Вопросы эффективности усвоения учебного материала при работе с программными лабораторными комплексами



В статье рассматриваются аспекты применения виртуальных лабораторных практикумов на примере дисциплины физика. Все выводы основываются на результатах изучения уровня освоения практического материала при работе с реальными и виртуальными, в т. ч. и дистанционными, лабораторными комплексами, проведенного в рамках НИР в ИФ ГУАП в 2018 г. Результаты исследования, в т. ч. общие выводы, приведенные в статье, помогли в организации дистанционного учебного процесса весной 2020 г.

Ключевые слова: виртуальные лабораторные работы; дистанционное обучение.

Использование компьютера в качестве эффективного средства обучения существенно расширяет возможности педагогических технологий: электронные энциклопедии, интерактивные курсы, всевозможные программы, виртуальные опыты и лабораторные работы позволяют повысить мотивацию обучающихся. Преподавание, к примеру, дисциплины физика, в силу особенностей самого предмета, представляет собой благоприятную почву для применения современных информационных технологий. Одним из основных направлений применения информационных технологий на занятиях физики считается выполнение компьютерного физического лабораторного эксперимента.

На лабораторных практикумах по физике невозможно обойтись без демонстрационного эксперимента, но не всегда материальная база соответствует требованиям современной лаборатории физики. Здесь на помощь приходит компьютерный эксперимент.

Преимущество работы с программным обеспечением состоит в том, что этот вид деятельности стимулирует исследовательскую и творческую деятельность, развивает познавательные интересы обучающихся. Программы могут быть полезными при подготовке к лабораторным занятиям с реальным оборудованием и окажутся незаменимыми при его отсутствии. Интерактивные опыты можно использовать для демонстрации на практическом занятии. Это позволит решить вопросы, связанные с недостатком лабораторного оборудования, оптимально организовать рабочее время. Также будет эффективным использование интерактивных лабораторных работ при самостоятельной работе обучающихся. Электронные пособия помогают просмотреть ход работы в нужном режиме, подробнее остановиться на отдельных этапах опытов. На рынке программного обеспечения для работы преподавателя предлагается много компьютерных программ, но они не всегда являются поддержкой УМК, по которому работает преподаватель. Программы чаще являются универсальными.

При использовании интерактивных виртуальных лабораторий можно многократно провести испытание с изменяемыми параметрами, сохранить результаты и вернуться к своим исследованиям в удобное время. К тому же, в компьютерном варианте можно провести значительно большее количество экспериментов. Данный вид эксперимента реализуется с помощью компьютерной модели того или иного закона, явления, процесса и т. д.

Обучающимся также трудно представить некоторые явления макромира и микромира, так как отдельные явления, изучаемые в курсе физики средней школы невозможно наблюдать в реальной жизни и, тем более, воспроизвести экспериментальным путем в физической лаборатории, например, явления атомной и ядерной физики и т. д. В большинстве интерактивных моделей предусмотрены варианты изменений в широких пределах начальных параметров и условий опытов, варьирования их временного масштаба, а также моделирования ситуаций, недоступных в реальных экспериментах.

Применения информационных технологий в процессе обучения позволяет выделить две группы планируемых образовательных результатов:

Относительно обучающихся:

− обучающимся предоставляется возможность индивидуальной исследовательской работы с компьютерными моделями, в ходе которой они могут самостоятельно ставить эксперименты, быстро проверять свои гипотезы, устанавливать закономерности физических явлений и процессов;

− задается индивидуальный темп обучения для каждого, появляется возможность повторения эксперимента во время дополнительных занятий и консультаций;

− появляется реальная возможность выполнения компьютерной лабораторной работы, которую невозможно выполнить в условиях лаборатории;

− приобретаются навыки оптимального использования персонального компьютера в качестве обучающего средства;

− обучающиеся получают навыки работы с электронными ресурсами.

Относительно преподавателя:

− высвобождается время для индивидуальной работы с обучающимися (особенно с отстающими);

− появляется возможность проведения быстрой индивидуальной диагностики результатов процесса обучения. [1]

Однако следует заметить, что компьютер в обучении не заменяет преподавателя, как об этом иногда говорится, и что приводит к отрицательному отношению к процессу компьютеризации образования, а является его помощником. Аналогично — компьютерный учебник не заменяет обычный, традиционный учебник, а дополняет его.

В настоящее время в таких сферах деятельности как образование, наука, техника и технологии большой интерес представляют собой компьютерные информационные системы. Причем, непрерывное развитие науки, техники и технологии приводит к появлению новых информационных систем, а также к развитию и совершенствованию уже существующих. Что касается образования, то внедрение новых технологий, а также комплексная модернизация являются основными вопросам, которым уделяется особое внимание во всем мире. Следует учитывать, что внедрение информационных технологий в образовательный процесс будет оправдано, если они эффективно дополнят существующие технологии обучения или имеют дополнительные преимущества по сравнению с традиционными формами обучения. Например, использование виртуальных лабораторных работ в преподавании физики позволяет сделать лабораторные работы более живыми и интересными, повышая при этом качество образования.

Лабораторный практикум должен включать в себя разнообразное и необходимое оборудование, применяемое в учебной лаборатории, измерительные приборы различных видов и типов, вспомогательные приспособления и другие необходимые атрибуты проведения экспериментальных исследований. В соответствии с полученным индивидуальным заданием и предварительно освоенными теоретическими знаниями об объекте, обучающийся самостоятельно выбирает из множества, предоставленного в его распоряжение лабораторного оборудования необходимое для выполнения его индивидуального задания и выполняет лабораторную работу или проводит эксперимент. В результате обучающийся получает возможность активных самостоятельных действий с реальным оборудованием и приборами. Однако практическое применение такого подхода требует большого количества свободного оборудования, времени для своей реализации, и, кроме того, высок риск непреднамеренной порчи оборудования из-за неграмотных действий обучающихся.

На практике лабораторный практикум — это, как правило, набор практически готовых, полностью смонтированных лабораторных установок, предназначенных для экспериментального изучения базовой совокупности объектов по данной учебной дисциплине. При выполнении лабораторной работы обучающийся, как правило, выполняет элементарные операции измерения указанных в задании параметров, переключения отдельных приборов, цепей и т. д. При этом элемент самостоятельной постановки эксперимента, выбора приборов и оборудования отсутствует. Кроме того, в реальных условиях постановка лабораторного практикума сталкивается с организационными, техническими и экономическими трудностями. Так, возможности учебной лаборатории в лучшем случае рассчитаны на ограниченное, как правило небольшое, число рабочих мест, что вынуждает на одном лабораторном стенде реализовывать бригадное выполнение лабораторной работы. Это снижает эффективность обучения, поскольку в каждой такой бригаде работу выполняет один обучающийся, который является лидером конкретного мини-коллектива. Остальным обучающимся достаются рутинные, вспомогательные операции (фиксация в протоколе результатов измерений, построение графиков и т. д.), которые не способствуют ни приобретению практических навыков работы с реальным оборудованием, ни усвоению существа изучаемых процессов. Тем самым нарушается одна из главных образовательных функций лабораторного практикума — самостоятельность практического освоения реальной техники. Кроме того, при большом количестве обучающихся в потоке неизбежен временной разрыв между теоретическим и практическим изучением материала, что также снижает эффективность обучения.

Виртуальный лабораторный практикум — представляет собой один из прогрессивно развивающихся видов проведения лабораторных занятий, суть которого заключается в замене реального лабораторного исследования на математическое моделирование изучаемых физических процессов, но с элементами виртуального взаимодействия обучающегося с лабораторным оборудованием. В зависимости от используемой программной инструментальной среды можно создать хорошую иллюзию работы с реальными объектами. К достоинствам виртуальных лабораторных работ следует отнести также дешевизну, отсутствие необходимости обслуживания, безопасность, гибкость к адаптациям и модернизации, возможность осуществить эксперимент, который в обычных условиях не возможен или его проведение сопряжено с большими временными и материальными затратами. Кроме того, виртуальные лабораторные работы могут использоваться обучающимися, особенно заочной или дистанционной форм обучения, как вспомогательное средство при самостоятельном изучении теоретического материала.

Возможности современных имитационных компьютерных моделей создают полную иллюзию работы с реальным оборудованием. Находясь в виртуальной лаборатории, можно выбрать виртуальные приборы и оборудование, собрать на виртуальном стенде схему эксперимента по своему индивидуальному заданию, провести поисковое моделирование исследуемого физического процесса при различных заданных параметрах и ограничениях, обработать результаты исследования, не затрачивая усилий на рутинные расчеты и графические построения. [2]

Таким образом, компьютерное моделирование изучаемых физических процессов является обязательной компонентой современного образовательного процесса, но оно, несмотря на привлекательность, не может полностью заменить реальный лабораторный практикум, так как в этом случае обучающийся не получает при этом практических навыков взаимодействия с приборами и оборудованием.

Удаленный или дистанционный лабораторный практикум — это один из перспективных видов организации лабораторных занятий, который может быть использован при самостоятельном обучении в системе открытого технического образования. Его суть заключается в обеспечении коллективного доступа удаленных пользователей по компьютерным сетям к автоматизированным учебным стендам, размещенным в базовых ресурсных центрах подготовки специалистов. Лабораторное оборудование и программно-методические средства этого типа позволяют по индивидуальному заданию обучаемого выбирать объект изучения из предлагаемого множества альтернатив, настраивать его параметры, конфигурировать заданную схему и режимы проведения эксперимента, обрабатывать результаты эксперимента и проводить их строгую математическую оценку. Здесь в полном объеме реализуется комплекс образовательных функций, возложенных на лабораторный практикум. Однако реализация подобных программ возможна лишь для крупных учебных центров.

Таким образом, каждый из видов лабораторных практикумов имеет свои достоинства, недостатки и сферу предпочтительного использования. В процессе преподавания учебной дисциплины следует определить оптимальное соотношение различных форм обучения.

Лабораторные работы по физике классифицируются по различным признакам:

− по содержанию — по механике, молекулярной физике, электродинамике, оптике и др.;

− по методам выполнения и обработки результатов — наблюдение, качественные опыты, измерительные работы, количественные исследования функциональных зависимостей величин;

− мерой самостоятельности обучающихся во время выполнения — проверочные, эвристические, творческие;

− учебной целью — изучение нового, повторение, закрепление, наблюдение и изучение физических явлений, ознакомление с физическими приборами и измерение физических величин, ознакомление со строением и принципом действия физических приборов и технических установок, выявление или проверка количественных закономерностей, определение физических констант;

− по организационным признакам — фронтальные лабораторные работы, физические практикумы, домашний эксперимент.

Последняя классификация самая общая и самая распространенная. Она дает возможность:

− рассматривать эксперимент с точки зрения методов учебного процесса;

− правильно определять место каждого эксперимента в системе учебных занятий по физике;

− рационально подбирать учебное оборудование.

Используя компьютер в лабораторном эксперименте, следует помнить, что моделирование физических процессов на компьютере слабо способствует формированию у обучающихся экспериментаторских умений и навыков. Ведь компьютер лишь моделирует физический эксперимент, а модель никогда не может подать исчерпывающие сведения о явлении. Поэтому использование компьютера в лабораторном эксперименте должно дополнять, но не подменивать его. Обучающиеся должны уметь работать с реальными физическими приборами, собирать экспериментальные установки, пользоваться измерительными приборами. Моделирование же разнообразных ситуаций, например, во время работы «конструкторами электрических цепей» и другими аналогичными компьютерными программами, позволит лишь быстрее познать закономерности тех или других процессов и явлений.

Применение реальных приборов при проведении лабораторных работ определяет получение практических навыков использования физических приборов и средств измерения. В данном случае общая картина работы отличается от виртуального комплекса отсутствием, рамок, установленных алгоритмом программного продукта. Работа реальным прототипом или прибором лишена всплывающих подсказок и программных ограничителей, что в свою очередь заставляет обучающегося планировать и структурировать свою деятельность. Следует отметить, что при работе с лабораторным оборудованием обучающемуся необходимо обеспечивать технику безопасности, данная особенность вносит в ход работы свои корректировки и позволяет получить необходимый практический опыт в использовании профессионального электроизмерительного оборудования. Работа реальным прототипом или прибором лишена всплывающих подсказок и программных ограничителей, что в свою очередь заставляет обучающегося планировать и структурировать свою деятельность. Следует отметить, что при работе с лабораторным оборудованием обучающемуся необходимо обеспечивать технику безопасности, данная особенность вносит в ход работы свои корректировки и позволяет получить необходимый практический опыт в использовании профессионального электроизмерительного оборудования.

Использование виртуальных комплексов для выполнения лабораторных работ, позволяет решить целый ряд проблем, возникающих в процессе работы с реальным оборудованием. Первым и немаловажным фактором является моделирование опасных и дорогостоящих физических опытов, требующих узко специализированного оборудования, использующие радиоактивные компоненты, использующие высоковольтные компоненты для генерации рентгеновского излучения, приборы, генерирующие сильные электромагнитные поля, устройства потребляющие энергоресурсы на промышленном уровне.

Безопасность использования виртуальных комплексов для аналогичного опыта имеет так же высокий приоритет, даже при условии обеспечения всего необходимого оборудования, условий его эксплуатации и требований безопасности. Отсутствие специализированных критериев по безопасности позволяет использовать данные комплексы в учебном оборудования и проводить опыты не доступные в стандартных условиях обычной образовательной организации.

Вторым фактором, положительно влияющим на активное внедрение виртуальный комплексом для выполнения лабораторных работ, является доступность. Достигающаяся за счет экономической составляющий. Экономическая эффективность базируется на минимальной стоимости необходимых средств (компонентов системы) — ПЭВМ и лицензия на виртуальный комплекс лабораторных работ.

Доступность к реальному и быстрому внедрению, повышает степень охвата готовыми к испытаниям рабочими местами для обучающихся образовательной организации.

Исходя из свойств программного обеспечения, обучающиеся получают в свое распоряжение более гибкие настройки и величину доступных измерений, список возможных параметров для тестовых испытаний, гибкость и степень влияния, на каждую выбранную опытную ситуацию (изменение условий проведения или параметров моделирования эксперимента).

Говоря о плюсах проведения работ на ПЭВМ в виртуальной среде, нельзя обойти вопрос, об отсутствии возможности поломки дорогостоящего оборудования, что в свою очередь влечет коррективы учебного процесса или его временную приостановку. Резюмируя вышеописанные плюсы, логично сформулировать концепцию использования виртуальных комплексов в качестве инструмента, расширяющего возможности и спектр материальной базы для проведения опытов в рамках курса физики.

Литература:

1. Роберт, И. В. Теория и методика информатизации образования (психолого-педагогический и технологический аспекты). — М.: Бином, 2014. — 398 с.

2. Цвенгер, И. Г. Концепция реализации лабораторного практикума в современном техническом университете / И. Г. Цвенгер, Ю. В. Цвенгер // Вестник казанского технологического университета. — 2012. — 15(22). — С. 210–213.