Ф ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Процесс информатизации общества предъявляет новые требования к профессиональным качествам специалистов любого профиля в области использования средств информационных и коммуникационных технологий (ИКТ). В этой связи одним из актуальных направлений процесса информатизации является информатизация образования. Теоретические вопросы, раскрывающие идеи процесса информатизации образования, отражены в работах О.А. Козлова, А.А. Кузнецова, М.П. Лапчика, В.Л. Латы-
^ шева, В.А. Полякова, И.В. Роберт и других авторов.
Отечественный опыт совершенствования методов и организационных форм обучения (А.Ю. Кравцова, А.А. Кузнецов, Л.П. Мартиросян, СВ. Паню-кова, И.В. Роберт, Н.В. Софронова и др.) показывает, что средства ИКТ целесообразно применять при изучении всех учебных дисциплин. Особую актуаль-
'# ность приобретают педагогические приемы и способы использования возможностей средств ИКТ в моделировании объектов и систем профессиональной деятельности, в частности при изучении дисциплин, обеспечивающих подготовку специалистов по эксплуатации сложных технических систем (СТС). Современные информационные технологии, в которых учебные и реальные слож-м
ные системы, объекты и процессы заменяются их моделями, видоизменяют содержание и систему средств обучения, что обеспечивает разнообразие видов учебной деятельности, направленной на овладение умением эксплуатации СТС. Но при этом не учитывается, что модели и моделирование в технологиях обучения могут использоваться в нескольких направлениях (Г.Н. Арсеньев, В.А. Веников, К.Н. Волков, А.Г. Михнушев, И.П. Подласый, Л.М. Фридман и
ДР-):
• как элемент содержания обучения, так как основы науки, составляющие содержание учебного предмета, включают в себя систему научных моделей, щ аппарат для их исследования и методы исследования результатов изучения мо-
делей для решения практических задач;
4 • как учебное действие, так как включение в явном виде моделей и моде-
лирования в содержание обучения и знакомства с этими понятиями еще недостаточно. Обучающимся необходимо овладеть моделированием как методом познания и решения задач, научиться строить различные модели изучаемых поня-ф тий, научиться использовать моделирование для изучения этих понятий;
• как учебное средство моделирование может быть использовано в обучении для многих целей - для фиксации и наглядного представления ориентировочной основы действия, изучаемых абстрактных понятий, общих способов действий по решению широкого класса задач, как средство наглядности, для
^ обобщения изученного учебного материала.
Результаты исследований последних лет, выполненных в русле психолого-педагогической теории учебной деятельности, свидетельствуют о том, что поиск и моделирование способов решения учебной задачи наиболее полноценно осуществляются в специальных учебных средах, включающих в качестве необ-ходимого звена средства ИКТ (Б.Л. Агранович, Г.В. Кедрова, Ю.М. Насонова, И.В. Роберт, Д.В. Смолина и др.). В качестве таких сред могут выступать программно-методические комплексы (ПМК), объединяющие возможности физического, цифрового, аналогового и информационного моделирования с творче- ством преподавателя и активностью обучающегося. В исследовании программно-методические комплексы определены как совокупность аппаратных устройств, программных средств и методических материалов, создаваемая с целью совместного эффективного решения ряда (комплекса) взаимосвязанных учебных задач в необходимой последовательности и пропорциональности. К
. таким задачам в общем случае можно отнести: разностороннее раскрытие осо-
бенностей изучаемых объектов и процессов, показ их роли и места в будущей деятельности обучающихся; углубленный анализ сущности сложных физических процессов, показ их в статике и динамике; раскрытие состава конструкций и особенностей эксплуатации сложных технических систем; интенсификацию необходимых информационных связей в обучении (прямых и обратных);
^ управление процессом закрепления знаний, формированием практических навыков; контроль знаний обучающихся на различных уровнях усвоения.
Неотъемлемой частью ПМК на основных видах учебных занятий в процессе подготовки специалистов по эксплуатации СТС являются динамические ^ модели и средства динамического моделирования (СДМ). В диссертационном исследовании СДМ определены как устройства (системы, комплексы программ), обеспечивающие воспроизведение в удобной для изучения форме важнейших динамических свойств, структуры и связи реальных объектов и систем различной физической природы и сложности. Необходимость широкого у применения СДМ в учебном процессе обусловлена сложностью изучаемых объектов и процессов, следствием чего является возрастание роли методов и средств моделирования в процессе познания.
Особую значимость приобретает использование в учебном процессе ПМК при подготовке специалистов по эксплуатации наукоемких, высокотехнологич-'• ных, сложных технических радиоэлектронных систем. Прежде всего, это относится к космической, ракетной, морской и авиационной технике, в которой многие образцы существуют в ограниченном количестве. При этом подготовка большого числа специалистов для ее обслуживания осуществляется в аудиториях теоретическими методами, а формирование умений вынужденно выносится на период практик и стажировок, в результате чего нарушается последовательность познания - от наглядного представления к абстрактному и от него к практической деятельности. Именно поэтому комплексное применение динамических моделей сложных технических систем, отличающихся от реальных объектов простотой и компактностью конструкции, высокой наглядностью, удобством и экономичностью использования, являются важным средством аудиторного изучения свойств и особенностей реальных систем, способствующих активизации познавательной деятельности обучающихся.
В связи с этим современный период информатизации образования требует '•»¦ совершенствования теоретических аспектов построения структуры содержания
обучения и применения ПМК в процессе изучения сложных технических систем на основе методов и средств динамического моделирования.
Таким образом, проблема исследования обусловлена несоответствием модельной структуры содержания научных областей научной структуре учебных дисциплин, практике построения и применения ПМК на основе динамических моделей и средств динамического моделирования в процессе изучения сложных технических систем.
Актуальность исследования определяется необходимостью переструктурирования содержания обучения, разработки и применения программно- методических комплексов в процессе изучения сложных технических систем на основе динамического моделирования.
Объектом исследования является процесс изучения специалистами в области радиоэлектроники сложных технических систем и процессов в условиях применения динамического моделирования.
Предметом исследования выступают педагогические аспекты применения динамического моделирования как метода и средства обучения в программно-методических комплексах.
Целью исследования является разработка модельной структуры содержания обучения сложным техническим системам, структуры и организационных форм применения программно-методических комплексов на основе динамического моделирования в процессе обучения специалистов в области радиоэлектроники.
Гипотеза исследования. Применение программно-методических комплексов на основе динамического моделирования в процессе изучения сложных технических систем повысит эффективность восприятия обучающимися объективно сложной информации и усвоения содержания дисциплин, прочность овладения знаниями, умениями и навыками, если:
методы и средства динамического моделирования разработаны с учетом педагогических аспектов процесса обучения;
* содержание учебных дисциплин сформировано на основе методически со-
гласованной структуры содержания всего обучения с применением динамического моделирования в процессе изучения сложных технических систем в области радиоэлектроники и направленно на овладение методами получения зна--U ний;
выявлены и реализованы педагогические требования к использованию средств и методов динамического моделирования сложных радиоэлектронных систем в программно-методических комплексах;
методические приемы и организационные формы основаны на применении 0 средств динамического моделирования в программно-методических комплексах.
Исходя из цели исследования и выдвинутой гипотезы, были поставлены следующие задачи исследования:
1) провести анализ психолого-педагогической, научно-технической и ме-^ тодической литературы в области применения средств и методов моделирования в обучении.
2) обосновать подходы к построению содержания обучения и организации информационной поддержки учебной деятельности в процессе подготовки специалистов по эксплуатации сложных технических систем в области радиоэлектроники с применением технологий динамического моделирования.
3) определить педагогические требования к созданию и применению средств динамического моделирования в программно-педагогических комплексах для обучения специалистов по эксплуатации сложных технических систем.
4) выявить организационные формы применения методов и средств динамического моделирования и условия повышения качества обучения специалистов по эксплуатации сложных технических систем профессиональным умениям и навыкам.
5) провести экспериментальную проверку влияния программно-'# методических комплексов на основе динамического моделирования на эффективность восприятия специалистами в области радиоэлектроники объективно
сложной информации, усвоения содержания дисциплин, прочность овладения знаниями, умениями и навыками.
Методологической основой исследования являются фундаментальные работы в области философии образования, психологии и педагогики, методологии педагогических исследований (Б.Г. Ананьев, СИ. Архангельский, Ю.К. Ба-банский, В.П. Беспалько, Л.С. Выготский, В.И. Загвязинский, А.Н. Леонтьев, М.Н. Скаткин, Н.Ф. Талызина и др.); применения математических и кибернетических методов в педагогике (СИ. Архангельский, В.П. Беспалько, Л.Б. Ительсон, Н.М. Розенберг и др.); педагогических подходов к решению во- просов оптимизации образовательных систем (Ю.К. Бабанский, М.Н. Скаткин, Н.Ф. Талызина и др.); теории, методологии и практики информатизации образования (СА. Бешенков, Я.А Ваграменко, СА. Жданов, О.А. Козлов, А.А. Кузнецов, М.П. Лапчик, СВ. Панюкова, И.В. Роберт, В.В. Рубцова, Н.В. Софро-нова, Н.М. Якушев и др.); в области разработки и использования автоматизиро- ванных обучающих систем (СГ. Данилюк, А.А. Павлов, В.П. Поляков, Ю.А. Романенко и др.); построения содержания образования (В.П. Беспалько, Г.В. Букалова, М. Кларк, B.C. Леднев, И.Я. Лернер, и др.), методов обучения (Ю.К. Бабанский, В.И. Загвязинский, И.Я. Лернер, М.Н. Скаткин и др.).
Методы исследования: теоретические (анализ психолого-педагогической, методической и дидактической литературы по проблеме); общенаучные (педагогический эксперимент, беседы, опросы, наблюдения, анкетирование); общелогические (анализ существующих методик обучения и управления обучением, сравнение и обобщение учебного материала); экспериментальные (констатирующий и формирующий эксперименты по проблеме исследования); статистические (обработка результатов педагогического эксперимента и его методический анализ).
Научная новизна и теоретическая значимость исследования состоят в выявлении педагогических условий переструктурирования содержания обуче- ния с применением методов и средств динамического моделирования, их классификации как новой группы системы средств обучения, способствующей ини-
8
циированию процессов усвоения знаний, приобретению умений и навыков практической деятельности обучающихся, формированию и развитию определенных видов мышления; в определении педагогических и технологических требований к построению и применению средств динамического моделирования в программно-методических комплексах; в обосновании информационных, управляющих и корректирующих связей программно-методического комплекса, обеспечивающих получение, передачу, обработку, визуализацию учебной информации, измерение уровня подготовленности и формирование методических указаний обучающимся.
Практическая значимость исследования заключается в определении блочно-модульных структур содержания курсов, реализующих межпредметные связи, которые позволяют в условиях применения программно-методических комплексов сформировать у специалистов в области радиоэлектроники умения применять технологии моделирования в качестве средств визуализации изучаемых закономерностей предметной области и инструмента их исследования (на примере учебных дисциплин: «Высшая математика», «Информатика», «Основы компьютерного проектирования и моделирования», «Основы теории цепей», «Радиотехнические цепи и сигналы» и др.); в разработке и апробации программно-аппаратных средств динамического моделирования и методики их применения, позволяющих формировать у обучающихся навыки самостоятельной исследовательской и научно-поисковой деятельности. Разработанные программно-методические комплексы могут быть использованы на практике в системе высшего образования при изучении сложных технических систем в области радиоэлектроники.
Этапы исследования.
Исследование проводилось в три этапа:
На первом этапе (1997 - 1998 гг.) проводился анализ психолого-педагогической, научно-технической и методической литературы в области разработки и применения средств моделирования и программных средств кон-
троля усвоения знаний в учебном процессе вузов, была выработана рабочая гипотеза и определено направление работы.
На втором этапе (1998 - 2000 гг.) исследованы технологические вопросы автоматизации учебной деятельности в программно-методических комплексах; проведено психолого-педагогическое обоснование применения технологий моделирования, разработана система дидактических, технических требований к средствам динамического моделирования. В соответствии с этими требованиями был разработан и внедрен в учебный процесс ряд образцов программно-аппаратных средств динамического моделирования.
На третьем этапе (2000 — 2005 гг.) проведено экспериментальное исследование педагогических основ построения программно-методических комплексов на основе средств динамического моделирования и условий их эффективного применения; проведены констатирующий и формирующий эксперименты; дана статистическая оценка прочности усвоения обучающимися изучаемого материала; осуществлена доработка и оформление диссертации, формулировка выводов и обобщений.
Апробация результатов исследования. Результаты исследования обсуждались и были одобрены на XXI НМК «Методы проведения различных видов занятий и управления образовательным процессом с использованием новых информационных технологий» (г. Тверь, 18.04.03); на VII и VIII НТК «Современные научно-технические проблемы и направления совершенствования вооружения и средств информационного обеспечения войск РКО» (МВИРЭ KB, 24 октября 2002 г., 30 октября 2003 г.); на научно-практической конференции на тему «Научно-практические аспекты совершенствования управления КА и информационного обеспечения запусков КА» (г. Краснознаменск, 2003 г.); на второй военно-научной конференции Космических войск (г. Санкт-Петербург, ВКА им. А.Ф. Можайского, 28.03.05 - 31.03.05), а также результаты диссертационного исследования приведены в научно методических сборниках МВИРЭ KB и отчете о НИР (МВИРЭ KB, 2003). Экспериментальной базой служил Московский военный институт радиоэлектроники Космических войск.
10
Внедрение результатов исследования состоит в разработке программно-методических комплексов моделирования сложных технических систем и процессов «SIGNAL», «САУ», «МПС» и применении их в учебном процессе вузов: в Военном радиотехническом институте ВВС, Санкт-Петербург (г. Горе- лово), Военном институте радиоэлектроники Космических войск, Санкт-Петербург (г. Пушкино), Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского (г. Санкт-Петербург), Военной академии воздушно-космических сил (г. Тверь), Московском военном институте радиоэлектроники Космических войск, Московском институте радиотехники, электроники, автоматики (г. Москва), а также в разработке тестового и контролирующего программно-методического комплекса «Тест» и применении его в ряде дисциплин Московского военного института радиоэлектроники Космических войск.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивается опорой на проверенные психолого-педагогические теории и определяется непротиворечивостью полученных выводов известным положениям педагогики, дидактики и теории управления, на которых базируется исследование; логическим анализом результатов; привлечением большого контингента преподавателей и курсантов к участию в педагогическом эксперименте.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Реализация методических подходов к переструктурированию содержания обучения сложным техническим системам, педагогических требований к построению и организационным формам применения программно-методических комплексов обеспечит создание и использование методов и средств динамического моделирования как компонентов программно-методических комплексов, удовлетворяющих педагогическим условиям их функционирования.
2. Обучение специалистов в области радиоэлектроники использованию методов и средств динамического моделирования, основанное на реализации мо- делирования, как содержания, средства обучения и учебного действия, будет
11
способствовать получению и формированию новых знаний в профессиональной деятельности.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается выбор темы исследования, раскрывается актуальность проблемы, формируются цели и задачи исследования, определяются объект, предмет, гипотеза и методы исследования. Выявляются научная новизна и практическая значимость исследования, представлены положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассматривается современное состояние применения программно-методических комплексов и динамического моделирования в учебном процессе. Проведено психолого-педагогическое обоснование применения средств и методов моделирования в обучении, показаны их роль и место в уровнях научных понятий, законов, теорий. Обоснована объективная необходимость построения и применения моделирующих устройств, выработана и осуществлена классификация средств динамического моделирования, определено их место в процессе обучения специалистов сложным техническим системам, показана целесообразность создания программно-методических комплексов и их внедрения в педагогическую практику. Определена классификация методов построения математических моделей для изучения сложных технических систем.
Во второй главе рассмотрены теоретические аспекты применения программно-методических комплексов при изучении сложных технических систем, выявлены способы построения программно-методических комплексов, определены алгоритмы управления, обеспечивающие эффективность обучения в условиях ПМК. Проведен анализ классификационных признаков и свойств обучающих систем. Предложен вариант создания обучающей системы на базе
12
комбинаций ПМК с комбинированным принципом управления обучением — формированием знаний, умений и навыков. Приведена классификация способов генерации учебных контрольных заданий. Исходя из специфики естественнонаучных, общепрофессиональных и специальных дисциплин для их изучения обоснованы дидактические возможности применения средств динамического моделирования и технологические требования к ним. Разработаны принципы построения и способы практической реализации СДМ с улучшенными дидактическими характеристиками. Определены педагогические требования к средствам динамического моделирования. Разработаны программно-методические комплексы для проведения учебных и научных исследований в ходе групповых и лабораторных занятий, индивидуальной самостоятельной работы, обоснована структура специализированной лаборатории моделирования.
В третьей главе рассмотрены методические подходы к применению средств динамического моделирования как компонентов программно- методических комплексов на примере обучения специалистов в области радиоэлектроники, обоснована методика применения средств динамического моделирования на лекционных и практических занятиях, проведена экспериментальная проверка эффективности и качества обучения при использовании этих средств. Системность и преемственность обучения в ПМК достигается по-строением интерфейса программ по принципу структурно-логического соответствия для прохождения и изучения дисциплин на различных этапах временной вертикали всего периода обучения, что способствует поступательному развитию обучающихся, наращиванию знаний, закрепленных практическими действиями.
13
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ
ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И ДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
1.1. Анализ педагогических аспектов применения программно-методических комплексов и динамического моделирования в процессе обучения
Научная организация учебно-воспитательного процесса, опираясь на объективные законы познания реальной действительности и психологические законы процесса усвоения, предполагает обоснованное решение трех важнейших задач: первая — определение содержания обучения специалиста («чему учить»); вторая - выбор методов, приемов и организационных форм обучения («как учить») и третья — определение средств обучения («с помощью чего учить»). Эти задачи находятся во взаимной связи и оказывают определенное влияние друг на друга, однако все они в своем единстве подчинены основной цели учебно-воспитательного процесса — подготовке высококвалифицированных специалистов. Поэтому любая из указанных задач должна практически решаться с учетом ее взаимосвязи с другими задачами и, в конечном счете, должна быть направлена на эффективное достижение конечной цели обучения. Необходимо учесть также, что внедрение в учебный процесс новых методов и средств обучения и программно-методических комплексов (ПМК) с использованием информационных и коммуникационных технологий (ИКТ), вносит в него новые элементы и связи, изменяет характер взаимной деятельности преподавателя и обучающихся.
Начиная с 1986 г. формировались Программно-методические комплексы (ПМК) — комплексы программных и методических средств поддержки процесса преподавания учебного курса. В настоящее время в учебном процессе широко используются ПМК, упорядочение, стандартизация и «индустриализация» которых становится одной из важнейших задач в области создания и распро-
14
<$ странения ПМК. Одной из составных частей упорядочения является четкая спецификация направленности ПМК в его применениях в учебном процессе. Постановка конкретной цели применения ПМК в образовании вообще и в обучении сложным техническим системам в частности означает предъявление удовлетворительных по своей ясности ответов на вопросы: где? (указание конкретного «места» решаемых задач в учебном процессе); зачем? (указание целей усовершенствования учебного процесса или решения его конкретных проблем, т.е. рационализация цели применения); что и как? (тип ПМК и способ применения ПМК, т.е. его функциональное назначение в рамках учебного процесса).
^, Рассмотрим классификацию ПМК, которая приводится в соответствии с
конкретными объектами изучения внутри образовательного процесса, по типам (способам их применения в учебном процессе).
1. ПМК поддержки лекционного курса (компьютерные иллюстрации). Предназначены для демонстрации на компьютере (дисплее, экране) примеров,
Ф иллюстрирующих лекционный материал, в основном, непосредственно по ходу лекции; возможно управление иными демонстрационными комплексами. Например, для демонстрации образцов вычислительной техники, блоков и узлов; иллюстрации работы отдельных узлов по «живым» функциональным и прин-ципиальным схемам.
2. ПМК моделирования процесса и явления. Предназначены для освоения обучающимся некоторого (развивающегося) процесса. Могут широко применяться в учебном процессе, особенно при изучении естественнонаучных и общепрофессиональных дисциплин.
3. ПМК моделирования технического приема. Предназначены для освоения обучающимся и его тренировки в применении важного приема или способа решения, построения и т.п. в специфической области. Особенностью является наличие отдельных признаков электронного учебника.
4. ПМК моделирования технической системы. Предназначены для изуче-щр ния системы функционирования конкретной технической системы и (или) обучения ее использованию или управлению. Особенностями таких ПМК являются
15
'Л большое разнообразие исполнения и зачастую высокая интеграция с «некомпьютерными» техническими системами и устройствами. Могут применяться в обучении устройству и управлению техникой или производственными процессами.
5. Сборники задач, генераторы примеров и задач. Предназначены для предоставления преподавателю и обучающемуся широкого («практически неограниченного») выбора задач и упражнений на одну или несколько тем.
6. Тестовые и контролирующие ПМК. Предназначены для выявления уровня усвоения материала, проведение контрольных работ и тестирования.
~, 7. Справочные системы. Представляют собой (усовершенствованные) за-
мены обычных справочников.
8. Интегрированные системы. Предназначены для предоставления ком-плексированных средств обучения. В перспективе могут применяться практически во всех предметных областях образования.
#* 9. Игровые учебные программы. Их назначение состоит в изучении систем
в интерактивном режиме; в приобретении навыков взаимодействия или конкурентных действий в составе команды или команд.
10. Электронные учебники. Их назначение состоит в замене обычного, «печатного», учебника, на интегрированный ПМК того же назначения. Ориентиро-
• ваны на охват элементов обучения в целом.
11. Экспертные ПМК. Предназначены для полноценного обучения предметной области или ее элементу с обеспечением полной обратной связи с обучаемым; для полноценной замены преподавателя в индивидуальной работе с обучающимся и эффективной разгрузки преподавателя ото всех рутинных эле-ментов обучения. Особенностями таких ПМК являются безусловное базирование на экспертных знаниях; возможности наличия достаточно различных адекватно работающих ПМК в одном сегменте предметной области.
12. Оболочки для создания ПМК. Этот тип не предназначен непосредствен-,Ъ но для обучения, однако может использоваться как вспомогательное средство.
16
? Внедрение в обучение новых методов и средств, в том числе ПМК, оказы-
вает определенное влияние на структуру и динамику познавательного процесса. Чтобы это влияние было позитивным и способствовало более эффективному достижению поставленных целей обучения, необходимо выявить психолого-педагогические аспекты процесса обучения с применением этих методов и средств.
Овладение профессиональными знаниями, умениями и навыками - это активная целенаправленная познавательная деятельность обучающихся, включающая восприятие, осмысливание и запоминание учебной информации,
*> обобщение и применение ее для решения практических задач. В основе этой деятельности лежит последовательность таких психических процессов, как ощущение и восприятие, внимание и представление, память и мышление, речь и воображение. На степень овладения знаниями оказывают существенное влияние направленность познавательной деятельности обучающегося, его во-
# ля, чувства, характер, уровень предварительной подготовки (обучения и воспитания в школе), мотивация и способности. Качественными показателями овладения знаниями, умениями и навыками являются полнота, глубина, правильность, точность и прочность усвоения учебной информации, ее осознанность и связь с требованиями практики, логичность, гибкость и продуктивность мышления обучающегося, его умение свободно и оперативно выражать усвоенное в требуемой форме действий (словесной, практической, научно-поисковой).
Процесс обучения в вузе — это не только процесс переработки и накопления необходимой учебной информации, но и процесс развития познавательных возможностей обучающихся, их всесторонней подготовки к самостоятельному овладению новыми информационными технологиями. По своей сущности процесс обучения — это сложный управляемый познавательный процесс, в котором можно выделить два вида управления учением: внешнее, при котором познава-(?, тельная деятельность обучающегося направляется и корректируется преподава-
телем; и внутреннее (самоуправление), при котором обучающийся самостоя-
17

Получить работу