Й учебный вопрос: Применение ИТ на лабораторных занятиях
Основными задачами лабораторного занятия являются задачи экспериментального раскрытия теоретических положений изучаемого предмета, задачи ознакомления обучаемых основными методами проведения научного эксперимента, задачи анализа данных, полученных при обработке результатов лабораторной работы.
Рассмотрим основные подходы к использованию средств ИТ для моделирования различных явлений, процессов, работы лабораторных стендов, агрегатов, машин, проведения замеров, снятия показаний приборов с использованием специальных датчиков, обработки результатов эксперимента, построения таблиц, диаграмм, графиков.
Отметим, что практика демонстрации разного рода лабораторных экспериментов зачастую недостаточно эффективна, если иметь в виду прочность и глубину знаний. Традиционным лабораторным экспериментам присущи и такие неизбежные недостатки, как сложность приобретения и модернизации лабораторного оборудования; высокая стоимость и экологическая небезопасность некоторых агрегатов; недостаточная наглядность из-за невозможности наблюдения явлений и процессов, протекающих внутри лабораторной установки, протекающих слишком медленно или слишком быстро, при низких или высоких температурах; неизбежная погрешность любого эксперимента. Использование возможностей средств ИТ на лабораторных занятиях позволит устранить большую часть этих недостатков.
В настоящее время существуют три основных подхода к
использованию возможностей средств ИТ 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.
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 ИТ позволяют осуществить сбор информации и постановку эксперимента, создать условия, без которых невозможны 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, MatLab. 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 MatLab 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.
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 ИТ 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.
Рассмотрим еще один дорогостоящий, но перспективный
третий подход к использованию возможностей средств
ИТ при проведении лабораторных исследований — исследования реальных и виртуальных объектов с помощью технологии «Виртуальная реальность». 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.
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 наглядность 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 ИТ, 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 (рисунок 1).
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 (таблица 2). Обучаемый самостоятельно подбирает приемлемый для себя темп работы с программой и последовательно проходит все этапы занятия.
Рисунок 1 ― Последовательность работы обучаемого
с системой на лабораторном занятии
Таблица 2 ― Методика проведения лабораторного занятия с использованием средства обучения, функционирующего на базе информационных технологий
Продолжение Таблицы 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 занятию. 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.
Применение средства обучения, функционирующего
на базе информационных и коммуникационных технологий, на лабораторном занятии способствует:
· развитию исследовательских навыков и интеллектуальных способностей обучаемых в области экспериментальной
деятельности;
· активизации учебной деятельности обучаемых в процессе осуществления эксперимента, исследования, выдвижения
гипотезы, ее проверки;
· усилению мотивации обучения, побуждающей обучаемых к серьезной, сложной, но интересной деятельности;
· стимуляции различных видов мышления, таких как абстрактное, логическое, образное;
· существенному сокращению времени на подготовку и
проведение сложных экспериментов за счет автоматизации
вычислительной деятельности;
· концентрации внимания обучаемого на усвоении важнейших законов, терминов, определений;
· формированию умения оптимально организовать свою
работу;
· предоставлению каждому обучаемому средств для
осуществления упражнений в определенном виде деятельности;
· организации интересного научного исследования;
· овладению обучаемыми умениями и навыками использования современных информационных и коммуникационных технологий для решения профессионально значимых задач.
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:
· моделировать протекание разнообразных явлений и
процессов, работу лабораторных стендов, агрегатов, машин с
возможностью задания и изменения начальных и граничных
условий; проводить замеры необходимых параметров
· многократно повторять весь эксперимент или его фрагменты, регистрировать необходимые данные и физические параметры;
· визуализировать изучаемые явления и процессы не
только в статике, но и в динамике;
· наглядно иллюстрировать детали лабораторных стендов,
установок;
· варьировать параметры исследуемой системы и условия
эксперимента, которые сложно реализовать в натурном эксперименте;
· изменять масштаб времени;
· автоматизировать обработку и анализ результатов эксперимента; обеспечить представление результатов в виде таблиц, графиков, диаграмм;
· исследовать количественные параметры модели, а не
только визуализировать их качественные характеристики;
· решать задачи исследовательского характера;
· проектировать, конструировать механизмы, машины,
имитировать их работу средствами анимации;
· реализовать возможности интеллектуального управления ходом учебного процесса;
· автоматизировать контроль знаний, умений, навыков,
полученных в ходе лабораторного занятия.
Заключение
- обобщить наиболее важные, существенные вопросы лекции;
- сформулировать общие выводы;
- поставить задачи для самостоятельной работы;
- ответить на вопросы студентов.
Лекция разработана «___»________20__г.
_______________________(___________)
(подпись, фамилия и инициалы автора)