Навчально-методичний лабораторний комплекс для комп’ютерно-орієнтованого фізичного експерименту

О.С. Мартинюк

Східноєвропейський національний університет імені Лесі Українки

Ефективне впровадження нових технологій практично в усі сфери людської діяльності потребує кваліфікованих фахівців. Якісна підготовка спеціалістів неможлива без фундаментальних і політехнічних знань. Постає завдання навчання студентів (майбутніх учителів фізики, інформатики, технологій) на основі сучасних методик та педагогічних технологій. Комп'ютерно-орієнтований експеримент є важливим складником процесу навчання фізики, де його організація та проведення базується на використанні інформаційно-комунікаційних технологій.

Проаналізовано зміст поняття комп'ютерно-орієнтованого навчання, умови створення та ефективність використання комп'ютерно-інтегрованих лабораторних комплексів. Класифіковано віртуальні навчальні лабораторії згідно з прийнятою в системах штучного інтелекту типологією моделей подання знань та системами процедурного, декларативного і гібридного (процедурно-декларативного) типів. Запропоновано структуру навчально-методичного лабораторного комплексу для комп'ютерно-орієнтованого фізичного експерименту. Наведено приклади використання програмно-апаратних засобів для імітаційного моделювання, програмування та забезпечення ефективного виконання натурного експерименту. Проведено аналіз ефективності комп'ютерно-орієнтованого фізичного експерименту у процесі підготовки майбутніх фахівців.

Ключові слова: комп'ютерно-орієнтований фізичний експеримент, навчально-методичний лабораторний комплекс, комп'ютерне моделювання, робототехніка.

Підвищення рівня професійних знань і умінь студентів (майбутніх учителів фізики, інформатики та загально-технічних дисциплін), мотивація їх до подальшого самовдосконалення сприяють активні форми проведення практичних та лабораторних занять, в основі яких лежить особистісно-діяльніший підхід. Результатом такого виду роботи є залучення студентів до активної навчальної та науково-дослідницької діяльності. Комп'ютерно-орієнтований фізичний експеримент - невід'ємна складова навчання фізики, що забезпечує можливість опанування студентами основ використання засобів інформаційно-комунікаційних технологій, можливостей сучасної мікроелектронної та мікропроцесорної техніки як інструментів для підвищення ефективності фізичного експерименту, удосконалення та модернізації навчального обладнання.

Постановка проблеми. Відомо, що навчальний фізичний експеримент можна вважати ефективним, якщо він відображає основні ідеї експериментального методу фізичної науки, відповідає принципам дидактики, забезпечує виконання вимог санітарії й ергономіки. Серед основних характеристик ефективності навчального фізичного експерименту розглядають змістову, яка визначає зміст фізичного експерименту, його внутрішню сутність, і процесуальну, яка характеризує процес використання фізичного експерименту і визначає вибір форм і прийомів його проведення.

Для підвищення ефективності процесуальної характеристики фізичного експерименту велике значення має відповідність постановки навчального експерименту розумовій діяльності учнів та студентів (формулювання проблеми й створення проблемної ситуації, формування дивергентного мислення, використання дослідів для ознайомлення з науковим експериментальним методом тощо). Повторюваність дослідів при цьому має бути оптимальною. Підвищити ефективність фізичного експерименту з урахуванням змістової характеристики можна за допомогою таких прийомів: 1) використання в навчальному процесі з фізики існуючих приладів відповідно до їх прямого призначення; 2) внесення конструктивних змін і доповнень у прилади й установки, які випускались промисловістю; 3) відбір із системи однотипного обладнання тих приладів і установок, які забезпечують найбільш високу ефективність навчального процесу; 4) розробка та виготовлення відповідних приладів і установок на заняттях гуртків; 5) глибоке розуміння будови й принципу дії навчальних приладів і установок, наявність відповідних вмінь та навичок проводити нескладний ремонт.

Ефективне впровадження нових технологій, експлуатація обладнання з високим рівнем електронного забезпечення потребує відповідної підготовки кваліфікованих фахівців. Звісно, підготовка інженерних кадрів здійснюється у спеціалізованих технічних вишах. Проте якісна підготовка спеціаліста неможлива без певних попередніх фундаментальних і політехнічних знань, які забезпечують у середній загальноосвітній школі педагогічні кадри, у тому числі вчителі фізики. Важливу місію серед стратегічних напрямів реформування освіти покладено на інноваційне навчання, яке «... передбачає постійне залучення учнів до активної навчально-пізнавальної діяльності, що характеризується інтенсивною багатосторонньою комунікацією суб'єктів діяльності, обміном інформацією, результатами діяльності учнів між собою і вчителем,... спонукає їх до ініціативності, творчого підходу та активної позиції у всіх видах зазначеної діяльності...». [4]. А відтак, постає завдання відповідної підготовки студента (майбутнього вчителя фізики) на основі сучасних методик та технологій навчання.

Метою статті є аналіз структури та можливостей впровадження й використання навчально-методичного лабораторного комплексу в процесі виконання комп'ютерно-орієнтованого фізичного експерименту.

Аналіз досліджень і публікацій. Аналізуючи зміст поняття комп'ютерно-орієнтованого навчального середовища, звернемось до визначення В.Ю. Бикова, який характеризує його з точки зору моделей організаційних систем відкритої освіти: «Відкрите навчальне середовище - це таке навчальне середовище, будова якого передбачає цілеспрямоване використання в навчально-виховному процесі засобів, технологій та інформаційних ресурсів глобального освітнього простору, що утворюють освітньо-просторову компоненту навчального середовища» [1]. Ю.О. Жук трактує його як «особистісно-орієнтоване навчальне середовище, у складі якого присутні, у міру необхідності, апаратно-програмні засоби інформаційно-комунікаційних технологій» [2]. Виокремлюють ще й окремі види комп'ютерно-орієнтованого фізичного практикуму, серед яких: автоматизований лабораторний практикум (автоматизована система лабораторного практикуму) - комплекс технічних і програмних засобів, що забезпечують проведення лабораторних робіт і експериментальних досліджень безпосередньо з фізичними об'єктами і (або) математичними, інформаційно-описовими, наочними моделями, представленими на екрані комп'ютера. Крім того, виділяють автоматизований лабораторний практикум віддаленого доступу (інтернет-лабораторії) - спеціалізована лабораторна установка, оснащена обладнанням для сполучення з глобальною комп'ютерною мережею й відповідним програмним забезпеченням. Особливістю програм є наявність контрольно-вимірювальних приладів, за зовнішнім виглядом і характеристиками наближених до промислових аналогів. Віртуальний лабораторний практикум (віртуальна навчальна лабораторія (ВНЛ)) - електронне середовище, що дозволяє створювати і досліджувати наочні моделі реальних явищ. У світовій практиці існують віртуальні лабораторії в галузі математики, фізики, хімії, біології, екології тощо.

Фахівці пропонують в методологічному плані класифікувати віртуальні навчальні лабораторії виходячи з прийнятої в системах штучного інтелекту типології моделей подання знань, та систем процедурного, декларативного і гібридного (процедурно-декларативного) типів. Так, основу віртуальної навчальної лабораторії процедурного типу складають навчальні пакети прикладних програм або їх промислові аналоги, призначені для автоматизації професійної діяльності. До віртуальних навчальних лабораторій декларативного типу можуть бути віднесені віртуальні навчальні кабінети, оскільки знання в них зберігаються в готовому, препарованому вигляді. У даному випадку змістовними прототипами не є першоджерела на папері, а натурні експонати реальних навчальних кабінетів, які нерідко називають навчальними лабораторіями. Гібридний підхід до побудови віртуальної навчальної лабораторії застосовують зазвичай при розробці віртуальних приладів. При цьому зовнішня атрибутика, зокрема панель управління, відображається візуально адекватні її реальному аналогу, а різні режими роботи досліджуються за допомогою математичних або імітаційних моделей. Ще один перспективний напрямок створення гібридних віртуальних навчальних лабораторій - імітація типових лабораторних робіт на складному та унікальному обладнанні. Звичайна ситуація при традиційному проведенні таких лабораторних робіт: всі маніпуляції з обладнанням проводить штатний співробітник лабораторії, викладач дає пояснення, а студенти (або учні) спостерігають і проводять обробку результатів експериментів.

Останнім часом спостерігається перехід від розроблення готових віртуальних лабораторій до створення експериментально-модельовальних середовищ, де можна на замовлення компонувати різні експерименти відповідно до інтересів і рівня знань. Прикладом може слугувати лабораторний комплекс МанЛаб Національного центру «Мала академія наук України». МанЛаб пропонує допомогу у наукових та навчальних дослідженнях учням шкіл України в дистанційному та очному режимі. Лабораторний комплекс спеціалізується на дослідженнях у галузях природничого напрямку: фізика, хімія, біологія, географія, астрономія. МанЛаб використовує наукове та навчальне обладнання українських виробників та провідних виробників світу «Phywe», «Furier», «National Instrument», «Celestron». У комплексі працюють наукові, науково-педагогічні та педагогічні працівники. Роботи І.С. Чернецького присвячено аналізу змісту категорії «технологічна компетентність» і визначенню її компонент у відповідності до освітнього процесу. Модель формування технологічної компетентності була апробована в освітньому середовищі Національного центру «Мала академія наук України» з навчальним середовищем «Експериментарій». Просторово-матеріальну структурну складову утворює комп'ютерно-інтегрований лабораторний комплекс - основа відповідного лабораторного практикуму з фізики - зі сучасним обладнанням для натурних досліджень та цифровими вимірювальними приладами, побудованими на сучасній елементній базі від відомих виробників. Новітній напрямок розвитку лабораторного практикуму з фізики передбачає створення контекстних технологічних карт, які б визначали вектори етапів практичного дослідження з урахуванням розвитку тих чи інших компонентів технологічної і загально-професійної компетентності, інформували про очікувані результати діяльності. Такий спосіб організації і проведення лабораторного дослідження є одним з елементів реалізації освітнього процесу в світлі компетентісного підходу до навчання [3].

Аналіз сучасного стану використання інформаційно- комунікаційних технологій, засобів мікроелектроніки та робототехніки у процесі навчання фізики дають підстави зробити висновки, що найбільш значущими в процесі вивчення, дослідження властивостей або поведінки об'єктів у рамках навчального курсу фізики є такі напрями їх використання:

- застосування нових форм подання знань, удосконалення процесу викладання, підвищення його ефективності та якості;

- комп'ютерне моделювання та графічне програмування;

- управління навчальним, демонстраційним обладнанням;

- автоматизація процесів збору даних й обробки результатів лабораторного та демонстраційного експерименту;

- якісна візуалізація результатів експерименту, організація телекомунікаційних проектів.

Комп'ютерно-орієнтований експеримент є важливим складником процесу навчання фізики, де його організація та проведення базується на використанні інформаційно-комунікаційних технологій.

Виклад основного матеріалу. Комп'ютерно-орієнтований фізичний практикум дозволяє досліджувати та моделювати (а тим самим візуалізувати) складні об'єкти, динамічні процеси та явища, які важко або просто неможливо показати в навчальній аудиторії, особливо в навчальних закладах, що мають слабку лабораторну базу. Блок-схему запропонованої нами структури навчально-методичного лабораторного комплексу подано на рис. 1 [5].

Відомо, що кінцева мета будь-якого навчального процесу - використання теоретичних знань на практиці. Доведено, що це досягається в процесі виконання лабораторних та практичних робіт. Саме цей складник і потребує приведення у відповідність до сучасних вимог. Проте наявність навіть найбільш сучасних комп'ютерів є недостатньою. Комп'ютер потрібно перетворити на інструмент для розв'язання практичних завдань. Для цього необхідні технічні засоби (як апаратні, так і програмні), які забезпечують узгодження роботи комп'ютера, датчиків із виконавчими пристроями.

Рис. 1. Блок-схема структури навчально-методичного лабораторного комплексу

навчальний лабораторний комп'ютерний орієнтований

Відмінні технічні характеристики та функціональні можливості мають плати й модулі збору даних і провідних світових, і вітчизняних виробників, проте їхня вартість достатньо велика. Для розв'язання більшості навчальних завдань у вищих та середніх навчальних закладах не потрібні надвисокі швидкодія й точність. Необхідні розумна багатофункціональність, розширена програмна підтримка та доступність для масового використання. Серед спеціалізованих програмних засобів, що відповідають сучасним технічним та дидактичним вимогам, є прикладні програмні пакети для імітаційного моделювання Multisim та графічного програмування LabVIEW компанії National Instruments (США).

Яким би прогресивним не було імітаційне моделювання, його використання буде ефективність в таких ситуаціях:

- при неможливості проведення реального (натурного) експерименту внаслідок таких причин: а) коли використовується дороге устаткування; б) якщо реальний експеримент небезпечний для здоров'я студентів; в) за умови високої трудомісткості й тривалості виконання натурного експерименту; г) коли є необхідність у виконанні складних математичних розрахунків для обробки отриманих експериментальних даних; ґ) при розв'язанні завдань, коли неможливо застосувати сучасне метрологічне устаткування;

- для перевірки й уточнення роботи реальних об'єктів, доповнення натурного експерименту;

- контролі за ходом фізичного процесу, отримання необхідної інформації про нього та обробки отриманої інформації для подальшого її використання;

- для пришвидшення перенесення результатів обчислювального експерименту на реальні системи;

- при ознайомленні з принципами роботи віртуальних та інших приладів й установок для їх подальшого використання в реальному експерименті.

Завдяки використанню апаратно-програмних засобів National Instruments, імітаційне моделювання, віртуальний та натурний експерименти можна розглядати як рівноцінні складники композиційного лабораторного практикуму. У композиційному поєднанні виконання робіт лабораторного практикуму може бути таким:

опрацювання теоретичних відомостей, вивчення методики й техніки проведення досліджень, виведення формул, підготовка таблиць і звітів;

здійснення імітаційного моделювання, збереження результатів у вигляді таблиць та графіків;

проведення натурного експерименту, оброблення результатів, формування таблиць і звітів.

Розроблено методику навчання з використанням навчально-методичного лабораторного комплексу, побудовану на розв' язанні за допомогою засобів робототехніки окремих завдань стосовно вдосконалення фізичного експерименту, що передбачає:

- ознайомлення студентів з основами сучасної робототехніки;

- забезпечення умов для формування теоретичних і практичних навичок проектування й конструювання вузлів простих робототехнічних систем;

- удосконалення навичок графічного програмування та програмування мікроконтролерних та робототехнічних платформ;

- вивчення й розвиток методики впровадження елементів освітньої робототехніки під час вивчення інших предметів (міжпредметні зв'язки);

- вивчення методичних особливостей підготовки учнів до участі в різних робототехнічних заходах (олімпіадах, конкурсах, турнірах тощо);

- забезпечення можливості використання робототехнічних систем у науково-дослідницькій роботі, підготовці та захисті науково-дослідницьких робіт, участі в роботі Малої академії наук України.

Безсумнівно, комп'ютерно-орієнтовані лабораторні практикуми посилюють професійну підготовку майбутніх фахівців у конкретній предметній області, що проявляється в наступному:

- засновані на математичних моделях (з керуючими параметрами) або лабораторних експериментах, комп'ютерні лабораторні практикуми можуть бути використані не тільки для демонстрації явищ, а й для з'ясування в режимі діалогу впливу тих чи інших параметрів на досліджувані процеси та явища;

- віртуальні лабораторії, засновані на технологіях мультимедіа, об'єднують текст, графіку, відео, аудіо, мультиплікацію, дозволяють краще візуалізувати досліджуваний матеріал і дають можливість вибору більш ефективного освітнього середовища залежно від індивідуальних особливостей дослідника;

- елементи інтерактивної графіки дають можливість студентам використовувати моделі в якості імітаторів лабораторних установок, а також для відпрацювання умінь управління модельованими процесами;

- спостерігати динаміку процесу в тому темпі, який зручний для сприйняття, хоча справжній час перебігу процесу може становити долі секунди або десятки років [5].

Висновки

В умовах інтенсивного розвитку та впровадження інформаційно-комунікаційних технологій вища школа повинна не тільки давати певний обсяг знань, умінь, навичок, а й навчити майбутнього фахівця творчо мислити, самовдосконалюватись, оновлювати і розвивати свої знання. Такий підхід до організації навчання майбутнього вчителя фізики може бути реалізований завдяки використанню прогресивних методик навчання та сучасного матеріально-технічного забезпечення.

Перспективи подальших пошуків у напрямі дослідження вбачаємо в розробленні методичних засад формування компетентності майбутніх учителів фізики в процесі використання навчально-методичного лабораторного комплексу, засобів мікроелектроніки, робототехніки та інформаційно-комунікаційних технологій, упровадженні нових навчальних курсів, розробленні методичних матеріалів та удосконаленні освітніх програм підготовки фахівців.

Список використаних джерел

1. Биков В.Ю. Моделі організаційних систем відкритої освіти : монографія / В.Ю. Биков. - К. : Атіка, 2008. - 684 с.

Размещено на Allbest.ru