DESIGNING INTERACTIVE TOOL ENVIRONMENT FOR INDIVIDUAL WORK ON PHYSICS
Authors:
1.
Far Eastern State Technical Fisheries University
2.
Far Eastern State Technical Fisheries University
Type:
Article
Pages:
from 98
to 108
Status:
Published
Received:
05.04.2019
Accepted:
25.04.2019
Published:
25.04.2019
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 004:378.147+53
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 004:378.147+53
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
Language:
Russian
Keywords:
information technologies, education process, students’ independent work, computer program, physics
Abstract (English):
Nowadays, students’ individual work is becoming the basis of the educational process which is developing by means of information technologies with a view to reaching informatization. The article provides the review of the works which emphasize the role of information technologies in improving the educational process. An important stage in increasing the quality of education is developing and implementing specialized training software that is an effective means for personalizing of education, increasing motivation and cognitive capacity of the students. There has been presented the operating principle of the developed training and monitoring computer program “Practicum” for independent performance of practical tasks in physics. The program is written in Java in the NetBeans programming environment and runs on Linux, Windows XP and more advanced operating systems. To create graphic data (charts, drawings, formulas for the training tasks) the graphic editor Affinity Designer was used. A user can solve a problem on line, the continuity principle and the main component parts of a traditional workshop being observed. All these allow using the software for training first-year students who do not have any experience of individual learning. There has been presented a block diagram for performing tasks by using a computer program. The detailed sequence of stages in the block diagram has been given. The software has been used in the educational process of the cadets of Far-Eastern Institute of Navigation and Fisheries in the academic year of 2018-2019. The advantages and implementation difficulties of the software have been identified.
Nowadays, students’ individual work is becoming the basis of the educational process which is developing by means of information technologies with a view to reaching informatization. The article provides the review of the works which emphasize the role of information technologies in improving the educational process. An important stage in increasing the quality of education is developing and implementing specialized training software that is an effective means for personalizing of education, increasing motivation and cognitive capacity of the students. There has been presented the operating principle of the developed training and monitoring computer program “Practicum” for independent performance of practical tasks in physics. The program is written in Java in the NetBeans programming environment and runs on Linux, Windows XP and more advanced operating systems. To create graphic data (charts, drawings, formulas for the training tasks) the graphic editor Affinity Designer was used. A user can solve a problem on line, the continuity principle and the main component parts of a traditional workshop being observed. All these allow using the software for training first-year students who do not have any experience of individual learning. There has been presented a block diagram for performing tasks by using a computer program. The detailed sequence of stages in the block diagram has been given. The software has been used in the educational process of the cadets of Far-Eastern Institute of Navigation and Fisheries in the academic year of 2018-2019. The advantages and implementation difficulties of the software have been identified.
Keywords:
information technologies, education process, students’ independent work, computer program, physics
information technologies, education process, students’ independent work, computer program, physics
В настоящее время совершенствование учебного процесса связано с информатизацией образования и эффективным внедрением специальных методов и методик в учебный процесс. Важным элементом формирования профессиональных компетенций студента являются информационные технологии [1]. Развитие информационных технологий и сфер их использования открывает новые возможности для реализации программированного интерактивного обучения [2]. Владение информационными технологиями, расширение коммуникационных возможностей - новые составляющие современного, востребованного обществом образования [3]. По мнению авторов [4], наилучшее усвоение учебного материала происходит тогда, когда с помощью информационных технологий каждый из структурных элементов курса обучения изучается в рамках единого цикла. Цикл должен состоять из лекционных, семинарских и практических занятий и тренингов. Информационно-коммуникативные технологии являются эффективным средством индивидуализации обучения, интенсификации самостоятельной работы учащихся, повышения их мотивации и познавательной активности [5]. Автор [6] считает, что согласно планам реформы высшего образования России самостоятельная работа студентов становится не просто важной формой учебного процесса - она превращается в его основу. Учебная самостоятельность проявляется в умениях студентов систематизировать, планировать, контролировать и регулировать свою учебно-профессиональную деятельность, собственные познавательно-мыслительные действия без непосредственной помощи и руководства со стороны преподавателя [7]. Таким образом, разработка и внедрение компьютерных обучающих программ в образовательный процесс являются важными направлениями повышения качества высшего образования. В работах [8, 9] рассмотрены пути решения проблем обучения физике с использованием информационных технологий. Главное преимущество выполнения практических заданий по физике в интерактивной форме состоит в том, что программное и методическое обеспечение позволит организовать и контролировать самостоятельную работу студентов как во время аудиторного занятия, так и во внеаудиторное время. Цель работы - проектирование интерактивной инструментальной среды для самостоятельного выполнения индивидуальных практических заданий по физике в интерактивной форме. Разработка компьютерной программы Для выполнения практических заданий были выбраны темы «Механика», «Механические колебания» и «Термодинамика». При написании программы были сохранены основные составляющие традиционного практического занятия. Методическое обеспечение программы содержит краткий теоретический материал по изучаемым темам, примеры решения задач, справочный материал по физике. Программа содержит базу данных, в которой материал разделен на 7 групп. Каждая группа представляет собой совокупность данных одной из семи тем. Группа данных содержит: - тексты условий задач в 4-х вариантах; - исходные данные для задач в 10 вариантах; - рисунки, иллюстрирующие условия задач; - математические уравнения; - набор правильных решений. Программа случайным образом выбирает условие задачи из четырех фиксированных вариантов данной темы. В зависимости от условия задачи значения физических величин выбираются случайным образом двумя способами: из исходных данных или из сгенерированных программой, использующей заданный диапазон. Программа для каждой темы может предложить для решения 40 вариантов задач. Пользователь решает задачу в интерактивном режиме. В ходе работы программа контролирует правильность решения задачи на всех этапах, сообщая о допущенных ошибках, рассчитывает итоговую оценку по решенной задаче. Методика проведения внеаудиторной самостоятельной работы студентов по данной программе описана авторами в работе [10]. Разработанная блок-схема выполнения заданий с помощью компьютерной программы представлена на рис. 1. Рис. 1. Блок-схема программы «Practicum»: П - попытки (числовая переменная, содержит число дозволенных попыток выбора варианта ответа); Р - решение; РВ - решенные варианты (числовая переменная, содержит количество решенных вариантов выбранного условия выбранной темы); БП - балльный процент (числовая переменная, содержит процент от общего числа начисляемых баллов выбранной темы) Последовательность этапов и процессов работы системы: 1. После запуска выполняется присвоение начальных значений переменным системы: РВ = 0; П = 4; БП = 100. 2. Загружаются данные тем и формируется список тем, отображаемый на экране (блок П1). 3. Пользователь выбирает тему из предложенного списка. Система случайным образом выбирает условие выбранной темы (из 4-х на каждую тему), загружает его данные и отображает на экране (блок П2). 4. Если решены все 3 варианта условия (переменная РВ), то подсчитываются баллы на основании балльного процента (переменная БП) и общего числа начисляемых баллов выбранной темы; результат отображается на экране (блоки Р1, П3). В противном случае загружаются данные варианта номер (РВ + 1) условия и отображаются на экране (блок П4). 5. Если пользователь израсходовал все дозволенные попытки выбора (переменная П), то тема считается нерешенной (блок Р2). В противном случае пользователю предлагается выбрать/ввести ответ на вариант и выполняется сверка этих данных с правильным значением (блок П5). 6. При верном решении число решенных вариантов увеличивается на 1 (переменная РВ) и происходит переход к пункту 4 (блок П6). При неверном решении число попыток уменьшается на 1, а число балльных процентов - на 10 (переменные П и БП соответственно), и происходит переход к пункту 5 (блок П7). Программа «Practicum» написана на языке Java в среде программирования NetBeans и предназначена для выполнения в операционных системах Linux и Windows XP и выше. Для создания графических данных (схемы, рисунки, формулы к заданиям) использовался графический редактор Affinity Designer. Использование программы «Practicum» Процесс выполнения заданий разделяется на 4 этапа: - организационный (выбор темы, рис. 2); - физический (рис. 3, 4); - математический (рис. 5, 6); - оценочный (рис. 7). Рис. 2. Список тем практикума Рис. 3. Интерфейс первого задания для первой темы Рис. 4. Интерфейс второго задания Рис. 5. Интерфейс третьего задания для первой темы для первой темы Рис. 6. Интерфейс четвертого задания Рис. 7. Итоговая оценка для первой темы Организационный этап: пользователь самостоятельно выбирает тему для решения задачи (рис. 2). Далее записывается условие задачи, все физические величины переводятся в систему СИ (рис. 3). На рис. 4 показан интерфейс второго задания. Студент должен сделать рисунок, поясняющий описанный в задаче процесс, сравнить его с предложенными рисунками и выбрать тот, который соответствует условию задачи. Если сделан правильный выбор, пользователь переходит к следующему заданию (см. рис. 5). Если при выборе допущена ошибка, программа возвращает пользователя к условию задачи. Прочитав еще раз условие задачи, он исправляет допущенную ошибку, возвращается ко второму заданию и выбирает правильный вариант из предложенных рисунков, которые расположены уже в другом порядке. При каждой ошибке текущий результат уменьшается на 10 %. В третьем задании необходимо написать уравнение или систему уравнений, отображающих происходящий процесс, векторным уравнениям сопоставить скалярные равенства, выразить неизвестную величину. Полученное уравнение необходимо сравнить с предложенными уравнениями и сделать выбор. Если сделан правильный выбор, осуществляется переход к следующему заданию. Если выбор ошибочный, программа возвращается к условию задачи для исправления допущенной ошибки. В четвертом задании (см. рис. 6) студент должен произвести вычисления, сравнить результат с предложенными значениями и выбрать правильный ответ. В случае неправильного ответа программа возвращает пользователя к условию задачи. На рис. 7 представлен результат (в процентах) выполнения работы по решению задачи. Преподаватель умножает данный результат на количество баллов, предусмотренных за решение задачи в рейтинг-плане дисциплины для данного направления подготовки, и получает окончательную оценку за решенную задачу. Если в ходе решения задачи было допущено более 4-х ошибок, задача считается нерешенной. Результаты внедрения программы в учебный процесс Педагогический эксперимент по внедрению программы проводился с участием двух групп курсантов первого курса Мореходного института 2017 года набора, обучающихся по специальностям 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок» и 26.05.07 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики». Каждая из групп была разделена на две подгруппы. В первых подгруппах желающие во внеаудиторное время выполняли практические задания для самостоятельной работы по разработанной программе. Эти две подгруппы рассматривались в качестве экспериментальной группы (ЭГ). Вторые подгруппы рассматривались как контрольная группа (КГ) и обучались согласно учебному плану без дополнительных заданий. Исследования включали два этапа. На первом этапе в начале семестра для проверки умения работать самостоятельно была проведена оценка способности к саморазвитию и самообразованию курсантов. Для диагностики был выбран тест, предложенный в работе [11]. Анализ результатов тестирования показал, что курсанты из ЭГ и КГ имели одинаковые показатели, при этом практически половина курсантов имели уровень способности к саморазвитию и самообразованию средний или близкий к среднему. Полученные результаты хорошо коррелируют с данными тестирования по определению интеллектуальной лабильности. Методика «Интеллектуальная лабильность» используется с целью прогноза успешности в профессиональном обучении, освоении нового вида деятельности и оценки качества трудовой практики [12]. В ходе исследования установлено, что почти половина курсантов (46,7 %) имели среднюю лабильность. На втором этапе проводилось аналогичное тестирование в конце семестра, кроме того, проверялись остаточные знания и проводился итоговый рейтинговый анализ успеваемости. На рис. 8 представлены результаты оценки способности к саморазвитию и самообразованию курсантов ЭГ и КГ в конце семестра. Рис. 8. Результаты оценки способности к саморазвитию и самообразованию в КГ и ЭГ: 1 - очень низкий уровень; 2 - низкий; 3 - ниже среднего; 4 - чуть ниже среднего; 5 - средний уровень; 6 - чуть выше среднего; 7 - выше среднего; 8 - высокий Из диаграммы видно, что максимум соответствует уровню чуть выше среднего, тогда как на входе максимум соответствовал уровню ниже среднего. Сравнительный анализ результатов тестирования показывает, что в ЭГ число курсантов с уровнем «выше среднего» и «высокий» составляет 21,4 %, тогда как в КГ этот показатель равен 7,7 %. Результаты оценки интеллектуальной лабильности также продемонстрировали положительную динамику. Сравнительный анализ результатов тестирования в ЭГ и КГ показал, что в ЭГ отсутствует уровень «низкая лабильность», и по 50 % учащихся имеют уровни «средняя лабильность» и «высокая лабильность». В контрольной группе число курсантов с уровнем «низкая лабильность» составляет 17,7 %, самый высокий результат показали 35,3 % курсантов (рис. 9). Рис. 9. Результаты оценки интеллектуальной лабильности в КГ и ЭГ: 1 - малоуспешны в любой деятельности; 2 - низкая лабильность, трудности в обучении; 3 - средняя лабильность; 4 - высокая лабильность, хорошая способность к обучению Для проверки остаточных знаний были использованы авторские контрольные измерительные материалы. Результаты тестирования показаны на рис. 10. Рис. 10. Распределение относительного числа правильных ответов в КГ и ЭГ по следующим разделам физики: 1 - кинематика; 2 - динамика; 3 - работа и энергия; 4 - механические колебания; 5 - молекулярная физика; 6 - термодинамика Из приведенных диаграмм видно, что результаты ЭГ практически по всем разделам физики, изучаемым в данном семестре, превышают показатели КГ. Кроме того, количество правильных ответов среди курсантов ЭГ составляет 50 % и выше. Другой результат наблюдается в КГ. Курсанты успешно справились с заданиями только трех из шести разделов физики, что свидетельствует о недостаточном уровне освоения материала. Результаты анализа успешности обучения показаны на рис. 11. Рис. 11. Результаты итогового рейтинга в контрольной и экспериментальной группах Из приведенных диаграмм видно, что рейтинговые баллы успеваемости, влияющие на экзаменационную оценку, у курсантов из ЭГ выше, чем из КГ. В ЭГ более половины курсантов (55 %) получили от 80 до 100 баллов. Аналогичный показатель в КГ составил 21,4 %. Кроме того, в ЭГ отсутствовали неуспевающие, в КГ 15,8 % обучающихся получили баллы от 50 до 60, что соответствует неудовлетворительной оценке. Анализ данных показал, что по сравнению с КГ произошло смещение успеваемости курсантов ЭГ в сторону преобладания высоких оценок («хорошо и «отлично»). В КГ одинаковое количество курсантов (31,6 %) имеют оценки «удовлетворительно» и «хорошо». Результаты педагогического эксперимента позволяют сделать вывод, что внедрение интерактивных форм обучения повышает познавательную деятельность и самостоятельность курсантов. Разработанные методы самостоятельной работы формируют творческий интерес, положительную мотивацию к обучению, помогают формированию профессиональных компетенций и в результате приводят к повышению качества образования. Заключение Предложена разработка компьютерной программы «Practicum» для самостоятельного выполнения индивидуальных практических заданий по физике в интерактивной форме. Пользователь решает задачу в интерактивном режиме. В ходе работы программа контролирует правильность решения задачи на всех этапах, сообщая о допущенных ошибках, рассчитывает итоговую оценку по решенной задаче. Представлена блок-схема и алгоритм выполнения заданий с помощью компьютерной программы «Practicum». Программа «Practicum» была использована в 2018/2019 учебном году в учебном процессе курсантов Мореходного института Дальрыбвтуза, обучающихся по специальностям 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок» и 26.05.07 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики». Из анализа результатов применения компьютерной обучающей и контролирующей программы можно выделить ряд преимуществ, которые повышают качество образовательного процесса: - применение программы позволяет проводить занятия с большими группами студентов одному преподавателю; - позволяет организовать самостоятельное обучение студентов в удобное для них время; - обеспечивает возможность индивидуального обучения; - обеспечивает контроль над ходом решения задач; - дает возможность студентам многократного решения задач по теме до достижения положительного результата. Трудности решения задач по данной программе связаны с тем, что студенты и курсанты первого курса недостаточно подготовлены к самостоятельной работе. В связи с этим целесообразно совмещать традиционные формы проведения практических занятий с применением компьютерных обучающих программ. В дальнейшем возможно дополнение программы новыми заданиями по другим разделам физики и другим дисциплинам.
1. Muhametzhanova A. O., Aydarbekova K. A., Muhametzhanova B. O. Interaktivnye metody obucheniya v vuze // Mezhdunar. zhurn. prikladnyh i fundamental'nyh issledovaniy. 2016. № 2. Ch. 1. S. 84-88.
2. Komarov A. I., Panchenko V. M. Osobennosti realizacii interaktivnogo obucheniya s primeneniem informacionnyh tehnologiy // Sovremennye informacionnye tehnologii i IT-obrazovanie. 2015. T. 1. № 11. S. 195-199.
3. Voronihina L. I., Abramova S. I. Ispol'zovanie novyh informacionnyh tehnologiy v obrazovatel'nom processe // Mezhdunar. zhurn. eksperimental'nogo obrazovaniya. 2010. № 1. S. 17-18.
4. Zholdasbekov A. A., Nurlybekova A. B., Zholdasbekova B. A. Innovacionnye informacionnye tehnologii v sfere obrazovaniya vysshey shkoly // Uspehi sovremennogo estestvoznaniya. 2013. № 5. S. 66-68.
5. Petuhova E. I. Rol' informacionnyh tehnologiy v povyshenii kachestva professional'nogo obrazovaniya // Uspehi sovremennogo estestvoznaniya. 2013. № 10. S. 82-83.
6. Semenova V. G. Samostoyatel'naya rabota studentov kak vazhneyshaya forma organizacii uchebnogo processa v ramkah kompetentnostnoy modeli obrazovaniya // Organizaciya samostoyatel'noy raboty studentov: materialy dokl. II Vseros. nauch.-prakt. internet-konf. Saratov: Novyy Proekt, 2013. S. 10-15.
7. Tret'yakova E. M. Organizaciya samostoyatel'noy raboty studentov kak formy uchebnogo processa v vuze // Vektor nauki TGU. Pedagogika, psihologiya. 2015. № 4. Vyp. 23. S. 200-204.
8. Erofeeva G. V., Sklyarova E. A., Lider A. M. Informacionnye tehnologii v obuchenii fizike // Pedagogicheskie nauki. 2013. № 8. S. 919-923.
9. Efremova N. A., Rudkovskaya V. F., Vityuk E. S. O nekotoryh problemah obucheniya fizike v vuze // Pedagogicheskie nauki. 2016. № 8. S. 116-120.
10. Kucherenko L. V., Slabzhennikova I. M. Povyshenie kachestva soderzhaniya obrazovaniya v tehnicheskom vuze pri obuchenii fizike // Vestn. Mosk. gos. oblast. un-ta. Ser.: Pedagogika. 2018. № 2. S. 144-151.
11. Popova N. S., Popova N. V. Reytingovaya sistema ocenki deyatel'nosti uchitelya i uchenika. Rasskazovo: MU «Informacionno-metodicheskiy centr», 2009. Test № 4. 93 s.
12. Karelin A. A. Bol'shaya enciklopediya psihologicheskih testov. M.: Eksmo, 2007. 416 s.
