Оглавление
Введение.......................................................................3
Глава I. Концепция интерактивной обучающей и исследовательской среды............б
1.1. Использование современных компьютерных средств для обучения..............6
1.2. Структура интерактивной обучающей и исследовательской среды.
Ее реализация в предметной области “Теория колебаний“....................11
1.2.1. Система “Практикум”...............................................12
1.2.2. Компьютерный учебник..............................................12
1.2.3. Компьютерный задачник.............................................13
1.2.4. Взаимодействие систем, входящих в обучающую среду................13
Глава 2. Система экспериментальных исследовании. Системе “Практикум” 15
2.1. Структура системы “Практикум”...........................................15
2.2. Модель механической системы.............................................17
2.3. Пример построения модели механической системы: задача о связанных маятниках....................................................................19
2.3.1. Свободные колебания связанных маятников...........................19
2.3.2. Резонанс в системе связанных маятников при управлении углом отклонения от вертикали одного из маятников.............................28
2.4. Пример построения модели механической системы: задача о двойном маятнике..................................................................30
2.4.1. Свободные колебания двойного маятника.............................30
2.4.2. Возникновение резонанса при управлении углом отклонения нижнего звена двойного маятника от вертикали....................................34
2.5. Пример построения модели: плоская ограниченная задача трех тел.
Движение малого тела окаю треугольных точек либрации.....................37
2.0. Пример работы с практикумом в режиме исследования:
ограниченная задача трех тел.............................................40
Глава 3. Система компьютерного учебника-.......................................42
3.1. Структура компьютерного учебника по теме ”Катебания”....................42
3.2. Сценарии компьютерного учебника по теме “Колебания”.....................45
3.3. Конспект компьютерного учебника.........................................46
3.4. Сценарий расширенного хурса для компьютерного учебника но
теории колебаний.........................................................70
3.5. Реализация компьютерного учебника.......................................71
ТургеиЧ Ьу Ле*$-Тр;Х
1
Глава 4. Тестирование знании. Система ’'Контрольная работа”...............74
4.1. Метод тестирования знании с использованием пакета тестовых задач 74
4.2. Характеристики пакета тестовых задач...............................75
4.3. Наполнение пакета тестовых’ задач по теме ” Колебания".............79
4.4. Структура системы "Контрольная работа".............................84
Заключение................................................................90
Литература................................................................91
Приложение................................................................97
2
Введение.
Бурное развитие вычислительной техники создало множество новых возможностей в области создания компьютерных обучающих систем. За последние несколько лет возник богатый спектр графических программ, позволяющих быстро создавать пр<>-фессиональные графические двух- и трехмерные модели объектов и явлений. Появились и развились средства мультимедиа, позволяющие подключать к изображению на экране компьютера видео и звук. Более совершенные языки программирования, а также созданные в последнее В1>смя системы подготовки текстов нового поколения дали возможность создавать программные продукты, направленные на образование, достаточно быстро. Компьютеры стали более доступны, почти каждое высшее учебное заведение оснащено современными компьютерными классами, и каждый студент имеет доступ к работе с компьютерами. Как следствие этих изменений в информационных технологиях, появились обучающие программы разного направления, предназначенные для обогащения учебного процесса в различных областях научного знания.
Так например, среди различных классов таких програ?лм возникли компьютерные учебники, направленные на самостоятельное образование студентов. Такие учебники содержат теоретическую информацию и систему контроля, позволяющую студенту самостоятельно контролировать свои знания. Некоторые из таких учебников обладают возможностью выбирать программу обучения и темп изложения, индивидуаль ные для каждого пользователя. Это позволяет снять стрессовую ситуацию для тех обучаемых, которые воспринимают информацию медленнее но сравнению со средним темпом изложения на лекциях и семинарах, а для быстро воспринимающих информацию дает возможность лучше проявить свои способности. Тем самьш повышается интерес к изучаемому предмету. Некоторые обучающие системы открыты для преподавателя. Он может по желанию добавлять или удалять те ИЛИ иные главы изучаемого материала-
Возможность включать в классические методы обучения визуализацию объектов изучения, анимацию, мультимедиа при помощи кохтьютерн приобретает особенное значение для естественнонаучных дисциплин, так как такое включение позволяст лучше представить изучаемый объект и, как следствие, лучше понять законы его изменения.
Изучение теории колебании при иомоши компьютера имеет важное значение, так как с одной стороны это важная наука для многих студентов, изучающих дисциплины естественнонаучного цикла. С другой стороны современные возможности компьютера позволяют привлечь внимание' студента к объектам изучения при помощи яркого
3
изложения материала, множественных иллюстрации и звукового сопровождения, за острянлцего внимание на важных вопросах. Использование таких возможностей может значительно обогатить классический процесс изучения.
Цель диссертации состоит в разработке интегрированной мультимедиа обучаю щей и исследовательской среды по теории колебаний. В качестве составных частей среды в диссертации разработаны компьютерный практикум, компьютерный учебник и компьютерный задачник.
Диссертация состоит ira введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
Первая глава посвящена изложению концепции интегрированной обучающей среды и общему описанию структурных решений, принятых при разработке системы. В главе в начале дастся анализ существующих компьютерных обучающих систол, об суждается их направленность и необходимость их объединения в интегри]юваннук> среду. Затем излагается основная концепция интегрированной обучающей среды и описывается ее реализация на примере мультимедиа ннтегрщюванной среды по теории колебаний.
Вторая глава посвящена компьютерному практикуму по теории колебаний. Система экслершлентальных исследований ’’Практикум” предназначена для исследования поведения механических систем и визуализации их движения в зависимости от параметров и начальных условий. В главе изложены компьютерная реализация приложения “Практикум”, методы построения моделей в среде этого приложения и приведены примеры изучения поведения механических систем с помощью компьютерного практикума.
Третья глава посвящена компьютерному учебнику но теории колебаний. В ней изложена схема и структура теоретического материала и примеров задач, включен ных в обучающий курс. Используется принцип представления структуры курса в виде графа элсхсснтов знании и изложения материала курса согласно этому принципу. Также в этой главе излагаются методы компьютерной реализации курса, как компьютерной программы, обладающей единым интерфейсом со всей интегрирч»ванной средой и снабженной диалоговой системой общения с обучаемым.
Четвертая глава диссертации посвящена компьютерному задачнику. Компьютерный задачник но теории колебаний представляет собой кохспьютерную систему тестировать знании, основанную на принципе элементов знании в теории колебании, изложенном в третьей главе. В главе описаны составляющая задачник база задач и особенности компьютерной ]>еализации задачника, как самостоятельной, открытой для преподавателя обучающей системы.
4
В заключении сформулированы основные результаты диссертации и вытекающие из них направления развития обучающих средств по теории колебаний.
Результаты работы докладывались на конференции “Ломоносовские чтения” в 1998 году, на Всесоюзном совещании заведующих кафедрами теоретической механики (1999 г), на конференции в Пересдавде (1999 г), на семинаре “Компьютеры в хсатематическом образовании инженеров” в Московском Энергетическом институте.
Материалы диссертации опубликованы в работах автора [21], [22*, [60].
Глава I.
Концепция интерактивной обучающей
И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ СРЕДЫ.
1.1. Использование современных компьютерных средств для обучения.
Компьютерные средства комхеуникаиии в настоящее время приобретают все боль шее значение на всех уровнях деятельности человека. Постоянное развитие и приобретение все больших возможностей позволяет расширить спектр их применения. Так компьютеризация общества существенно коснулась и начала перестраивать сферу образования.
Компьютерные средства обучения начали особенно бурно развиваться в течение последнего десятилетня. В настоящем* время практически все ВУЗьц гимназии* лицеи и многие средние школы оснащены современными компьютерными классами. Доступ к компьютерам для учащихся и студентов существенно упростился. Сильно увеличилось число людей* имеющих компьютер дома. Таким образохс появились возможности для развития компьютерных средств образования.
В зависимости от предх«стной области обучающие средства используют адекват-ным набор технических возможностей* способствующих наиболее полному раскры тшо предмета. Так изучение математических наук и химии невозможно без написания на экране формул в общепринятой нотации, изучение физики и географии требует демонстрации видеофрагментов для полной иллюстрации материала* для изучения иностранных языков необходимо использовать аудиодингафонные фрагменты или реализующие "погружение в ситуацию* видеофрагменты. Для всего спек тра средств обучения полезно и часто необходимо использование хо]юшо развитых средств компьютерной графики.
В зависимости от назначения компьютерные средства обучения развиваются по следующим направлениям.
- Компьютерные практикумы (средства компьютерного эксперихсснтирования с математическими моделями) [31 -33, 40-42* 58],
- Системы для индивидуального образования (самостоятельной работы студентов) [34, 35, 441,
Системы поддержки лекции (управление показом видеоматериалов* компыо-терное моделирование, применение графической и текстовой информации) [27, 59-61),
Системы контроля и тестирования знании (компьютерные контрольные работы* зачеты) |32, 36, 37* 60, 61),
Интеллектуальные обучающие системы [33].
6
Вес эти средства обучения широко используют современную компьютерную графику и мультимедиа технологии и отличаются своим назначением и сферой приме нения в образовательном процессе.
Рассмотрим все эти направления более подробно.
Компьютерные практикумы.
Компьютерные практикумы — ЭТО компьютерные средства обучения, позволяющие пользователю экспериментировать с существуй »щей на экране компьютера математической моделью того или иного процесса или явления, реализованной при помощи компьютерных средств расчета и графики. Эксперименты с такой моделью дают пользователю возможность активно вмешиваться в процесс формирования задания для выполнения опытов, следить за поведение?.* изучаемых объектов или явлений на экране компьютера и анализировать полученные результаты. Заметное развитие получили следующие виды практикумов: вычислительные, в которых требуется рассчитать параметры системы [36. 41. 42], демонстрационные, цель которых состоит в иллюстрировании характера поведения объектов, к практикумы с использованием опытных установок (28, 29, 42ч 68]. Практикумы последнего типа основаны на идее компьютерного упралттения процессом организации экспериментов с реальными приборами и опытными установками.
Значительное число практикумов разработано для естественнонаучных дисциплин, таких как физика, химия, математика. Это обусловлено тем, что именно для этих дисциплин болсс всего требуется развитие навыков экспериментирования и опыт наблюдений. Существуют практикумы по физике (преимущественно разрабатываются в МФТИ. МИФИ, на физическом факультете МГУ), по математике (по вычислительным методам и по дифференциальным уравнениям в МГУ), по вычислительной технике и информатике (ВМК МГУ) (28. 29. 36, 41, 42].
Системы индивидуального образования.
Такие систе?.1ы наиболее полно используют преимущества современных компьютерных технологий и потому достаточно эффективны. В них бывают включены и видеокурсы лекций, и практикумы, и контрольные работы. Они позволяют обеспечить индивидуальный темп изучения материала* дают возможность изучать материал в той последовательности и в том объеме, которые требуются в данное время обучаемому. Пользователь может прервать обучение в любой момент и П(юдсх1жить в удобное ему время. Возможно неоднократное возвращение к наиболее трудным разделах! темы на любом этапе обучения. Системы индивидуального образования могут быть использованы студентами и преподавателями для обогащения процесса обучения и закрепления изучаемого материала.
7
- Київ+380960830922