Комплекс обучающих и исследовательских программных средств по разделу "Теория колебаний" теоретической механики тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.01 ВАК РФ

Введение.

Глава I. Концепция интерактивной обучающей и исследовательской среды.

1.1. Использование современных компьютерных средств для обучения.

1.2. Структура интерактивной обучающей и исследовательской среды.

Ее реализация в предметной области "Теория колебаний".

1.2.1. Система "Практикум".

1.2.2. Компьютерный учебник.

1.2.3. Компьютерный задачник.

1.2.4. Взаимодействие систем, входящих в обучающую среду.

Глава 2. Система экспериментальных исследований. Система "Практикум".

2.1. Структура системы "Практикум".

2.2. Модель механической системы.

2.3. Пример построения модели механической системы: задача о связанных маятниках.

2.3.1. Свободные колебания связанных маятников.

2.3.2. Резонанс в системе связанных маятников при управлении углом отклонения от вертикали одного из маятников.

2.4. Пример построения модели механической системы: задача о двойном маятнике.

2.4.1. Свободные колебания двойного маятника.

2.4.2. Возникновение резонанса при управлении углом отклонения нижнего звена двойного маятника от вертикали.

2.5. Пример построения модели: плоская ограниченная задача трех тел. Движение малого тела около треугольных точек либрации.

2.6. Пример работы с практикумом в режиме исследования: ограниченная задача трех тел.

Глава 3. Система компьютерного учебника.

3.1. Структура компьютерного учебника по теме "Колебания".

3.2. Сценарий компьютерного учебника по теме "Колебания".

3.3. Конспект компьютерного учебника.

3.4. Сценарий расширенного курса для компьютерного учебника по теории колебаний.

3.5. Реализация компьютерного учебника.

Typeset by Aj^S-TgK

Глава 4. Тестирование знаний. Система "Контрольная работа".

4.1. Метод тестирования знаний с использованием пакета тестовых задач.

4.2. Характеристики пакета тестовых задач.

4.3. Наполнение пакета тестовых задач по теме "Колебания".

4.4. Структура системы "Контрольная работа".

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.

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

Изучение теории колебаний 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 вопросах. Использование таких возможностей может значительно обогатить классический процесс изучения.

Цель диссертации состоит в разработке интегрированной мультимедиа обучающей и исследовательской среды по теории колебаний. В качестве составных частей среды в диссертации разработаны компьютерный практикум, компьютерный учебник и компьютерный задачник.

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

Основные результаты, полученные в настоящей диссертации, состоят в следующем.

1. Разработана структура исследовательской системы по теоретической механике (программного приложения для исследования механических моделей методом компьютерного моделирования) и методика включения ее в общую обучающую среду. Созданная программа реализована в виде компьютерного приложения под "УУтскуугеЭб/ЭЗ.

2. Подготовлен пакет компьютерных моделей и заданий по теории колебаний для работы с практикумом.

3. Разработана информационная модель компьютерного учебника по теории колебаний. На основе этой модели подготовлено его содержательное наполнение, реализовано приложение "компьютерный учебник", состоящее из двух глав и четырех уроков.

4 . Для системы "Контрольная работа" разработан пакет задач по теории колебаний, включающий 50 задач и проведен его анализ. Вычисленные характеристики свидетельствуют о достаточно высоком качестве пакета.

Проведенные в диссертации исследования открывают возможности для дальнейшего развития разработанного компьютерного обучающего комплекса.

Перспективным направлением дальнейшего развития может стать расширение обучающей и исследовательской среды до системы дистанционного обучения.

Заключение.

В результате исследований, выполненных в диссертации, была сформулирована и реализована в виде программного комплекса концепция компьютерной интерактивной обучающей и исследовательской среды. На основе этого комплекса создана развитая обучающая среда по теории колебаний, включающая в себя исследовательскую систему (практикум), обучающую систему и систему контрольных работ.

1. Андронов А. А, Витт А. А, Хайкин С. Э., Теория колебаний, М.: "Наука", 1981, 568 с.

2. Арнольд В. И, Математические методы классической механики, М.: "Наука",1974, 431 с.

3. Березкин Е. Н., Курс теоретической механики, М.: 1974

4. Бухгольц Н. Н., Основной курс теоретичекой механики, М.: "Наука", 1972

5. Вильке В. Г., Теоретическая механика, М.: Изд-во МГУ, 1991, 237 с.

6. Голубев Ю. Ф., Основы теоретической механики, М.: Изд-во МГУ, 1992, 526 с.

7. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теоретическая физика, Т. 1. Механика, М.: "Наука", 1988, 215 с.

8. Маркеев А. П., Теоретическая механика, М.: "Наука", 1990, 414 с.

9. Татаринов Я. В., Лекции по классической динамике, М.: Изд-во МГУ, 1984

10. Яблонский А. А., Корейко С. С., Курс теории колебаний, М.: "Высшая школа",1975, 246 с.

11. Мещерский И. В., Сборник задач по теоретической механике, М.: "Наука" 1986,

12. Постников Д. В., Королев В. И., и д. р., Сборник задач по теории колебаний, М.: "Наука", 1978, 271 с.

13. Светлицкий В. А., Стасенко И. В., Сборник задач по теории колебаний, М.: "Высшая школа", 1979, 378 с.

14. Верезин И. С., Жидков Н. П., Методы вычислений, Т. 2, М.: "Наука", 1966, 620 с,

15. Арнольд В. П., Козлов В. В., Нейштадт А. И., Математические аспекты классической и небесной механики, "Современные проблемы математики. Фундаментальные направления. Т. 3. (Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР)" М., 1985, 304 с,

16. Возневич Э., Освой самостоятельно Delphi, М.: Бином 1996 730 с.

17. Орлик С., Секреты Delphi на примерах, М.: Бином, 1996, 351 с.

18. Голубев Ю. Ф., Павловский В. Е., Ионова Ю. Н., Электронный мультимедиа курс по теоретической механике, Спб., 1994

19. Голубев Ю. Ф., Павловский В. Е., Ионова Ю. П., Голубева Е. Ю., Мультимедиа курс по теоретической механике в проффессиональном образовании. Труды конференции "Новые информационные технологии в профессиональном образовании", Алушта, 1994

20. Yu. F. Golubev, V. E. Pavlovsky, V. A. Sveshnikova, J. N. Ionova, M. A. Kokarev, E. Yu. Golubeva, The computer education tools on theoretical mechanics engineering education. Int. Conf. ICEE'95 (UNESCO), Moscow, 1995

21. Павловский В. Е., Нечаева Е. С., Попова Ю. Н., Методы тестирования знаний в компьютерной обучающей системе Препринт ИПМ им.М.В.Келдыша РАН N. 25 2000г.

22. Архангельский Ю. А., Голубев Ю. Ф., Павловский В. Е., Зенкова П. Ю., Свешникова В. А., Тихонова А. В., Компьютерный обучающий курс "Динамика", Труды Всероссийского научно-методического семинара "Компьютерные технологии в высшей школе", СПб, 1993

23. Брусиловский П. Л., Модели обучаемого в обучающих системах, УСИМ 1992 NN 7/8 (125/126) 109-119

24. Волошинова Т. В., Юшков М. П., Цели и задачи специального лабораторно-вычислительного практикума по прикладной механике, Сб. научно-методических статей по теоретической механике, Вып. 18, М. 1987, 58-62.

25. Голубев Ю. Ф., Павловский В. Е., Зенкова Н. Ю., Методика создания компьютерного курса по теоретической механике, Препринт ИПМ им.М.В.Келдыша РАН, 9-1992, 28 с.

26. Демонстрационные приборы по теоретической механике. Под ред. Буженина Н. В. Л.: 1980, 31-69.

27. Довгялло А. М., Ющенко Е. Л., Обучающие системы нового поколения. // УСИМ, 1988, 1, 83-86.

28. Дородницын А. А., Вычислительные методы в механике. Сб. научно-методи ческих статей по теоретической механике. Вып.11. М. 1981, 4-13.

29. Каталог отраслевого фонда алгоритмов и программ. М.: 1989. вып. 2,3,4,10 1988; вып. 1,5 1990.

30. Ретинская Р. В., Шугрина М. В., Отечественные инструментальные системы для разработки обучающих программ. // Мир ПК, 7, 1994.

31. Методика проведения упражнений по теоретической механике. Вып.2. Динамика. Вып.З. Динамика и аналитическая механика. Под ред. Н. В. Бутенина М.: 1981.

32. Методические указания к выполнению расчетов по курсу теоретической механики в дисплейных классах. М.: 1987.

33. Новожилов И. В., Зацепин М. Ф., Типовые расчеты по теоретической механике на базе ЭВМ, М.: 1986.

34. Педагогические требования к техническим средствам обучения, Рига, 1988

35. Потеев М. И., Основы аналитической дидактики, Спб, 1992, 67 с.

36. Щелкачев В. Н., Проблемы педагогики высшей школы, М.: 1991,

37. Проблемы использования ЭВМ в процессе преподавания теоретической механики. Материалы Совещания-семинара. Вильнюс 1985.

38. Теоретическая механика. Вывод и анализ уравнений движения на ЭВМ. Под ред. В. Г. Веретенникова, М.: 1990.

39. Труды Всероссийского научно-методического совещания-семинара "Компьютерные технологии в высшей школе", Спб, 1993.

40. Килонен П., Аллуизи Э., Научение и забывание. Человеческий фактор. Под ред. Г. Салвенди. М.: Мир, 1991, Т. 1. 298-360 (пер. с англ.).

41. Коул Б., Гипертекст решает проблему информационного обслуживания, //Электроника, N 4, 1990, 38-42 (пер. с англ.)

42. Ван Тайл Ш., Совершенно новый подход к использованию компьютеров, //Электроника, N 4, 1990, 42-45 (пер. с англ.)

43. Уикенс К., Переработка информации, принятие решения и познавательные процессы. Человеческий фактор. Под ред.Г.Салвенди. М."Мир".1991. Т. 1. 206-268 (пер. с англ.)

44. Фоули П., Моури Н., Ощущение, восприятие и проектирование систем. Человеческий фактор. Под ред.Г.Салвенди. М."Мир". 1991. Т. 1. 155-206 (пер. с англ.)

45. Хойс К., Мотивация. Человеческий фактор. Под ред. Г. С ал венди. М."Мир". 1991. Т. 1. 268-298 (пер. с англ.)

46. Дж. Шэндл, В поисках дополнительного жизненного пространства //Электроника, N 4, 1990, 24-28 (пер. с англ.)

47. Crane G, Hypermedia and the Study of Ancient Culture, //Computer Grafics and Applications. July, 1991. 45-51.

48. Киркова P., Обработка знаний в интеллектуальных обучающих системах //УСиМ 1992, NN 7/8, 83-86 (На англ. яз).

49. Haber Schaim, Рорее, Walter. PSSC Physics. Toronto, Canada, 1986

50. Nielson J., HyperText and HyperMedia, IEEE. Computer Graphics and applications. July, 1991.

51. Pea R. D., Soloway E., Learning through MultiMedia. IEEE. Computer Graphics and applications. July, 1991.

52. Pea R. D., Soloway E., Mechanisms for Facilitating a Vital and Dynamic Education System: Fundamental Roles for Education Science and Technology. Reply to Office of Technology Assesment. 1987

53. Sleeman D., Brown J. S., Intelligent tutoring systems // Intelligent tutoring systems. London: Acad. Press, 1982, 1-12

54. Soloway E., How the Nintendo Generation Learns // Communications 1991, vol. 34, N 9, 23-26, 95

55. Типовая автоматизированная лаборатория "Теоретическая механика", МГТУ, Москва, выставка "Школа будущего", 1999

56. Голубев Ю. Ф., Павловский В. Е., Голубева Е.Ю., Жаркова А. Ю., Нечаева Е. С., Павловский В. В. "Интегрированная мультимедиа обучающая среда по небесной механике"а)// Математическое моделирование N 5 2000г.; Ь) депонировано в ВИНИТИ.

57. Зенкова Н. Ю., Разработка компьютерных обучающих систем по теоретической механике, Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат.наук. М., 1993

58. Ионова Ю. Н. Методическое, алгоритмическое, программное обеспечение электронного учебника по теоретической механике, //Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат.наук. М., 1995

59. Голубева Е. Ю. Интегрированная мультимедиа обучающая среда по небесной механике, //Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат.наук. М., 1999