DEVELOPMENT OF SPECIAL DIDACTIC MEANS OF DISTANCE LEARNING OF PHYSICS FOR STUDENTS OF TECHNICAL UNIVERSITIES
Abstract and keywords
Abstract (English):
Didactic means of distance learning of physics should provide a strong assimilation of knowledge by students of technical universities and the possibility of preparation of future specialists to the solution of professional tasks. However, existing means of distance learning of physics for students of technical universities do not allow the full implementation of these objectives. We have developed the web-site based on the technology ASP.NET with AJAX, allowing to organize the activities on the acquisition of physical knowledge; to exercise an operational control during the implementation of the teaching activities; to establish the methods of solving professional tasks. The software product includes an administration module, an authentication module, an authorization module, a module that provides the theoretical material, a module of testing and evaluation of implementation and a module of the report by the results of the performed tasks to the students. This means of distance learning of physics will allow increasing the efficiency of future engineers.

Keywords:
distance learning, didactic software means, development of training web site
Text
Очевидно, что для реализации дистанционного обучения физике необходимо разработать специальные дидактические средства. В педагогике под дидактическими средствами обучения понимаются, как правило, объекты (материальные и материализованные), которые служат источником учебной информации и инструментами для усвоения учебного материала, развития и воспитания учащихся [1]. Все дидактические средства принято делить на три группы: 1) учебно-наглядные пособия; 2) технические средства обучения; 3) учебно-методическая литература [2]. Следует отметить, что границы между выделенными группами дидактических средств практически размыты. Компьютерные технологии позволяют наделить средства обучения сразу несколькими функциональными особенностями, одновременно являться и учебно-методическими и наглядными пособиями. В настоящее время развитие средств, предназначенных для дистанционного обучения, находится на пике. «Специалисты дистанционного обучения высшей школы считают, что основной объем материала может быть доставлен через текстовые и графические пособия, рассылаемые по компьютерным телекоммуникациям, видеокассеты, лекции, передаваемые по национальному, местному, кабельному телевидению, электронные учебники и справочники на CD, сетевые учебные материалы» [2, с. 179]. С этой целью создаются учебно-методические комплексы, сетевые курсы физики, электронные и Интернет-учебники, обучающие программы и т. п. Анализ опыта, накопленного области разработки дидактических средств дистанционного обучения предметным знаниям, в том числе и физике, позволил нам установить, что одним из значимых требований, предъявляемых к подобным средствам, является обеспечение прочности усвоения знаний обучаемыми. «Компьютерные дидактические средства обучения должны не только предоставлять обучаемому теоретический материал, позволять проконтролировать уровень усвоенности знаний с помощью различного рода тестов, контрольных работ, то есть управлять процессом усвоения научных знаний» [3, с. 122]. Следует отметить, что механизмы реализации этого требования, на наш взгляд, остаются неразработанными. В настоящее время считается, что наличие обратной связи между обучаемым и преподавателем, которая в большинстве случаев реализуется при дистанционном обучении в виде тестирования, позволяет контролировать процесс усвоения знаний и управлять им. Однако известные подходы к осуществлению обратной связи при организации дистанционного обучения позволяют оценить правильность или неправильность только конечного результата, поэтому крайне важно определить новые методы ее организации. Мы будем исходить из утверждения, что учебный процесс организуется не ради получения правильных ответов от студентов (хотя это немаловажный аспект обучения!), а для обучения их действиям с опорой на теоретические знания. При контроле по конечному результату крайне сложно скорректировать правильность выполнения действия, т. к. практически невозможно отследить, на каком этапе допущена ошибка. Следовательно, необходимо контролировать содержание формируемых действий, состоящих из операций. «Пооперационный контроль важен и потому, что дает возможность точно фиксировать допущенные ошибки, тут же исправлять их и успешно продолжать дальнейшее выполнение действия» [4, с. 139]. Итак, к организации обратной связи при дистанционном обучении физике студентов технических вузов должно выполняться следующее требование - при организации дистанционного обучения необходимо так построить обратную связь, чтобы отследить: а) выполняет ли обучаемый операции, входящие в действие, в необходимой последовательности; б) правильно ли выполняет обучаемый операции, действия и деятельность в целом. Отдельно отметим, что при создании дидактических средств, предназначенных для организации дистанционного обучения и представленных на бумажных носителях, эти требования должны выполняться. Учет предложенных нами требований будет способствовать созданию таких специальных дидактических средств (печатных и цифровых) для дистанционного обучения, применение которых позволит не только сформировать у обучаемых методы самостоятельного применения физических знаний для решения практически значимых в их будущей профессиональной деятельности задачах, но и позволит оценить правильность выполнения любого вида деятельность пооперационно, т. е. позволит управлять процессом обучения дистанционно. Выбор в качестве дидактического средства дистанционного обучения физике World Wide Web-технологии неслучаен и обусловлен преимуществами перед другими технологиями дистанционного обучения физике (кейс-технология, TV-технология): 1) доступ к информации возможен в любое удобное для обучающегося время суток; 2) предоставляет возможность организовать процесс обучения в соответствии с потребностями обучаемого; 3) возможность работы над учебным материалом неограниченное время; 4) в отличие от TV-технологии позволяет осуществить обратную связь между обучаемым и преподавателем с меньшими материальными затратами; 5) имеется возможность постоянного обновления учебного материала; 6) «удовлетворяется естественная потребность студентов к интеграции информационных технологий с источниками знаний» [5, с. 117]; 7) возможность организации быстрого доступа к нужной информации, к экспериментальным установкам ведущих вузов и исследовательских центров. Кроме того, web-сайт, как программный продукт, имеет централизованную базу данных и рассчитан на большое количество пользователей. В случае использования настольного приложения с оконным интерфейсом приходится решать ряд организационных задач, связанных с распространением и поддержанием в актуальном состоянии клиентской программы среди всех студентов, что является трудоемким процессом. При использовании оконного интерфейса в распределенных системах возникают проблемы, связанные с установкой программного продукта, настройкой брандмауэра, назначением прав доступа и т. д. Использование web-интерфейса решает эти проблемы, т. к. для работы с программным продуктом в этом случае требуется лишь браузер и знание адреса сайта, при изменении программного продукта все модификации будут локализованы на web-сервере и не потребуют от конечных пользователей каких-либо действий. Дистанционное программное обучающее средство по физике должна содержать следующие структурные элементы: 1. Структурные элементы, реализующие возможности применения данного программного обучающего средства. Данные структурные элементы позволяют обеспечить возможность использования web-сайта как средства дистанционного обучения будущего специалиста с учетом его направления специализации. 2. Структурные элементы, реализующие содержательную сторону программных обучающих средств для дистанционного обучения физике будущих специалистов инженерного профиля. Следуя современным направлениям в области создания программных средств обучения предметным знаниям, в состав разрабатываемого нами средства дистанционного обучения включен как его обязательный компонент теоретический материал, так называемый «Курс лекций». Содержание теоретического материала соответствует содержанию учебного материала по курсу общей физики, указанного в государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования для конкретной специальности. Обратиться к теоретическому материалу возможно при помощи гиперссылки. Реализация «Курса лекций» включает теоретический материал, выполненный в виде конспекта лекций, содержащий основные понятия, законы и научные факты, работать с которыми можно последовательно. Следует отметить, что теоретический материал по конкретной теме или разделу не должен, по нашему мнению, быть «всеобъемлющим». Выбор такой точки зрения не случаен и обусловлен тем, что перед обучающимся открывается широчайший доступ к информации (книги, электронные учебники, сайты), полноценно освещающей изучаемый вопрос. Именно поэтому теоретический материал, включенный в лекции web-сайта, должен служить своеобразным ориентиром, вектором в направлении изучения конкретной темы и содержать основные понятия, определения которых должны быть сформулированы с указанием родовидовых признаков. Далее, в соответствии с вышеуказанным назначением программного обучающего средства, в его состав включается в качестве обязательного компонента такой структурный элемент, как задания по усвоению основных элементов физических знаний в виде приложения «Учимся применять физические знания в профессиональных ситуациях». Данные задания - упражнения представляют собой ситуации, вызывающие потребность обучаемых распознавать конкретные ситуации, соответствующие различным элементам физических знаний. Ситуации составлены с учетом будущей профессиональной деятельности студента. Данное приложение открывается только в темах, содержащих знания, опорные для выполнения действий методов решения частных профессиональных задач. Выполнение заданий сопровождается карточкой-предписанием, открывающейся с помощью гиперссылки при обращении. Данная особенность разрабатываемого сайта позволяет выполнять задания по действиям с одновременным контролем за правильностью и порядком выполнения заданий. Выполнение заданий данного типа является обязательным условием для допуска к зачету или экзамену. Выполнение заданий на усвоение фиксируется в базе данных по конкретному обучаемому на сервере университета. Web-сайт должен содержать задания для обучения студентов решению частных профессиональных задач, сформированных в виде приложения «Учимся решать профессиональные задачи». Эти задания представляют собой непосредственно сами частные профессиональные задачи, решаемые с помощью физических знаний и составленные для специалистов различного направления подготовки, а также карточки-предписания, которые позволят выполнить обучающимся деятельность по их решению с опорой на знания. Для того чтобы обобщенные методы решения частных профессиональных задач стали предметом специального усвоения, необходимо, чтобы приложение «Учимся решать профессиональные задачи» содержало блок, состоящий из действий методов решения задач и позволяющий организовать специальную работу по их усвоению. Обучаемым на страницах сайта предлагается система действий по решению задач данного типа, выложенная хаотично, которую он должен сложить в нужном порядке и решить задачи в соответствии с данной последовательностью. Кроме того, разрабатываемый сайт содержит блок лабораторных работ, количество которых определено учебными планами и рабочими программами для различных направлений подготовки, а также блок, содержащий традиционные задачи по физике. 1. Структурные элементы, обеспечивающие контроль знаний и действий обучаемых при выполнении заданий на усвоение и решение частных профессиональных задач с использованием физических знаний, а также традиционные тесты, контрольные работы. 2. Структурные элементы для авторизации обучаемого. Данные структурные элементы позволяют направить студента, обращающегося на сайт, в «область» учебного материала, которая конкретизируется профессиональной деятельностью будущего специалиста. Обучающий web-сайт по физике должен обладать следующими свойствами (характеристиками): 1. Формат web-сайта. Так как моделируемое программное обучающие средство предназначено для дистанционного обучения предметным знаниям, то программные приложения данного средства должны обеспечивать работу через глобальную сеть Интернет в технологиях «сервер-клиент». 2. Использование гипертекстовых ссылок. С помощью гиперссылок может быть организована взаимная связь приложений web-сайта. Это позволяет обучаемому изучать курс физики многими нелинейными путями, следуя по смысловым переходам. 3. Web-технология должна обеспечить, независимо от выбранной архитектуры, требуемую безопасность и желаемую функциональность. Для создания такого дидактического средства обучения физике студентов технических вузов в виде web-сайта нами использовалась технология ASP.NET with AJAX - технология создания веб-приложений и веб-сервисов от компании Microsoft. Она обладает следующими преимуществами: - более высокая скорость по сравнению со скриптовыми технологиями, т. к. код программы является компилируемым, а не интерпретируемым. При первом обращении к странице код и разметка компилируются и результат помещается в специальный кэш. При последующем обращении к этой странице из кеша скомпилированный код читается и сразу выполняется без затрат времени на повторный разбор текста, оптимизацию и т. д.; - использование возможностей платформы Microsoft .NET Framework. Возможности AJAX в ASP.NET позволяют создавать веб-приложения с богатым пользовательским интерфейсом, повысить эффективность приложений благодаря тому, что значительная часть обработки веб-страницы выполняется в обозревателе, а также благодаря частичному обновлению страницы, при котором обновляются лишь отдельные части изменившейся веб-страницы. Такая модель позволяет также значительно уменьшить загруженность сети и сократить трафик, связанный с обратной отсылкой страниц. В качестве языка программирования был использован C# - язык программирования, сочетающий объектно-ориентированные и аспектно-ориентированные концепции. Этот язык был выбран по следующим причинам: тесная интеграция с платформой Microsoft.NET Framework, простота синтаксиса и мощные встроенные возможности по извлечению и обработке данных из различных источников. Разработанный программный продукт работает под управлением веб-сервера IIS. Для работы программного продукта должны быть выполнены следующие требования к программному обеспечению: 1. Веб-сервер: - операционная система - MS Windows XP SP2, MS Windows Vista Ultimate Edition, MS Windows Server 2003, MS Windows Server 2008; - Microsoft Internet Information Server; - NET Framework 3.5; - система управления базами данных Microsoft SQL Server. 2. Клиент: - браузер с поддержкой JavaScript 2.0 и DOM. При разработке данного программного продукта использовались следующие средства: - Microsoft Visual Studio 2008 - создание страниц разметки ASP.NET, написание программного кода (обработки событий страницы, доступа к хранилищу данных); - Microsoft SQL Server Management Studio 2008 - создание, администрирование базы данных, создание таблиц, написание хранимых процедур; - Adobe Photoshop CS3 Extended - создание и редактирование графических изображений, используемых в качестве оформления веб-страниц. Программный продукт имеет четыре уровня инфраструктуры: 1. Уровень «Хранилище данных» - для хранения данных используется реляционная база данных под управлением СУБД Microsoft SQL Server, которая тесно интегрирована с платформой .NET. На данном уровне поддерживается целостность данных посредством определения ограничений ссылочной целостности данных (первичные и внешние ключи). Группы выполняемых связанных операций образуют транзакции, поддержка которых также обеспечивается выбранной СУБД в полной мере. 2. Уровень «Доступ к данным» реализован на базе технологии LINQ, с помощью которой происходит отображение таблиц базы данных на сущностные классы уровня доступа к данным и отображение хранимых процедур на методы извлечения и обработки хранимых данных. LINQ обеспечивает корректную синхронизацию данных, хранимых в физическом хранилище, и загруженных для обработки копии этих данных. 3. Уровень «Бизнес-логика» содержит методы обработки извлекаемых из хранилища данных. Бизнес-логика реализована в виде классов на языке C#, служащих промежуточным звеном между уровнями доступа к данным и уровнем представления данных пользователю. Уровень реализует методы обработки данных, полученных с уровня доступа к данным, и представления. 4. Уровень «Представления» - это уровень, на котором происходит определение интерфейса взаимодействия пользователя с системой. Уровень представления реализован в виде файлов разметки aspx. При запросе страницы происходит трансляция содержимого этих файлов в код классов и объединение с кодом обработки событий, находящимся в соответствующих файлах программного кода. Для обеспечения информационной безопасности используется встроенная инфраструктура системы ASP.NET, которая содержит широкий спектр служб безопасности, таких как защита от атак типа SQL Injection, защита от подмены идентифицирующего набора cookie, шифрование и цифровая подпись cookie, а также многочисленные модули безопасности сеанса (аутентификация, авторизация). Механизмы авторизации пользователей действуют на уровне виртуальных каталогов веб-сервера при помощи конфигурационных файлов web.config. Разрешения, заданные на уровне верхних каталогов, наследуются дочерними каталогами. Таким образом, при правильной структуризации физического расположения файлов сайта достигается высокий уровень защиты от несанкционированного доступа пользователей к операциям, выполнение которых им запрещено. На основе исследования предметной области можно выделить 2 внешние сущности, взаимодействующие с системой: Студент - лицо, изучающее курс физики с использованием данного программного продукта; Администратор - лицо, обладающее правами добавления и редактирования данных. В систему поступают следующие входные данные: 1) данные о студентах; 2) данные о специальностях; 3) материалы лекций; 4) данные о содержании заданий; 5) данные об ответах студентов. На выход системы поступают следующие сведения: 1) результат оценки выполнения заданий; 2) содержание лекций; 3) содержание заданий. В программном продукте можно выделить следующие модули: 1) модуль администрирования - предоставление средства администрирования пользователей, добавления и редактирования лекционных материалов, добавления и редактирования заданий и определения метода оценки их выполнения; 2) модуль аутентификации - средства проверки подлинности пользователя; 3) модуль авторизации - средства проверки прав пользователя на доступ к запрашиваемому ресурсу; 4) модуль предоставления теоретического материала - обеспечение вывода студенту лекционного материала, определенного выбранным им курсом; 5) модуль проведения тестирования и оценки выполнения - обеспечение вывода заданий с целью проведения контроля знаний, полученных из лекционного материала, и средства оценки выполненной работы; 6) модуль формирования отчетов по результатам выполнения заданий студентами - формирование и вывод отчётов о прохождении студентами тестовых заданий. Для обеспечения унифицированности структуры страниц используется механизм Master Page. Этот механизм позволяет на уровне всего веб-приложения задать базовую разметку результирующего вида страницы. Создана базовая страница, описывающая общую разметку для всех страниц приложения и содержащая контейнеры расширения, доступные для дочерних страниц. Посредством этих контейнеров дочерняя страница имеет возможность расширять базовую разметку в соответствии с контекстуальным содержанием запрашиваемого ресурса. Для оптимизации настроек внешнего вида приложения используется механизм стилей. Настройки внешнего вида различных серверных элементов управления задаются единожды в файле с описанием стиля. При трансляции разметки страницы из ASP.NET в HTML происходит обращение к файлу стиля и заданные в нем настройки применяются к элементам управления запрашиваемой страницы. Разработанное дидактическое средство позволит, на наш взгляд, подготовить студентов технических вузов не только усвоивших физические знания, но и умеющих применять их для решения профессиональных задач.
References

1. Gorkin A. P. Rossiyskaya pedagogicheskaya enciklopediya / A. P. Gorkin. M.: Bol'shaya Ros. encikl., 1999. T. 1. 669 s.

2. Erofeeva G. V. Obuchenie fizike v tehnicheskom universitete na osnove primeneniya informacionnyh tehnologiy: dis. … d-ra ped. nauk / G. V. Erofeeva. Tomsk, 2005. 337 s.

3. Mirzabekova O. V. Distancionnoe obuchenie fizike v sisteme podgotovki buduschih inzhenerov k professional'noy deyatel'nosti: dis. … d-ra ped. nauk / O. V. Mirzabekova. M., 2010. 380 s.

4. Talyzina N. F. Pedagogicheskaya psihologiya: ucheb. / N. F. Talyzina. M.: Academia, 1999. 287 s.

5. Zaynutdinova L. H. Sozdanie i primenenie elektronnyh uchebnikov (na primere obschetehnicheskih disciplin): monogr. / L. H. Zaynutdinova. Astrahan': CNTEP, 1999. 363 s.