| Воскресенье, 19.05.2024, 08:25 | Главная | Регистрация | Вход |
|
Статистика
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
Каталог статей
Дисс25
Исторически развитие дистанционной образовательной деятельности в высшей школе России происходило спонтанно по принципу «кристаллизации» вокруг вузов-инициаторов, и к настоящему времени создан определенный спектр дистанционных образовательных технологий, отличающихся по применяемым принципам, формам организации и использования учебно-методического контента. Полная информация о классических и технических университетах, имеющих институты и центры дистанционного обучения приведена на сайте http://catalog. alledu. ru/. Появились объединения университетов, НИИ и институтов академии наук Российской Федерации в ассоциации, с целью создания корпоративно согласованных образовательных программ. Примерами могут быть Евразийская ассоциация ДО или Ассоциация образовательных и научных учреждений «Сибирский открытый университет», членами которой являются более 20 вузов Сибири и Дальнего Востока. В большинстве своем применяемые вузами дистанционные технологии носят гибридный характер и в ряде случаев заметно отличаются по ряду аспектов. Основными типами являются: • кейсовая (портфельная) технология, в рамках которой используется набор учебно-методических материалов (на бумажных, электронных и других носителях), рассылаемый или иным путем предоставляемый пользователям для самостоятельной проработки; • интернет-технология, базирующаяся на использовании современных образовательных сред интерактивного взаимодействия студента с преподавателями и другими студентами в режиме группового, индивидуального и тренингового обучения на основе использования глобальных и локальных компьютерных сетей; • информационно-спутниковая технология, реализующая спутниковое телевидение наряду с наполнением и обновлением образовательного ресурса в локальных компьютерных сетях через спутниковые каналы связи; • учебно-вахтовая технология, предусматривающая периодические выезды преподавателей центрального вуза в филиалы и региональные центры для проведения очных форм занятий, в том числе, с использованием информационных технологий; • аттестационно-вахтовая технология, при которой предусматривается выезд аттестационных комиссий в учебные центры и представительства для проведения аттестации всех студентов. Кейс-технология с периодическими консультациями у тьюторов положено в основу дистанционного обучения во Всероссийском заочном финансово-экономическом институте (ВЗФЭИ). В состав пакета учебно-методических материалов входят: • программы изучения дисциплин с методическими указаниями по выполнению контрольных, курсовых и выпускных квалификационных работ, • печатные фундаментальные учебники и учебные пособия по каждой из дисциплин курса, • специальные печатные учебно-практические пособия с тестами для самоконтроля и контроля по дисциплинам курса, • аудиолекции по дисциплинам курса, лабораторные практикумы, • компьютерные обучающие программы по каждой из дисциплин курса, в том числе с разбором ситуаций и тренингом. Кроме того, используются элементы сетевых технологий и обратная связь по электронной почте, разрабатываются сетевая онлайновая тестовая база данных, планируется внедрение теле- и видеоконференций. Кейс-технология является одной из двух базовых технологий в Московском университете экономики, информатики и статистики (МЭСИ). Обучающемуся высылается (на региональный центр) кейс, содержащий учебно-практические пособия, контрольные задания, тесты для самостоятельного обучения. Средняя продолжительность обучения по одному учебному курсу 1—3 месяца. В год студент сдает до 20 курсов. Процесс обучения в этом случае завершается однодневным семинаром, проводимым центром. Экзамен проводится в письменной и устной формах. Использование современных информационных и образовательных технологий позволило внедрить в учебный процесс новые виды занятий, в частности, чтение обзорных лекций с использованием мультимедийных презентаций и проведение практических занятий с удаленной группой студентов. Информационно-спутниковая технология является основой ДО в Современном гуманитарном университете (СГУ). Она позволяет обеспечить филиалы, представительства и учебные центры СГУ цифровыми и библиотечными ресурсами и вести телевизионные занятия по четырем каналам. СГУ имеет собственный телепорт и арендует спутниковый канал (8 Мбит/с) с зоной вещания на всю територию РФ и стран СНГ. Арендованы также пять каналов «ISDN» и канал «HDLS» общей скоростью доступа 896 кбит/с. Тем самым обеспечен доступ в Интернет из всех учебных центров (общее количество компьютерных терминалов превышает пять тысяч). К настоящему времени в СГУ созданы 1124 телелекции, 329 слайд-лекций, более 450 учебных видеофильмов. Примером негосударственных образовательных учреждений, специализирующихся на современных информационных и коммуникационных технологиях является компьютерный центр РОО «Центр содействия социальной адаптации и физической реабилитации детей «Атлет» (www.atlet.ru). Центр объединяет шесть взаимосвязанных направлений: образовательные программы, электронные учебники, дистанционное образование, авторизованное обучение Microsoft, видеоконференцсвязь, социальные программы. Корпоративная (100 Мбит) сеть центра объединяет 57 компьютеров и три сервера, на одном из которых размещена программная оболочка «ОРОКС2.1» для обучения через Интернет или локальную сеть. Это программное обеспечение разработано Московским институтом электронной техники (техническим университетом) и позволяет создавать обучающие курсы, выполнять контрольные работы, производить тестирование, вести базы данных учебного процесса. Следует отметить прагматический подход МИЭТ к выбору программного обеспечения: все использованные для ОРОКС инструменты являются свободно распространяемыми в сети Интернет (SQL сервер MySQL, Standart Perl 5, Apach Web сервер). Широкое использование сетевых дистанционных технологий лимитируется в настоящее время в России недостаточным развитием инфраструктуры ее телекоммуникационных сетей. Достаточно упомянуть 37 место России в мире по обеспеченности населения телефонной связью, через которую осуществляют выход в Интернет большинство индивидуальных пользователей. Высока неравномерность распределения информационных сетей по стране: по некоторым данным 66,7% пользователей Рунета сосредоточены в Москве и Санкт-Петербурге [77]. Поэтому не вызывает удивления, что по классической сетевой технологии в Современном гуманитарном университете, имеющем многочисленные представительства по всем регионам России, в 1999 г. образовательные услуги получили 96 студентов, тогда как по альтернативным вариантам обучения услуги были предоставлены 57400 студентам [163]. С учетом реального положения вещей не только СГУ, но и многие другие вузы выбирают дидактические средства компьютерных технологий в прямой связи с региональными особенностями и возможностями контингента студентов [15,46, 113, 119,176,180, 304, 309, 323, 324]. В том числе, в Пензенском технологическом институте (завод-втуз Пензенского государственного университета) разработана концепция распределенной сетевой технологии дистанционного обучения, занимающей социально-технологическую нишу между традиционным заочным обучением и Интернет-обучением, и представляющей собой симбиоз' сетевой и кейс технологий [176]. Основное отличие разработанной концепции от классической Интернет-технологии состоит в том, что студенты-пользователи распределенной (иерархической) системы получают взамен прямого доступа к порталу головного образовательного учреждения в режиме реального времени гарантию устойчивого асинхронного доступа к зеркальным, постоянно обновляемым копиям электронных форм учебных материалов. При таком подходе пользователю требуется кратковременное локальное (местное) подключение к серверу представительства головного вуза для получения учебной информации, передачи вопросов, ответов на контрольные задания, результатов тестирования и т. д. Эта система предполагает организацию на базе представительств центрального ИДО компьютерных классов, имеющих определенное количество мест и работающих по расписанию в традиционном темпе учебного процесса. Наличие домашнего компьютера позволяет студенту работать по индивидуальному плану. В Современном гуманитарном университете практически реализуют вариативно-тренинговую технологию, которая состоит в использовании последовательности «цепочек» различных технологических решений дидактических стадий (отбор и формализация знаний, доставка знаний, усвоение знаний, тренинг, аттестация) [113]. Здесь не исключается устные лекции, учебники, видео- и аудиолекции, доставка знаний может производиться устно, по почте, факсу, телефону, по радио и телевидению. Тренинг включает обучающие компьютерные программы наряду с тест-упражнениями и робот-тренажерами, для усвоения знаний применяется глоссарное обучение, обзорное обучение, исследовательская модель получения знаний. Программа работ по дистанционному образованию в Новосибирском государственном техническом университете основана на использовании технологий «кейс + e-mail + компакт-диски» с постепенным внедрением видеоконференций [15]. Технологии «кейс + компакт-диски» широко используется в практике работы Томского университета систем управления и радиоэлектроники [74], мультимедийные электронные курсы и видеосопровождение на компакт-дисках активно разрабатываются в Томском государственном университете [46,69,70]. Помимо традиционного кейса с учебно-практическими материалами и консультаций по телефону, телефаксу и электронной почты, студенты ИДО МЭСИ обеспечиваются учебно-методическими и вспомогательными материалами на компакт-дисках [324]. Вариативная кейсово-сетевая технология обучения используется и в Томском политехническом университете [282—284]. Вся учебно-методическая информация, предназначенная для студентов Института дистанционного образования ТПУ, размещена на сервере http://ido.tpu.edu.ru. Учебные графики всех дисциплин сгруппированы по специальностям, с отдельных дисциплин пользователь получает доступ к учебно-методические материалам по ее сопровождению в сети Интернет. Чтобы иметь доступ к учебно-методическим материалам, студент ИДО после зачисления должен получить статус зарегистрированного пользователя сервера Института дистанционного образования. Для этого программным путем формируется система имен и паролей учащихся, после чего пользователю выдается (или высылается по адресу электронной почты) регистрационное имя и пароль для доступа к учебно-методическим материалам. Теперь с любого компьютера, включенного в Интернет, студент обращается к учебному графику своей специальности (она разрешена к открытому доступу). После выбора конкретной дисциплины необходимо будет зарегистрироваться — ввести свое сетевое имя и пароль. Центральной частью расписания занятий выбранной дисциплине является календарный график работы, который связан со всем учебным материалом, определяет последовательность его изучения, сроки выполнения контрольных заданий и консультаций с преподавателями. Обратная связь поддерживается по электронной почте и телефону. Выполнение практических и лабораторных работ по дисциплинам специализации в режиме «on-line» может производиться на сервере выпускающих кафедр. В таком случае в базу данных электронного деканата ИДО периодически вносятся данные, поступающие с кафедрального сервера. При этом возникают проблемы взаимодействия разнесенных баз данных и необходимо согласование протоколов обмена данными. В процессе изучения теоретического материала по дисциплинам, входящим в учебный план данного семестра, студент самостоятельно выполняет индивидуальные задания, пишет контрольные работы, рефераты, курсовые работы, проходит промежуточное тестирование без выезда в базовый институт. В определенный период времени, после изучения теоретического материала, студент обязан приехать непосредственно в головной ИДО, либо в его филиал для прохождения сессии (тьюторинга). В этот период он выполняет лабораторные работы, которые не могут быть заменены виртуальными, сдает экзамены, получает необходимые зачеты. Как отмечено в [163], те студенты, которые уже работают по профилю будущей специализации, проходят практику по месту работы. Для остальных студентов необходимо заключение специальных договоров с подходящими организациями.
3.5. Перспективные технологии обучения на базе Интернет Во второй главе настоящей работы было показано, что ММ ПДК конструируется в виде совокупности локальных дидактических средств специализированного назначения, под определенные действия участников педагогического процесса. С точки зрения развития информационного общества наиболее важным для профессионального образования в вузе является Web-компонент ММ ПДК. Для учета возможности использования в его составе новых интеллектуальных образовательных технологий на базе сети Интернет следует рассмотреть современные тенденции их становления. Среди наиболее перспективных выделяются технологии (Г.Б. Евгенев, В.Л. Усков, Л.Б. Шереметов): • Web-преподавания на основе стримминга видео- и аудио-конференций; • интеллектуальных и программных агентов (мультиагентов), базирующихся, в частности, на теории искусственного интеллекта и технологии Java applets, servlets (сервлетов) и scriptlets (скриптлетов); • порталов по адаптированию и персонифицированию расположенных в Интернете документов; • высокоэффективные языки программирования и разметки XML и SMIL для разработки Интернет-приложений; • разнообразные технологии следующего поколения сети Интернет — Интернет-2; • технологии семантических браузеров; • референционная модель SCROM (Sharable Content Object Reference Model), обеспечивающая доступ к высококачественным и персонифицированным обучающим и тренировочным материалам, расположенным в Интернете. Подавляющее большинство учебных заведений США, которые предлагают разнообразные online-курсы и целые учебные программы на базе сети Интернет, используют в своей деятельности системы обучения второго поколения (WebCT, BalckBoard, Courselnfo и др.). Однако ведущие университеты США, такие как Стэнфордский университет, Университет Беркли, университет Карнеги—Меллона, с 1999 г. активно разрабатывают и внедряют в своих университетах новую технологию обучения, а точнее новую высокоэффективную технологию преподавания- так называемую Web Lecturing Technology, которая базируется на активном использовании мультимедийных технологий (аудио, видео, анимация) и высокоскоростных каналов передачи информации по сети Интернет. К системам обучения третьего поколения, построенным по подобной технологии относятся, например, системы Stanford-Online, JTL, MANIC, CALAT, A OF, Classroom 2000, САЗ 09 и другие. Более подробно особенности обучающих систем третьего поколения можно показать на примере системы преподавания INTERLABS. Система преподавания INTERLABS разработана в центре исследований технологий обучения на базе Интернет в Университете Бредли (США). Эта система обладает следующими функциями: • организация видеоконференций типов «один—одному» и «один— многим» на основе IP протокола; • организация аудиоконференций; • организация конференций данных (т. е. автоматического обмена данными между работающими программными системами) на основе IP протокола; • одновременная виртуальная работа нескольких клиентов с программными системами с удаленным доступом (application sharing); • организация электронных дискуссий и присоединение к уже существующим группам «дискуссий по интересам»; • скачивание отдельных модулей, фрагментов и целых учебных курсов с сервера. Следует отметить, что достоинством системы INTERLABS является ее высокая мобильность, она может работать для различных навигаторов сети Интернет, а также в тесном взаимодействии с системами второго поколения, например системой BlackBoard 5.0. INTERLABS построена на основе технологии мультиагентов, что в общем случае позволяет: • реализовывать разные педагогические и методологические модели, построенные на различных теориях обучения; • строить адаптивные модели студентов; • реализовывать разнообразные методики обучения, формы представления знаний, техники взаимодействия и групповой работы, оценки индивидуальной и групповой работы студентов, разделенных временем и пространством. Понятие агента является одним из ключевых в современных обучающих системах. Этот конструкт может играть роль виртуальных учителей, студентов, персональных ассистентов, помогающих студентам в обучении, администраторов курсов и т. п. С точки зрения теории искусственного интеллекта понятие агент является развитием понятия объект. Агент возникает в среде, в которой он может совершать «разумные» действия: общаться с другими агентами, воспринимать определенную часть своей среды, обладать автономным поведением, основанным на воспринятой информации. По определению агент не может быть одним, это подкласс объектов, обладающий всеми их свойствами, но имеющий также дополнительные качества. Дополнительные качества позволяют интеллектуальным агентам саморегулироваться, саморазвиваться, адаптироваться и самоорганизовываться (Г.Б. Евгенев). В рамках компьютерной терминологии, понятие агент рассматривается как вычислительный процесс с конечными знаниями относительно ограниченной части предметной области, способный достигать своих целей, взаимодействуя с другими агентами и пользователями. С точки зрения объектно-ориентированного подхода агент представляет собой комплекс функций, в совокупности с интерфейсом способный получать вопросы и посылать ответы. В общем случае мультиагентные системы представляют собой сложные распределенные компьютерные системы, для функционирования которых необходимо существование специальной среды компьютерной поддержки, обеспечивающей логический и временной контексты для создания, функционирования и удаления или уничтожения агентов, ориентированных на решение задач предметной области. Как правило мультиагентные системы являются существенно распределенными: пространственно распределенными и (или) функционально распределенными. Состав мультиагентной системы INTERLABS. Администратор (Agent Managing System), который предназначен для управления жизненным циклом агентов. Для этих целей он непрерывно поддерживает список всех агентов - резидентов, который включает, как минимум, уникальный идентификатор агента и его адрес. Коммуникационный канал (КК) (Agent Communication Channel). Обеспечивает физическую связь между агентами. Таким образом, каждый агент должен иметь доступ, как минимум, к одному КК. Коммуникационные каналы обеспечивают доставку сообщений не только в рамках одной платформы, но и между различными компьютерами. Каждый пользовательский компьютер, подключенный к серверу онлайн-курсов, имеет свой КК, обеспечивающий связь персональных ассистентов пользователей со служебными агентами среды. Кроме того, КК несет функции доставки аудио- и видеодокументов по запросу пользователя, разделения и совместного использования документов и т. п. Монитор группы обеспечивает поддержку кооперативного решения проблемы; помогает тьюторам в координации действий членов группы; предлагает темы для обсуждения, выбирая их из базы знаний; координирует фазы обсуждения проблем (например, управляет процедурами предоставления слова, организации голосования и т. п.); распределяет привилегии при принятии предложений4 предлагает разнообразные возможные общие решения. Этот же агент, помогая студентам, переключает и активизирует панель пользователя, предлагает частные решения пользователю. Новости обеспечивает поддержку системы новостей и асинхронного обмена сообщениями между преподавателями и студентами, включая обеспечение связи между пользователями, зарегистрированными на различных серверах; обеспечивает запись всех сообщений, относящихся к данному конкретному пользователю в его «записную книжку, реализованную в виде отдельного приложения на компьютере клиента. Чат обеспечивает поддержку структурированного и синхронного обсуждения пользователями, включая обеспечение связи между пользователями, зарегистрированными на различных серверах. Поиск отвечает за автоматический поиск требуемой информации и мультимедийных фрагментов в сети Интернет. Последние четыре агента относятся к особому классу интеллектуальных агентов- персональные ассистенты, которые функционируют полуавтономно от пользователя и от его имени, представляя его интересы или предоставляя услуги от имени пользователя другим ассистентам. Модель персональных ассистентов строится на основе их ментальных состояний по принципам архитектуры BDI (belief, desire intention) [332]. Для представления модели пользователя и планирования действий агента использованы концепции убеждений, знаний, компромиссов и описание поведения агента на основе правил. Например, агент Монитор группы поддерживает распределенную разделяемую модель группы, т. е. убеждения, разделяемые всеми членами группы, вместе со свойством взаимной интроспекции. Группа имеет различные сценарии работы, каждый из которых характеризуется своей целью, общей для всех членов группы. Эта цель соответствует концепции разделения намерений. В процессе своей работы агент сравнивает эту модель с эталонной моделью описания проблемной ситуации, хранящейся в базе данных и знаний. В этой модели убеждениям соответствуют также цели и действия, необходимые для достижения целей. Другой задачей агента Монитор Группы является обеспечение взаимодействия между членами группы для решения поставленной задачи, которое определяется правилами диалога независимо от предметной области решаемой задачи. Для решения этой задачи используется дополнительный агент - Виртуальный участник группы. В процессе обсуждения, агент Монитор группы отслеживает текущее состояние проблемы в разделяемом членами группы пространстве знаний. В зависимости от этого состояния меняется модель поведения агента Виртуальный участник группы - от лидера до простого наблюдателя. Мультиагентные системы являются одним из бурно развивающихся направлений искусственного интеллекта. В дистанционном образовании мультиагентная система включает в себя, помимо чисто искусственных агентов (программных модулей), преподавателя и студента, являясь, таким образом, человеко-машинной системой [152]. При этом преподаватель и обучаемый не должны тратить время на поиск необходимых им агентов, порядка перехода от одного этапа обучения к другому. Это должны обеспечивать агенты - координаторы распределения. При решении задачи эта группа агентов использует данные о текущем состоянии загруженности преподавателей и агентов обучения, каждый из которых обеспечивает определенный вид учебного плана. Затем агент - координатор должен выделить группу преподавателей и агентов, которые в состоянии решить поставленную задачу. Один и тот же вид обучения, тестирования могут обеспечивать различные преподаватели и агенты, отличающиеся стоимостью соединения, временем интерактивного взаимодействия. Задача агента-координатора выбрать близкую к оптимальной траекторию обучения. При решении проблемы адаптации структуры мультиагентной системы для решения задачи обучения конкретного ученика и ее оптимизации по суммарной стоимости и суммарному времени, затрачиваемым на связь между учителем и учеником, могут быть использованы алгоритмы эволюционного моделирования. Их использование позволяет выполнить эволюционную адаптацию интерактивных средств дистанционного образования [152]. При разработке систем, реализующих технологии обучения, необходимо учитывать международные стандарты, которые разработаны в этой области. Одним из таких стандартов является стандарт Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике IEEE P1484.1/D8, 2001-04-06, входящий в состав стандартов, поддерживаемых ISO (International Organization for Standardization). Цель IEEE P1484.1/D8, 2001-04-06- стандартизация технологий обучения для проведения лицензирования информационных систем в области образования и снижения рисков при проектировании и разработке информационных систем в области обучения. Он охватывает достаточно широкий круг систем, обычно известных как обучающие, тренинговые, интеллектуальные обучающие системы, системы компьютерного тестирования. Основные задачи стандарта (Л.А. Сысоева): • структуризация архитектуры систем, реализующих технологии обучения, выделение типовых, базовых функциональных блоков, что позволяет выработать единые подходы, требования, критерии для оценки существующих систем и формирования представления о будущих системах; • определения требований к интерфейсу; • определения технических перспектив на последующие 5—10 лет. Архитектурные рамки этого стандарта никоим образом не затрагивают специфические детали применения тех или иных технологий (языков программирования, авторских инструментов и разработок или операционных систем). Эти рамки определяют только необходимые компоненты систем, реализующих технологии обучения, а также входящих
в их состав систем управления жизненным циклом учебных материалов, достоверности данных, контроля доступа и т. д. Стандарт является руководством для развития конфигурации систем в области образования, а также коммуникационных протоколов и методов взаимодействия при совместной работе в процессе обучения. 3.6. Резюме главы 3 1. Представленные в главе 3 материалы позволяют, констатировать становление и существование четырех поколений дидактических компьютерных средств и технологий различающейся общности. Первое поколение представляет собой автономные однокомпьютерные учебно— методические комплексы, записанные на локальный носитель (жесткий диск или компакт-диск). В принципе на компакт-дисках (комплектах CD) могут быть представлены УМК: • уровня отдельной учебной дисциплины (базовый элемент); • уровня всех дисциплин одного модуля или семестра (базовые элементы интегрированы «по горизонтали»); • уровня дисциплин отдельной специальности или направления подготовки (базовые элементы интегрированы «по вертикали»). Второе поколение представляет мультимедийный УМК приведенных выше уровней как автономных многомашинных локальных сетей с возможным выходом в корпоративные и глобальные информационные сети. Третье поколение электронных УМК охватывает корпоративные сети образовательных учреждений, постепенно оснащаемых интеллектуальными сервисными программами (программными агентами) и образующими порталы национальных и международных образовательных систем. Порталы позволяют осуществлять целенаправленный и планируемый экспорт- импорт образовательных услуг для корпоративных клиентов и индивидуальных пользователей. В стадии становления находится четвертое поколение интеллектуальных телекоммуникационных технологий, предназначенных для использования порталов глобальной информационной 214
сети. Основу технологии составляют: высокоэффективные языки программирования XML и SMIL для разработки Интернет-приложений (апплетов, скриплетов, сервлетов); новое поколение WWW сетевых браузеров- семантических Web-браузеров; референционная модель SCORM (Sarable Content Object Reference Model), обеспечивающая доступ к высококачественным и персонифицированным обучающим и тренировочным материалам, находящимся во всемирной сети; технологии следующего поколения самой всемирной сети - Интернет-2, позволяющие осуществлять широкомасштабные потоковые видео- и аудиоконференции. 2. Новые технологии позволяют устранить отмеченные Д.В. Чернилевским недостатки лекций как самых неэффективных видов аудиторных занятий. На ней появляется обратная связь преподавателя с каждым из студентов, достигается оперативность корректирующих мероприятий, используются резервы Интернет в режиме прямого доступа или же подготовленных лектором заблаговременно. Возрастает информационная емкость мультимедийной лекции, увеличивается ее обзорность. 3. Управление внеаудиторной индивидуальной познавательной деятельностью студентов реализуется через систему дидактических заданий на самостоятельную работу. Разработке системы заданий на самостоятельную асинхронную учебно-познавательную деятельность студентов необходимо уделять не меньшее внимание, чем разработке системы тестовых заданий. 4.Становится очевидной ограниченность финансовых, технических и информационных ресурсов отдельных вузов при разработке компьютерных технологий третьего и четвертого поколений. Естественной является тенденция к образованию университетских комплексов и ассоциаций [46,330] и разработка целевых комплексных программ информатизации системы образования России. ГЛАВА 4. ОПЫТ РАЗРАБОТКИ И ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ МУЛЬТИМЕДИЙНОГО КОМПЛЕКСА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНБ1 «КОНЦЕГЩИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ» Следует отметить, что нет обучения и образования вообще, педагогические процессы всегда реализуются на конкретном материале и учитывают его специфику. Поэтому наше исследование выполнено на материале преподавания курса КСЕ, входящего в блок естественнонаучных дисциплин более чем двадцати специализаций высшего профессионального образования. Дисциплина «Концепции современного естествознания» включена в структуру цикла общих естественнонаучных дисциплин высшего профессионального образования с целью ознакомления студентов - гуманитариев с дополнительным для них компонентом единой культуры- естествознанием и формирования у них целостного взгляда на окружающий мир. Важнейшими компонентами новой мировоззренческой парадигмы (К.К. Колин, Д.А. Суханов), которую призвана формировать названная дисциплина, являются следующие: • осознание человеком своего места в мире, как неотъемлемой части природы, без которой его существование невозможно; • отказ от антропоцентрической философии и замена ее на философию биоцентризма, согласованного гармоничного развития человека и природы, их коэволюции; • осознание человеком своей особой роли в процессе эволюции природы как наиболее интеллектуального и высокодуховного существа, несущего ответственность за будущее биосферы; • современное научное миропонимание, адекватное последним достижениям фундаментальной науки, адекватное новой естественнонаучной картине мира. В соответствии с этими положениями, автором разработано как традиционное учебно-методическое, так и инновационное компьютерное и мультимедийное обеспечение . данной дисциплины. В издательстве Томского политехнического университета с 1996 г. изданы и переизданы учебные пособия по курсу, рабочая программа, методические указания и задания индивидуальных работ, рабочие тетради для студентов ИДО ТПУ, электронные ресурсы [264-273]. 4.1. Учебные пособия по КСЕ для студентов очного и заочного обучения Официальное издание примерной программы дисциплины «Концепции современного естествознания», утвержденное Министерством образования Российской Федерации, появилось в вузах в 1996 г. [317]. В 1997—2002 гг. были изданы учебники и учебные пособия Т. Я. Дубнищевой, Г. И. Рузавина Д. И. Грядового, В. Г. Горохова, B. С. Даниловой и Н. Н. Копивникова, авторских коллективов под
редакцией С. И. Самыгина, В. И. Лавриненко и В. П. Ратникова.,
Т. Г. Грушевицына и А. П. Садохина, Т. Я. Дубнищевой и А. Ю. Пигарева, C. X. Карпенкова, Э. А. Витола, Е. Ф. Солопова, А. Д. Суханова и
О. Н. Голубевой, М. И. Потеева, В.А. Канке. При общем соответствии примерной программе дисциплины, учебные пособия отличаются друг от друга оригинальными авторскими подходами к структуре и содержанию материала. Тем не менее, можно условно разделить издания на две группы. Первая из них выделяется преобладанием философского и гуманитарного подхода над естественнонаучным и техническим, практически не содержит иллюстраций, математических выражений, схем научных экспериментов, таблиц с количественными сравнениями. Авторы другой группы учебных пособий и учебников придерживаются альтернативного подхода, наиболее ярко выраженном в энциклопедических изданиях Т. Я. Дубнищевой. Как отмечает Э. А. Витол, к достоинствам гуманитарного подхода можно отнести попытки широких обобщений и использование системного анализа. Это служит формированию у студентов целостного видения мира и определенной культуры мышления. Недостатком же является заимствование частных фрагментов из таких дисциплин, как философия, социология, культурология, что приводит к дублированию в учебном процессе. Достоинством и одновременно недостатком преподавания курса естественниками является четкая детализация (конкретизация) различных концепций, раскрытие их физического, химического и иного специфического значения. Но при этом уходит на второй план общее целостное представление об окружающем мире, которое, собственно, и должно быть главной целью курса. Таким образом, можно выделить и условно обозначить два методологических подхода: синтетический и дисциплинарный. Если в дисциплинарном последовательно рассматриваются концепции каждой конкретной естественной науки: физики, химии, геологии, биологии, астрономии ит. д., то в синтетическом на первом месте стоит задача воссоздания целостной научной картины мира. Именно ее структурой, иерархией обусловлено освещение тех или иных естественнонаучных концепций, их взаимосвязь в определенную систему. В работах О.Н. Голубевой, Т.Я. Дубнищевой, А.Д. Суханова отмечено, что при проектировании курса КСЕ акцент следует делать не столько на будущей специальности выпускника вуза, сколько на рассмотрении трансдисциплинарных идей, наиболее универсальных методов и законов современного естествознания, специфики рационального научного метода познания окружающего мира, логики и структуры естествознания с позиций сегодняшнего дня. В содержании данной дисциплины нежелателен крен в сторону исторических и философско-методологических аспектов естественнонаучного знания (С. Матюхин, К. Фроленков). При этом форма изложения достаточно сложного содержания дисциплины должна быть доступной студентам, обучающимся по гуманитарным направлениям и специализациям. В наших учебных пособиях мы сочетаем два обозначенные выше подхода, а с позиций принципа мультимедийности — компоненты общей естественнонаучной и гуманитарной культуры, используя методический принцип: излагать концепции и методологию естествознания в процессе предъявления его современного содержания. Независимо от Э. А. Витола, мы выбрали в качестве идейной основы построения курса КСЕ принцип универсального эволюционизма. При этом мы исходим из наличия в сознании выпускника средней школы нескольких планов отражения реальности, включая элементы религиозного воспитания и бытового суеверия (мистики, эзотерики), сформированного не без помощи современных средств масс-медиа. Отсутствие или недостаточность естественнонаучного компонента в сознании современного специалиста приводит к деформации личности, превалированию мифологической и (или) религиозной картин мира в его внутреннем мире. Отсюда вытекает доверчивое отношение к псевдонаучным построениям различных телевизионных передач, вещающих о телепортации, чтении мыслей на расстоянии, мысленных воздействиях на естественные процессы и тому подобное. Опорная схема построения нашего учебного курса современного естествознания приведена на рис. 14. Процессы преобразования видов энергии и вещества на уровнях микро-, макро- и мегамира определяют эволюционное развитие материи до появления живого вещества во вселенной. На его базе возникает Разум - осознающая себя часть материи. Преобразование видов энергии и вещества остаются действенными, но, наряду с ними все большую роль начинают играть процессы расширенного воспроизводства информации, ее преобразование и хранение, получение новой информации. С появлением Разума начинается эволюция мира идеального, который можно назвать, по нашему мнению, инфомиром. Название подчеркивает принципиальную важность фактора информации в последующей коэволюци природы и разума. В рамках нового компонента природы - инфомира, человечество осознает себя (идентифицирует) в настоящем, ретроспективно исследует прошлое,
пытается построить прогноз будущего. Таким образом, научная картина современного естествознания не ограничивается тремя «физическими» мирами (микромир — макромир — мегамир), но включает в себя и инфомир как мир обобщенного сознания человечества. По нашему мнению, только в таком контексте знакомства с новой естественнонаучной картиной мира становится обоснованными выводы о человеке как неотъемлемой части природы, без которой его существование невозможно. Становится обоснованным формирование философии биоцентризма, осознание человеком своей особой роли в процессе эволюции природы как наиболее интеллектуального и высоко духовного существа, несущего ответственность за будущее всей биосферы нашей планеты. Осознание ____ Прогноз настоящего будущего
ИНФОМИР (мир идеального)
Пространственно-временной континуум
Коэволюция природы и разума
Ретроспекция прошлого Преобразование видов энергии и вещества
Появление расширенного воспроизводства информации, ее преобразования и хранения Рис. 14. Опорная структурная схема построения курса В наших пособиях [264,265,273,277] рассмотрены вопросы становления современной парадигмы естествознания, его античные и классические предпосылки; концепции пространства-времени; концепции объединения сил-полей и структурные уровни организации материи; концепции эволюции вселенной; динамика развития галактик и звезд; концепции возникновения жизни в связи с антропным принципом; кодирование и воспроизводство биологической информации; биогенный синтез белков в клетках; межклеточный обмен веществами. Кроме того, здесь обсуждаются: • проблема выделения человека в царстве животных • концепция эволюции по Дарвину; • специфические особенности биосферы; • нелинейные процессы в динамике популяций; • фрактальность окружающего мира; • диссипативные структуры и открытые системы; • общие аспекты структурирования, взаимосвязи, эволюционно-бифуркационного развития неорганического мира и живой природы. Наряду с описанием парадоксов человеческого восприятия объектов микромира и мегамира, парадоксальных свойств микрочастиц-волн, суперпозиции их структур и взаимосвязи, необычных состояний материи в процессе рождения вселенной, вместе с диалектикой элемент-системных отношений и самоорганизации неравновесных открытых систем, мы используем относительно большое количество (по сравнению с учебными пособиями по КСЕ других авторов) научных и художественных иллюстраций. Уделяем место и тому влиянию на гуманитарную культуру, которое оказывают научные открытия. Для отражения научных идей в литературе использована поэзия В. Я. Брюсова, И. Бродского, малоизвестных молодых поэтов-современников, в электронных формах учебных пособий приведены произведения художников разных эпох, фрагменты видеофильмов. Таким образом использована одна из функций поэзии (иживописи)- передачи знаний об окружающем мире средствами гуманитарной культуры. Правильность принятой нами педагогической формы учебных пособий подтвердили экспертиза методического совета МО РФ и присвоение пособию грифа Министерства образования Российской Федерации. Разработанная нами рабочая тетрадь по дисциплине КСЕ предназначена для организации самостоятельной работы студентов формы обучения с методическими пособиями по КСЕ, с дополнительной учебной литературой, а также- для текущего самоконтроля усвоения учебного материала и выполнения контрольных заданий по отдельным частям (дозам) учебного модуля. Для каждой части курса в тетради приведены основные дидактические единицы, краткое содержание дозы и ссылки на соответствующие страницы учебно-методических материалов, даны названия работ компьютерного сопровождения, которые необходимо выполнить по данной части, указаны видеофрагменты для просмотра. Задания для текущего самоконтроля снабжены ответами либо пояснениями, которые приведены в разделе «Ответы и решения». Контрольные задания по дозам выполняются студентами заочной формы обучения непосредственно в рабочей тетради на оставленных для этого местах (чистые бланки для выполнения контрольных индивидуальных заданий по дисциплине) и подлежат проверке преподавателем, ведущим занятия по дисциплине, в период чтения установочных лекций и (или) в период экзаменационной сессии. На основании рабочей тетради для студентов заочников была подготовлена аналогичная тетрадь для студентов очной формы обучения. 4.2. Практикум компьютерного моделирования процессов движения Разработанный нами практикум содержит программное обеспечение, описания 12-ти компьютерных работ и методику их выполнения. Целью практикума является моделирование и анализ линейных, нелинейных и бифуркационных процессов движения или изменения состояния простых физических систем, а также- статического электрического поля. Линейные процессы представлены примерами суперпозиции механических видов движения (поступательного с вращательным, взаимно перпендикулярных и сонаправленных колебаний). Относительность движения рассматривается на примере эффекта Доплера в неподвижной и движущейся системах отсчета. Простейшие нелинейные процессы изучаются на моделях ангармонических осцилляторов с одним и двумя положениями устойчивого равновесия. Процессы бифуркации и появление элементов динамического хаоса представлены моделью изолированной популяции с не перекрывающимися поколениями. Особенности статических полей рассмотрены на примере электрического поля системы трех точечных зарядов. При выполнении работ обращается внимание на анализ условий возникновения критических состояний: разрушения колебательной системы, перехода ее в новое положение, появления нескольких возможных состояний, возникновения резонанса, образования ударных волн. Помимо развертывания процессов движения во времени, использовано представление движения осцилляторов на фазовой плоскости и с помощью конфигурационных кривых. Таким путем, на сравнительно простых компьютерных моделях изучаются различные типы динамики систем и методы анализа, широко используемые в современном естествознании. Теоретические сведения, приведенные в описаниях, вполне достаточны для самостоятельной работы студентов и понимания сути процессов без обращения к дополнительной учебной литературе. Ряд работ содержат две части, объединенные общей теорией, которые могут выполняться как независимые. Работы рассчитаны на выполнение в течение одного академического занятия в компьютерном классе или на персональном компьютере студента дома. Программное обеспечение на дискете (вариант для персональных компьютеров на платформе IBM) прилагается к печатному изданию [266] или копируется заинтересованными студентами на кафедре в компьютеризованных физических лабораториях. Модульное построение ММ ПДК, принятое нами, позволило в течение 1996—2003 гг. произвести смену трех поколений компьютерного практикума без существенного изменения других составляющих ММ ПДК. Наиболее простое, первое поколение компьютерного практикума (для машин на платформе IBM, под управление OS DOS) было разработано нами как адаптация к учебным целям программы, созданной в соавторстве с И. В. Кривяковым при выполнении научно-исследовательской работы [290, 368]. В нем предусмотрено исключение рутинных операций набора повторяющихся исходных данных; имеется защита от неправильного введения параметров моделирования; реализована возможность последовательной вариации (цикла) для любого из 8—12 параметров и граничных условий вычислительного эксперимента; возможно запоминание экранного отражения результатов работы с указанием значений параметров расчетов (для защиты работ, зачета и т. д.). Любая из программ пакета работ позволяет показать на одном рисунке семейство характеристик процесса (в фазовом или обычном координатном пространстве), при циклическом изменении одного из параметров. Для всех работ практикума унифицирована процедура введения данных, предусмотрена процедура быстрого выхода из любого места программы. Более совершенное второе поколение работ практикума было создано в соавторстве с В. М. Малютиным при вводе в учебный процесс компьютерных классов на базе локальной сети компьютеров фирмы Apple Computer «Macintosh>> [262, 295]. Иначе была решена проблема интерфейса: клавиатура практически не используется, реализован принцип «посмотри и выбери с помощью мышки». Изменение величин параметров достигается при нажатии соответствующих стрелок рядом с каждым параметром. Представление результатов моделирования одновременно отражается на двух экранных полях, например, во временной развертке и в пространственной, или в обычном координатном представлении и в фазовом пространстве. Наблюдение за ходом развития процесса в двух его аспектах расширило дидактические возможности практикума, способствовало увеличению диапазона получаемых «экспериментальных» данных и комплексной оценке результатов моделирования. Третье поколение компьютерных работ разработано с использованием средств Tool Book Instructor для компьютеров, совместимых с платформой IBM. Основной педагогической целью практикума поставлена разработка инновационных заданий к лабораторно-практическим занятиям. Вместо иллюстративно-объяснительного подхода использованы принципы инструментально-деятельностного, частично-поискового и развивающего методов обучения. Сохранена возможность варьирования многих параметров, запоминания результатов и их вывода на печать. Интерфейс приближен к виду, обычно используемому на Web-сайтах Интернета. При выполнении работы на экране открываются несколько (два или три) окна, например, окно задания, окно выполнения эксперимента и окно составления отчета. Модуль оформления отчета по выполненной работе содержит графический редактор, позволяющий производить рисунки «от руки» (мышью компьютера). Это позволяет расширить спектр операциональной деятельности студентов в процессе выполнения заданий, развить координацию движений, способствует визуальному запоминанию учебного материала. Кроме того, рисунки оказываются индивидуализированными и являются своеобразной подписью исполнителя работы (совпадение рисунков указывает на заимствование чужих результатов). В качестве иллюстраций на рис. 15—28 Приложения представлен вид некоторых экранных страниц нескольких работ, выполняемых на компьютерах Macintosh (цветные изображения преобразованы в оттенки серого цвета). Эффект Доплера и образование ударных волн На первой странице работы представлен коллаж иллюстраций смещения линий оптических спектров от движущихся источников и основной идеи эффекта - изменений длины волны в зависимости от положения наблюдателя. В справочном разделе (обязательный раздел всех работ практикума) приведены основные теоретические положения, указано назначение управляющих элементов, даны рекомендации по оформлению отчета по работе. Здесь же имеются документальная фотография процесса образования облака конденсации паров воды в атмосфере на фронте ударной волны, создаваемой реактивным самолетом при прохождении им звукового барьера, документальная фотография сверхзвукового движения пули, страница сайта МГУ, на которой воспроизведены результаты современных исследований дипольной структуры микроволнового фонового излучения, а также - линий излучения водорода в спектрах далеких галактик (иллюстрация красного смещения линий излучения, доказывающее факт космологического расширения вселенной). Эти данные используются на водно-мотивационной части работы, показывая современные применения классического эффекта, закономерности которого студентам необходимо изучить в процессе выполнения компьютерного моделирования. Результаты моделирования отображаются на фоне достаточно условного пейзажа, источник звуковых волн представлен перемещающимся символом самолета. Таким образом, от ранее показанной студентам фотографии реального объекта и создаваемого им процесса мы переходим к их условным обозначениям в виртуальном пространстве. В качестве дополнительных материалов приведены краткие биографические сведения об ученых, впервые описавших исследуемые в работе закономерности. Они предъявляются пользователям при наведении курсора на фотографии портретов X. Доплера или Э. Маха. Поступательное движение тела В работе рассматривается поступательное движение тела сферической формы в среде, создающей сопротивление движению, с учетом выталкивающей силы Архимеда. Столкновения сферы со стенками «виртуальной камеры» (ограниченной размерами поля верхнего графика) происходят по типу частично упругого удара. Реальные численные значения для материала тела и параметров среды приведены в скрытых меню (верхние элементы на панели параметров моделирования, рис. 22 Приложения). Приведенные в заданиях 1—6 данной работы значения свойств среды, тела и его исходного положения являются наиболее представительными, но не строго обязательными. Они могут быть изменены по инициативе студентов, выполняющих работу. Важно, чтобы было выполнено главное в заданиях-получены данные для построения и анализа исследуемых зависимостей. Повышение информативности исследовательской деятельности студентов достигается здесь за счет представления результатов моделирования одновременно на двух полях - положения тела в пространстве «камеры» и отображения соответствующих изменений величины вертикальной компоненты его скорости на дополнительном поле. На приведенном рисунке показаны изменения сопоставляемых величин в зависимости от степени упругости удара. Студенты должны найти решение для проблемной ситуации - изменение компоненты скорости при отскоке в два раза сопровождается четырехкратным уменьшением высоты подъема тела. В разделе самостоятельной работы предлагается определить влияние массы тела и его начальной скорости на величину горизонтального перемещения в случае отличного от нуля коэффициента сопротивления среды или исследовать зависимость горизонтального перемещения до первого удара от начальной высоты для одного из значений угла бросания. Гармонический и ангармонический осцилляторы Цель работы: изучение и сравнение закономерностей свободных, затухающих и вынужденных колебаний гармонического и ангармонического осцилляторов, определение условий при которых колебания становятся ангармоничными. В качестве самостоятельной работы предлагается построить в отчете резонансные кривые вынужденных колебаний гармонического осциллятора для двух различных значений коэффициентов трения. Необходимо также объяснить, почему при совпадении частоты вынуждающей силы с частотой собственных колебаний амплитуда установившихся колебаний наибольшая. Верхнее поле здесь используется для вывода текста очередного задания, если текст больше не требуется, его можно скрыть и вместо него воспроизводится цветная художественная фотография, иллюстрирующая один из примеров периодических процессов в природе (рис. 23). В то же время это является элементом психологической разрядки в ходе выполнения компьютерной работы. Фазовые портреты колебаний Цель работы: знакомство с понятиями конфигурационных кривых и фазовых траекторий; анализ фазовых портретов гармонических и ангармонических колебаний; определение условий появления элементов хаотического движения ангармонического осциллятора. Конфигурационные кривые осцилляторов с двумя положениями равновесия показаны на рис. 24 Приложения. Дополнительной информацией (используемой в случае, когда студенты не выполняли предварительно работы по исследованию закономерностей ангармонических колебаний) является отображение процесса колебания во временной развертке на нижнем поле. В ходе работы студенты должны самостоятельно установить зависимости глубины минимумов и их расположения на оси отклонений от равновесного положения от величины коэффициента ангармонизма колебаний. Эти зависимости оказываются нелинейными. При выполнении заданий второй части работы студенты знакомятся с представлением процессов в фазовом пространстве и должны «экспериментально» найти критические состояния разрушения осциллятора или условия перехода затухающих ангармонических колебаний между двумя возможными конечными состояниями (рис. 25 Приложения). Последний случай не имеет аналитического решения в виде формул, показывает практическую значимость вычислительных экспериментов и имеет игровой аспект в выполнении учебной работы. Анализ процессов сложения гармонических колебаний Цель работы: анализ изменений формы результирующего колебательного движения в зависимости от условий суперпозиции гармонических колебаний и величин параметров складываемых колебаний. Выполняемые студентами исследования включают случаи сложение колебаний одинаковой частоты, с большим различием в частотах, затухающих колебаний одинаковой частоты, колебаний с близкими частотами и взаимно перпендикулярных колебаний. В процессе моделирования одновременно на одном поле строятся временные зависимости двух складываемых колебаний по отдельности, а на другом поле отображается результирующая зависимость. Случай возникновения «биений» представлен во временной развертке для случая затухающих колебаний на рис. 26 Приложения. Фигуры Лиссажу, возникающие при сложении взаимно перпендикулярных колебаний, в пространственном отображении показаны для одного из возможных вариантов на рис. 27. В работе «Фигуры Лиссажу» учащиеся исследуют не только классические фигуры, фиксируемые при сложении гармонических колебаний, но так же изучают особенности, вызванные затуханием колебаний, открывают для себя правило Лиссажу. Наряду с этим, при выполнении работы предлагается самостоятельно, без регламентного списка рекомендуемых параметров, исследовать ложные фигуры, получаемые при неправильном выборе шага компьютерного интегрирования процесса движения. Тем самым развивается критическое отношение к результатам компьютерного эксперимента, показывается необходимость тщательного планирования его. В этом же задании предлагается не только найти необычную форму графика, но и дать ему образное название. Поиск заранее не известного результата вызывает интерес у студентов, хотя необычные формы находятся не сразу. Приведем некоторые из названий, отражающие развитость ассоциативного мышления конкретных студентов: «кабачок», «лестница», «красная шапочка», «танец с веерами», «галактика», «сталактиты в сердце». Представленный практикум выполняется по фронтальному варианту проведения групповых занятий. Это дает возможность: • группового воспроизведения теоретических положений работы (опрос студентов) перед началом работы; • использования элементов сократического (диалогового) метода при коллективном обсуждении результатов того или иного задания или при формулировании выводов по работе в целом; • создания мотивации к повышению качества учебной деятельности путем сравнения отчетов по работе, выборке и показа всем лучших из них.
|
| Категория: Материалы к программам | Добавил: Жорж-Жан (21.08.2012)
|
| Просмотров: 539
| Рейтинг: 0.0/0 |
|
 |  |
