Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы изучения педагогических технологий проведения лабораторного эксперимента и тенденции их развития при обучении в вузах МЧС России 18
1.1. Роль, место и основные методические приемы проведения лабораторного эксперимента в инженерно-техническом образовании 18
1.2. Роль и место численных методов при выполнении расчетно-графических работ и типовых расчетов в инженерно-техническом образовании 36
1.3. Анализ состояния разработки проблемы использования виртуальных технологий проведения лабораторного эксперимента в инженерном образовании 45
1.4. Организация и методика исследования проблемы применения виртуальных технологий моделирования в учебном процессе вузов МЧС России 60
Глава 2. Экспериментальное исследование процесса практического обучения в вузах МЧС России на основе организации расчетно-лабораторных занятий увеличенной продолжительности 74
2.1. Анализ возможных вариантов организации расчетно лабораторных занятий увеличенной продолжительности в вузах МЧС России 74
2.2. Разработка программы эксперимента по использованию в учебном процессе расчетно-лабораторных занятий увеличенной продолжительности 89
2.3. Анализ результатов эксперимента по использованию расчетно-лабораторных занятий увеличенной продолжительности в учебном процессе
Глава 3. Необходимые условия эффективного применения виртуальных технологий лабораторного эксперимента при обучении сотрудников ГПС 119
3.1. Требования к методической поддержке выполнения комплексных расчетно-экспериментальных заданий 119
3.2. Структура и параметры компьютерно-моделирующих комплексов с эмуляцией измерений моделируемых процессов 130
Заключение 138
Литература
- Анализ состояния разработки проблемы использования виртуальных технологий проведения лабораторного эксперимента в инженерном образовании
- Организация и методика исследования проблемы применения виртуальных технологий моделирования в учебном процессе вузов МЧС России
- Разработка программы эксперимента по использованию в учебном процессе расчетно-лабораторных занятий увеличенной продолжительности
- Структура и параметры компьютерно-моделирующих комплексов с эмуляцией измерений моделируемых процессов
Анализ состояния разработки проблемы использования виртуальных технологий проведения лабораторного эксперимента в инженерном образовании
Между различными видами таких лабораторных экспериментов нет резкой границы. Например, в работах по изучению физических и химических законов курсанты и студенты технических вузов выполняют наблюдения физических явлений, измеряют физические величины, знакомятся с устройством измерительных приборов, методами измерения физико-химических величин и, наконец, выясняют зависимость между физическими величинами.
По формам организации лабораторные занятия разделяют на фронтальные занятия и физические практикумы, проводимые в конце курса по специальному графику.
Некоторые авторы [59, 153] считают, что лабораторный практикум является более высокой ступенью самостоятельного лабораторного эксперимента, чем фронтальные лабораторные занятия. Однако его выполнение базируется на первоначальных знаниях и умениях курсантов и студентов, полученных при выполнении фронтальных лабораторных занятий.
По виду руководств лабораторные занятия разделяют на занятия, выполняемые при устном руководстве преподавателя и по письменным инструкциям. Оба вида руководств имеют достоинства и недостатки, поэтому его выбор определяется сложностью работы, дидактической целью и подготовленностью курсантов и студентов. Устное руководство осуществляют обычно в начальном периоде проведения фронтальных лабораторных занятий, когда у курсантов и студентов нет еще необходимых экспериментальных знаний и умений. Устное руководство позволяет оперативно руководить всеми действиями курсантов и студентов, при этом степень подробности инструктажа зависит от сложности выполняемых операций, применяемого оборудования и наличия у курсантов и студентов экспериментальных умений. По мере развития последних устное руководство заменяется выполнением работ по письменным инструкциям.
Письменные инструкции помогают курсантам и студентам работать самостоятельно в индивидуальном темпе, а преподавателю — полнее осуществлять контроль за ходом выполнения лабораторного эксперимента, своевременно выявлять трудности и ошибки курсантов и студентов и оказывать им необходимую помощь в работе.
Полная письменная инструкция по проведению лабораторного эксперимента обычно содержит: - номер и название проводимого лабораторного эксперимента; - цель проводимого лабораторного эксперимента; - перечень оборудования, необходимого для проведения лабораторного эксперимента; - содержание проводимого лабораторного эксперимента; - метод и порядок выполнения проводимого лабораторного эксперимента; - рисунки и схемы установок, используемых для проведения лабораторного эксперимента; - таблицы для записи результатов измерений и вычислений, полученных в ходе проведения лабораторного эксперимента; - способы расчета погрешностей измерений, проводимых в ходе лабораторного эксперимента; - контрольные вопросы по теме проводимого лабораторного эксперимента. [55] Контрольные вопросы обращают внимание курсантов и студентов на существенные стороны изучаемого явления и заставляют осмысливать свои действия и полученные результаты. В некоторых инструкциях системой вопросов задается программа выполнения лабораторного эксперимента. По мере развития у курсантов и студентов экспериментальных умений и навыков детализация инструкций уменьшается и им предоставляется большая самостоятельность при выполнении работ. По времени выполнения лабораторные занятия, проводимые в вузах МЧС России можно разделить на: — стандартные (два академических часа); — увеличенной продолжительности (4 или 6 академических часов). Стандартные лабораторные занятия служат, главным образом, для: — формирования у курсантов и студентов начальных представлений о физико-химических явлениях, понятиях и закономерностях; — развития у них экспериментальных умений, в том числе умений наблюдать физические и химические явления, выполнять достаточно простые измерения и опыты; — обращаться со стандартными измерительными приборами, материалами, химическими реактивами; — анализировать полученные в ходе лабораторного эксперимента результаты, делать обобщения и выводы.
Стандартные лабораторные занятия соответствуют познавательным возможностям курсантов и студентов, усложняются постепенно, что способствует поэтапному формированию системы знаний и умений учащихся. Они способствуют также развитию мышления курсантов и студентов, так как побуждают их к выполнению умственных операций (анализу, синтезу, сравнению, обобщению и др.) и создают условия для самоконтроля. Активизация мыслительной деятельности курсантов и студентов достигается путем постановки соответствующих вопросов в ходе выполнения лабораторного эксперимента. [51]
Организация и методика исследования проблемы применения виртуальных технологий моделирования в учебном процессе вузов МЧС России
Потенциал такого применения виртуальных практикумов высок. Исследование полуколичественной модели (и количественной, параметрической с неявной математической основой) представляет собой нетривиальную задачу, в которую вовлекаются разнообразные умения: планировать эксперимент, выдвигать или выбирать наиболее разумные гипотезы о связи величин, явлений, свойств, параметров, делать выводы на основе экспериментальных данных, формулировать задачи.
Особенно важным и целесообразным является умение указывать границы (область, условия) применимости научных моделей, включая изучение того, какие аспекты реального явления компьютерная модель воспроизводит удачно, а какие оказываются за гранью моделируемого.
Эффективность применения компьютерных моделей на лабораторных занятиях определяется также стилем, авторским почерком, нетривиальностью педагогического мышления применяющего их преподавателя, его готовностью к инновационной деятельности, индивидуализации и дифференциации обучения. Конечно, есть группы курсантов и студентов, заданные внешней дифференциацией (например, обучающиеся заочно, дистанционно, слушатели с особыми потребностями), для которых лабораторные работы в компьютерном курсе могут быть очень удачным (иногда - единственно возможным) решением. Но требуют разработки приемы направленного применения таких работ как с учетом специфики комплектующих органов МЧС России, так и по месту в изучаемом курсе.
Виртуальная лабораторная работа, как и традиционная (на бумажном носителе), должна охватывать все основные этапы освоения прикладных программ, опираясь при этом на уже накопленные знания курсантов и студентов. Вместе с тем, по сравнению с работами на бумажных носителях к виртуальному лабораторному эксперименту предъявляется ряд дополнительных требований: — текст работы должен быть разбит на модули, каждый из которых охватывает все этапы выполнения определенного задания: краткое вводное объяснение, текст задания, рекомендации по выполнению, проверка результата; — работа должна иметь гипертекстовую структуру, т.е. должна быть обеспечена возможность вызова на экран любой модуль (или его часть) в порядке, удобном для обучаемого; — необходимо использовать все предоставляемые компьютером средства для более наглядного и выразительного представления информации на экране — графические (включая анимационные), возможности структурирования текста, иные приемы акцентирования внимания; — помощь и указания о порядке выполнения задания не должны содержаться непосредственно в первоначальном тексте работы, однако, учащийся должен иметь возможность их вызвать (желательно в отдельном окне); — при использовании для выходной проверки системы автоматизированного компьютерного контроля обращение к ней должно производиться непосредственно из лабораторной работы. [141] Использование электронных лабораторных работ позволяет более полно реализовать дифференцированный подход в процессе обучения, нежели работы и задания на бумажных носителях. Это связано с возможностью включения в работы достаточно большого (необходимого) количества заданий различного уровня сложности или объема. Существенным достоинством является возможность легко адаптировать имеющиеся работы к появляющимся новым версиям программ. Если работы представлены в виде html-документа, появляется возможность их использования для обучения в дистантном варианте. Наконец, предельно упрощено тиражирование нужных материалов. Опыт использования электронных лабораторных работ по базовым приложениям Windows (Word, Excel, Access) при обучении курсантов и студентов 1, 2 курсов университета выявил, целый ряд положительных моментов: - наглядная реализация объектного подхода, как основы современного программного обеспечения; — возможность получения дополнительных навыков работы учащихся в многооконном режиме; - уменьшение объема теоретического материала, даваемого лекционно, что позволяет учащемуся самостоятельно выбирать удобный ему темп и режим работы; — обучаемый может сам выбирать тактику обучения в зависимости от уровня своей подготовки. [129] Таким образом, создание и использование электронных обучающих систем (электронных учебников, справочников, лабораторных работ, систем контроля и пр.) на базе гипертекстовых структур представления информации дает возможность перенести акцент на самостоятельную познавательную деятельность обучаемых, которая, как известно, дает наилучший дидактический эффект.
При использовании виртуального лабораторного эксперимента появляется возможность овладения технологией практического моделирования и компьютерного эксперимента на практике, тем более что технология компьютерного моделирования в научных и практических исследованиях является сегодня одним из основных методов познания окружающей действительности. При этом целью проведения таких занятий на начальном этапе могут быть:
Разработка программы эксперимента по использованию в учебном процессе расчетно-лабораторных занятий увеличенной продолжительности
Поскольку результаты самооценки достаточно хорошо коррелируются с результатами отбора с использованием критерия успеваемости по информатики, то было принято решение о выборе в качестве доминирующего критерия наименее оптимистический результат оценки готовности.
В ходе формирующего этапа последовательно решались следующие задачи: - измерялся уровень успеваемости по завершению изучения первого раздела «Техническая термодинамика»; - исследовались частота обращения курсантов к опциям интерактивного план-графика в ходе выполнения комплексного расчетно экспериментального задания; - измерялась уровень успеваемости по завершению изучения второго раздела «Теория теплообмена».
В ходе контрольного этапа был измерен уровень остаточных знаний по разделам «Техническая термодинамика» и «Теория теплообмена» а так же оценивались потребительские свойства виртуальной теплотехнической лаборатории и интерактивного план-графика при корректировке исходных текстов программных продуктов.
Для объективной оценки результатов формирующего эксперимента непосредственно после его окончания в качестве контрольных точек использовалось: — соблюдение графика представления на защиту отчетов по выполнению лабораторных работ и расчетных заданий раздела «Техническая термодинамика» и графика представления на защиту отчетов по выполнению комплексных расчетно-экспериментальных заданий раздела «Теория теплообмена»; — оценки, выставленные в результате защиты отчетов за лабораторные работы, расчетные работы, комплексные расчетно экспериментальные задания; — оценки за предлабораторные коллоквиумы и послелекционные тесты; — оценки за семестровые контрольные работы; — оценки за итоговые экзамены. [12] Порядок организации семестровых экзаменов по окончанию изучения курса «Термодинамика и теплопередача» предусматривал, что в каждом экзаменационном билете имелось два теоретических вопроса и две задачи для самостоятельного решения по разделам «Техническая термодинамика» и «Теория теплообмена». При этом выставлялись предварительные оценки по итогам изучения разделов и только на их основании выставлялась итоговая оценка по курсу. Для проведения предлабораторных коллоквиумов использовались карты программированного опроса на 5 вопросов по теме лабораторной работы. Если слушатель давал не менее 4 правильных ответов на предлагаемые вопросы он освобождался от защиты отчета по проведенному эксперименту. Оценка за предлабораторный коллоквиум при этом дублировалась при представлении отчета установленной формы за лабораторный эксперимент. Перед выполнением расчетных работ по разделу «Техническая термодинамика» проводилось послелекционное тестирование по той же схеме.
Результаты измерений знаний курсантов контрольной группы по окончании формирующего эксперимента представлены в таблице 10.
После обработки результатов эксперимента получен следующий показатель эффективности выполнения комплексных расчетно экспериментальных заданий на расчетно-лабораторных занятиях увеличенной продолжительности є = 1,07. Анализ результатов эксперимента показывает, что применение технологий виртуальных технологий во время проведения лабораторного эксперимента и выполнения комплексных расчетно-экспериментальных заданий дает существенный эффект прежде всего в части соблюдения графика выполнения лабораторных и расчетных работ. Это предположительно должно сказаться и на выполнении самостоятельных работ по другим учебным дисциплинам, однако этот фактор оказался вне тематики данного исследования.
Контрольный опрос проводился независимыми экспертами через 14 месяцев после окончания изучения дисциплины «Термодинамика и теплопередача» в рамках подготовки к дистанционному тестированию. В контролирующей программе по разделу «Техническая термодинамика» 5 вопросов относятся к темам 1-9. В контролирующей программе по разделу «Теория теплообмена» другие 5 вопросов относятся к темам 10-17. По каждому вопросу предлагалось 5 вариантов ответов, причем слушатели предупреждались, что возможно наличие нескольких правильных ответов, отсутствие таковых, а так же наличие вариантов неточных ответов. За выбор правильного ответа слушатель получал 2 балла, за выбор варианта неточного ответа - 1 балл. Таким образом, ответ курсантов оценивался по 10 балльной шкале, что повысило точность измерений остаточных знаний. На подготовку 10 ответов курсанту отводилось 10 минут. При получении 9 и 10 баллов и более остаточные знания оценивались «Отлично», при получении от 7 и 8 баллов - оценкой «Хорошо», при получении 5 и 6 баллов — оценкой «Удовлетворительно». При получении менее 5 баллов остаточные знания оценивались оценкой «Неудовлетворительно».
Ответы на вопросы курсантам выполнялись на специально изготовленных для этого бланках, образец такого бланка представлен в приложении.
Карты программированного опроса не нумеровались, поэтому по истечении указанного времени проводившие измерение остаточных знаний преподаватели предлагали курсантам вложить бланки ответов в открытые полиэтиленовые пакеты с картами программированного опроса, таким образом, обеспечивалась единтификация ответов курсантам.
Структура и параметры компьютерно-моделирующих комплексов с эмуляцией измерений моделируемых процессов
Обычно такой подход можно рекомендовать для слушателей и студентов заочно-дистанционной формы обучения, поскольку он не только способствует лучшему усвоению изучаемого материала, но и позволяет сократить продолжительность выполнения практикума в реальной лаборатории в период пребывания в стенах учебного заведения. [139]
Если компьютерно-моделирующий комплекс используется как дополнение к реальному практикуму, то он должен быть ориентирован на проведение исследований повышенного уровня сложности или исследований, требующих дорогостоящего оборудования, которым может и не располагать вуз МЧС России. По технологиям создания компьютерно-моделирующих комплексов можно выделить следующие основные варианты.
1. Компьютерно-моделирующие комплексы на основе универсальных пакетов программ, обеспечивающих возможность применения в широком спектре предметных областей. Примером может служить система Lab VIEW фирмы National Instruments. Универсальные пакеты содержат обширные библиотеки элементов, предназначенных для разработки виртуальных интерфейсов физических приборов и лабораторных установок.
2. Компьютерно-моделирующие комплексы на основе специализированных предметно-ориентированных пакетов программ, предназначенных для сравнительно ограниченного набора предметных областей. В качестве примера отметим систему Multisim фирмы Electronics Workbench, созданную для моделирования электронных схем, систему ChemOffice фирмы CarnbridgeSoft, предназначенную для моделирования и анализа химических процессов и т.п. Так же как и в предыдущем случае, программное обеспечение данного класса представляет собой универсальную среду, предназначенную для решения прикладных задач пользователя.
3. Компьютерно-моделирующие комплексы на основе Java-апплетов.
В отличие от предыдущих случаев, где пользователь (преподаватель) обычно работает в режиме графического программирования, процесс создания Java-апплетов является гораздо более трудоемким и требует программирования в кодах. Тем не менее, данная технология имеет и определенные достоинства, особенно когда речь заходит о компьютерно моделирующих комплексах, предназначенном для сетевого применения. Так, например, приложения, создаваемые в системе Lab VIEW, занимают примерно 2,5-3 Мбайт памяти, а типичный размер виртуальной лабораторной работы на основе Java-апплета - десятки-сотни килобайт
Развитие сетевых компьютерных технологий привело к появлению лабораторного практикума, реализуемого в режиме удаленного доступа к реальному оборудованию. Учитывая, что реализация удаленного доступа к реальному оборудованию связана с решением ряда проблем (необходимостью сопряжения лабораторного макета с ПК, обеспечением надежной защиты оборудования от возникновения аварийных режимов, низкой эффективностью использования оборудования из-за невозможности в ряде случаев реализовать коллективный доступ и т.д.), данная технология имеет достаточно много оппонентов. Тем не менее, она тоже имеет свое право на существование, а в ряде случаев имеет очевидные преимущества перед компьютерно-моделирующеми комплексами.
Важным является вопрос, не является ли компьютерно-моделирующий комплекс альтернативой реальному лабораторному практикуму. С одной стороны, современные компьютерные технологии имитационного моделирования позволяют создавать виртуальные интерфейсы реального лабораторного оборудования, воспроизводящие и внешний вид, и его параметры с очень высокой точностью. С другой стороны, поддержание в рабочем состоянии и своевременное обновление лабораторного оборудования, включая и измерительные приборы, требует немалых финансовых средств. Тем не менее, любой, даже сколь угодно высококлассный компьютерно-моделирующий комплекс, в большинстве случаев не заменит по своему обучающему воздействию, оказываемому на студента, работу с реальным оборудованием. [128]
Основную роль в моделировании физико-химических и иных процессов должна выполнять информационная подсистема «Рабочие Места», которая представляет собой комплекс программных и аппаратных средств, объединенных в локальную вычислительную сеть. Подсистему составляют четыре типа рабочих мест конечных пользователей, сервер баз данных, технические и программные средства связи для информационного обмена между компонентами подсистемы.
Разработка программного обеспечения информационной подсистемы «Рабочие Места» осуществляется на основе программных систем Microsoft SQL Server 2005 и Web приложений ASP.NET, функционирующих под управлением операционной системы Windows Server 2003.
Клиентское программное обеспечение строится на базе обозревателя Windows Internet Explorer и архитектуры .NET, работающих под управлением операционной системы MS Windows ХР.
В качестве СУБД используется Microsoft SQL Server 2005 Standard Edition(SE) и Web приложения ASP.NET, работающие под управлением сетевой операционной системы MS Windows Server 2003. Для программного доступа к системе управления базами данных используется API объектной модели ADO.NET.
Средствами связи для информационного обмена между компонентами подсистемы служит локальная вычислительная сеть, построенная на базе технологии Fast Ethernet (стандарт IEEE 802.3u), с использованием сетевых протоколов TCP/IP и HTTP. [119]
