CC BY
41ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАТИЗАЦИИ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА: НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИИ РЕШЕНИЯ
УДК 371. 214. 46
Д.В. Баяндин, Н Н. Медведева,
О.И. Мухин
ТРЕНИНГ-БАЗИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ
Ключевые слова: компьютерная среда обучения физике, экспертная система ЗУН, модель ЗУН учащегося, интерактивные тренажеры и репетиторы.
Описывается способ организации компьютерной среды обучения, когда основным ее элементом являются интерактивные задания и тренажеры, локальные экспертные системы которых обеспечивают построение динамических моделей базовых знаний, умений и навыков (ЗУН) каждого конкретного учащегося. Внедрение в такую среду глобальной экспертной системы позволит на основе актуальных моделей ЗУН автоматически генерировать индивидуализированные траектории обучения. Описанный подход развивается в линейке обучающих сред «Интерактивная физика», разработанных Институтом инновационных технологий (г. Пермь) на базе системы визуального проектирования и математического моделирования 81гаШт-2000. Описаны различные типы интерактивных заданий и технология построения с их помощью модели ЗУН учащегося.
Среди различных типов виртуальных учебных объектов, входящих в состав современных электронных изданий (например[1, 5-6, 8]), особое место занимают интерактивные модели и интерактивные задания, репетиторы, тренажеры1. Они имеют самый высокий обучающий потенциал и обеспечивают поддержку целого спектра видов учебной деятельности [2—4,7]. Эти же объекты наиболее перспективны с точки зрения технологизации обучения в ИКТ-насыщенной среде. Ниже речь идет, в основном, о применении в этих целях тренажеров; возможность использования в том же аспекте моделей будет описана в конце материала.
Современные интерактивные задания, репетиторы и тренажеры являются самым сложным видом виртуальных учебных объектов [4]. Они, во-первых, содержат математическую модель некоторой сущности в пределах предметной области, во-вторых, обеспечивают возможность достижения пользователем поставленной цели путем перемещения объектов, манипуляций с инструментами, графических построений и других действий, а не просто путем выбора ответа или ввода числа (слова); в-третьих, благодаря наличию в своей
© Баяндин Д.В., Медведева Н.Н., Мухин О.И., 2010
1 Под репетитором здесь понимается многовариантное или многошаговое задание, нацеленное на отработку определенных знаний, умений и навыков. Тренажер - это составной ресурс, содержащий комплекс заданий или репетиторов по некоторой теме и позволяющий изучить ее разносторонне
структуре экспертной системы способны распознавать по действиям пользователя логику процесса решения и оценивать его правильность.
Внутренняя структура и принципы построения интерактивных задач, репетиторов и тренажеров
Интерактивная задача - программная система, предполагающая совершение при выполнении задания выверенной последовательности активных действий, которые обеспечиваются развитым манипуляционно-графическим интерфейсом.
Ядро в виде математической модели физического явления обеспечивает:
• генерацию условия задачи и, как следствие, ее многовариантность за счет случайного или направленного выбора:
/ пространственно-временной конфигурации системы;
' состава и свойств ее подобъектов;
/ состава исходных и искомых параметров;
/ значений характеристик, их модулей и направлений векторов, других свойств;
• определение искомых параметров системы в соответствии с условием задачи (в том числе решение обратной задачи);
• представление ответа в неявном, модельном виде (расчет выполняется системой после окончания работы учащегося, например, по нажатию им кнопки «Готово»), так что исключено «подсматривание» ответа;
• вариативность формы представления исходной и получаемой информации (вербальная, численная, в виде аналитической или графической зависимости, стробоскопического изображения, чертежа, формулы, системы уравнений, динамической системы - видео, анимации, модельной демонстрации, модельного исследования);
• возможность преобразования информации из одной формы в другую.
Математическая модель, образующая экспертную систему задачи, позволяет:
• строить методически полную систему реакций и подсказок;
• производить просчет типовых ошибочных действий учащегося, распознавать его логику при неправильных рассуждениях, в соответствии с этим диагностировать и классифицировать ошибки, направлять ход решения;
• формировать динамическую модель ЗУН ученика.
Результатом работы экспертных систем отдельных интерактивных задач является информация, которая может служить входной для глобальной экспертной системы, назначение которой - управление процессом обучения в среде (см. п. 2).
Более сложная разновидность интерактивных заданий - интерактивный репетитор, который здесь понимается как многовариантная или многошаговая задача, нацеленная на отработку определенных знаний, умений и навыков. Третья разновидность интерактивных заданий - интерактивный тренажер, составной ресурс, содержащий комплекс задач и (или) репетиторов по некоторой теме и позволяющий изучить ее разносторонне.
Интерактивный тренажер - программная система, предназначенная для освоения технологических приемов и отработки навыков, необходимых при решении задач или работе с приборами и оборудованием (включая оценку погрешности измерений, отображение функциональных зависимостей в форме таблиц, графиков, формул и так далее).
Обычно тренажер представляет собой последовательность тематически связанных, обладающих содержательной преемственностью, шаг за шагом усложняющихся заданий. Выполняя их, учащийся вынужденно последовательно и самостоятельно разбирает ключевые ситуации для некоторого класса задач. Системность рассмотрения вкупе с целенаправленностью и осмысленностью манипуляций графическими и текстовыми объектами обеспечивают усвоение и фиксацию действий, связанных с ними знаний, умений и навыков, в результате чего
в сознании учащегося складывается устойчивая и ассоциативно связанная совокупность представлений и операциональных компетентностей по изучаемой теме.
Экспертная система осуществляет пооперационный контроль правильности действий ученика, генерируя контекстные реакции на ошибки, что обеспечивает индивидуализацию траектории обучения. Если система подсказок полна и методически продуманна, она гарантированно дает реальный обучающий эффект: кто быстрее, кто медленнее, учащиеся приходят к финишу тренажера с различным, но не нулевым уровнем освоения учебного материала, со сформированными в определенной мере ЗУН. При этом для учителя существенно снижаются объемы рутинной работы - многократных детальных объяснений с контролем освоения каждого элемента.
Среди принципов построения компьютерных тренажерных комплексов выделим четыре группы, связанные с требованиями, предъявляемыми:
• к предметному содержанию:
/ единство подходов и дидактических приемов в системе тренажеров в целом;
' полнота рассмотрения в пределах тренажера класса ситуаций, анализ всех имеющих к нему отношение объектов, понятий, законов;
/ логическая последовательность и «преемственность в разнообразии» для рассматриваемых в рамках серии заданий ситуаций;
' полнота и системность представления всех этапов решения задач данного класса в рамках блока тренажеров по некоторой теме;
• формируемым компетенциям:
' развитие навыков анализа ситуации;
/ развитие системного и логического мышления;
/ формирование навыков описания ситуации на языке графических и текстовых объектов;
• организационной структуре:
✓ конкретность и поэлементностъ отработки умений и навыков в пределах каждой серии заданий;
' наличие развитой системы предметной поддержки, сети реакций на действия пользователя;
/ наличие нескольких уровней вложенности для блока тренажеров:
- по классам задач в рамках темы;
- по уровню сложности ситуаций внутри класса задач;
- по разнообразию ситуаций внутри класса задач;
- по элементам и этапам решения внутри класса задач;
постепенность роста сложности в рамках серии заданий;
' множественность маршрутов обучения для обеспечения его вариативности;
/ динамическое формирование траектории обучения для его индивидуализации;
• интерфейсу:
/ преемственность от задания к заданию: сходство дизайна, функционирования сервисных элементов, единство технологических приемов работы пользователя;
/ достижение активного характера учебной деятельности за счет инструментальной обеспеченности, развитого манипуляционно-графического аппарата;
/ высокая интерактивность за счет контекстно-формируемых реакций и иерархически организованной системы помощи;
/ наглядность и конкретность текстово-графического отображения как самой анализируемой ситуации, так и действий пользователя;
' наличие развитой системы технической поддержки.
В целом, экспертная система тренажера работает более «дотошно», чем для интерактивной задачи, имеет более детализованную систему реакций, понуждающую ученика «проговорить» в интерактивном диалоге аргументированную цепочку умозаключений.
Для реализации технологизированной системы обучения, способной обеспечить относительно автономную работу учащихся, экспертные системы заданий, репетиторов, тренажеров должны фиксировать информацию об успешности прохождения не просто каждого задания, но каждого шага, каждой операции, заполняя индивидуальную для данного ученика «матрицу освоения». Записанная в нее информация будет обработана интеллектуальным ядром обучающей среды - глобальной экспертной системой, которая должна содержать:
• систему ведения с обучаемым диалога, по ходу которого строится модель его знаний по данной дисциплине (заполняется «матрица освоения»);
• базовую, достаточно универсальную модель (алгоритм) обучения;
• автоматизированную систему навигации, обеспечивающую генерацию - на основе полученной модели знаний и базовой модели обучения - индивидуализированной образовательной траектории.
Желательно также, чтобы глобальная экспертная система имела развитый интерфейс, предпочтительно самоценный, то есть информативный и облеченный в наглядную графическую форму. Весьма удобным представляется его совмещение с интерфейсом системы навигации (такой вариант обсуждается в п. 8).
Таким образом, глобальная экспертная система должна:
а) по ответам учащегося (правильным и неправильным) определять, какие знания, умения и навыки не сформированы в должной мере, то есть должна уметь измерять знания',
б) кратко, но корректно и наглядно объяснять при необходимости материал;
в) быть способной направленно задавать новый вопрос, генерировать очередное задание, то есть направлять работу учащегося в среде.
В частности, если выясняется, что предлагаемых подсказок недостаточно для выполнения учащимся очередного шага в решении задачи, экспертная система должна ему предложить более простое задание. Таким образом, система заданий должна быть «глубоко эшелонированной», многоуровневой, позволяющей глобальной экспертной системе маневрировать между уровнями в зависимости от успешности действий обучающегося.
Рассмотрим возможную организацию системы заданий на конкретных примерах.
Уровневая организация базы интерактивных заданий
1. Тема «Законы Ньютона» представлена в учебной среде «Интер@ктивная физика» двенадцатью интерактивными тренажерами, содержащими от 5 до 11 заданий каждый. Среди заданий этой темы можно выделить четыре уровня базовых ЗУН.
Первый уровень отрабатывается в рамках трех тренажеров. Тренажер «Равнодействующая и условие равновесия» содержит 10 многовариантных заданий: сложение коллинеарных, перпендикулярных и произвольно направленных друг относительно друга векторов сил, запись их проекций на координатные оси, нахождение угла с осями по значениям проекций; далее, определение модуля и направления вектора силы, которая обеспечивает равновесие системы, когда известны две силы - коллинеарные друг другу, перпендикулярные или произвольно направленные, запись в проекциях условия равновесия. Тренажер «Точка приложения и направление векторов сил» содержит 12 заданий на определение точки приложения и направления векторов сил тяжести, реакции опоры (подвеса), трения, веса для разных ситуаций. Тренажер «Первый и второй законы Ньютона» содержит 5 многошаговых заданий, нацеленных на уяснение связи направления и модуля равнодействующей (или ее равенства нулю) и характера движения для одномерных и двумерных ситуаций.
Второй уровень отрабатывается в четырех тренажерах (по 8-9 заданий), посвященных построению векторной картины сил при движении по вертикали (строятся векторы сил
тяжести, реакции опоры, равнодействующей, ускорения, сравниваются модули веса и силы тяжести), по горизонтали (добавляются сила трения и внешняя сила), по наклонной плоскости и по окружности под действием различных сил. При этом оценивается правильность не только направлений векторов, но и соотношения модулей различных сил (см. пример ниже); в части тренажеров отслеживается также точка приложения.
777777777777777777??
ті Скорость
Сила нормальной реакции опоры
I
Сила
тяжести
Равнодей-
ствующая
ї
Тело лежит на полу лифта, движущегося вверх с нарастающей скоростью. Выберите и установите на рисунке вектор силы нормальной реакции опоры и вектор равнодействующей, соответствующие этой ситуации.
Как направлен при этом вектор ускорения?
Какая сила больше по модулю: вес или сила тяжести?
Р ! тд 2І ЛІ ЛІ
Вставьте знак соотношения
Помощь
а
У//////77,
тдч
I
Ускорение
у///////
Скорость
Тело лежит на полу лифта, движущегося вверх с нарастающей скоростью. Выберите и установите на рисунке вектор силы нормальной реакции опоры и вектор равнодействующей, соответствующие этой ситуации.
Как направлен при этом вектор ускорения?
Какая сила больше по модулю:
Сила нормальной реакции опоры
Сила
тяжести
Ускорение направлено вверх, значит сила реакции больше силы тяжести.
б
Ускорение
Сила нормальной реакции опоры
Сила
тяжести
Равнодей-
ствующая
Тело лежит на полу лифта, движущегося вверх с нарастающей скоростью. Выберите и установите на рисунке вектор силы нормальной реакции опоры и вектор равнодействующей, соответствующие этой ситуации.
Как направлен при этом вектор ускорения?
Какая сила больше по модулю: вес или сила тяжести?
Р Г тд 2І -її -±1
Вставьте знак соотношения
Рис. 1. Задание по теме «Законы Ньютона» из состава среды «Интер@ктивная физика»: а — начальное вид экрана (начало) б — пример реакции экспертной системы; в - конечный вид экрана (окончание)
Третий уровень отрабатывается в четырех тренажерах, посвященных записи с помощью конструктора формул проекций 2-го закона Ньютона на оси по данной векторной картине сил при тех же четырех видах движения. При этом, естественно, обращается внимание на правильную запись знаков (+/-) слагаемых и тригонометрических функций. Эти вопросы при необходимости могут быть отработаны на нулевом уровне, абстрактно-математическом, содержащем два тренажера «Построение и проецирование векторов» (8 заданий) и «Векторная алгебра» (15 заданий на различные случаи сложения, вычитания векторов, умножения вектора на число, вычисления линейных комбинаций трех векторов). В большинстве заданий этого уровня имеется встроенная демонстрация-«объяснялка», которая в пошаговом режиме показывает и комментирует необходимые для выполнения задания действия. К этому же уровню при необходимости происходит отсыл учащегося с уровня 1.
Рассмотрим пример реализации задания на тему «Движение тела по вертикали». Требуется выбрать и установить путем переноса на рисунке векторы сил тяжести, нормальной реакции опоры и равнодействующей сил для тела, лежащего на полу лифта, который движется вверх с нарастающей скоростью. При этом для последних двух сил предоставлено по три вектора различной длины; длина каждого вектора фиксирована, направление можно изменять с помощью мыши. Кроме того, требуется указать соотношение между модулями веса и силы тяжести и изобразить, как направлен вектор ускорения, который вытягивается мышью из точки. Исход ный вид экрана приведен на рис. 1.
Число графических и логических операций, подлежащих проверке, достаточно велико. Однако поэлементный анализ решения задачи позволяет построить логическую цепочку интеллектуальных процедур, приводящих к решению, и «отфильтровать» типовые ошибки, допускаемые учащимися. Этапы решения и ключевые пункты проверки действий учащегося закладываются в экспертную систему тренажера. Проверяется, что:
1) ... на рисунке установлены векторы всех сил; если не так - дается реакция: «Изображены не все векторы сил. Установите по одному вектору каждой ненулевой силы с нужным направлением в соответствующих заданию точках рисунка»;
2) ... построен вектор ускорения; иначе - реакция: «Изобразите вектор ускорения»;
3) ... установлен знак соотношения между весом и силой тяжести; иначе -соответствующая реакция;
4) ...вектор ускорения направлен вертикально вверх; иначе - реакция: «Тело движется ускоренно вверх. Куда направлен вектор ускорения?»;
5) ... вектор силы реакции опоры приложен к телу в середине области контакта с опорой;
6) ... вектор силы реакции опоры направлен вертикально вверх; иначе - реакция: «Вектор силы нормальной реакции опоры направлен перпендикулярно опоре вовне ее»;
7) ... модуль силы реакции опоры больше, чем силы тяжести (выбор из вариантов 0,5пщ, т§, 1,5т§, следует выбрать 1,5т§);
8) ... вектор равнодействующей приложен к центру масс тела;
9) ... вектор равнодействующей сонаправлен с вектором ускорения, то есть направлен вверх; иначе - дается апелляция ко второму закону Ньютона;
10) ... модуль равнодействующей равен разности модулей сил реакции опоры и тяжести (выбор равнодействующей из вариантов 0,5п^, п^, 1,5т§, должно быть выбрано
0,5ш§);
11) ... в соотношении веса и силы тяжести установлен знак «больше», иначе -обращается внимание на соотношение длин векторов, изображающих силы тяжести и реакции опоры.
Невыполнение или неверное выполнение одного из пунктов плана решения приводит к появлению соответствующего комментария. Например, при неверном соотношении модулей сил в пункте 7 дается комментарий: «Ускорение направлено вверх, значит модуль силы реакции опоры больше, чем модуль силы тяжести» (рис. 1,6). Отметим, что такая формулировка представляет собой не прямое указание для исправления ошибки («увеличь
силу реакции» или «уменьши силу тяжести»), а фрагмент логического рассуждения о соотношении модулей сил и их направлений. Только после исправления всех неточностей (рис. 1,в) выводится сообщение, что задание выполнено. После этого предлагается перейти к следующему заданию, которое содержит тот же инструментарий и требует проведения аналогичных рассуждений при изменении направления или характера движения лифта.
Таким образом, основой экспертной системы каждого тренажера является дерево разбора ошибок, построенное в соответствии с «эталонной» логикой анализа и решения задачи и предусматривающее обнаружение всех возможных видов ошибок и адекватные реакции на них. Благодаря этому дереву реализуется обучающая функция тренажера: он навязывает пользователю соответствующую условию задачи логику анализа ситуации, помогает найти первое звено логической цепочки и выстроить порядок рассуждений и умозаключений вплоть до получения полного решения. Например, для задачи, изображенной на рис. 1, логическая цепочка такова: лифт движется вверх ускоренно => вектор ускорения направлен вверх => вектор равнодействующей направлен вверх => сила реакции опоры по модулю больше силы тяжести => вес тела больше силы тяжести. В задачах, где следует определить характер движения (зависящий от взаимного направления векторов ускорения и скорости), направленность рассуждений обратная, а исходным пунктом является анализ баланса сил. Для каждой силы следует определить точку ее приложения (если этот момент существенен), направление вектора и его модуль (в сравнении с другими силами).
Реакции на ошибки, в идеале, образуют иерархию по интенсивности оказываемой помощи. На первом уровне экспертная система не указывает прямо, как исправить ошибку, а только обращает внимание ученика на возникшие противоречия, стимулируя его к более тщательному анализу ситуации, выработке важного навыка самоконтроля. Самостоятельно поняв причину ошибки, ученик с большей вероятностью справится впоследствии как с подобной, так и с новой задачей. Помощь следующих уровней представляет собой все более явные подсказки, призванные обеспечить успех решения задачи пользователем практически любого уровня подготовки.
При разборе ошибок экспертная система заполняет «матрицу освоения», тем самым выстраивая модель ЗУН учащегося. Не вполне удачное решение приводит: а) к выставлению сниженной оценки в электронный журнал (см. п. 7); б) отметке этого результата на картине структурной модели курса (см. п. 5); в) предложению решить дополнительную задачу соответствующего уровня сложности, чтобы улучшить состояние «матрицы освоения».
Эффект тренинга в рамках одного задания обычно обеспечивается генерацией условия. После решения первого варианта предлагается следующий и т.д. Тренинг считается успешно пройденным, если подряд и без подсказок решено три (иногда два или четыре) варианта. Если этот исход не реализуется, тренинг продолжается до прохождения 8-10 вариантов, после чего учащемуся сообщается доля заданий, решенных безошибочно, решенных с подсказками, а также общее число использованных подсказок. В случаях, когда генерация случайного и разумного варианта условия невозможна или нецелесообразна (например, следует отдельно отработать характерные случаи), вместо генерации может использоваться заранее заданная последовательность вариантов задания. В большинстве случаев тренажер содержит также итоговый тест, в котором все задания из его состава предлагаются для решения последовательно, в единственном и случайно выбранном варианте.
Отметим, что помимо тренажеров обучающая среда должна также содержать более разнообразные отдельные задачи, успешное решение которых служило бы критерием освоения учащимся того или иного уровня учебных действий, а также сохранения достигнутого уровня спустя некоторое время. Интерфейсные манипуляции, необходимые для решения таких задач, имеет смысл проектировать в менее подробном, «свернутом» виде, что соответствует состоянию ЗУН учащегося, когда его учебные действия стали обобщенными, сокращенными, освоенными.
2. Приведенный выше пример допускает различную логику и последовательность рассуждений. Однако существуют задачи, в которых желательна более жесткая
регламентация хода решения. В этих случаях тренинг целесообразно обеспечивать не многовариантными, а многошаговыми задачами. В качестве примера рассмотрим блок тренажеров по теме «Преломление света», где выделяется семь уровней сложности.
Первый уровень — действия, которые необходимо выполнить, чтобы построить картину преломления луча на плоской границе раздела сред. В разных заданиях тренажера рассматриваются случаи перехода луча из оптически менее плотной среды в более плотную и наоборот, а также случаи различной ориентации границы (горизонтальной, вертикальной, расположенной под произвольным углом к горизонтали). Все задания разбиты на четыре шага {рис. 2): а) построение отрезка нормали к границе в точке падения луча (используется инструмент «отрезок», который за концевые точки можно поворачивать и растягивать, остальные точки обеспечивают перенос); б) построение угла падения (используется инструмент «угол между направлениями», которые можно менять с помощью двух активных точек, остальные точки обеспечивают перенос); в) построение преломленного луча (луч -инструмент «вектор» с теми же свойствами, что и «отрезок»; после установки начала вектора в точку падения луч «притягивается» к трем направлениям, соответствующим ходу без преломления либо с преломлением, сопровождающимся увеличением или уменьшением угла с нормалью), его построение требует понимания закона преломления света; г) построение угла преломления (аналогично пункту б).
Второй уровень - преломление пары лучей в плоскопараллельной пластине, причем с учетом явления дисперсии. Построение здесь выполняется в «свернутом» виде, как в связи с желательностью уменьшения числа шагов (с возможных восьми до приемлемых четырех), так и в связи с предполагаемым освоением первого уровня. При построениях также выясняется, как при прохождении пластины изменяется (когда увеличивается, когда уменьшается) расстояние между параллельными лучами с различной длиной волны.
Третий уровень — преломление луча на выпуклой или вогнутой сферической границе для случаев перехода из оптически менее плотной среды в более плотную и наоборот. Построение, как и на первом уровне, разбито на четыре шага. Повышенный уровень этих заданий связан с неочевидностью ориентации отрезка нормали в точке падения и существенным для построения использованием центров кривизны поверхностей.
Четвертый уровень - прохождение луча через пару сферических поверхностей, то есть через линзу (рис. 3). Построение в «свернутом» виде, как и на втором уровне, разбито на четыре шага. Повышение уровня связано с обнаружением качественно нового по сравнению с пластиной эффекта - свойства линз собирать или рассеивать лучи.
Пятый уровень — уяснение новых понятий (главная оптическая ось, оптический центр, главный фокус, побочная оптическая ось, побочный фокус, фокальная плоскость) с одновременным абстрагированием от формы ограничивающих поверхностей и формальным использованием символических изображений собирающей и рассеивающей линз.
Шестой уровень — выяснение свойств изображений в собирающих и рассеивающих линзах для случаев, когда предмет (источник) находится между фокусом и двойным фокусом; дальше, чем на двойном фокусном расстоянии; ближе, чем на фокусном расстоянии от линзы. Затем по результатам построений заполняется обобщающая таблица, анализируются закономерности в найденных комбинациях свойств изображений и закрепляется знание этих закономерностей.
Наконец, седьмой уровень - решение задач, в которых требуется построить ход луча, который распространяется под произвольным углом к главной оптической оси; построить ход луча, парного данному, при неизвестном положении фокуса; определить положение
источника по ходу преломленных лучей; определить положение оптического центра линзы и ее тип, положение фокусов.
Луч света падает на границу раздела сред воздух-вода, воздуха в воду. Постройте дальнейший ход луча в воде. Шаг 1. Проведите перпендикуляр к границе раздела двух сред через точку А.
перпендикуляр
Г=1
Луч света, шедший в воздухе, падает на стеклянную линзу и проходит через нее. Постройте дальнейший ход луча в стекле и воздухе.
Шаг 1. Проведите перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке А.
Помощь |
ЇГзад
г.
Луч света падает на границу раздела сред воздух-вода, воздуха в воду. Постройте дальнейший ход луча в воде. Шаг 2. Отметьте угол падения луча на границу сред в точке А.
угол падения
СЭСЖИЖ)
Луч света, шедший в воздухе, падает на стеклянную линзу и проходит через нее. Постройте дальнейший ход луча в стекле и воздухе.
Шаг 3. Проведите перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке В.
Луч света падает на границу раздела сред воздух-вода, из воздуха в воду. Постройте дальнейший ход луча в воде.
Шаг 4. Отметьте угол преломления луча в точке А.
угол преломления
Луч света, шедший в воздухе, падает на стеклянную линзу и проходит через н Постройте дальнейший ход луча в стекле и воздухе.
Шаг 4. Постройте ход преломленного луча после его выхода в воздух.
Рис. 2. Преломление луча на плоской границе
Рис. 3. Ход луча в двояковыпуклой
раздела сред (а- г - последовательность действий учащегося)
собирающей линзе (а - г - последовательность действий учащегося)
Как и в предыдущем примере, внутренняя экспертная система тренажера записывает результаты тренинга с раскладом допущенных ошибок в «матрицу освоения», которая интерпретируется глобальной экспертной системой обучающей среды, во-первых, для построения модели ЗУН учащегося (с визуализацией достигнутого уровня на интерфейсе), во-вторых, для возможной генерации новых заданий в текущем или следующем сеансе обучения.
Напомним, что обучающая среда содержит также объекты динамического визуального ряда - модели, анимации, видеозаписи реального эксперимента, справочные материалы, так что даже в отсутствие учителя ученик не оказывается оставленным без помощи наедине с интерактивными заданиями, репетиторами, тренажерами. Например, в теме «Преломление света» к услугам ученика «живые подсказки» - своеобразные «испытательные стенды» в виде моделей «Электромагнитная волна на границе раздела сред», «Законы отражения и преломления света», «Преломление луча в плоской пластине», «Ход лучей в собирающей и рассеивающей линзе», «Свойства изображений в собирающей и рассеивающей линзе». Важно, что модели и задачи образуют единый комплекс, в рамках которого учащийся имеет возможность отыскивать новое для себя знание.
3. Среди многошаговых интерактивных заданий особый интерес представляет подтип, который можно назвать «рассуждалками». Особый интерес обусловлен той известной проблемой, что после повсеместного введения стандартизированной системы оценивания уровня подготовки школьников в форме тестов (ЕГЭ, ГИА, ЦТ) многие педагоги стали существенно меньше внимания уделять устным формам работы учащихся. В том числе пострадала и такая форма, как построение объяснения какого-либо явления в форме цепочки логических рассуждений. Компьютерный аналог такой деятельности не заменяет устную работу в классе, когда ученики могут помогать друг другу и дополнять ответ, но, с другой стороны, интерактивный тренажер понуждает учащегося проделывать соответствующие действия самостоятельно, пошагово, в рамках предоставленной ориентировочной основы действий, с поэлементной проверкой, что позволяет говорить об обучающем эффекте.
В качестве примера опишем ряд заданий, в которых требуется объяснить не вполне очевидные для большинства школьников явления электростатики: поведение лепестков заряженного электроскопа или подвешенной на нити незаряженной гильзы из фольги при поднесении наэлектризованной палочки, колебательное движение проводящего шара между разноименно заряженными пластинами. В качестве элемента динамического визуального ряда, предваряющего такие задания, целесообразно использовать не модель, а видеозапись реального эксперимента, чтобы у школьника не возникало сомнений в достоверности происходящего (у студента, аналогично, не должны возникать сомнения в достоверности такого парадоксального на неискушенный взгляд явления, как прецессия гироскопа).
Цепочке устных рассуждений в многошаговом задании-«рассуждалке» соответствует последовательность весьма простых по отдельности вопросов; простых как по физической сути, так и по форме представления на компьютере, вплоть выбора одного из предложенных ответов. Однако последний шаг задания заметно сложнее (хотя предоставляемый трафарет и облегчает задачу): все звенья - этапы рассуждений - нужно собрать в единую цепь, составив целостный рассказ-объяснение.
Задача о поведении лепестков заряженного электроскопа разбивается на следующие шаги: а) какие частицы начинают двигаться в металлическом стержне электроскопа под действием поля палочки; 6) в каком направлении они движутся (обсуждается характер взаимодействия одноименных или разноименных зарядов); в) как меняется при этом заряд лепестков; г) как меняется угол между лепестками; <)) составьте связный рассказ (рис. 4,6) .
Измененные варианты задачи связаны с поднесением положительно или отрицательно заряженной палочки, а также с возможностью постановки обратной задачи: каков знак заряда палочки, если известно, что угол между лепестками изменился заданным образом.
На рис. 5,7 отображены этапы рассуждений, объясняющих поведение в аналогичных условиях (воздействие наэлектризованной палочки) подвешенной на нити незаряженной гильзы из фольги (явление электростатической индукции).
Заканчивая обсуждение тренажеров, отметим, что выделение уровней сложности возможно и в заданиях, предназначенных для отработки экспериментальных умений и навыков, например, процедур снятия показаний измерительных приборов (определение цены деления, замеры по основной шкале в различных условиях, замеры с использованием нониуса), оценки погрешностей измерений. Возможна многоуровневая отработка навыков отображения функциональных зависимостей в форме таблиц, графиков, аналитических выражений; записи результатов эксперимента в виде доверительного интервала с разумной точностью; преобразований, связанных с различными единицами измерения, и т. д.
Электрическое взаимодействие
К положительно заряженному электроскопу поднесли, не касаясь металлического шара, эбонитовую палочку, заряженную отрицательно. Что произойдет с лепестками электроскопа?
Шаг 1. Какие частицы в металлическом стержне электроскопа начнут двигаться под действием электрического поля палочки?
Выберите правильный ответ и нажмите кнопку "Готово' Г отово
о Протоны
о Нейтроны
о Электроны
Электрическое взаимодействие
К незаряженной алюминиевой гильзе, подвешенной на невесомой непроводящей нити, поднесли, не касаясь, эбонитовую палочку, заряженную отрицательно. Что произойдет с гильзой?
Выберите правильный ответ и нажмите кнопку "Готово"
о Взаимодействия нет
о Притягиваются
о Отталкиваются
Электрическое взаимодействие
К положительно заряженному электроскопу поднесли, не касаясь металлического шара, эбонитовую палочку, заряженную отрицательно. Что произойдет с лепестками электроскопа?
Шаг 2. Как взаимодействуют электроны в стержне э троскопа с зарядом эбонитовой палочки?
Электрическое взаимодействие
о Притягиваются
о Отталкиваются
о Взаимодействия нет
Выберите правильный ответ и нажмите кнопку Тотово" Г отово
Перенесите заряды на картинку и нажмите кнопку "Готово"
Электрическое взаимодействие
Е».
К положительно заряженному электроскопу поднесли, не касаясь металлического шара, эбонитовую палочку, заряженную отрицательно. Что произойдет с лепестками электроскопа?
ЧГ
II
Щ
Шаг 3. Поскольку электроны отталкиваются от отрицательного заряда палочки, часть электронов пе-перетечет по стержню ...
0 с шара вниз, к лепесткам
ф из нижней части стержня вверх на шар ф перетекания электронов не происходит
Выберите правильный ответ и нажмите кнопку "Готово" Готово
Электрическое взаимодействие
К незаряженной алюминиевой гильзе, подвешенной на невесомой непроводящей нити, поднесли, не касаясь, эбонитовую палочку, заряженную отрицательно. Что произойдет с гильзой?
Шаг 4. Что произойдет с гильзой после мгновенного перераспределения заряда в ней?
ф Гильза отклонится вправо и коснется палочки
ф Гильза останется в положении равновесия ф Г ильза отклонится влево
Выберите правильный ответ и нажмите кнопку "Готово"
] Г отово
Рис. 4. Влияние наэлектризованной палочки на заряженный электроскоп
Рис. 5. Влияние наэлектризованной палочки на незаряженную проводящую гильзу
Электрическое взаимодействие
ы
<ЧГ
І
Шаг 5. Составьте связный рассказ
? притягиваются к заряду противоположного знака " отталкиваются от одноименного заряда
вверх I
4,5 увеличится уменьшится
не изменится
Вставьте пропущенные слова и нажмите кнопку "Готово"
К положительно заряженному электроскопу поднесли, не касаясь металлического шара, эбонитовую палочку, заряженную отрицательно. стержня элек-
троскопа
и потому сместятся под действием электрического поля палочки. Поэтому положительный заряд лепестков электроскопа . Следовательно, угол между
лепестками
Электрическое взаимодействие
К незаряженной алюминиевой гильзе, подвешенной на невесомой непроводящей нити, поднесли, не касаясь, эбонитовую палочку, заряженную отрицательно. Что произойдет с гильзой?
Шаг 6. Что произойдет с гильзой после ее контакта с заряженной палочкой?
ф Гильза "приклеится" к палочке
ф Г ильза вернется в положение равновесия
ф Г ильза отклонится влево
Выберите правильный ответ и нажмите кнопку "Готово" Г отово
Электрическое взаимодействие
Шаг 7. Составьте связный рассказ
К незаряженной алюминиевой гильзе, подвешенной на невесомой непроводящей нити, поднесли, не касаясь, эбонитовую палочку, заряженную отрицательно. Под действием электрического поля, созданного палочкой, в гильзе начнут двигаться . Произойдет
перераспределение заряда, такое что на ближней к палочке стороне гильзы появится избыточный заряд. Поэтому гильза
При контакте тел заряд пало-, так что они окажутся
заряжены
. После этого гильза
Вставьте пропущенные слова и нажмите кнопку "Готово"
электроны 1 протоны нейтроны положительный ^ отрицательный отклонится вправо и коснется палочки 3 останется в положении оавновесия отклонится влево
останется на палочке 4 перейдет на гильзу распределится между гильзой и палочкой
5 одноименно разноименно "приклеится" к палочке 6 повиснет вертикально отклонится влево
д д Рис. 6. Влияние наэлектризованной палочки на Рис. 7. Влияние наэлектризованной палочки на заряженный электроскоп незаряженную проводящую гильзу
(г - д - окончание) (г - д - окончание)
Тележка с капельницей приводится в движение нитью, к которой прикреплен груз (подробные пояснения см. в кнопке "Описание модели")
Задания'.
1. Определите промежуток времени между падением капель. Для этого сосчитайте количество капель на некотором участке пути и используйте показания секундомера, чтобы найти время движения этом участке.
2. Определите скорость тележки на участке равномерного движения. Для этого найдите расстояние между каплями на этом участке и используйте результаты вычислений пункта 1
Время между падением капель
Ускорение при разгоне
Г отово
Описание модели
с Управление /Ш
м/с Ш (1*) 9
Выход
Рис. 8. Задание на определение ускорения капельницы на участке разгона
4. В состав обсуждаемой обучающей среды входят интерактивные модели, анимации и видеозаписи эксперимента, обеспечивающие наглядное представление физических явлений, понятий и законов. Желательно, чтобы такие объекты также давали обратную связь, для чего они должны сопровождаться заданием или циклом заданий, которые позволят убедиться, что предъявленная информация не осталась непонятой учащимся. Например, в «Интер@ктивной
физике» неоднократно используется изображенная на рис. 8 модель капельницы, движущейся за счет натяжения нити, к которой прицеплен груз. Эта модель позволяет сформулировать большое количество качественных и количественных заданий: о видах движения (поступательное, вращательное, комбинированное), о характере и направлении движения различных входящих в систему тел в разных системах отсчета; об инерциальности систем отсчета, связанных с различными телами; о том, какие тела взаимодействуют, какие -нет; о приложенных к каждому из тел силах, их направлении, о связи равнодействующей и характера движения (ускоренное, замедленное, равномерное); задания на определение по стробоскопической картине скорости и ускорения тележки на различных этапах движения.
Начальные шаги выполнения задания-«рассуждалки» можно рассматривать как задания первого уровня, итоговый шаг - как задание второго уровня. Дальнейшей «надстройкой» -повышением сложности - могут служить задания на закон сохранения заряда, устойчивость систем зарядов и т. д.
Информация об успешности выполнения учащимся заданий может записываться в электронный журнал и учитываться при составлении «матрицы освоения» материала.
Система мониторинга и управления процессом обучения
Результаты выполнения заданий, образующих тренажеры, видны учащемуся непосредственно в меню тренажера сразу по окончании работы с ним (рис. 9): задания, выполненные без ошибок, отмечаются зеленой лампочкой, с небольшим числом подсказок -желтой, если же число подсказок было значительно, лампочка красная.
При прохождении итогового теста тренажера каждое задание предъявляется в одном варианте, случайно выбранном (сгенерированном) компоновщиком теста. По результатам выполнения теста выводится окно с соответствующей информацией (рис. 9). На панели главного меню тренажера около кнопки вызова теста загорается лампочка: например, зеленая, если без ошибок решено не менее 90% заданий, желтая - от 50 до 90%, красная - менее 50%.
^ Кинематика равномерного движения ^ )
(графики характеристик)
Построение графтгков по качественному описанню движения
м м М
Безошибочно было выполнено заданий: 50% Выполнено заданий с использованием подсказок: 12% Количество использованных подсказок: 1
Контроль
і Нтоговы»^ |
и іш.
Рис. 9. Вид меню тренажера после решения заданий и прохождения итогового теста
Информация, сохраненная в «матрице освоения», может быть в любой момент выведена на экран с помощью электронного журнала. Удобно использовать два типа запросов: «суммарный» и «история входов». Второй тип запроса позволяет отследить, за сколько сеансов и с какими результатами пройден тот или иной тренажер. При запросе первого типа будут отсортированы и представлены лучшие результаты выполнения каждого задания тренажера за все пройденные сеансы обучения. В примере, показанном на рис. 10, ученик успешно решил задания 1, 5, 7, 8 и 10 тренажера, с недочетами - задания 2, 3 и 9, неудовлетворительно - задание 4; а задание 6 не решалось или решение не было завершено. Внутренний тест тренажера пройден так: безошибочно выполнено 50% заданий, с
использованием подсказок - 20% заданий, при этом использовано 2 подсказки. Аналогично выглядит информация о работе с тематическими тестами.
Класс 7 ФИО Ученик
Тренажер 00м. Измерительные приборы и измерения Последний сеанс работы: 09.08.2010/ 19.11 /11 мин. Задания вООввбввОв Тест 50 Ч 20 % 2
Класс 7 ФИО Ученик
Тест 7.1. Измерения и физические приборы Последний сеанс работы: 09.08.2010/ 19.17 /1 мин. Тест 50 % 20 %
Рис. 10. Представление информации о прохождении тренажеров и тестов
в электронном журнале
Учитель при выставлении оценки в обычный классный журнал вправе по-своему преобразовывать «цветовую» оценку в обычную пятибалльную (или иную), учитывая особенности конкретного ученика и его класса, стадию освоения материала и т.д.
8. Изображенное на рис. 10 представление результатов обучения в электронном журнале достаточно подробно (для человеческого глаза, но не для глобальной экспертной системы обучающей среды), но не слишком удобно из-за своей фрагментарности, поскольку не позволяет «одним взглядом» оценить общее состояние дел. В качестве дополняющей электронный журнал альтернативы можно предложить вариант визуализации успехов учащегося с помощью структурно-логической модели учебного курса.
Например, в сегодняшнем своем виде учебная среда «Интер@ктивная физика, 7-й класс», ориентированная на учебник А. В. Перышкина, содержит около 50 интерактивных моделей, анимаций и видеосюжетов; более 70 интерактивных заданий, репетиторов и тренажеров, а также 4 теста по разделам курса. Модели, анимации, видеосюжеты предназначены для проведения учебных демонстраций, объяснения физических понятий, законов, явлений. Задания, репетиторы и тренажеры должны помочь учащимся научиться решать задачи и пользоваться измерительными приборами. Тесты предназначены для контроля знаний по окончании изучения темы.
Структурно-логическая модель курса физики седьмого класса в соответствии с учебником А. В. Перышкина представлена на рис. 11. Здесь нижний сектор изображает содержание глав «Взаимодействие тел» и «Работа и мощность. Энергия», левый -«Первоначальные сведения о строении вещества», а правый - «Давление твердых тел, жидкостей и газов». Элементы схемы, изображенные бледно-серым цветом неактивны, поскольку соответствующие явления, понятия и законы изучаются в восьмом и девятом классах, здесь они даны лишь для полноты представления изображаемых разделов; та же схема может быть представлена для семиклассника в менее подробном, «свернутом» виде.
Практически каждому элементу структурной модели в составе обучающей среды «Интер@ктивная физика, 7-й класс» соответствует хотя бы один, а чаще - несколько интерактивных объектов. «Матрица освоения» содержит информацию о том, работал ли учащийся с соответствующими объектами и если да, то насколько успешно. Эта информация может отображаться на экране компьютера с помощью цветовой индикации: элементы схемы, соответствующие не изученному пока материалу, остаются белыми, успешно изученные - окрашиваются в зеленый цвет, те, по которым имеются недочеты - в желтый,
проблемные - в красный. Таким образом, учащийся или его родители, или учитель могут оценить состояние дел и определить направление дальнейших занятий.
С появлением в составе программного продукта глобальной экспертной системы проблема выбора маршрута сможет решаться автоматически. Таким образом, оказывается возможным вплотную подойти к реализации полноценного программно-технологического средства обучения. Однако на этом пути предстоит еще преодолеть ряд серьезных проблем: составление по возможности более полной системы ЗУН по курсу, причем упорядоченных по уровням сложности для достаточно представительного круга задач; создание сплошного покрытия учебного материала интерактивными объектами; разработка алгоритма генерации очередного шага на траектории обучения с учетом индивидуальных особенностей и успехов конкретного учащегося. Наконец, существует «внешняя» проблема, возникающая при эксплуатации такой системы: при существующих СНИПах семиклассник может заниматься на компьютере 15-20 минут в день.
В заключение отметим, что в отличие от реально существующего и поступившего в опытную эксплуатацию программного продукта «Интер@ктивная физика», автоматизированные средства обучения вроде описанных в предыдущем абзаце, во-первых, пока не созданы, во-вторых, вряд ли когда-либо превзойдут опытного учителя, в-третьих, смогут быть полезны, в основном, в учебных заведениях, дающих массовое образование, и то, вероятно, на начальном этапе освоения школьниками учебного материала. Все обсуждавшиеся выше интерактивные объекты нацелены на формирование базового уровня ЗУН, поскольку разработанные тренажеры содержат не сложные, комплексные задания, а, напротив, короткие, обозримые, нацеленные на поэлементную отработку достаточно простых операций, выполняемых в ходе решения физических задач. Это значит, что существующие программные продукты в состоянии поддерживать, в основном, репродуктивную фазу обучения. Решение задач в тетради (на доске) в любом случае не отменяется, потому что разнообразие подлежащих освоению задач велико, и все их перенести в компьютерную среду нереально, во всяком случае, в обозримом будущем.
Рис. 11. Структурно-логическая модель курса физики седьмого класса
В то же время не следует недооценивать потенциальную полезность и уже в близкой перспективе востребованность компьютерных обучающих систем типа описанных выше. Они могут существенно снизить объем рутинной работы, которую учителю приходится совершать при традиционных формах обучения. Далее, как в среднем, так и в высшем образовании последние два десятилетия декларируется рост роли самостоятельной работы учащихся, что реализуемо лишь при условии разработки и внедрения дидактических материалов нового поколения, в том числе компьютерных интерактивных систем. Усиливает эту тенденцию и дефицит аудиторных часов, и продолжающийся кризис в национальной системе образования, не в последнюю очередь выражающийся в кризисе педагогических кадров. Поэтому перспективы применения автоматизированных обучающих систем более чем широки.
Библиографический список
1. 1С: Школа. Физика 10-11 классы. Подготовка к ЕГЭ [Текст] / под ред. Н.К.Хананова. -М.: ЗАО «1С», 2004.
2. Баяндин, Д.В. Динамические интерактивные модели для поддержки познавательной деятельности учащихся [Текст] / Д. В. Баяндин // Вестник Пермского гос. пед. ун-та. Серия «Информационные компьютерные технологии в образовании». - Вып. 5. -Пермь: ПГПУ, 2009. - С. 30-44.
3. Баяндин, Д.В. Интерактивные компьютерные тренажеры в школьном курсе физики [Текст] / Д. В. Баяндин, Н. Н. Медведева, Н. К. Ханнанов // Физика в школе. 2006. -№ 4. - С. 3-10.
4. Баяндин, Д. В. Моделирующие системы для развития информационно-образовательной среды (на примере предметной области «физика») [Текст] / Д. В. Баяндин.- Пермь: Изд-во Пермского гос. техн. ун-та, 2007.
5. Живая физика 2000 [Электронный ресурс]. - М.: ИНТ, 2002.
6. Интер@ктивная физика. Система активных обучающих сред для основной и полной средней школы [Электронный ресурс] / Д. В. Баяндин, Н. Н. Медведева, О. И. Мухин и др. - Пермь: ИИТ, 2008-2010.
7. Оспенникова, Е. В. Использование информационно-коммуникационных технологий в преподавании физики [Текст] /Е. В. Оспенникова. - М.: БИНОМ, 2011. - 655 с.
8. Физика-10: Инновационный учебно-методический комплекс [Электронный ресурс] / Д. В. Баяндин, Н. Н. Медведева, О. И. Мухин и др. - М.: Просвещение-МЕДИА, 2008. -1ЖЬ: // лул¥\¥.5с1юо1-со11ес1юп/ес1и.ги (Дата обращения: 03.09.2010).
