ответ по тексту, включающему компьютерные модели на основе соответствующих обобщенных планов, и воспроизводить по ходу ответа важнейшие этапы работы моделей в виде рисунков.
Разработанные нами обобщенные планы деятельности учащихся с виртуальными моделями электронных учебных изданий находятся в настоящее время в стадии экспериментальной проверки. На их основе организуется деятельность учащихся экспериментальных классов средних общеобразовательных школ г. Перми (10-е классы школы №127 и гимназии № 4), а также студентов физического факультета педагогического вуза. На занятиях мы знакомим учащихся с типологией моделей предметной среды обучения, анализируем модель каждого типа согласно соответствующему ей обобщённому плану и организуем на основе ОП самостоятельную работу учащихся по изучению моделей виртуальной предметной среды. В зависимости от уровня подготовки школьников, им предлагаются задания либо на отработку умений в выполнении отдельных пунктов соответствующего плана, либо на формирование умения работать с моделью в целом.
Первый опыт использования обобщенных планов работы с виртуальными моделями учебных объектов дает основание говорить о перспективности их использования в учебном процессе. Если на начальном этапе работы учащиеся воспринимают виртуальные модели как традиционный иллюстративный материал, затрудняются спланировать работу с каждой конкретной моделью и, тем более,
прокомментировать полученные результаты, то уже через полгода обучения около 40 % школьников уже весьма эффективно работает с объектами этого типа и успешно составляет отчёты по итогам своей работы (см. рис.8).
Как видно из диаграммы, наибольшие затруднения у школьников вызывают 7-й (определение рациональных способов записи результатов работы модели), 8 -й (реализация намеченного плана и собственно фиксация результатов работы модели) и 9 -й (математическая обработка полученных данных с помощью инструментальных программ) пункты плана. Как следствие этого, далеко не всегда учащимися формулируются правильные выводы по результатам изучения физических эффектов на основе их компьютерных моделей (10-й пункт).
Большой обучающий эффект имеет работа учащихся с моделями физических экспериментов. В работе с такими манипулятивными моделями закрепляются и получают дальнейшее развитие отдельные экспериментальные умения учащихся (формулировка цели, определение порядка проведения эксперимента, выбор способа кодирования данных опыта, обработка результатов измерений, формулировка вывода).
Приведём пример анализа модели «Магнитное поле прямого тока» (ЭУИ «Открытая Физика») по предложенному выше обобщённому плану:
% учащихся
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
97%
100% 100%
29%
29%
29%
74%
12%
60%
Г
60%
0%
53%
12 %
41%
0%
19%
12%
0%
0%
12%
12356789 10 11
номер пункта ОП
Рис. 8. Процент учащихся, давших верный ответ на соответствующие пункты обобщенного плана работы с динамической моделью:
| | - начальный этап обучения,
- контрольный срез (через 6 мес.).
1) динамическая, манипулятивная модель;
2) доступ к блоку ввода данных и к блоку вывода результатов обработки на экран открыт, к блоку обработки - закрыт;
3) в блоке ввода данных изменяется:
• значение силы тока I от 20 А до 20 А с шагом 5 А;
• значение расстояния Я. от исследуемой точки поля до проводника в интервале от 1 см до 16,5 см с шагом 0,1 см (положение исследуемой точки задается с помощью мыши);
4) блок вывода данных частично открыт:
• модель позволяет при установке курсора в любой точке увидеть на дисплее направление вектора индукции магнитного поля в данной точке;
• можно задать для просмотра вид структуры магнитного поля:
- с помощью силовых линий
- с помощью железных опилок (рис.9);
5) цели изучения работы модели:
• исследовать зависимость индукции магнитного поля от силы тока в проводнике;
• исследовать зависимость индукции магнитного поля от расстояния до проводника;
• проследить за изменением направления вектора индукции магнитного поля при перемещении от одной точки поля к другой;
6) план работы:
• изменяя силу тока в проводнике (при К=еот{), будем фиксировать изменение индукции магнитного поля;
• изменяя расстояние до проводника (при 1=еот{), будем фиксировать изменение индукции магнитного поля;
• обратим внимание на направление вектора индукции магнитного поля В в различных точках плоскости вокруг проводника;
7) запись результатов работы:
таблицы, графики (М£ Ехв1);
8) результаты обработки данных модельного эксперимента представлены на рис.10-11;
Рис. 9
9) выводы:
• величина вектора индукции магнитного поля в данной точке прямо пропорциональна значению силы тока в проводнике;
• величина вектора индукции магнитного поля обратно пропорциональна расстоянию до проводника;
• вектор магнитной индукции в каждой точке поля направлен по касательной к линии магнитной индукции проходящей через эту точку.
Обучение школьников моделированию объектов и процессов природы в виртуальной среде
Одним из компонентов обучения является организация самостоятельной работы учащихся по созданию новых учебных объектов виртуальной информационной среды. Рассмотрим возможные направления этой работы на примере проектирования учащимися виртуальных учебных моделей.
Разработка школьниками простых компьютерных моделей организуется на основе стандартных инструментальных пакетов и учебных инструментальных сред. Одной из таких инструментальных сред является система имитационного и математического
R= 5 см
1. -20 -80 4
2. -15 -60 4
3. -10 -40 4
4. -5 -20 4
5. 0 0 0
6. 5 20 4
7. 10 40 4
8. 15 60 4
9 20 80 4
80^ <
0 -15 -10 -5 5 10 15 2
► 80-
0 I, А
В. мкТл
Рис. 10
1= 10 А
64
№ п/п
1. 1 200
2. 2 100
3. 3 66
4. 4 50
5. 5 40
6. 6 33
7. 7 29
8. 8 25
9. 9 22
10. 10 20
11. 11 18
12. 12 17
13. 13 15
14. 14 14
15 15 13
16. 16 12
В, мкТл
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
10 12 14 16
К,см
0
2
4
6
8
Рис. 11
моделирования с использованием визуального и объектно-ориентированного программирования «STRATUM 2000» [12]. STRATUM предоставляет пользователю возможность создания разнообразных моделей объектов и процессов, а также активной манипуляции данными моделями за счёт символического изображения модельных объектов (имиджей) и представлению их сложных систем (схем) в виде образов. Пользователи могут обращаться с моделями элементарных объектов как с конструкторским материалом, создавая легко модифицирующиеся модели сложных систем.
Программа «Виртуальная Физика» (лаборатория «STRATUM group», http ://www.stratum.ac.ru/), разработанная в данной инструментальной среде, содержит три типа имитационных лабораторных работ, на которых может основываться учебный процесс:
• традиционные («готовая» задача и методика ее решения на основе обучающего сценария);
• конструкторские (сборка новой схемы-задачи, блоков управления и визуализации схемы исследования из готовых моделей);
• исследовательские (модификация существующих моделей и создание новых).
Последним двум видам модельных работ соответствуют различная степень
предоставляемой обучаемому свободы. Например, конструкторские работы могут быть классифицированы по уровню сложности задания: «замени один элемент схемы на другой»; «замкни недостроенную схему», «дострой схему»; «модифицируй схему»; «переформулируй вопрос»; «автоматизируй поставленный эксперимент, поиск ответа»; «собери новую схему на заданную тему». При выполнении исследовательских работ на основе формализованного анализа проблемы обучающая среда позволяет создавать новые модели, вплоть до решения серьезных инженерно-физических задач с доведением решения до состояния законченного проекта [1].
Другая инструментальная компьютерная среда - это проектная среда «Живая Физика» (MSC. Working Knowledge; ИНТ, http ://www.int-edu.ru/). Эта среда ориентирована на моделирование и изучение на основе созданных учащимися моделей закономерностей движения тел в гравитационном, электростатическом, магнитном полях, а также движений, вызванного всевозможными видами взаимодействия объектов. Работа программы основана на численном интегрировании уравнений движения. В ней легко и быстро «создаются» модели физических объектов, проектируются схемы соответствующих экспериментов, проводятся лабораторные работы. При помощи представленного в "лабораторном шкафу" «готового» оборудования возможны еще более простые способы моделирования. Формы представления результатов (мультипликация, график, таблица, диаграмма, вектор) задаются самим пользователем в удобном редакторе среды.
В данной проектной среде учащиеся создают собственные модели физических явлений и проводят численный эксперимент с автоматическим отображением процесса в виде компьютерной анимации, графиков, таблиц, диаграмм, векторов.
Большими возможностями для исследования моделей реальных объектов и процессов, происходящих в электрической цепи, обеспечивает использование специализированных пакетов схемотехнического моделирования (MicroCap, Electronics Workbench, DesignLab, Multisim и др.), которые, обладая разнообразными библиотеками электрических устройств и компонентов, имитируют «радиомагазин» или «магазин электротехнического оборудования». Моделирование процессов, происходящих в электрических цепях, начинается с построения принципиальной схемы посредством условных графических изображений используемых элементов. Далее задаются параметры элементов. После этого происходит включение режима моделирования, при котором виртуальная схема “оживает”. Для измерения электрических величин в нужных точках схемы используется большой парк виртуальных измерительных приборов с возможностью распечатки результатов измерений. Анализ поведения модели (схемы) сопоставляется с результатами натурных измерений режимов работы цепи или объекта и делается вывод о тождественности работы виртуальной модели и реально существующей электрической цепи. При необходимости в модель вносятся уточнения и, наоборот, по результатам моделирования могут быть внесены изменения в саму цепь с целью улучшения характеристик её работы. Благодаря наличию разнообразных эффектов, присущих всякому натурному эксперименту, обращение пользователя к его компьютерной модели носит, как правило, повторяющийся характер [3].
Как видно, виртуальная среда для моделирования физических процессов становится достаточно разнообразной. Учителю следует дать школьникам общие рекомендации по созданию моделей физических объектов и процессов в данной среде. Требования и критерии отбора материала для создания компьютерной модели были разработаны В.А. Спириным [5, с.4]:
1) критерий "динамичности" (моделированию подлежит процесс или явление, протекающие во времени, а также объект, протяженный в пространстве и (или) требую щий анимации для изучения);
2) критерий "оцифрованности" (моделируемые объекты, явления, процессы должны описываться математическим языком или должна быть возможность сопоставить им какие-то логические условия и алгоритмы);
3) критерий "актуальности" (нецелесообразность моделирования объекта, явления, процесса, изучение которых эффективно производится иными средствами).
На наш взгляд, к данным критериям необходимо добавить ещё один - критерий "избирательности" (из всех свойств объекта, избранного для моделирования, необходимо выделить лишь некоторые наиболее существенные его свойства, а остальные просто визуализировать). Иногда визуализированные свойства (или характеристики) не соответствуют действительности (например: форма, относительные размеры, скорости движения тел и пр.). На это необходимо обращать внимание учащихся и при изучении виртуальных учебных моделей.
Самостоятельная работа учащихся по созданию виртуальных моделей может составлять часть их учебной работы на занятии или (в случае создания сложных моделей) определять содержание творческой проектной деятельности школьников во внеурочное время. Предлагая учащимся задания по созданию простых компьютерных моделей на основе стандартных инструментальных пакетов и учебных инструментальных сред, учитель создаёт условия для активной самостоятельной работы школьников в виртуальной информационной среде, способствует формированию у них широкого комплекса познавательных умений, в том числе умений и навыков компьютерного моделирования явлений природы. Учащиеся, которые приобрели даже самые элементарные умения и навыки в создании компьютерных моделей, как правило, более сознательно и критично подходят к анализу «готовых» моделей виртуальной среды обучения.
Мы рассмотрели содержание работы учащихся только с одним из объектов виртуальной учебной среды - динамическими моделями. Наличие учебных объектов других типов позволяет ставить вопрос о разработке методики организации самостоятельной работы школьников со всем их рядом. Еще более трудоемкой в методическом отношении является задача формирования у учащихся умения выполнять в виртуальной среде обучения сложные виды деятельности, включающей их обращение к широкому спектру объектов виртуальной среды (см. ранее: «виды учебной деятельности школьников с компьютером ...»).
Развитие у школьников познавательного инструментария, соответствующего особенностям представления информации в новой информационной среде, позволит им активно и успешно использовать в своей образовательной практике весь комплекс электронных учебных пособий. Именно это обстоятельство и позволит нам в полной мере оценить обучающий потенциал виртуальной среды и достаточно взвешенно определить ее место в системе современных средств обучения.
Библиографический список
1. Баяндин, Д.В. Адаптивность компьютерной обучающей среды к уровню пользователя / Д.В. Баяндин // ЬИр:// Но. е ёи. ги/2003/11/1
2. Манцивода, А.В. Учебные объекты, образовательные порталы и современные информационные технологии /А.В. Манцивода // http://xserv.isu.ru
3. Оспенникова Е.В. Проблема формирования предметной информационной грамотности и предметной информационной компетентности учащихся в образовательной области «физика» / Е.В. Оспенникова, А.В. Худякова //Физика в школе и вузе: Международный сборник научных статей. - СПб: Изд-во РГПУ, 2004. - С. 131—138.
4. Оспенникова, Е.В. Самостоятельная работа школьников с учебной книгой и электронными учебными изданиями по физике / Е.В. Оспенникова, А.В. Худякова // Современные проблемы физико-математического и методического образования: труды Всероссийской научной конференции (16-18 сентября 2004 г., г. Стерлитамак). - Уфа: Гилем, 2004. - Т.3. - С.31-36.
5. Спирин, В.А. Управление познавательной деятельностью учащихся в процессе работы с компьютерными моделями: автореферат дис....канд. пед. наук. / В.А. Спирин. - Москва, 2000.
6. Худякова, А.В. Обобщённый подход к обучению школьников умению работать с компьютерными учебными моделями по физике /А.В. Худякова // XIV Международная конференция - выставка «Информационные технологии в образовании»: сборник трудов участников конференции. Часть III. - М.: МИФИ, 2004. - С.84-85.
Ссылки на Интернет-ресурсы
7. http://ifets.ieee.org/periodical/vol 2 2000/discuss summary 0200.html
8. http://ltsc.ieee.org/
9. http://dublincore.org/
10. http ://www. imsproject. org/
11. http ://www. ims global. org
12. http ://www. stratum.ac.ru/
