Интегрированная мультимедиа обучающая среда по небесной механике тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.01 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА Механико-математический факультет

На правах рукописи

УДК 531.1

ГОЛУБЕВА Елена Юрьевна

ИНТЕГРИРОВАННАЯ МУЛЬТИМЕДИА ОБУЧАЮЩАЯ СРЕДА ПО НЕБЕСНОЙ МЕХАНИКЕ

Специальность 01.02.01 - теоретическая механика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: академик РАН

Охоцимский Д.Е.

доктор физ.-мат. наук ведущий научный сотрудник ИПМ им. М.В.Келдыша РАН

Павловский В.Е.

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение....................................................................................................................4

Глава 1. Концепция интегрированной обучающей среды.................................8

1.1. Использование современных компьютерных средств

для обучения.............................................................................................8

1.2. Концепция интегрированной обучающей

среды..............................................................................................................16

1.2.1. Составные части.......................................................................17

1.2.2. Компьютерный учебник............................................................18

1.2.3. Компьютерный задачник..........................................................19

1.2.4. Дистанционная библиотека......................................................21

1.2.5. Связь между элементами среды................................................22

Глава 2. Компьютерный курс по небесной механике........................................25

2.1. Основные элементы и структура курса...............................................25

2.1.1. Информационная модель курса. Принцип элементов знания.......................................................................................25

2.1.2. Элементы и структура курса...................................................29

2.2. Теоретическое наполнение курса.........................................................34

2.3. Реализация курса...................................................................................69

2.4. Использование средств мультимедиа..................................................70

Глава 3. Компьютерный задачник по небесной механике.................................71

3.1. База задач...............................................................................................71

3.2. Оценка качества базы задач.................................................................80

3.2.1. Характеристика пакета задач. Схема сквозного тестирования...80

3.2.2. Построение минимального достаточного множества элементов знания для пакета задач по небесной механике.....87

3.2.3.Характеристика блоков пакета задач. Схема тестирования

по частям........................................................................................91

3.2.4. Формирование контрольных работ..............................................98

3.2.5. Структура задачника....................................................................102

Глава 4. Дистанционная библиотека..................................................................104

4.1 Небесная механика в Интернет...........................................................104

4.2 Дистанционная библиотека как часть интегрированной обучающей среды.................................................................................105

4.3.Структура сайта «Небесная механика в Интернет»...........................106

4.4. Примеры документов Интернет.........................................................110

Заключение............................................................................................................120

Литература.............................................................................................................122

Приложения...........................................................................................................127

Введение

Бурное развитие вычислительной техники создало множество новых возможностей в области создания компьютерных обучающих систем. За последние несколько лет возник богатый спектр графических программ, позволяющих быстро создавать профессиональные графические двух- и трехмерные модели объектов и явлений. Появились и развились средства мультимедиа, позволяющие подключать к изображению на экране компьютера видео и звук. Более совершенные языки программирования, а также созданные в последнее время системы подготовки текстов нового поколения дали возможность создавать программные продукты, направленные на образование, достаточно быстро. Компьютеры стали более доступны, почти каждое высшее учебное заведение оснащено современными компьютерными классами, и каждый студент имеет доступ к работе с компьютерами. Как следствие этих изменений в информационных технологиях, появились обучающие программы разного направления, предназначенные для обогащения учебного процесса в различных областях научного знания.

Так например, среди различных классов таких программ возникли компьютерные учебники, направленные на самостоятельное образование студентов. Такие учебники содержат теоретическую информацию и систему контроля, позволяющую студенту самостоятельно контролировать свои знания. Некоторые из таких учебников обладают возможностью выбирать программу обучения и темп изложения, индивидуальные для каждого пользователя. Это позволяет снять стрессовую ситуацию для тех обучаемых, которые воспринимают информацию медленнее по сравнению со средним темпом изложения на лекциях и семинарах, а для быстро воспринимающих информацию дает возможность лучше проявить свои способности. Тем самым повышается интерес к изучаемому предмету. Некоторые обучающие системы открыты для преподавателя. Он может по желанию добавлять или удалять те или иные главы изучаемого материала.

Особенное значение в настоящее время приобретает Всемирная информационная сеть Интернет. Она содержит огромное количество разнообразной информации во всех областях человеческого знания.

Практически повсеместная доступность Интернет превратила эту сеть в важнейший источник информации для тех, кто хочет изучить ту, или иную науку. Современное состояние Всемирной Сети таково, что она содержит информацию в текстовом, графическом и звуковом виде, что делает ее полной, а путешествие по Интернет увлекательным и познавательным для любого пользователя. Современные системы компьютерного образования могут включать в себя элементы, полученные через сеть Интернет.

Возможность включать в классические методы обучения визуализацию объектов изучения, анимацию, мультимедиа при помощи компьютера приобретает особенное значение для есстественнонаучных дисциплин, так как такое включение позволяет лучше представить изучаемый объект и, как следствие, лучше понять законы его изменения.

Изучение небесной механики при помощи компьютера имеет важное значение, так как с одной стороны это важная наука для многих студентов, изучающих дисциплины естественнонаучного цикла. С другой стороны современные возможности компьютера позволяют привлечь внимание студента к объектам изучения при помощи яркого изложения материала, множественных иллюстраций и звукового сопровождения, заостряющего внимание на важных воппросах. Использование таких возможностей может значительно обогатить классический процесс изучения небесной механики.

Цель диссертации состоит в разработке интегрированной мультимедиа обучающей среды по небесной механике. В качестве составных частей среды в диссертации разработаны компьютерный учебник и компьютерный задачник. Также обучающая среда включает в себя разработанные в диссертации элементы дистанционного образования, осуществляя связь с источниками информации о небесной механике и астрономии в университетах, институтах и лабораториях во всем мире при помощи всемирной информационной сети Интернет.

Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения, списка литературы и приложений.

Первая глава посвящена изложению концепции интегрированной обучающей среды и общему описанию структурных решений, принятых при разработке системы. В главе в начале дается анализ существующих компьютерных обучающих систем, обсуждается их направленность и необходимость их объединения в интегрированную среду. Затем излагается основная концепция интегрированной обучающей среды и описывается ее реализация на примере мультимедиа интегрированной среды по небесной механике.

Вторая глава посвящена первому элементу среды - компьютерному учебнику по небесной механике. В ней изложена схема и структура теоретического материала и примеров задач, включенных в обучающий курс. Используется принцип представления структуры курса небесной механики в виде графа элементов знаний и изложения материала курса согласно этому принципу. Также в этой главе излагаются методы компьютерной реализации курса, как компьютерной программы, обладающей единым интерфейсом со всей интегрированной средой и снабженной диалоговой системой общения с обучаемым.

Третья глава диссертации посвящена второму элементу среды -компьютерному задачнику. Компьютерный задачник по небесной механике представляет собой компьютерную систему тестирования знаний, основанную на принципе элементов знаний в небесной механике, изложенном во второй главе. В главе описаны составляющая задачник база задач и особенности компьютерной реализации задачника, как самостоятельной, открытой для преподавателя обучающей системе.

Четвертая глава диссертации посвящена третьему элементу среды, дистанционной библиотеке «Астрономия и небесная механика в Интернет». Приводится анализ существующих в Интернет информационных ресурсов по астрономии и небесной механике. Излагаются структура дистанционной библиотеки и особенности ее компьютерной реализации, приводятся примеры документов Интернет, включенных в дистанционную библиотеку.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации и вытекающие из них направления развития обучающих средств по небесной механике.

Результаты работы докладывались на заседании кафедры теоретической механики механико-математического факультета МГУ, на Всероссийском семинаре по робототехническим системам в 1998 году, на "Ломоносовских чтениях" в 1998 году, докладывались на конференциях "Новые информационные технологии в профессиональном образовании" (Алушта, 1994), ICEE'95 (UNESCO, Москва, 1995), Конференции МГУ по информатизации образования-1998 (конференция проходит раз в два года), 7-ой Межвузовской математической конференции "7-е Математические Чтения МГСУ", Руза, 1999.

Основные результаты диссертации опубликованы в пяти работах [20-24].

ГЛАВА 1.

Концепция интегрированной обучающей среды. 1.1. Использование современных компьютерных средств для обучения.

Компьютерные средства коммуникации в настоящее время приобретают все большее значение на всех уровнях деятельности человека. Постоянное развитие этих средств и приобретение ими все больших возможностей позволяет расширить спектр их применения. Одним из существенных моментов такого расширения явилось то, что компьютеризация общества существенно коснулась и начала перестраивать сферу образования. Университеты и другие высшие учебные заведения были первыми, кто использовал возможность привлечь к процессу образования возникшие новые технологии [24-25,47-53].

Компьютерные средства обучения начали особенно бурно развиваться в течение последнего десятилетия. Если еще пять лет назад только некоторые учебные заведения в России имели свои компьютерные лаборатории, которые в первую очередь использовались как база для обучения школьников и студентов программированию, то в настоящее время практически все ВУЗы, гимназии, лицеи и многие средние школы оснащены современными компьютерными классами, и доступ к компьютерам для учащихся и студентов существенно упростился. Сильно увеличилось и число людей, имеющих компьютер дома. Таким образом появились особенные возможности для развития средств образования. Сейчас уже созданы и создаются компьютерные средства обучения практически по любым предметам школьного курса, и по многим дисциплинам, преподаваемым в ВУЗах.

В зависимости от предметной области обучающие средства используют адекватный набор технических возможностей, способствующих наиболее полному раскрытию предмета. Так изучение математических наук и химии невозможно без написания на экране формул в общепринятой нотации, изучение физики и географии требует демонстрации видеофрагментов для полной иллюстрации материала, для изучения иностранных языков необходимо использовать аудиолингафонные фрагменты или реализующие

"погружение в ситуацию" видеофрагменты. Для всего спектра средств обучения крайне полезно и часто необходимо использование хорошо развитых средств компьютерной графики [26,36,48].

В зависимости от назначения компьютерные средства обучения развиваются по следующим направлениям.

• Компьютерные практикумы (средства компьютерного экспериментирования с математическими моделями) [34-36,43-45],

• Системы для индивидуального образования (самостоятельной работы студентов) [35,36,45],

• Системы поддержки лекций (управление показом видеоматериалов, компьютерное моделирование, применение графической и текстовой информации) [30,61],

• Системы контроля и тестирования знаний (компьютерные контрольные работы, зачеты) [35,39,40],

• Интеллектуальные обучающие системы [36].

Все эти средства обучения широко используют современные средства компьютерной графики и мультимедиа технологий, и отличаются своим назначением и сферой применения в образовательном процессе. Рассмотрим все вышеуказаные направления более подробно, а) Компьютерные практикумы.

Компьютерные практикумы - это компьютерные средства обучения, позволяющие пользователю экспериментировать с существующей на экране компьютера математической моделью того или иного процесса или явления, реализованной при помощи компьютерных средств расчета и графики. Эксперименты с такой моделью дают пользователю возможность активно вмешиваться в процесс формирования задания для выполнения опытов, следить за поведением изучаемых объектов или явлений на экране компьютера и анализировать полученные результаты. Заметное развитие получили следующие виды практикумов: вычислительные, в которых требуется рассчитать параметры системы [39,44,45], демонстрационные, цель которых состоит в иллюстрировании характера поведения объектов, и практикумы с использованием опытных установок [31,32,45]. Практикумы последнего типа основаны на идее компьютерного управления процессом

организации экспериментов с реальными приборами и опытными установками.

Значительное число практикумов разработано для естественнонаучных дисциплин, таких как физика, химия, математика. Это обусловлено тем, что именно для этих дисциплин более всего требуется развитие навыков экспериментирования и опыт наблюдений. Существуют практикумы по физике (преимущественно разрабатываются в МФТИ, МИФИ, на физическом факультете МГУ), по математике (по вычислительным методам и по дифференциальным уравнениям в МГУ), по вычислительной технике и информатике (ВМК МГУ) [31,32,39,44,45].

б) Системы индивидуального образования.

Такие системы наиболее полно используют преимущества современных компьютерных технологий и потому достаточно эффективны. В такие системы бывают включены и видеокурсы лекций, и практикумы, и контрольные работы. Они позволяют обеспечить индивидуальный темп изучения материала, дают возможность изучать материал в той последовательности и в том объеме, которые требуются в данное время обучаемому. Пользователь может прервать обучение в любой момент и продолжить в удобное ему время. Возможно неоднократное возвращение к наиболее трудным разделам темы на любом этапе обучения. Системы индивидуального образования охотно используются студентами и преподавателями для обогащения процесса обучения и закрепления изучаемого материала.

При создании таких систем требуется уделять особое внимание способам подачи информации и ее качеству. Одну из ведущих ролей в индивидуальном образовании играют мультимедиа-технологии, позволяющие включать в компьютерные курсы видеофрагменты, звук и компьютерную анимацию.

Среди разработчиков таких систем укажем МГУ, МИЭМ, МЭИ, МИФИ, МФТИ, МГТУ им.Н.Э.Баумана, Республиканский мультимедиа центр РМЦ [24-27,35,45].

в) Системы поддержки лекций.

Уже много лет при чтении лекций по многим разделам знания используются аудио, фото и киноматериалы. Поддержка лекций наглядными материалами позволяет существенно повысить эффективность образования. В ходе лекции могут использоваться кино и видеоматериалы, звуковое сопровождение, демонстрироваться действующие установки, производиться различные опыты. При этом желательно, чтобы время подготовки материалов для демонстрации было минимальным, и чтобы лектор мог самостоятельно и оперативно управлять процессом подачи материала в ходе лекции. В этом состоит основная задача компьютерной поддержки лекций. При этом необходимо обеспечить проектирование изображений с экрана монитора на широкий экран для большой аудитории или на телевизионные мониторы.

При помощи компьютера можно составлять сценарий лекций, включающие порядок обращения к тем или иным фрагментам видео и звукозаписи и демонстрационным установкам. В процесс изложения материала можно включать слайды, по