Stem-моделювання фізичних явищ у процесі навчання студентів професійно-технічним дисциплінам в закладах вищої освіти
Розгляд поняття моделювання та основних засобів STEM-моделювання, що використовуються у навчальному процесі фізики та дисциплін професійного напряму в закладах вищої освіти технічного профілю на засадах STEM-освіти. Навички моделювання та проектування.
| Рубрика | Педагогика |
| Вид | статья |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 05.11.2018 |
| Размер файла | 23,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Stem-моделювання фізичних явищ у процесі навчання студентів професійно-технічним дисциплінам в закладах вищої освіти
Постановка та обґрунтування актуальності проблеми. Викладання у закладах вищої освіти направлено на випуск конкурентоспроможних фахівців, і однією з важливих складових у інженерної підготовки є навчання навичкам моделювання та проектування.
Конкурентоспроможність в закладах вищої освіти досягається за рахунок того, що студентам надається можливість виконання завдання як традиційним методом проектування і аналізу проектів, так і з використанням систем автоматизованого проектування, впроваджених в такі дисципліни, як інженерна графіка, проектування механізмів і машин, деталі машин і основи конструювання, які пов'язані з фізикою - фундаментальною дисципліною, що вивчається студентами на першому курсі в Льотній академії Національного авіаційного університету. моделювання stem освіта навчальний
Проблема моделювання - одна з найважливіших методологічних проблем, що розглядається в контексті розвитку STEM-освіти, а саме у навчальному процесі з фізики, біології, хімії, кібернетики. З іншого боку, моделювання постає як метод, що знайшов широке застосування в теорії й методиці навчання фізики. Зокрема, у роботах О.І. Бугайова, С.Ю. Каменецького, Л.Р. Калапуші, В.П. Орєхова, А.В. Павленка, М.І. Садового, О.В. Сергєєва, Н.А. Солодухіна та ін. досліджено різноманітні аспекти застосувння цього методу в навчальному процесі з фізики.
Існує багато досліджень щодо застосування методу моделювання в інформаційно- комунікаційних технологіях навчання фізики, що розглянуті в дослідженнях С.П. Величка, В.П. Вовкотруба, П.М. Прудського, І.В. Сальник, Н.Л. Сосницької, Т.Н. Яценко, В.П. Муляр, В.Г. Гриценка, О.М. Желюка, М.І. Садового, Н.В. Подопригори та ін.
Проблема застосування методу STEM- моделювання як засобу підготовки студентів у процесі навчання фізики до використання технологій навчання недостатньо досліджена в науково-методичній літературі.
Мета статті: розгляд поняття моделювання та основних засобів STEM-моделювання, що використовуються у навчальному процесі фізики та дисциплін професійного напряму в закладах вищої освіти технічного профілю на засадах STEM-освіти.
Досліджуючи дану проблему нами використовувались теоретичні методи, а саме: аналіз підручників, методичних посібників і публікацій, що відображають проблему дослідження, з метою виявлення сучасних фізичних наукових положень та досягнень, тенденцій розвитку методики навчання фізики у закладах вищої освіти в контексті розвитку STEM-освіти.
У процесі дослідження вирішувалися такі завдання: 1) визначити зміст категорії моделювання в аспекті розробки й застосування STEM-технологій навчання фізики; 2) розглянути STEM-моделі та сучасні засоби навчання, що слід використовувати у навчальному процесі фізики з урахуванням міждисциплінарних зв'язків в закладах вищої освіти.
Виклад основного матеріалу дослідження. Історію становлення, розвитку та практичного використання методу моделювання умовно можна поділити на чотири періоди.
1. Використання моделей без теоретичного обгрунтування для пояснення будови речовини та дослідження різноманітних фортифікаційних споруд, мостів, будинків тощо (V ст. до н.е. - XVII ст. н.е.). Моделювання на емпіричному рівні використовував Демокріт, Епікур, Леонардо да Вінчі [1].
2. Створення теоретичної основи методу моделювання, що стимулювало розвиток його нових можливостей у становленні наукових теорій та проведенні широких експериментальних досліджень (XVII ст. н.е.). Цей період розвитку методу моделювання започаткували у своїх працях Г. Галілей, І. Ньютон та ін.
3. Філософське та методологічне дослідження процесу моделювання як потужного методу наукового пізнання (ХХ ст.) Фундаментальні дослідження у цій галузі зробили такі вчені, як М.Г. Алексєєв, М.М. Амосов, В.М. Глушков, Ю.А. Жданов, П.М. Кедров, І.Б. Новік, В.О. Штофф та інші.
4. Дослідження дидактичних можливостей методу моделювання та їх використання у навчальному процесі вищої школи.
Під моделлю розуміють мисленнєво або реально створену структуру, що відтворює ту або іншу частину частину в спрощеній і наочній формах. Модель - це не теорія, а те, що описується цією теорією, - своєрідний предмет теорії. Модель - завжди деяка конкретна побудова в тій або іншій формі чи ступені наочності, завершена й доступна для розгляду й практичної дії. Загальною властивістю всіх моделей є їхня здатність так чи інакше відображати дійсність, зокрема поєднання питань теорії й практики формувння дієвих знань [1; 2].
Моделювання як засіб под ©Кузьменк° О.Ср 2018 обєкта, який ще не існує в реальності, дозволяє: прокрутити, поріняти та оцінити технології навчання; імітувати реальні процеси навчання; прийняти результат одного з альтернативних варіантів вирішення педагогічних проблем [1].
При розробці STEM-технології навчання необхідно передбачити її динамічний характер: процес навчання фізики відбувається в часі, студент освоює нову для нього діяльність від простих елементів до складніших і, нарешті, переходить до оволодіння повноцінною навчальною діяльністю. Але при моделюванні технології навчання фізики цей рух має зворотний напрям - від цілісної діяльності до складових її частин і, нарешті, до елементів, при цьому не можна втратити ті взаємозвязки, які забезпечують цілісність технології навчання.
STEM-моделювання навчання фізики передбачає ієрархічну переробку комплексу цілей, завдань, інваріантів, задач і вправ як моделі навчальної діяльності шляхом: аналізу навчальної діяльності та виявлення типових навчальних завдань, задач і вправ; визначення місця цієї системи у змісті навчання; вибір форм організації навчального процесу і методів навчання в їх поєднанні, характерному для певної технології навчання, що найбільше відповідає змістові цих завдань, інваріантів, задач і вправ.
Велика кількість різноманітних моделей, які використовуються у наукових дослідженнях, привела до необхідності відповідним чином їх класифікувати. В основу запропонованої класифікації моделей покладено ті їх властивості, які є засобом відображення частини обєктивної дійсності з метою глибшого її пізнання. Більшість авторів, які займаються дослідженням методу моделювання (В.А. Вєніков, І.Б. Михайлов, І.Б. Новік, В.О. Штофф та ін.) ділять всі існуючі моделі на два великі класи, залежно від того, якими засобами здійснюється моделювання: 1) матеріальні моделі; 2) мислені моделі.
До першого класу належать моделі, зібрані з речових елементів. Другий клас - це мисленні моделі, що складаються з наочно поданих або логічно осмислених елементів, між якими існують відповідні закономірні звязки. Кожен з цих класів моделей можна поділити ще на кілька видів (рис. 1)
Розглянемо один із видів STEM-моделювання, 3D-моделювання (тривимірне моделювання) - це процес розробки математичного зображення будь- якої поверхні об'єкта у трьох вимірах за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення. Продукт називається 3D-моделлю. Модель також може бути фізично створена за допомогою 3D- друкарських пристроїв.
Програмне забезпечення 3D-моделювання - це клас програмного забезпечення тривимірної комп'ютерної графіки, що використовується для створення 3D-моделей. Індивідуальні програми цього класу називаються моделюванням або моделями.
Тривимірні (3D) моделі представляють собою фізичне тіло, що використовує набір точок у тривимірному просторі, пов'язаних різними геометричними сутностями, такими як трикутники, лінії, криволінійні поверхні та ін.
3D-моделі використовуються в будь-якій точці 3D-графіки та CAD. Сьогодні 3D-моделі використовуються в різних областях науки та техніки.
ЗБ-моделі мають на дві категорії.
Solid-моделі - визначають об'єми об'єкта, який вони представляють. Тверді моделі переважно використовуються для інженерного та медичного моделювання, і зазвичай побудовані з конструктивною твердою геометрією
Корпус-моделі - представляють поверхню, наприклад границю об'єкту, а не його об'єм. Майже всі візуальні моделі, що використовуються в іграх та фільмах, є моделями оболонки.
Розглянемо три способи представлення STEM- моделі:
1. Полігональне моделювання. Точки у тривимірному просторі, що називаються вершинами, з'єднані лінійними сегментами для формування багатокутної сітки. Величезна більшість 3D-моделей являють собою текстуровані багатокутні моделі, оскільки вони є гнучкими, і комп'ютери можуть робити їх швидко. Проте, багатокутники є плоскими і можуть наближатися лише до кривих поверхонь, використовуючи багато полігонів.
2. Криві моделювання. Поверхні визначаються кривими, на які впливають вагові контрольні точки. Крива вибудовується точками (але не обов'язково інтерполювати). Типи кривих включають неоднорідний раціональний B-сплайн (NURBS), сплайси, патчі та ін.
3. Цифрова скульптура. Новий метод моделювання, 3D-скульптура стала дуже популярною впродовж кількох років. В даний час існує три типи цифрових скульптур:
1) переміщення, яке найчастіше використовується серед програм в цей момент використовується щільна модель; 2) об'ємна, вільно заснована на вокселях, має аналогічні можливості, як зміщення, але не розтягує багатокутник, коли їх недостатньо для досягнення деформації; 3) динамічна тесселяція подібна до вокселю, але розділяє поверхню, використовуючи триангуляцію, для підтримки гладкої поверхні та додання точніших деталей.
STEM-моделювання можна виконувати за допомогою спеціальних програм (наприклад, Cinema 4D, Maya, 3ds Max, Blender, LightWave, Modo КОМПАС, АРМ, Tflex, AutoCAD, ANSYS, Comsol, Simufac, Adams, Nastran) або різних складових в програмах (Shaper, Lofter в 3ds Max, ) чи мови опису (як у POV-Ray ).
Наприклад, для студентів Льотної академії Національного авіаційного університету напрямку підготовки інженер по технічному обслуговуванню, ремонту і технічній діагностиці авіаційної техніки цікавими для використання будуть наступні програми:
АРМ - програмні продукти інженерного аналізу (CAE), призначені для моделювання інженерних конструкцій з метою отримання оптимальних проектно-конструкторських рішень і автоматизації підготовки конструкторської документації. Ці продукти можна ефективно використовувати при проведенні наукових досліджень і виконанні експертних робіт, при навчанні студентів, аспірантів і магістрантів технічних університетів і перепідготовки інженерних кадрів, для аналізу критичних ситуацій і реалізації інших цілей і завдань у всіх без винятку сферах інженерної діяльності [3; 5] .
TFlex - професійна конструкторська програма, що об'єднує в собі найпотужніші параметричні можливості 2D і 3Б-моделювання. TFlex CAD відрізняється особливою продуктивністю і стабільністю і пропонує інноваційні інструменти для створення спеціалізованих систем автоматизованого проектування в області трубопроводів, металоконструкцій, електричних схем, будівельних і багатьох інших конструкцій. Система орієнтована на професіоналів в області проектування, містить всі необхідні інструменти для розрахунку, конструювання і підготовки виробництва конструкцій всіх рівнів складності.
AutoCAD - дво і тривимірна система автоматизованого проектування і креслення, розроблена компанією Autodesk. AutoCAD і спеціалізовані додатки на його основі активно застосовуються в машинобудуванні, будівництві, архітектурі та інших галузях промисловості [5; 6].
ANSYS - універсальна програмна система елементного аналізу. ANSYS важлива для вирішення лінійних і нелінійних, стаціонарних і нестаціонарних просторових задач механіки деформованого твердого тіла та механіки конструкцій, включаючи нестаціонарні геометрично і фізично нелінійні задачі контактної взаємодії
елементів конструкцій, завдань механіки рідини і газу, теплопередачі і теплообміну, електродинаміки, акустики, а також механіки пов'язаних полів. Моделювання та аналіз в деяких областях промисловості дозволяє уникнути дорогих і тривалих циклів розробки типу «проектування - виготовлення - випробування» [3].
Comsol призначений для моделювання будь- яких складних фізичних явищ - електричних, механічних, гідродинамічних і хімічних. Додаткові модулі розширюють можливості платформи мульти фізичного моделювання, забезпечуючи
моделювання в специфічних областях науки і техніки та інтеграцію з програмними пакетами сторонніх розробників і їх функціями [7]. Представлення модулів програми наведено на рис.3.
Simufac - система комп'ютерного моделювання для розрахунку процесів деформування металів в процесах кування і об'ємного штампування при проектуванні штампового оснащення. Дозволяє оптимізувати температурноскоростние, що враховують напряженнодеформірованное стан, умови процесів, а також проектувати оптимальні технології. Цьому сприяє адекватність моделей технологічного процесу, а також точний опис реологического поведінки металу в умовах деформації [7],
Рис. 3. Модулі програми Comsol Adams - найбільш широко застосовуваний програмний комплекс для віртуального моделювання складних машин і механізмів. Adams використовується для розробки і вдосконалення конструкцій - від простих механічних і електромеханічних пристроїв до автомобілів і літаків, залізничної техніки і космічних апаратів [8].
Nastran забезпечує повний набір розрахунків, включаючи розрахунок напряженнодеформірованного стану, власних частот і форм коливань, аналіз стійкості, рішення задач теплопередачі, дослідження сталих і несталих процесів. Поряд з розрахунком конструкцій він може використовуватися і для оптимізації проектів. Останню можна проводити для задач статики, стійкості, сталих і несталих динамічних перехідних процесів, власних частот і форм коливань. Nastran також включає унікальну функцію оптимізації конструкції з необмеженими змінами її геометричної форми [10].
3D-друк, один із засобів впровадження STEM- освіти у навчальний процес вивчення пиродничо- технічних дисциплін. 3D^^ - це форма технології виробництва добавок, коли тривимірний об'єкт створюється шляхом встановлення або виготовлення з послідовних шарів матеріалу [11; 12]. Прикладні програми є невід'ємною частиною професійної діяльності інженерів, тому на їх освоєння потрібен певний час. В силу обмеження навчальним планом аудиторних занять доцільно поетапне вивчення програмних продуктів, починаючи з широко застосовуваних у всіх галузях і закінчуючи спеціальними професійними прикладними програмами.
Висновки з дослідження і перспективи подальших розробок. Отже, використання STEM- моделювання в навчальному процесі з фізики та професійно-технічних дисциплін є доцільним, а їх застосування в процесі підготовки інженерів сприяє кращій взаємодії студентів в єдиному інформаційному просторі. Все це дозволяє підготувати конкурентоспроможного, професійно компетентного фахівця, затребуваного на сучасному ринку праці, що є актуальним на даному етапі розвитку освіти та науки. Перспективи подальших досліджень полягають розробці методики навчання фізики з використанням інноваційних технологій в умовах розвитку STEM-освіти.
СПИСОК ДЖЕРЕЛ
1. Ахундов М.Д. О математическом атомизме Демокрита / М.Д. Ахундов // Труды ХШМеждународного конгресса по истории науки. - Секция III, IV. - М.: Наука, 1974. - С.101-111.
2. Веников В.А. О моделировании / В.А. Веников. - М.: Знание, 1974. - 63 с.
3. Денисов М.А. Компьютерное проектирование. ANSYS.: учебное пос. Министерство образования и науки РФ, Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина. / Денисов М.А. - Екатеринбург, 2014. - C. 77.
4. Калапуша Л.Р. Моделювання у вивченні фізики : монографія / Л.Р. Калапуша. - К.: Рад.шк., 1982. - 160 с.
5. Шелофаст В. Программные продукты компании НТЦ «АПМ» - новые возможности и перспективы/ В. Шелофаст, С. Розинский // САПР и графика. 2015. - № 8 (226). - С. 52-58.
6. Фрей Д. Изучаем AutoCAD® 2007 и AutoCAD® LT 2007 с самого начала. AutoCAD® 2007 и AutoCAD® LT 2007: Практическое руководство / Д. Фрей; [пер. с англ. И.Л. Волкова]. - Москва, 2008. - 688 с.
7. Comsol. Программный пакет для
мультифизического моделирования /
URL: https://www.comsol.ru/products.
8. Simufact Forming /
URL: http://www.lavteam.org/tags/Simufact.
9. Adams - система виртуального моделирования
машин и механизмов /
URL: http://rusapr.ru/prod/progs/element.php?ID=835.
10. САПР для машиностроения и промышленного производства / Инженерные расчеты и моделирование технологических процессов / MSC. Nastran / URL: http://www.cad.ru/ru/software/detail.php?ID=3181.
11. Konica Minolta. 3D Scanning Advancements in
Medical Science. - 2011 Режим доступу:
https://en.wikipedia.org/wiki/3D_modeling.
12. What is 3D Printing? The definitive guide. - 2017
Режим доступу: https://www.3dhubs.com/what-is-3d-
printing.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Розгляд задачі як невід'ємного елемента навчального процесу з фізики. Поняття моделювання при вирішенні задач в учбово-методичній літературі. Методико-математичні основи застосування моделювання. Особливості загальних алгоритмів розв’язування задач.
курсовая работа [50,4 K], добавлен 18.05.2013Питання забезпечення фінансування вищої освіти США. Наявні проблеми у сфері фінансування і доступності вищої освіти. Пропозиції щодо реформування системи фінансування вищої освіти США. Фінансова доступність вищих навчальних закладів для їх студентів.
статья [23,7 K], добавлен 27.08.2017Комплексне поєднання різних ступенів, від дошкільних закладах до вищої освіти, в існуючій системі освіти в Естонії. Дозвіл на проживання для навчання. Стипендії на навчання в навчальних закладах. Порівняльна характеристика освіти в Естонії й Україні.
реферат [20,4 K], добавлен 09.11.2010Історія формування системи вищої освіти в Німеччині. Сучасні принципи побудови вищих навчальних закладів, участь у болонському процесі. Проблеми та перспективи розвитку вищої освіти сьогодні. Доступ громадян до вищої освіти, характеристика кваліфікацій.
реферат [64,3 K], добавлен 16.11.2014Дослідження сучасних принципів побудови освіти у вищих навчальних закладах Індії. Огляд особливостей економічної, технічної та гуманітарної освіти. Аналіз навчання іноземних студентів, грантів на освіту, які видають ученим і представникам наукової еліти.
реферат [27,9 K], добавлен 17.01.2012Соціально-економічні, методологічні, змістовно-процесуальні протиріччя сучасної вищої освіти, її структура та характеристика основних принципів функціонування. Модель сучасної вищої освіти: визначення профілю фахівців, вимоги та рівні їх підготовки.
реферат [14,6 K], добавлен 03.06.2010Система вищої освіти Ізраїлю та особливості вступу во вузів. Організація навчання, академічний рік та екзамени. Стипендії, фінансова допомога та пільги по оплаті для нових репатріантів. Оплата за навчання в приватних вищих навчальних закладах держави.
презентация [4,1 M], добавлен 20.02.2015Структура та мета компетентнісно зорієнтованого навчання в навчальному процесі вищої школи. Зв'язки між освітньою, педагогічною, лінгводидактичною й лінгвометодичною компетентностями. Моделі професійної педагогічної компетентності викладача та студентів.
реферат [34,9 K], добавлен 05.03.2013Рівні підготовки фахівців. Сутність ступеневості вищої освіти. Нормативний, вибірковий компоненти змісту освіти. Складові державного стандарту освіти. Форми навчання: денна, вечірня, заочна. Ознаки громадсько-державної моделі управління освітою в Україні.
реферат [16,9 K], добавлен 18.01.2011Історія університетів Великобританії. Сучасна система освіти. Вищі національні дипломи. Підготовка бакалаврів технічного профілю в університетах Великобританії. Докторантура у Великобританії. На шляху до створення Європейської зони вищої освіти.
реферат [25,6 K], добавлен 14.08.2008Аналіз принципів, вимог та рівнів підготовки нових фахівців. Оцінка ролі ВУЗів у науково-освітньому і соціокультурному середовищі. Загальна характеристика сучасних концепцій професійно-орієнтованої освіти. Поняття, сутність та основні форми вищої освіти.
реферат [19,9 K], добавлен 13.11.2010Загальна характеристика методів та прийомів, що використовуються під час слухання музики. Розвиток у молодших школярів навичок музичного сприймання за допомогою методу моделювання. Аналіз ролі та значення кольорових уявлень у процесі слухання музики.
курсовая работа [165,2 K], добавлен 06.10.2012Основні принципи Болонської декларації. Ступеневість та доступність вищої освіти у Великій Британії. Принципи організації вищої освіти у Франції. Цикли університетської освіти у Франції. Ступеневість освіти та кваліфікації у польській вищій освіті.
реферат [21,4 K], добавлен 29.09.2009Гуманизація педагогічного процесу. Тенденції розвитку вищої освіти на Європейському просторі. Концепція інклюзивної освіти та її ключові принципи. Використання інформаційно-комунікаційних технологій у процесі соціалізації та реабілітації інвалідів.
реферат [252,8 K], добавлен 20.02.2015Підвищення вимог до рівня освітньої та фахової підготовки людини у зв'язку з науково-технічною та інформаційною революцією. Тенденції розвитку зарубіжної вищої освіти, історичні витоки ступеневої освіти. Особливості національних систем вищої освіти.
курсовая работа [35,5 K], добавлен 25.10.2011Підвищення якості навчання інформатичних дисциплін іноземних студентів. Використання дистанційних технологій освіти. Процес підготовки іноземних студентів та вчителів інформатики. Місце та роль дистанційних технологій навчання у системі вищої освіти.
статья [335,2 K], добавлен 21.09.2017Суть поняття "моделювання педагогічних ситуацій". Компоненти моделювання у вищих навчальних закладах: цільовий, змістовий, технологічно-процесуальний та контрольно-оцінний. Розкриття соціального сенсу учительської професії та формування професіоналізму.
статья [34,6 K], добавлен 06.09.2017Етапи творчої розробки технічного художньо-конструкторського проекту. Ескізування, предметне моделювання або макетування в навчальному процесі. Функції проектних досліджень у дизайні. Ціль інформації в процесі художньо-конструкторської діяльності.
реферат [21,4 K], добавлен 18.10.2010Навчальний процес у вищих закладах освіти: дидактичні основи та головні аспекти. Концепція підготовки управлінських кадрів у системі вищої освіти, її завдання, державні складові навчально-методичного забезпечення. Вимоги до організації праці викладача.
курсовая работа [41,4 K], добавлен 20.01.2011Процес якісної зміни вищої освіти на основі принципи її фундаментальності. Необхідність переходу від "підтримуючої" до "випереджальної" інноваційної освіти. Оновлення змістової бази навчання майбутніх фахівців. Адаптація до науково-технічного прогресу.
статья [19,3 K], добавлен 10.02.2011
