ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕРАКТИВНОЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ПО ФИЗИКЕ
Авторы:
1.
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет
2.
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет
Тип:
Статья
Страницы:
с 98
по 108
Статус:
Опубликован
Получено:
05.04.2019
Одобрено:
25.04.2019
Опубликовано:
25.04.2019
Классификаторы:
ВАК 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
ВАК 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
ВАК 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
ВАК 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
ВАК 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
ВАК 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
УДК 004:378.147+53
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 28.01 Общие вопросы кибернетики
ГРНТИ 49.01 Общие вопросы связи
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 82.01 Общие вопросы организации и управления
ВАК 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
ВАК 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
ВАК 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
ВАК 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
ВАК 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
УДК 004:378.147+53
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 28.01 Общие вопросы кибернетики
ГРНТИ 49.01 Общие вопросы связи
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 82.01 Общие вопросы организации и управления
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
информационные технологии, учебный процесс, самостоятельная работа студентов, компьютерная программа, физика
Аннотация (русский):
В современных условиях самостоятельная работа обучающихся становится основой учебного процесса, совершенствование которого идет в направлении информатизации и внедрения информационных технологий. Представлен обзор работ, в которых подчеркнута роль информационных технологий в совершенствовании учебного процесса. Важным звеном в повышении качества образования является разработка и внедрение компьютерных обучающих программ, которые являются эффективным средством индивидуализации обучения, повышения мотивации и познавательной активности обучающихся. Представлен принцип действия разработанной обучающей и контролирующей компьютерной программы «Practicum» для самостоятельного выполнения практических заданий по физике. Программа 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. Пользователь решает задачу в интерактивном режиме, при этом соблюден принцип преемственности и сохранены основные составляющие традиционного практического занятия, что позволяет использовать программу при обучении первокурсников, не имеющих навыков самостоятельного обучения. Представлена блок-схема выполнения заданий с помощью компьютерной программы, подробно описана последовательность этапов работы. Программа была использована в учебном процессе курсантов Мореходного института Дальрыбвтуза в 2018/19 учебном году, выявлены ее преимущества и трудности выполнения.
В современных условиях самостоятельная работа обучающихся становится основой учебного процесса, совершенствование которого идет в направлении информатизации и внедрения информационных технологий. Представлен обзор работ, в которых подчеркнута роль информационных технологий в совершенствовании учебного процесса. Важным звеном в повышении качества образования является разработка и внедрение компьютерных обучающих программ, которые являются эффективным средством индивидуализации обучения, повышения мотивации и познавательной активности обучающихся. Представлен принцип действия разработанной обучающей и контролирующей компьютерной программы «Practicum» для самостоятельного выполнения практических заданий по физике. Программа 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. Пользователь решает задачу в интерактивном режиме, при этом соблюден принцип преемственности и сохранены основные составляющие традиционного практического занятия, что позволяет использовать программу при обучении первокурсников, не имеющих навыков самостоятельного обучения. Представлена блок-схема выполнения заданий с помощью компьютерной программы, подробно описана последовательность этапов работы. Программа была использована в учебном процессе курсантов Мореходного института Дальрыбвтуза в 2018/19 учебном году, выявлены ее преимущества и трудности выполнения.
Ключевые слова:
информационные технологии, учебный процесс, самостоятельная работа студентов, компьютерная программа, физика
информационные технологии, учебный процесс, самостоятельная работа студентов, компьютерная программа, физика
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. Мухаметжанова А. О., Айдарбекова К. А., Мухаметжанова Б. О. Интерактивные методы обучения в вузе // Междунар. журн. прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 2. Ч. 1. С. 84-88.
2. Комаров А. И., Панченко В. М. Особенности реализации интерактивного обучения с применением информационных технологий // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2015. Т. 1. № 11. С. 195-199.
3. Воронихина Л. И., Абрамова С. И. Использование новых информационных технологий в образовательном процессе // Междунар. журн. экспериментального образования. 2010. № 1. С. 17-18.
4. Жолдасбеков А. А., Нурлыбекова А. Б., Жолдасбекова Б. А. Инновационные информационные технологии в сфере образования высшей школы // Успехи современного естествознания. 2013. № 5. С. 66-68.
5. Петухова Е. И. Роль информационных технологий в повышении качества профессионального образования // Успехи современного естествознания. 2013. № 10. С. 82-83.
6. Семенова В. Г. Самостоятельная работа студентов как важнейшая форма организации учебного процесса в рамках компетентностной модели образования // Организация самостоятельной работы студентов: материалы докл. II Всерос. науч.-практ. интернет-конф. Саратов: Новый Проект, 2013. С. 10-15.
7. Третьякова Е. М. Организация самостоятельной работы студентов как формы учебного процесса в вузе // Вектор науки ТГУ. Педагогика, психология. 2015. № 4. Вып. 23. С. 200-204.
8. Ерофеева Г. В., Склярова Е. А., Лидер А. М. Информационные технологии в обучении физике // Педагогические науки. 2013. № 8. С. 919-923.
9. Ефремова Н. А., Рудковская В. Ф., Витюк Е. С. О некоторых проблемах обучения физике в вузе // Педагогические науки. 2016. № 8. С. 116-120.
10. Кучеренко Л. В., Слабженникова И. М. Повышение качества содержания образования в техническом вузе при обучении физике // Вестн. Моск. гос. област. ун-та. Сер.: Педагогика. 2018. № 2. С. 144-151.
11. Попова Н. С., Попова Н. В. Рейтинговая система оценки деятельности учителя и ученика. Рассказово: МУ «Информационно-методический центр», 2009. Тест № 4. 93 с.
12. Карелин А. А. Большая энциклопедия психологических тестов. М.: Эксмо, 2007. 416 с.
