Электронный научно-педагогический журнал. Издается с 7 ноября 1995 года.

Зарегистрирован в депозитарии электронных изданий ФГУП НТЦ "Информрегистр" Министерства связи и информатизации Российской Федерации.
Регистрационное свидетельство # 901 от 23.03.2001. Регистрационный номер государственного  учета # 0320100088

Кюршунов Алексей Сергеевич
аспирант кафедры информатики, Карельский государственный педагогический университет, г.Петрозаводск
aks@dem.ru

К вопросу о применении интерактивных компьютерных моделей в  дистанционном обучении Аннотация
Обсуждаются требования, предъявляемые к компьютерным моделям виртуального лабораторного практикума по физике, замещающего натурный эксперимент. Приводятся примеры моделей виртуального лабораторного практикума в поддержку курса «Механика».
Ключевые слова
виртуальный лабораторный практикум, компьютерная модель, дистанционное обучение

Становление системы открытого образования, базирующейся на дистанционной форме обучения является одним из перспективных направлений развития российского  образования. Особенности дистанционной формы обучения наиболее ощутимы при обучении естественнонаучным дисциплинам. Это связано с тем, что в дисциплинах  данного цикла традиционно предусматривается лабораторный практикум, доступ к которому  в условиях дистанционного обучении (ДО)  невозможен. Возникает необходимость в поиске средств, которые позволили бы  перейти к ДО с минимальной потерей качества обучения, вызванной отсутствием лабораторного практикума. Такими средствами могут выступать компьютерные модели [1].  Основные требования к компьютерным моделям  виртуального лабораторного практикума  включают:

• активное взаимодействие моделей с учащимися,

• возможность использования моделей  в сетевом варианте,

• независимость работоспособности моделей  от операционной платформы, используемой пользователем [2].

В качестве  основы  виртуальных лабораторных практикумов по  дисциплинам из области точных наук компьютерные модели  помогают: 

• формировать системное естественнонаучного мировоззрения посредством создания опорных образовательных образов;

• моделировать процессы, протекающие в  микро- и макромирах, наблюдать которые  посредством  лабораторного оборудования современной школы и вуза практически невозможно;

• осуществлять более глубокий анализ физических, химических, биологических и других процессов и явлений за счет имитации и учета существенно большего количества параметров и факторов, нежели это возможно в натурном лабораторном эксперименте. 

Будучи в известном смысле заменителем натурного эксперимента, компьютерная модель, тем не менее, имеет дидактические возможности отличные от возможностей натурного эксперимента. Эксперимент в лабораторном практикуме формирует эмпирическое мышление. Учащиеся исследуют явление, выявляют в нём структурные элементы, классифицируют их, описывают связи, но всё это разделено в сознании (классифицировано и "разложено по полочкам"). Натурный эксперимент в обучении обычно классифицируется на три категории[4] по основанию цели применения:

• эксперимент – наблюдение. Предназначен для наблюдения учащимися явления, сбора качественных и количественных характеристик, поиска взаимосвязей, описания явления;

• исследовательский эксперимент. Предназначен для проверки выводов сделанных на основе наблюдений;

• прикладной эксперимент. Предназначен для применения концепции проверенной в ходе исследования, чаще всего предусматривает разработку и использование лабораторной установки.

Работа с интерактивной компьютерной моделью (ИКМ) не вписывается однозначно  в приведенную выше классификацию. ИКМ  является формализованным описанием, которое формируется на основе эксперимента. Это обстоятельство ставит под сомнение возможность формирования эмпирического мышления при работе с  ИКМ. Представляется, что работа с ИКМ способствует развитию мышления так называемого теоретического типа [5], поскольку в рамках ИКМ можно сочетать  внешние проявления изучаемого явления (объекта, процесса) и его внутреннюю структуру и связи.

Для успешной разработки интерактивных компьютерных моделей педагог-разработчик должен найти соответствие между логикой работы вычислительной машины и логикой учения, как разновидности деятельности человека  [3]. При этом важно предусмотреть специальные меры по стимулированию учебной деятельности, поддержанию положительной мотивации к учению, созданию благоприятного режима работы. Необходимо вовлечь обучаемых в самостоятельную деятельность учения, имитируя практику, усиливая возможности анализа и синтеза изучаемых явлений и процессов.

Для примера рассмотрим две  ИКМ в поддержку курса “Механика”. В основу первой ИКМ заложена физическая задача о соскальзывании тела по наклонной плоскости (см. рис.1) её можно посмотреть по адресу http://aks.dem.ru/projects/icm/incline/index.htm.

Рис. 1. Иллюстрация компьютерной модели к задаче о соскальзывании тела по наклонной плоскости

Пользователю ИКМ предоставляются возможности:

• выбора отображаемых объектов - надписи с численными значениями величин, вектора сил, скорости и ускорения, проекций вектора силы тяжести;

• изменения численного значения массы тела;

• выбора типа материалов или ввода численного значения коэффициента трения;

• изменения угла наклона плоскости;

• перемещения тела вдоль плоскости.

Изменяя угол наклона плоскости, учащиеся могут наблюдать за изменениями векторов сил действующих на тело. При определённых углах наклона (т.н. критические), когда проекция вектора силы тяжести на ось параллельную плоскости превышает по модулю вектор силы трения, тело начинает соскальзывать. Сопоставляя критические углы наклона с коэффициентом трения можно обнаружить взаимосвязь.

Работа с данной ИКМ позволяет акцентировать внимание на саму причину возникновения движения и его отсутствия. ИКМ способствует пониманию принципов построения векторов сил. Особый интерес представляет сила реакции опоры, которую учащиеся школ зачастую отображают неверно во время решения подобных задач. Кроме того, с её помощью можно раскрыть принцип поиска коэффициента трения по углу наклона.

В качестве второго примера рассмотрим ИКМ “Снежки” (http://aks.dem.ru/projects/icm/snowballs/index.htm).

Рис. 2. Иллюстрация компьютерной модели к задаче "Снежки"

Вариант задания: “Каковы условия метания снежка, необходимые для попадания в другой снежок, подбрасываемый вертикально?” (см. рис. 2.).

Работу с данной ИКМ можно осуществлять перед проведением соответствующего эксперимента на природе. ИКМ сочетает в себе внешнее отображение исследуемого явления и его образное представление, что позволяет учащимся приобрести знания о взаимосвязях, которые непосредственно наблюдать невозможно или проблематично. Так, например, рассматриваемая модель предоставляет ученику возможности изменения величины скорости и направления бросания («мышкой» можно перемещать конец вектора скорости бросания левого снежка, в произвольном направлении, а правого в вертикальном), и осуществлять броски (нажав кнопку “Play / Пуск”). Поочерёдно изменяя направление, скорость бросания можно «нащупать» вариант решения задачи, ключом к которому является визуальная подсказка – продление линий направления векторов скоростей и, соответственно, точка их пересечения.

В  заключении отметим, что  использование ИКМ может способствовать развитию умственных способностей обучаемых, совершенствовать стиль мышления, формировать у школьников и студентов системное естественнонаучное мировоззрение на основе создания опорных образовательных образов. Предусматривая активное взаимодействие с учащимся и являясь симбиозом рисунка  и соответствующих  математических  уравнений,  ИКМ способствует развитию наглядно-образного (визуального) мышления.

Литература

1. Рекомендации научно-методического симпозиума «Компьютерное моделирование в обучении точным наукам» // Педагогическая информатика. 2004, №1, ст. 89 – 92.

2. Кюршунов А.С. Разработка интерактивных компьютерных моделей в поддержку дистанционного обучения физике. ТРУДЫ 4-й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 2003, 24 - 28 июня 2003 года. - Санкт-Петербург 2003, ст. 428 – 437.

3. Вербицкий А.А. Активное обучение в высшей школе: контекстный подход: Методическое пособие. –М.: Высшая школа, 1991.

4. E. Etkina, A. Van Heuvelen Role of Experiments in Physics Instruction – A Process Approach. // The Physics Teacher. Vol. 40, September 2002. 351-355 pp.

5.  Давыдов В.В. Теория развивающего обучения. –М.: ИНТОР, 1996.