Разработка электронного Интернет-учебника по теоретической механике для технических вузов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.01 ВАК РФ

На правах рукописи УДК 531.1

ПОНОМАРЕВА Елена Владимировна

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННОГО ИНТЕРНЕТ-УЧЕБНИКА ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МЕХАНИКЕ ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗОВ

Специальность: 01.02.01 - Теоретическая механика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Астрахань, 2003

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом университете (г. Астрахань)

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Т.О. Невенчанная

доктор физико-математических наук, профессор В.Е. Павловский

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

М.М. Горбунов-Посадов

доктор физико-математических наук, профессор В.А. Самсонов

Ведущая организация: Московский Энергетический Институт

(технический университет)

Защита состоится «_»____ 2003 г. в _ на заседании

диссертационного совета Д 002.024.01 при И кетгуте прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН по адресу: 125047, Москва, Миусская пл., 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН.

Автореферат разослан 2003 года.

Ученый секретарь диссертационного совета докюр физико-математических наук Т.А. Полилова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Предметом исследований в настоящей работе являются методы и средства построения компьютерных обучающих систем в сетевой среде и в виде локальных систем, методы и средства структуризации учебного материала при компьютерном обучении, построение меюдик формальной оценки усвоения знаний и формирование на основе таких методов и средств процессов как индивидуального, так и группового обучения.

Актуальность работы определяется становлением дистанционного обучения, быстрым развитием информационных и телекоммуникационных технологий и целесообразностью их применения для активизации учебного процесса.

Переход к информационному обществу вызвал необходимость изменения системы образования, ее технологий, методик обучения, обусловил развитие нового подхода к инженерному образованию, обеспечивающему формирование знаний с использованием междисциплинарного подхода к обучению, позволяющему получать и использовать для решения задач знания из разных областей.

Компьютеризация обучения в предметной области теоретической механики имеет большое самостоятельное и междисциплинарное значение, т. к. эта дисциплина является основой для изучения общетехнических наук и специальных курсов, учит студентов инженерному взгляду на окружающий мир - учит выделять модели для решения поставленной задачи, ставить условия, находить практические решения, определять пределы их приемлемости.

Особенностью технических ВУЗов является то, что они объединяют большие наборы специальностей, для которых курс теорегической механики существенно отличается по назначению, структуре, содержанию и другим показателям. Анализ государственных образовательных стандартов (ГОСов) и учебных планов показывает, что происходит объединение курса теоретической механики с разделами других механических курсов, в учебный план вводятся разделы теоретической механики, сопротивления материалов, деталей машин, теории механизмов и машин. В таких условиях актуальным является создание компьютерной обучающей системы, содержащей общий массив элементов знаний по механике, на базе которого возможно формирование других механических курсов, разработанных в соответствии со специальностью, ГОСом.

Целью работы является создание компьютерной обучающей системы по теоретической механике на базе современных информационных Интернет-технологий, обеспечивающей как организацию конкретного процесса индивидуального и группового обучения по общепрофессиональной дисциплине теоретической механике для технических ВУЗов, так и возможность формирования вариантов электронных учебных курсов по механическим

дисциплинам.

!! АЛЬНАЯ 1

ЬИВЛИОТЕКА С.Петербург ОЭ ?00 Я як%5

Задачи исследования:

• создание общей схемы компьютерной обучающей системы «Теоретическая механика для технических ВУЗов»;

• реализация сетевого электронного Интернет-учебника;

• реализация локальной версии;

• обеспечение возможности развития системы электронных курсов механических дисциплин в рамках разработанной концепции.

Методами и средствами исследования является объектно-ориентированный подход к проектированию и программированию. Работа базируется на методических положениях теоретической механики с применением ЭВМ.

Научная новизна:

• Разработана общая концепция дистанционной обучающей системы по механике (на примере теоретической механики для технических ВУЗов), представляющей собой электронный Интернет-учебник комплексного методического назначения, выполненный в виде локальной и дистанционной версий.

• В учебник введен раздел "Расчет механизмов" с описанием комплексного расчета механизмов.

• Обоснована программная реализация приложений учебника, включающая:

- выбор форматов (с учетом их взаимной совместимости и возможности передачи по сети Интернет) и программных средств;

- возможность работы локально и дистанционно;

- работа с теоретическим материалом, модулями для контроля знаний, расчетным практикумом;

- создание анимированных компьютерных моделей механических объектов, в частности, механизмов, построенных на основе математических моделей и иллюстрирующих полный цикл движения;

- возможность пополнения учебника новым материалом.

• Реализован электронный Интернет-учебник в системе дифференцированного Интернет-обучения "Гекадем", обеспечивающий:

- дистанционное дифференцированное обучение;

- дистанционную разработку версии учебника в сети Интернет;

- формирование общего массива элементов знаний по механике;

- создание на основе сформированного массива знаний по механике базы данных для новых механических курсов разной структуры, содержания.

На защиту выносятся:

1. Общая концепция построения дистанционной обучающей системы по механике (на примере теоретической механики для технических ВУЗов), представляющей собой электронный Интернет-учебник, состоящий их трех приложений и выполненный в форме локальной и дистанционной версий.

2. Введение в учебник по теоретической механике раздела «Расчет механизмов» с описанием комплексного расчета механизмов.

3. Программная реализация приложений учебника.

Основные научные и практические результаты. Выполненная работа является вкладом в развитие научного направления, связанного с решением актуальной научно-практической проблемы - разработкой системы дистанционного обучения с использованием современных информационных технологий в области теоретической механики дня технических ВУЗов.

Практическая ценность исследования состоит в том, что разработана методика создания электронного Интернет-учебника по теоретической механике для технических ВУЗов с использованием современных информационных Интернет-технологий. Получены рекомендации, касающиеся программной реализации, которые могут быть использованы для создания сетевых учебников по другим механическим дисциплинам.

Разработанный электронный Интернет-учебник по теоретической механике для технических ВУЗов обеспечивает сопровождение курса теоретической механики в Астраханском государственном техническом университете и доступен для работы с ним на автономной машине, в локальных сетях и в глобальной сети Интернет. Предназначен как для самостоятельного обучения и сопровождения учебного процесса при традиционной форме обучения, так и для дистанционного обучения.

Реализация и внедрение результатов работы. Электронный Интернет-учебник по теоретической механике для технических ВУЗов разработан в Астраханском государственном техническом университете (АГТУ). Дистанционная версия учебника разрабатывалась посредством сети Интернет в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем», зарегистрированной в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001611742), на сервере www.edu.buk.irk.ru в Иркутске. Локальная версия разработана в АГТУ. Обе версии разработанного электронного Интернет-учебника используются в учебном процессе при обучении студентов Астраханского государственного технического университета.

Апробация. Основные результаты работы обсуждались на научных семинарах, форумах, конференциях, в том числе: V Международной конференции «Информатика. Образование. Экология и здоровье человека», Астрахань, 2000 г.; Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», Новочеркасск, 2000 г.; Международной научной конференции, посвященной 70-летию АГТУ, Астрахань, 2001 г.; Международном форуме по проблемам науки, техники и образования, Москва, 2001 г.; научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин», Астрахань, 2002 г.; международном симпозиуме «Надежность и качество», Пенза, 2002 г., и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, отражающих основные результаты диссертационной работы. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Объем и структура работы. Работа содержит 158 страниц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается современное состояние и актуальность проблем, рассматриваемых в диссертации. Выполнен общий обзор средств разработки компьютерных обучающих систем, охватывающий основные этапы, начиная от разработки автоматизированных обучающих систем, ориентированных на создание и сопровождение достаточно простых учебных курсов, до использования современных Интернет-технологий (гипертекстовая, мультимедиа, гипермедиа, сетевая, телекоммуникационная технологии). Показаны перспективные направления в области создания компьютерных обучающих программ, приведен обзор разработок в области теоретической механики. Сформулирована цель работы, определяются предмет, задачи, методы исследования. Перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Анализ разработок по применению информационных технологий в образовании показал, что среди компьютерных обучающих систем выделяются классы:

- электронные учебники как обучающие программные системы комплексного назначения, обладающие рядом преимуществ по сравнению с традиционной книгой, а именно: моделирование и имитация изучаемых процессов; демонстрация визуальной учебной информации; звуковое сопровождение; видео; сервисные услуги; возможность быстрых переходов между блоками материала; возможность индивидуализировать и дифференцировать процесс обучения, контролировать знания с диагностикой ошибок и обратной связью;

- электронные Интернет-учебники (сетевые, дистанционные учебники), появившиеся с развитием сетевых телекоммуникационных технологий, обладающие всеми качествами, присущими обычным электронным учебникам, и дополнительными возможностями, предоставляемыми Web.

В работе для электронного Интернет-учебника типовая схема обучающей программной системы дополнена конкретными возможностями Web и представлена на рис. 1. Выделены следующие элементы.

Первый тип (смысловые элементы) приближает работу с электронным Интернет-учебником к традиционному процессу обучения и объединяет возможности, позволяющие изучить теоретический материал, закрепить полученные знания решением задач и выполнением расчетно-графических работ (РГР), прохождением промежуточно! о и итогового контролей.

Второй тип (возможности мультимедиа) включает сопровождение учебного материала с помощью видео и звука, анимации и графики, что

позволяет повысить наглядность излагаемого материала и интерес к обучению.

К третьему типу (интерфейс, сервисные услуги) относятся возможности, определяющие структуру компьютерной обучающей системы, интерфейс.

Четвертый тип (возможности Web) обеспечивает интерактивную связь обучаемого и преподавателя через Интернет (от простой электронной почты до организации off- line или on-line конференций), организацию поиска учебной и научной информации в сети Интернет и др. возможности.

Электронный Интернет-учебник

/ e-mal

интерактивная связь (on-fine, oñ-йпе конференции, chat, др )

Возможности Web /

1

использование ресурсов сети Интернет

Рис. 1. Типовые возможности электронного Интернет-учебника

Решение вопросов создания конкретных подсистем рассмотрено отдельно для каждого программного приложения электронного учебника и представлено в соответствующих главах.

В первой главе на основании проведенного анализа построена общая концепция дистанционной обучающей системы, выполненной в виде электронного Интернет-учебника по теоретической механике для технических ВУЗов, в том числе, разработана структура учебника, двух его версий (локальной и дистанционной) и приложений, включающих теоретический материал с примерами решения задач, модуль для контроля знаний, компьютерные РГР.

Разработанный электронный учебник по теоретической механике состоит из программных приложений:

- «Теоретический материал», содержащего теорию изучаемой дисциплины с примерами решений типовых задач;

- «Тесты и задачи», позволяющего приобрести навыки в решении задач и осуществить самоконтроль/контроль знаний;

- «Практикум», содержащего компьютерные РГР.

Разработаны две версии учебника: локальная и дистанционная (рис. 2).

Рис. 2 Структура электронного Интернет-учебника

Локальная версия создана для работы с ней на автономной машине и состоит из трех приложений. Для приложения «Теоретический материал» разработаны две реализации, созданные на базе одного массива теоретического материала, структурированного и доступного для использования разными способами: реапизагшя 1 - курс лекций, где теоретический материал излагается последовательно; реализация 2 - конспект-справочник, структурированный по смысловым элементам с использованием гипертекстовых переходов.

Дистанционная версия предполагает работу посредством глобальной информационной сети Интернет и структурно содержит также три приложения. Приложение «Теоретический материал» дистанционной версии выполнено в виде курса лекций по теоретической механике. Приложения «Тесты и задачи» и «Практикум» обеих версий практически идентичны, различие заключается в способе работы с ними (автономная машина, локальная сеть или посредством сети Интернет соответственно).

Ниже на рис. 3 приведена полная схема взаимосвязей обучаемого и приложений электронного учебника по теоретической механике.

При работе с приложением «Теоретический материал» обучаемому предлагается изучить теоретический материал (1), включающий основные определения, теоремы, примеры решения типовых задач. После изучения каждого раздела обучаемый отвечает на ряд вопросов (2). Вводимые ответы (3) передаются обратно приложению «Теоретический материал», которое после анализа ответов возвращает обучаемому результат (4).

i

10 9

*

Тывтор

Приложение «Теоретический материал»

V 4 11

Приложение «Тесты н зяоти»

13

Приложение «Практикум»

Электронный учебтк

^14__

Рис. 3. Схема взаимосвязей обучаемого и электронного учебника

При обращении к приложению «Тесты и задачи» обучаемому предлагается набор тестов и задач (5), решив которые, обучаемый вводит результат решения (6), передаваемый приложению «Тесты и задачи». Ответы обучаемого анализируются приложением, и результат (7) сообщается обучаемому.

Взаимодействие обучаемого с приложением «Практикум» предполагает участие тьютора (преподавателя) и сводится к шагам: приложение предоставляет обучаемому РГР (8), выполнив которую, обучаемый передает ее тьютору (9) на проверку. Правильность выполнения анализируется тьютором, результат (10) сообщается обучаемому. Тьютор может обращаться к приложению (14) для уточнения вопросов, связанных с выполнением обучаемым РГР.

Все три приложения взаимодействуют между собой (11,12,13). Обе версии (локальная и дистанционная) электронного учебника созданы в совместимых форматах, которые являются стандартами Web.

Во второй главе рассмотрены структура и содержание приложения «Теоретический материал» электронного Интернет-учебника по теоретической механике, описан комплексный расчет механизмов (на примере кривошипно-шатунного механизма), рассмотрены аспекты программной реализации, основные этапы создания дистанционной версии учебника в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем».

Структура, содержание. Приложение содержит теоретический материал по разделам: «Кинематика», «Статика», «Динамика точки», «Динамика системы», «Аналитическая механика», «Расчет механизмов». Заметим, что первые пять разделов входят в состав традиционного курса теоретической механики. В состав созданного учебника включен также раздел «Расчет механизмов» (рис. 4).

Опишем его подробнее.

___._.

//4"еорегм&ская 1 X «мкыше

—'^г^Расчвт механигков"

' \ А

т«рю, \ / \ механизмов/ \

Раздел-Доч» м») )

«и-™*»

гарпии»*- -

Рис. 4.

В разделе «Расчет механизмов» даны общие понятия механики, являющиеся фундаментальными для дисциплин «Теоретическая механика», «Сопротивление материалов», «Теория механизмов и машин», «Детали машин»; описан комплексный расчет механизмов с использованием междисциплинарного подхода (на примере кривошипно-шатунного механизма) согласно схеме, приведенной на рис. 5. Выполнен расчет кинематических характеристик: скоростей (7,) и ускорений (й,) базовых точек, угловых скоростей (со,) и ускорений (О звеньев механизма методами теоретической механики. В рамках динамического расчета определены инерционные нагрузки (Ф,,Ми реакции в опорах (й,). Показано решение задачи уравновешивания центробежных сил инерции, возникающих при вращении неуравновешенных масс, посредством установки противовесов (массой т„р). Рассмотрены примеры расчетов на прочность звеньев механизма.

| Механизм |

1 Назначение механизма.

2 Структура механизма.

3. Придал работы мездюна

Еовцю принципы построения расчетных схем I

---------------

| Кинематический расчет

- + __

Кинематика точки

Кинематика плоско! о движения I теердого тела

Г Прочностные расчеты I

Рис 5. Основные этапы комплексного расчета механизмов

Расчетные схемы. Для каждого этапа расчета составлена своя расчетная схема, отражающая главные факторы в поставленной задаче; в зависимости от

постановки задачи и требуемой точности для одного объекта предложено несколько расчетных схем. В работе построены следующие примеры.

Кинематический расчет кривошипно- шатунного механизма - исходные данные: машиностроительный чертеж, закон движения ср(0 ведущего звена; выходные данные: кинематические характеристики механизма.

Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма - рассмотрена задача определения динамических нагрузок, действующих на элементы кривошипно-шатунного механизма при его работе в установившемся режиме. Полученные в результате расчета динамические реакции используются для расчета на прочность по традиционному алгоритму. Исходные данные: геометрические параметры звеньев; кинематические параметры; массы звеньев; нагрузки, действующие на механизм при его работе. Выходные данные:

динамические реакции ( R, ) связей.

Технология создания приложения Опишем теперь технологические этапы создания приложения. Приложение построено как система, состоящая из набора взаимосвязанных HTML-страниц, существенно обогащенных нетекстовыми компонентами (графическими иллюстрациями, анимированными моделями). Рассмотрим аспекты программной реализации приложения «Теоретический материал», технологию создания дистанционной версии в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем».

Получение гипертекстового htrnl-формата Основным стандартом, предназначенным для создания гипертекстовых документов в среде WWW, является HTML. HTML-документы могут быть созданы при помощи любого текстового редактора, средствами MS Office, преобразованием документа в формате PDF, используя программу Adobe Acrobat и специальные надстройки к ней, при помощи специализированных HTML-редакторов или конверторов (Is' Page, Macromedia Dreamweaver и др). В настоящей работе при разработке учебника использовались средства MS Office, Macromedia Dreamweaver.

Создание компьютерных иллюстраций. Web-графика, используемая в созданном Интернет-учебнике, представлена стандартными форматами jpg, gif, подготовка которых осуществлялась в пакетах Corel Draw, Corel PhotoPaint, Adobe PhotoShop, Paint и др.

Создание компьютерных анимированных моделей. Для создания компьютерных анимаций существует широкий круг возможностей. Использовалось создание компьютерных анимированных моделей, построенных на основании математических моделей и обеспечивающих показ полного цикла движения механических объектов, в частности, механизмов. Использовались пакеты Maple, Solid Works совместно с npoi раммным комплексом Dynamic Designer Motion. Разработаны модели механизмов спарника, эллипсографа, кулисных механизмов с качающейся и вращающейся кулисой, синусного механизма, планетарных механизмов.

Реализация дистанционной версии учебника в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем». Дистанционная версия (курс) структурно строится из необходимого количества учебных блоков (рис. 6), каждому из которых ставятся в соответствие элементы знаний: лекции, РГР,

модули входного и выходного контролей знаний, семинары. Система позволяет изменять порядок следования учебных блоков, обновлять учебный материал.

Курс

' Учебный алок 1

- входной контроль

- лекция

- ИТ

- выгодной контроль

- семинар

«й* Мм* СФ4М

■ - - а ^ дай»* щгаш А*

„И

- Учебный блок п

■ входной кх>нп рочь

- лекция — РГР

• выходной контроль

- семинар

гаяи зисэ ■ 1С I <« V I «.

й Л

»п» с о* а*

^т гт ат «»а*

I» «> иса

£ ¿поутод»

I т шя "ЯДп

Рис. 6

Для эффективной работы с учебными материалами система позволяет сформировать массив элементов знаний (личную библиотеку преподавателя по механике), где хранится весь материал в виде дискретных единиц, из которых формируются курсы с разной структурой, содержанием по «родственным» механическим дисциплинам, например, курсы «Техническая механика», «Прикладная механика» и др. (рис. 7).

Рис. 7. Формирование механических курсов на основе общего массива элементов знаний

В третьей главе разработаны структура и содержание приложения "Тесты и задачи", проведен анализ программных средств, описана реализация в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем».

Приложение «Тесты и задачи» в составе учебника содержит 215 тестовых заданий по разделам теоретической механики. Локальная версия учебника

дополнительно содержит модули для самоконтроля знаний, содержащие 82 тестовых задания. Общее количество тестовых заданий в приложении равно 297.

Технология. Для создания систем контроля знаний существует широкий круг возможностей, начиная от прямого программирования и применения автоматизированных обучающих систем до использования современных Интернет-технологий (Java, JavaScript, CGI). Потенциально реализация приложения «Тесты и задачи» может основываться па работе с формами (элементами HTML-страниц, куда пользователь вводит информацию), причем обработку вводимой информации можно организовать как на стороне сервера, так и на стороне клиента (компьютере обучаемого) в зависимости от решаемой задачи.

Программная реализация модуля самоконтроля. Компьютерная проверка знаний обучаемого сопряжена с проблемой идентификации обучаемого и может быть решена с использованием технологии, основанной на взаимодействии с сервером. Задача проведения самоконтроля знаний обучаемого изначально не требует санкционированного доступа обучаемого к материалам и может быть решена локально, без взаимодействия с Web-сервером, что упростит задачу и повысит быстродействие системы. Для реализации системы самоконтроля была использована схема «HTML+JavaScript», основанная на организации в HTML-документе форм и их обработке непосредственно на компьютере обучаемого.

Реализация в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем» Возможности системы «Гекадем» позволяют осуществлять индивидуальное и групповое обучение и использовать следующие процедуры проверки знаний: практикум, семинар, индивидуальные задания, on-line тестирование. Приложение «Тесты и задачи» было реализовано в системе формирования on-line тестов, предусматривающей разработку тестов следующих типов: «да/нет». <<упорядочивание списка», «multiple choice» (многовариантный выбор), «ввод собственного ответа». Тесты первых трех типов проверяет система, проверка тесгов типа «ввод собственного ответа» производится тьютором.

Такое разнообразие представленных видов задач оправдано целью охватить как теоретические, так и практические положения курса теоретической механики для технических ВУЗов. Широкий набор видов заданий дает возможность формировать предметные навыки и закрепить полученные знания.

В четвертой главе рассмотрены структура, содержание расчетного практикума по теоретической механике. Описана технология, реализация в системе Интернет-обучения «Гекадем».

Приложение «Практикум» предназначено для выполнения РГР и включает:

• РГР № 1. Основные принципы составления расчетных схем.

• РГР № 2. Применение темы «Кинематика точки» к расчету механизмов.

• РГР № 3. Применение темы «Кинемагика плоского движения твердого тела» к расчету механизмов.

• РГР № 4. Применение темы «Кинематика сложного движения точки» к расчету механизмов.

• РГР № 5. Применение темы «Принцип Даламбера» к расчету механизмов.

• РГР № 6. Уравновешивание вращающихся масс.

• РГР № 7. Прочностной расчет кривошипа (ознакомительная).

Структура РГР. Каждая РГР приложения «Практикум» включает название и цель работы, описание структуры документа, краткую теорию по изучаемой теме, методические указания по выполнению работы, условие задачи, варианты заданий, примеры решения, выполнение работы, анализ результатов.

Технология. Каждая РГР выполнена в табличном процессоре Microsoft Excel в виде отдельного файла, состоящего из нескольких листов, содержащих текстовый материал, рисунки, формулы, диаграммы (рис. 8).

Рис. 8

В локальной версии приложение «Практикум» представляет собой объединенную в отдельный блок совокупность РГР, встроенную в состав учебника. Дистанционная версия приложения реализована в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем»: каждая РГР помещается в библиотеку преподавателя, из которой в дальнейшем такая РГР встраивается в структуру дистанционного курса по теоретической механике.

В заключении приведена общая характеристика работы, перечислены основные результаты, определены направления дальнейшего развития разработанного электронного Интернет-учебника по теоретической механике для технических ВУЗов. Проведен анализ апробаций разработанного Интернет-учебника по теоретической механике, даны общие выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Разработана концепция дистанционной обучающей системы по теоретической механике, выполненной в виде электронного Интернет-учебника, состоящего из дистанционной и локальной версий, включающих программные приложения, содержащие теоретический материал, модуль контроля знаний, расчетный компьютерный практикум.

2. В созданный учебник по теоретической механике введен раздел «Расчет механизмов» с описанием комплексного расчета механизмов.

3. Выполнено обоснование выбора основных технологий и форматов для подготовки учебного материала, содержащего текстовую информацию, иллюстрации, компьютерные анимированные модели, модули самоконтроля и контроля знаний, компьютерный расчетный практикум с учетом совместимости выбранных форматов и возможности их передачи по сети Интернет. Произведен подбор соответствующих программных средств и реализована технологическая цепочка разработки учебника.

4. Реализована дистанционная версия электронного Интернет-учебника в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем»: сформирован общий массив элементов знаний по механике, обеспечена возможность создания на его основе механических курсов с разной структурой, содержанием, назначением в соответствии со специальностью, ГОСом. Реализована также локальная версия учебника, аналогичная дистанционной версии.

В приложении размещены сценарное описание курса, примеры заданий

базового теста контроля знаний.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Невенчанная Т.О., Пономарева Е.В. Создание электронного учебника по теоретической механике для технических специальностей. Тезисы докладов V Международной конф. «Информатика. Образование. Экология и здоровье человека» Астрахань: Изд-во АГПУ, 2000. с. 158-159.

2. Невенчанная Т.О., Пономарева Е.В. Постановка задачи создания электронного учебника по теоретической механике для технических специальностей. Материалы Международной научной конф, посвященной 70-летию АГТУ Том 3. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2001. с. 109-111.

3. Невенчанная Т.О., Пономарева Е.В. К созданию электронного учебника по механике для технических специальностей Материалы 3-й Международной научно-технической конф «Новые технологии управления движением технических объектов» Том 3. Новочеркасск, 2000. с. 108-111.

4. Невенчанная Т.О., Пономарева Е.В. Анализ программ для создания электронного учебника по теоретической механике. Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования / Под ред. В.П. Савиных, В.В. Вишневского. Том 1. М., 2001. с. 124-126.

5 Невенчанная Т.О., Пономарева Е.В., Митин А.Ю. Роль компьютерного моделирования в теоретической механике. Надежность и качество. Труды

»л ^ ^ (\ 1

1 L * W О

2.003-А

международного симпозиума / Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пего. гос. ун*" та, 2002. 503 с, с. 145-146.

6. Невенчанная Т.О., Митин А.Ю., Пономарева Е.В. Моделирование движения механизма с круговыми звеньями с использованием системы автомагизированного проектирования Solid Works. Новые образовательные технологии обучения в ВУЗе: Межвуз. сб. науч тр. / Под ред. Ю.В. Попов. Волгоград: ВолГТУ, 2002. 260 е., с. 216-219.

7. Невенчанная Т.О, Пономарева Е.В., Митин А.Ю. Анимация в электронном учебнике по теоретической механике. Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин (2002, октябрь)' Материалы науч конф / Астрах, гос. техн. ун-т. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2002. 316 с., с. 94-97.

8. Невенчанная Т.О., Митин А.Ю., Пономарева Е.В. Моделирование движения и расчет в современных CAD-сисгемах механизма с круговыми звеньями. Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин (2002, октябрь): Материалы науч конф / Астрах гос. техн ун-т. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2002. 316 с., с. 29-32.

9. Невенчанная Т.О., Павловский В.Е., Пономарева Е.В. Комплексный расчет механизмов в электронном учебнике по теоретической механике- Препринт Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН№38. М., 2003. 24с

10. Павловский В.П., Невенчанная Т.О., Курганская Г.С., Пономарева Е.В. Концепция, сгруетура, программная реализация электронного Интернет-учебника: Препринт Института прикладной математики им. MB. Келдыша РАН№39. М., 2003. 28 с

11. Невенчанная Т.О., Павловский В.Е., Пономарева Е.В. Создание компьютерных анимаций в средах пакета Maple, систем Solid Works и Dynamic Designer Motion. Вестник молодых ученых (на рецензировании).

12. Невенчанная Т.О., Павловский В.Е., Пономарева Е.В. Интернет-учебник по теоретической механике. Всероссийская научно-практическая конф «Технологии Интернет - на службу обществу»: Сб. статей. Саратов, 2003. с. 128-131.

13 Невенчанная Т.О., Павловский В.Е., Пономарева Е.В. Комплексный расчет механизмов в дистанционном Интернет-учебнике по теоретической механике. II международная конф. «Проблемы механики современных машин». Улан-Удэ, 2003. (в печати)

14. Невенчанная Т.О.. Пономарева Е.В. Структура электронного Интернет-учебника по теоретической механике. VIII международная конф. серии «Нелинейный мир» «Образование. Экология. Экономика. Информатика». Астрахань, 2003. (в печати).

Подписано к печати 10.06.03. Гарнитура «Тайме» Усл.неч.л. 1

Формат 60x84 1/16 Тираж 100

г. Астрахань, ул. Татищева, 16. АГТУ

Бумага офсетная Уч.-изд.л. 1.2 Заказ 573

Введение.

Глава 1. Концепция дистанционной обучающей системы по теоретической механике.

1.1. Концепция и структура дистанционной обучающей системы по теоретической механике для технических ВУЗов.

1.2. Схемы электронных учебников. Соответствие версий электронного Интернет-учебника предложенным схемам.

1.3. Организационная и обучающая компоненты электронного Интернет-учебника.

Выводы по первой главе.

Глава 2. Структура и содержание теоретического материала электронного Интернет-учебника.

2.1. Структура, содержание приложения.

2.2. Раздел «Расчет механизмов». Комплексный расчет механизмов: от составления расчетной схемы - до вопросов прочности.

2.3. Пример: комплексный расчет кривошипно-шатунного механизма.

2.3.1. Постановка задачи.

2.3.2. Кинематический расчет.

2.3.2.1. Расчет с использованием материала темы

9 «Кинематика точки».

2.3.2.2. Расчет с использованием материала темы «Кинематика плоского движения тела».

2.3.2.3. Анализ полученных результатов.

2.3.3. Динамический расчет.

2.3.3.1. Метод кинетостатики. g 2.3.3.2. Уравновешивание вращающихся масс.

2.3.4. Прочностные расчеты.

2.4. Структура окон, навигация.

2.4.1. Организация навигации в локальной версии учебника

2.4.2. Организация навигации в дистанционной версии учебника.

2.5. Технология.

2.5.1. Получение гипертекстового html-формата.

2.5.2. Создание компьютерных иллюстраций.

2.5.2.1 Создание компьютерных анимированных моделей в среде математического пакета Maple.

2.5.2.2. Моделирование движения механизмов с использованием системы автоматизированного проектирования Solid Works и программного комплекса Dynamic Designer Motion.

2.6. Реализация дистанционной версии в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем».

Выводы по второй главе.

Глава 3. Структура, содержание, программная реализация приложения «Тесты и задачи».

3.1. Структура, содержание приложения «Тесты и задачи».

3.2. Технология.

3.2.1. Программная реализация блока самоконтроля приложения «Тесты и задачи».

3.2.2. Реализация приложения «Тесты и задачи» в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем».

3.3. Классификация видов заданий приложения «Тесты и задачи».

3.4. Навигация и структура окон приложения «Тесты и задачи»

3.5. Методика проведения пошагового контроля знаний. ф 3.6. Результаты базового тестирования.

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Практикум. Методика обучения решению задач.

4.1. Постановка проблемы. Варианты компьютерных практикумов.

4.2. Структура и содержание расчетного практикума по теоретической механике.

4.3. Технология и навигация.

Выводы по четвертой главе.

Одной из наиболее актуальных и характерных особенностей современного общественного прогресса стала широкая компьютеризация, основанная на развитии и применении персональных компьютеров, телекоммуникационных средств связи и соответствующих программных средств, предназначенных для решения разнообразных задач из различных областей человеческой деятельности.

Распространение компьютеров нового поколения, расширение возможностей персональных компьютеров, применение развитых средств телекоммуникационной связи создали условия для их привлечения к активизации учебного процесса - созданию на их основе компьютерных обучающих средств. При этом наибольшее значение приобретают такие современные технологии, как технология визуального моделирования, технология контроля и тестирования знаний, гипертекстовая, мультимедиа, гипермедиа технологии, и в особенности - сетевая технология [16, 22].

Современные социально-экономические условия в России и за рубежом характеризуются возросшим спросом на образовательные услуги, зачастую предоставляемые параллельно с профессиональной деятельностью. При этом особую социальную значимость приобретает дистанционное обучение, предоставляющее различным слоям населения возможность освоения образовательных программ в образовательных учреждениях высшего, среднего и дополнительного профессионального образования.

Дистанционное обучение обеспечивается применением совокупности образовательных технологий, при которых взаимодействие обучаемого и преподавателя осуществляется независимо от места их нахождения и распределения во времени на основе педагогически организованных информационных технологий, прежде всего с использованием средств телекоммуникации [28].

В практике дистанционного обучения наибольшее распространение получила сетевая технология, базирующаяся на использовании сети Интернет и обеспечивающая возможность обучения в удобном месте, по индивидуальному расписанию, используя информационные ресурсы удаленного на значительное расстояние учебного заведения, имея постоянный контакт с преподавателем, студентами и администрацией с использованием современных средств телекоммуникаций и технологий оперативной компьютерной связи.

Согласно [78], дистанционное обучение - это универсальная форма обучения, базирующаяся на использовании широкого спектра традиционных, новых информационных и телекоммуникационных технологий, которые создают условия для обучаемого свободного выбора образовательных дисциплин, диалогового обмена с преподавателем, при этом процесс обучения не зависит от расположения обучаемого в пространстве и времени.

Характерными чертами дистанционного обучения через Интернет являются [22, 23]:

- гибкость - возможность заниматься в удобное для студента время, в удобном месте и темпе;

- массовость - возможность одновременного, асинхронного доступа к учебной информации большого количества студентов;

- коммуникабельность - общение студентов через компьютерные сети друг с другом и с преподавателями;

- индивидуальный подход - учебный курс может адаптироваться к конкретному студенту; социальное равноправие - равные возможности получения образования независимо от места проживания, состояния здоровья, социального статуса.

Наряду с традиционными информационными ресурсами для обеспечения процесса дистанционного обучения используются следующие средства дистанционного обучения: специализированные учебники с мультимедийными сопровождениями, электронные учебно-методические комплексы, включающие электронные учебники, учебные пособия,

• тренинговые программы, компьютерные лабораторные практикумы, контрольно-тестирующие комплекты, иные материалы, предназначенные для передачи по телекоммуникационным каналам связи [28].

Тем самым развитие вычислительной техники позволяет сделать процессы обучения и процессы контроля и тестирования знаний более удобными для преподавателя и для студентов, позволяет включить новые существенные элементы обучения.

С учетом изложенного, можно сделать вывод, что тематика, связанная со становлением дистанционного образования и разработкой новых компьютерных обучающих средств для дистанционного образования, является актуальной и своевременной.

Общий обзор средств компьютерного обучения т

Практически одновременно с появлением компьютеров началось их использование в образовании, интенсивно стали разрабатываться разнообразные средства компьютерного обучения [16, 22].

Один из первых этапов в развитии средств компьютерного обучения характеризуется разработкой автоматизированных обучающих систем (например, АОСМИКРО, УРОК, КОБРА, АДОНИС, СЦЕНАРИЙ и др.), ориентированных на создание и сопровождение достаточно простых обучающих и контролирующих курсов. Как указано в [16, 51], они включают широкий набор модулей: графический и текстовый редакторы, средства выставления оценки и анализа ответов обучаемого, инструменты моделирования процессов. Опыт применения таких систем во многих

ВУЗах показывает их эффективность при использовании на автономных компьютерах и локальных вычислительных сетях [16].

Появившаяся позже гипертекстовая технология дает возможность создания интерактивного учебного материала, снабженного ссылками между различными частями, позволяющими выполнить переход к другому файлу, фрагменту файла, Web-странице. Гипертекст можно изучать, следуя смысловым связям, многими различными путями. По принципу гипертекста организованы многие электронные учебники, справочники, встроенные подсказки в компьютерных системах и т.п. [60, 68].

Стремительное расширение возможностей персональных компьютеров, широкое распространение компьютеров нового поколения, применение оптоволоконной связи создали условия как для появления, так и быстрого развития мультимедиа, гипермедиа и сетевых технологий [22].

Под мультимедиа в настоящее время понимают компьютерную информационную технологию, позволяющую объединять в компьютерной системе текст, звук, видеоизображение, графическое изображение, анимацию [72, 73]. В общем случае мультимедиа обогащена возможностями хранения огромных массивов информации, обладает определенной степенью интерактивности.

Мультимедиа-приложения используются во многих сферах жизни и деятельности человека, в том числе и в области образования. Образовательное мультимедиа адаптировано к потребностям учебной среды; особое место занимают обучающие мультимедиа продукты, позволяющие повысить эффективность и сократить сроки обучения [73].

Развитие компьютерных сетей и технологии мультимедиа позволило расширить возможности гипертекста и превратить его в гипермедиа-документ, т.е. гипертекстовый документ, обогащенный нетекстовыми компонентами, такими как графика, анимация, звук и видео [22].

Гипермедиа-продукты учебного назначения позволяют учащимся работать с большим объемом материала, представленного в виде текста, сопровождаемого графическими иллюстрациями, анимацией, видео, звуковыми комментариями [22].

Развивающимся направлением информатизации общества в целом и образования в частности являются сетевые телекоммуникационные технологии, открывшие, благодаря доступу к глобальной информационной сети Интернет, широкие возможности для учащихся и преподавателей. Преподаватели и обучаемые получают возможность общения друг с другом, используя такие технологии оперативной компьютерной связи, как электронная почта, on-line (синхронный режим связи) и off-line (асинхронный режим связи) телеконференции. Наличие средств телекоммуникаций делает возможным доступ к информации в базах данных, удаленных от пользователя, создает условия для ведения совместной научной работы, обмена опытом [22, 23].

В последнее время в мире все большее внимание уделяется развитию Интернет-образования. Интенсивно разрабатываются многочисленные Интернет-курсы, большинство из которых выполнено в виде гипертекста, сопровождаемого средствами мультимедиа (WWW-технология) [22].

Создание подобных курсов способно обеспечить программное средство «ОРОКС», разработанное Московским областным центром новых информационных технологий Московского государственного института электронной техники. «ОРОКС» представляет собой сетевую программную оболочку для создания обучающе-контролирующих систем и позволяет организовывать учебный процесс с помощью сетевых технологий [64]. Обучающие системы, созданные на основе «ОРОКС», позволяют обеспечить интерактивную связь преподавателя с обучаемым, тестирование, обучение и контроль знаний в режиме удаленного доступа через Интернет.

Другая система - система «WEB-TECTER» [65] (МОЦНИТ МИЭТ) -позволяет просто и оперативно создавать тестирующие и обучающие программы, осуществлять обучение и тестирование студентов с любого компьютера, подключенного к сети Интернет.

Стали появляться системы, поддерживающие Интернет-обучение и стремящиеся организовать учебный процесс в целом. Примером служат системы «Прометей» [22], «Аванта» [22], система дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем» [22, 23, 85], обеспечивающие современный уровень обучения в учебных заведениях и учебных центрах на основе применения телекоммуникаций и информационных технологий.

Рассмотрим далее состояние этого вопроса в области теоретической механики.

Обзор компьютерных обучающих средств по теоретической механике

Проведенный обзор указывает на возросший интерес к данной проблематике и актуальность выбранной темы: ведущие ВУЗы страны серьезно занимаются созданием компьютерных обучающих средств, в том числе, по теоретической механике. Первые компьютерные обучающие программы в области теоретической механики выполнены под DOS или написаны при помощи языков программирования и способны работать как приложения Windows на локальной машине (т.е. не обеспечивают возможность дистанционного обучения). Ниже рассмотрены примеры таких обучающих средств.

Одной из первых компьютерных программ в области теоретической механики можно назвать компьютерное учебное пособие "Кинематика сложного движения точки" (1993 г., ЦНИТ МГУ) [80] и компьютерную обучающую программу "Кинематика точки и абсолютно твердого тела" (1994 г., ЦНИТ МГУ) [81], работающие под управлением операционной системы DOS и предназначенные для поддержки лекций и практических занятий по курсу "Теоретическая механика" в технических вузах, университетах и техникумах. Позволяют проводить простейшие компьютерные эксперименты, использование средств компьютерной мультипликации придает наглядность используемым механическим моделям.

Аналогичной разработкой, но предназначенной для самостоятельной работы обучаемых с учебным материалом по теоретической механике, является компьютерный тренажер "Кинематика точки" "ТР-ТМК" (1995 г.,

ЦНИТ) [83]. При работе с тренажером обучаемому предоставляется возможность проводить исследования, изменять начальные условия и следить за изменениями кинематических характеристик (демонстрируется построение траектории, характер изменения вектора скорости и вектора ускорения и их проекций). По ходу исследования обучаемому предлагается ответить на ряд контрольных вопросов.

В 1991 - 1995 г.г. в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова и Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН Ю.Ф. Голубевым, В.Е. Павловским с соавторами разработан компьютерный учебник по теоретической механике [82], предназначенный для самообучения и проведения семинарских занятий в ВУЗах. В состав учебника входят справочный теоретический материал, эталонные образцы решения задач, контрольные вопросы для самопроверки с подсчетом балла в качестве оценки усвоения материала, задачник и система диагностики знаний. Учебник допускает использование средств мультимедиа.

Можно также отметить работающую под управлением операционной системы DOS автоматизированную обучающую систему "Кинематика" [61], созданную в Брянской государственной инженерно-технологической академии, предназначенную для обучения и контроля знаний студентов инженерных вузов. Она написана в инструментальной среде "АДОНИС" (версия 1.4), излагаемый материал сопровождается иллюстрациями и мультипликациями.

Кафедра теоретической механики Московского Энергетического Института (технического университета) уделяет особое внимание средствам, способным упростить и сделать более наглядным процесс обучения студентов теоретической механике [94]. Для ряда разделов курса теоретической механики авторами А.В. Корецким, Н.В. Осадченко и другими созданы обладающие достаточно широкими возможностями обучающие программы:

- stevin - обучающая программа по статике систем твердых тел;

- robby - предназначена для изучении кинематики плоскопараллельного движения системы твердых тел;

• -dp - обучающая программа по динамике, используемая при выполнении типового расчета "Динамика материальной точки";

- dr - обучающая программа по динамике, используемая при выполнении студентами типового расчета по теме "Динамика твердого тела с неподвижной осью вращения";

- dk - обучающая программа по динамике, используемая при выполнении типового расчета "Динамика машин с кулисным приводом" (предусматривает развитие навыков составления уравнений движения механических систем в форме уравнений Лагранжа 2-го рода), и др.

В среде визуального объектно-ориентированного программирования Delphi создана компьютерная программа-тренажер по решению задач теоретической механики (раздел «Статика») [76], разработанная в Новосибирской государственной академии водного транспорта. Программа может работать как Windows-приложение вне среды Delphi. Позволяет получить навыки в решении типовых задач по основным темам раздела "Статика", предназначена для студентов высших учебных заведений и лиц, самостоятельно изучающих основы теоретической механики.

В Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности, кафедрой теоретической механики и ТММ ведется работа по созданию обучающих компьютерных программ, и в среде Delphi разработан пакет программ по теоретической механике, включающий лекционный материал, задачи трех уровней сложности по всем изучаемым разделам, помощь в решении задач на стадии самостоятельной проработки изучаемого материала, таймер для фиксации времени решения. Программы используются в учебном процессе при проведении аудиторных практических занятий, а также экзамена по курсу.

Отметим, что среди работ в области создания электронных учебников по теоретической механике появляются примеры систем, предназначенных для работы с ними посредством глобальной сети Интернет.

Так, можно назвать «Курс теоретической механики» [59], разработанный на кафедре теоретической физики и механики Санкт-Петербургского Института Точной Механики и Оптики (СПбГИТМО, или технического университета) авторами Г.И. Мельниковым, А.Г. Кривошеевым. Курс представлен разделом «Кинематика», в который входит глава «Кинематика точки», состоящая из параграфов «Векторный способ задания движения точки», «Координатный способ задания движения точки», «Естественный способ задания движения точки», «Скорость и ускорение точки в полярных координатах». Структура электронного учебника реализована в форме матрицы, по вертикали содержащей разделы учебника, а по горизонтали - уровни изложения.

Имеется курс теоретической механики [66], разработанный на кафедре механики и процессов управления Пермского университета, включающий лекционный материал, банк учебных задач и систему текущего контроля усвоения материала. Программа позволяет обучаемому посмотреть интересующий его материал учебника и проверить свои знания, решив ряд задач и ответив на вопросы.

В Тульском государственном университете создана система, предназначенная для использования в учебном процессе посредством сети Интернет. Одной из составных частей системы является учебно-методический комплекс по теоретической механике [67]. Компьютерное обучение с использованием системы дистанционного образования состоит в изучении разделенного на отдельные модули теоретического материала по электронному учебнику, в тестировании по материалу каждого модуля в режимах самопроверки и контроля (тесты с выбором ответа), а также в наработке практических навыков решения задач по электронному задачнику в сочетании с выполнением контрольных работ.

В Московском Энергетическом Институте (техническом университете) можно отметить также обучающий курс по теоретической механике [71], предназначенный для проведения контрольно-обучающих мероприятий и ориентированный на использование глобальной сети Интернет. Курс разработан авторами А.И. Кобриным и В.Г. Кузьменко.

В Воронежской государственной технологической академии разработан тест [84] по теоретической механике, содержащий 200 задач. Работа с тестом осуществляется с любого компьютера, подключенного к сети Интернет.

Кроме того, следует отметить большое количество учебных материалов для школьников и поступающих в ВУЗы по физике, в которые входят основные разделы механики «Статика», «Кинематика» и «Динамика». Среди таких работ особого внимания заслуживают:

1) обучающая мультимедиа-программа нового поколения "Открытая физика 2.0" [95] (ФИЗИКОН), в которой использованы Интернет-технологии, что позволяет ее использовать в проектах дистанционного образования. Первая часть курса "Открытая физика 2.0" включает разделы: механика, механические колебания и волны. Каждая излагаемая в учебнике тема сопровождается подборкой задач, часть которых снабжена решениями или подробными указаниями, чтобы напомнить пользователю методику решений. Другая часть предназначена для самостоятельного решения и самопроверки. Наряду с обычным традиционными задачами в курс включено значительное количество тестовых задач, в которых предлагается выбрать правильный ответ из целой серии возможных ответов;

2) программа «Универсальный Механизм - Юниор vl.O», позволяющая описывать плоские механические системы, а также моделировать и исследовать их поведение [96];

3) обучающая программа "Физика в анимациях", подготовленная в виде набора HTML-файлов, подобных сайту в Интернете. Она содержит трёхмерные визуализации и анимации по волнам, механике, оптике, термодинамике. Все анимации сопровождаются теоретическими объяснениями и ссылками на соответствующие учебники.

Анализ компьютерных обучающих программ.

Электронный Интернет-учебник, его типовые возможности

Анализ публикаций по применению информационных технологий в образовании показал, что ввиду огромного многообразия и специфики использования для различных дисциплин и различных видов учебных заведений, в настоящее время нет точной общепризнанной классификации компьютерных обучающих программ, однако, в зависимости от вида их использования на занятиях возможно условное деление следующим образом [14, 15 16, 22, 23]: демонстрационные программы, обучающие программы, программные средства для математического и имитационного моделирования, программные средства для контроля/тестирования уровня знаний, тренажеры, информационно-справочные системы, автоматизированные обучающие системы, электронные учебники, экспертные обучающие системы, интеллектуальные обучающие системы.

Особое место в этом ряду занимают электронные учебники [15, 16, 22, 23] - обучающие программные системы комплексного назначения, предоставляющие обучаемому теоретический материал, обеспечивающие тренировочную учебную деятельность и контроль уровня знаний, а также информационно-поисковую деятельность, математическое и имитационное моделирование с компьютерной визуализацией и сервисные функции при условии осуществления интерактивной обратной связи.

Остановимся подробнее на основных свойствах электронных учебников, как локальных, так и сетевых.

Электронный учебник, также как и традиционный «бумажный», включает в себя, прежде всего, учебный материал, содержащий основные данные об изучаемом предмете; вместе с тем, электронный учебник имеет ряд отличительных особенностей, которые определяют его преимущества по сравнению с традиционной книгой:

• моделирование и имитация изучаемых процессов и явлений',

• демонстрация визуальной учебной информации: использование цветных изображений служит для наглядного представления материала, облегчает его понимание и запоминание. Компьютерная анимация позволяет увеличить скорость передачи информации обучаемому и повысить уровень ее понимания; демонстрирует, как протекают явления и процессы, описываемые в учебнике, способствует наглядному представлению принципов работы изучаемых механизмов, позволяет учащемуся сформировать образные представления, проникнуть в суть изучаемых явлений и процессов;

• звуковое сопровождение является дополнительным методом передачи информации, позволяет лучше воспринимать изучаемый материал, обогатить его комментариями преподавателя и акцентировать внимание студентов в местах, требующих дополнительного пояснения [16];

• видео - более полным образом обеспечивает наглядную демонстрацию изучаемого материала, улучшает его восприятие и снижает утомляемость [16];

• возможность быстрых переходов между блоками изучаемого материала (закладки, гиперсвязи и гиперссылки, позволяющие связать информацию и выполнить переход к другому файлу, фрагменту файла, Web-странице);

• разнообразные сервисные услуги (справочная информация, калькуляторы, сохранение промежуточных результатов расчетов) избавляют обучаемого от трудоемких вычислений, выполнения рутинных операций, что ускоряет процесс выполнения задания, повышает продуктивность учебной деятельности.

Кроме рассмотренных выше возможностей, электронные учебники позволяют индивидуализировать подход и дифференцировать процесс обучения, обеспечить работу обучаемого в режиме самоконтроля, контролировать знания с диагностикой ошибок и обратной связью, проводить лабораторные работы, эксперименты и опыты в условиях виртуальной реальности [22, 23].

Сетевая эпоха, начавшаяся в образовании, породила новый вид электронных учебников - электронные Интернет-учебники, обладающие всеми качествами, присущими обычным электронным учебникам, а также имеющие дополнительные возможности, предоставляемые Web.

Для электронного Интернет-учебника типовую схему (например, такую, как в [16]) дополним возможностями Web и представим на рис. 1.1. теоретический материал задачник лабораторные работы эксперименты практикум e-mail интерактивная связь (on-line, off-line конференции, chat, др.)

Возможности Web /

4 использование ресурсов сети Интернет

Рис. 1 А. Типовые возможности электронного Интернет-учебника

Первый тип (смысловые элементы): объединяет возможности, позволяющие изучить теоретический материал дисциплины, закрепить полученные знания решением задач и выполнением расчетных работ, проведением компьютерных экспериментов, прохождением промежуточного и итогового контроля; приближает работу с электронным учебником к традиционному процессу обучения [16].

Второй тип (возможности мультимедиа): включает сопровождение учебного материала с помощью видео, звука, анимации, графики, что позволяет повысить наглядность излагаемого материала и интерес к обучению.

Третий тип (интерфейс, сервисные услуги)', относятся возможности, определяющие структуру компьютерной обучающей системы и интерфейс с пользователем - возможность организации многоуровневой системы меню, многооконного интерфейса, системы гипертекстовых переходов, поиск по тексту, различные сервисные услуги (справка, калькулятор, сохранение промежуточных результатов вычисления и др.).

Четвертый тип (возможности Web): обеспечивают интерактивную связь обучаемого и преподавателя через Интернет (от простой электронной почты до организации off-line или on-line конференций), организацию поиска учебной и научной информации в сети Интернет, использование ссылок на работы ученых во всем мире и др. возможности [22, 23].

Из сказанного можно сделать следующие выводы.

При создании компьютерной обучающей системы по теоретической механике для технических ВУЗов в виде электронного Интернет-учебника должны быть обеспечены рассмотренные выше типовые возможности. Особое внимание следует уделить возможностям мультимедиа, а именно созданию компьютерных анимированных моделей, которые наглядно покажут обучаемым полный цикл движения механизмов, что важно для технических ВУЗов. Четвертый тип возможностей (возможности Web) накладывают дополнительные условия на выбор основных форматов электронного Интернет-учебника и технологии;должна быть обеспечена не только взаимная совместимость, но и совместимость с Интернет.

Решение этих вопросов рассмотрено отдельно для каждого программного приложения электронного учебника по соответствующим т главам.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Во введении обсуждается современное состояние и актуальность проблем, рассматриваемых в диссертации. Выполнен обзор основных этапов развития средств компьютерного обучения, показаны перспективные направления в области создания компьютерных обучающих программ, приведен обзор разработок в области теоретической механики. Сформулирована цель работы, определяются предмет, задачи и методы исследования. Перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основании проведенного анализа построена общая концепция дистанционной обучающей системы, выполненной в виде электронного Интернет-учебника по теоретической механике для технических ВУЗов, в том числе, разработана структура учебника, двух его версий (локальной и дистанционной) и программных приложений, включающих теоретический материал с примерами решения типовых задач, проверку знаний обучаемого посредством выполнения тестовых заданий и решения задач, выполнение компьютерных расчетно-графических работ.

Во второй главе рассмотрены структура и содержание приложения «Теоретический материал» электронного Интернет-учебника по теоретической механике; описан комплексный расчет механизмов (на примере кривошипно-шатунного механизма), начиная от общих принципов составления расчетных схем до вопросов прочности. Рассмотрены некоторые аспекты программной реализации приложения «Теоретический материал» электронного Интернет-учебника, создание компьютерных анимированных моделей реальных механизмов, построенных на основе математических моделей. Описаны основные этапы реализации дистанционной версии электронного учебника в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем». т В третьей главе разработаны структура и содержание приложения

Тесты и задачи", описана реализация в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем». Разработана методика пошагового контроля знаний, приведена классификация используемых заданий, показана структура окон и организация навигации.

В четвертой главе разработаны структура, содержание расчетного практикума по теоретической механике, состоящего из набора компьютерных расчетно-графических работ, тематически подобранных в соответствии с этапами комплексного расчета механизмов. Рассмотрена технология и реализация приложения «Практикум» в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем».

В заключении приведена общая характеристика работы, перечислены основные результаты, определены направления дальнейшего развития разработанного электронного Интернет-учебника по теоретической механике для технических ВУЗов. Проведен анализ апробаций разработанного электронного Интернет-учебника, показаны выявленные характеристики системы, даны общие выводы и рекомендации.

Апробация. Основные результаты работы обсуждались на научных семинарах, форумах, конференциях, в том числе: V Международной конференции «Информатика. Образование. Экология и здоровье человека», Астрахань, 2000 г.; Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», Новочеркасск, 2000 г.; Международной научной конференции, посвященной 70-летию АГТУ, Астрахань, 2001 г.; Международном форуме по проблемам науки, техники и образования, Москва, 2001 г.; научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин», Астрахань, 2002 г.; международном симпозиуме «Надежность и качество», Пенза, 2002 г., и др.

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

1. Разработана общая концепция построения дистанционной обучающей системы по теоретической механике, выполненной в виде электронного Интернет-учебника, состоящего из двух версий (локальной и дистанционной) и приложений, содержащих теоретический материал, модуль контроля знаний, расчетный компьютерный практикум.

2. В учебник по теоретической механике введен раздел «Расчет механизмов» с описанием комплексного расчета механизмов, начиная от составления расчетной схемы до прочностных расчетов звеньев механизмов.

3. Выполнено обоснование выбора основных форматов для подготовки учебного материала, содержащего текстовую информацию, иллюстрации, компьютерные анимированные модели, модули самоконтроля и контроля знаний, компьютерный расчетный практикум с учетом совместимости выбранных форматов и возможности их передачи по сети Интернет. Произведен подбор программных средств для получения выбранных форматов, создания анимированных компьютерных моделей механизмов, построенных на основе математических моделей и иллюстрирующих полный цикл движения механизмов. 4. Реализована дистанционная версия электронного Интернет-учебника в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем»: формирование общего массива элементов знаний по механике, создание на его основе механических курсов с разной структурой, содержанием, назначением в соответствии со специальностью, ГОСом, рабочей программой. Реализована также локальная версия электронного учебника, аналогичная дистанционной версии.

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

Одним из таких направлений должна стать разработка объединенного дистанционного программного комплекса по механике, состоящего из электронных Интернет-учебников по теоретической механике для технических ВУЗов, прикладной механике, технической механике, теоретической механике в классическом изложении, учебников по сопротивлению материалов, деталям машин, теории механизмов и машин и др.

Представляется целесообразной дальнейшая работа над усовершенствованием дополнительных приложений - «Тесты и задачи» и «Практикум»:

- разработка банка заданий разных групп сложности, а также заданий, обеспечивающих межтематическое тестирование по всем основным разделам курса теоретической механики и итоговый контроль (а также постконтроль) знаний студентов, завершивших изучение курса. Последнее позволит регулярно контролировать знаний выпускников и, при необходимости, поддерживать требуемый уровень этих знаний;

- расширение набора расчетно-графических работ, создание расчетно-графических работ для большего числа механизмов и по большему количеству тем, совмещении виртуального эксперимента и расчетного практикума.

Также в дальнейшие планы входит работа над усовершенствованием и расширением мультимедийных возможностей электронного Интернет-учебника - включение звукового сопровождения, видеофрагментов, увеличение числа анимированных компьютерных моделей механизмов.

В качестве результатов диссертационной работы можно назвать также апробацию разработанного электронного Интернет-учебника по теоретической механике для технических ВУЗов с выявлением следующих основных характеристик.

Объем материала, заложенного в дистанционную обучающую систему «Теоретическая механика для технических ВУЗов», соответствует 88-часовой программе изучения курса теоретической механики для технических ВУЗов. Из них 40 часов отведено изучению теоретического материала, 14 часов - на выполнение расчетно-графических работ, 22 часа - работа с тестами и задачами (в том числе, промежуточный и итоговый контроль знаний), 12 часов -семинары.

Среднее контактное время работы с системой -1 — 1,5 часа на каждое занятие курса, при этом при повторных сеансах работы с системой это время уменьшается. Среднее время прохождения итогового теста по курсу — 1,5 часа.

Средний оценочный балл по занятиям составляет 60 - 70 % от возможного максимума, что свидетельствует о достаточно высоком уровне сложности поставленных вопросов.

Благодаря многочисленным иллюстрациям к курсу, система легко и быстро осваивается пользователями. Использование анимированных моделей, иллюстрирующих движение механических систем, в частности, полный цикл движения механизмов с показом того, как при движении механизма меняются векторы скоростей и ускорений, положения мгновенных центров скоростей звеньев и т.п., помогает обучаемым лучше понять и запомнить материал.

Электронный учебник «Теоретическая механика для технических ВУЗов» может быть полезен:

- студентам для самостоятельного изучения курса теоретической механики и при подготовке к зачетам и экзаменам;

- студентам дистанционной формы обучения;

- преподавателям при ведении занятий и при обучении на ФПК;

- преподавателям, разрабатывающим электронные курсы по механическим дисциплинам для разных специальностей (в соответствии с ГОСами, рабочими программами этих специальностей).

По результатам проведенных испытаний можно сделать следующие выводы: электронный Интернет-учебник «Теоретическая механика для технических ВУЗов» является эффективным средством для изучения теоретической механики для технических ВУЗов и его целесообразно использовать в учебном процессе.

С учетом сделанных в ходе испытаний учебника предложений по. его доработке и расширению базовая версия учебника доработана и подготовлена к опытной эксплуатации.

131

Заключение

В результате исследований, выполненных в диссертации, были сформулированы и реализованы в виде программного комплекса принципы создания дистанционной обучающей системы по теоретической механике. На их основе создана дистанционная обучающая система по теоретической механике, представляющая собой электронный Интернет-учебник комплексного методического назначения, включающий теоретический материал, модуль для проверки знаний посредством решения тестовых заданий и задач, расчетный практикум и объединяющий две версии - локальную и дистанционную.

1. Арлазоров М. Жуковский. М.: Машиностроение, 1964. 218 с.

2. Баранов Г.Г. Курс теории механизмов и машин. М.: Машиностроение, 1975. 494 с.

3. Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю., Кельзон А.С. Теоретическая механика в примерах и задачах.Т. 1. М.: Наука, 1986. 560 с.

4. Бондаренко С.М. Проблема формирования познавательного интереса при классно-групповом и программированном обучении: по материалам психолого-педагогической литературы // Вопросы алгоритмизации и программирования обучения. М., 1973.

5. Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Курс теоретической механики. СПб.: Лань, 1998. 446 с.

6. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судостроение, 1977. 392 с.

7. Воронина Т. П., Кашицин В.П., Молчанова О.П. Образование в эпоху новых информационных технологий. М.: Информатик, 1995. 220 с.

8. Григорьян А.Т. Механика от античности до наших дней. М.: Наука, 1974.

9. Гузенков П.Г. Детали машин. М.: Высш. школа, 1982. 351 с.

10. Дубина А.Г. Машиностроительные расчеты в среде Excel 97/2000. СПб.: БХВ Санкт-Петербург, 2000. 416 с.

11. Еремьянц В.Э. Построение и анализ динамических моделей механизмов. Бишкек, 2000. 48 с.

12. П.Дьяконов В.П. Maple 7. Учебный курс. СПб.: Питер, 2002. 672 с.

13. Зайнутдинова Л.Х. Психолого-педагогические требования к электронным учебникам (на примере общетехнических дисциплин). Астрахань: Изд-во АГТУ, 1999. 71 с.

14. Зайнутдинова Л.Х. Создание и применение электронных учебников (на примере общетехнических дисциплин). Астрахань: ЦНТЭП, 1999. 363 с.

15. Ионова Ю.Н. Методическое, алгоритмическое, программное обеспечение электронного учебника по теоретической механике: дис. . канд. физ.-мат. наук: 01.02.01.-М., 1995,- 151 е.: ил. Библиогр.: с. 138-140.

16. Тихоненко А.В. Использование компьютерного моделирования процессов различной степени реалистичности в курсе физики // Пирамида-Мах1ма, 2001, № 2.

17. Капранов И.В. Методы решения, задач на принцип виртуальных перемещений. Московский лесотехнический институт, М., 1978.

18. Космодемьянский А.А. Очерки по истории механики. М.: Просвещение, 1964. 198 с.

19. Крук Б.И., Журавлева О.Б. Компьютерные технологии: итеративная обучающая программа // Межвузовский сборник научных трудов "Информатизация образования". Новосибирск, 1994.

20. Крук Б.И., Журавлева О.Б., Калачев И.В. Электронный учебник как средство субъективно-объективного инфовзаимодействия в процессе обучения // Научный сборник "Проблемы инфовзаимодействия". Новосибирск, 1995.

21. Курганская Г.С. Модели, методы и технология дифференцированного обучения на базе Интернет. Автореф. дис. . д-ра физ.-мат. наук : 05.13.11. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2000.

22. Курганская Г.С. Система дифференцированного обучения через Интернет. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2000. 103 с.

23. Курсовое проектирование деталей машин / Отв. ред. Кудрявцев В.Н. Л.: Машиностроение, 1984. 400 с.

24. Локтев В.И. Сравнительные задачи и вопросы по теоретической механике. Астрахань: Изд-во АГТУ, 1999. 195 с.

25. Мальгина Е.В., Мальгин Ю.В. Холодильные машины и установки. М.: Пищевая промышленность, 1973. 668 с.

26. Матросов А.В. Maple 6. Решение задач высшей математики и механики. СПб: 6-БХВ-Петербург, 2001. 528 с.

27. Методика применения дистанционных образовательных технологий (дистанционного обучения) в образовательных учреждения высшего, среднего и дополнительного профессионального образования РФ. Поиск, №4 2003.

28. Механика машин. И.И. Вульфсон, М.Л. Ерихов, М.З. Коловский и др. / Под ред. Г.А. Смирнова. М.: Высшая школа, 1996. 511с.

29. Мещерский И.В. Сборник задач по теоретической механике. М.: Наука, 1986. 447 с.

30. Миронов А.И. Методические указания к выполнению РПР «Расчет на прочность коленвала». Астрахань: АГТУ, 2002. 32 с.

31. Невенчанная Т.О., Павловский В.Е., Пономарева Е.В. Комплексный расчет механизмов в дистанционном Интернет-учебнике по теоретической механике. II международная конференция «Проблемы механики современных машин». Улан-Удэ, 2003. (вттелахи)

32. Невенчанная Т.О., Павловский В.Е., Пономарева Е.В. Комплексный расчет механизмов в электронном учебнике по теоретической механике: Препринт Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН № М., 2003. с.

33. Невенчанная Т.О., Пономарева Е.В. Анализ программ для создания электронного учебника по теоретической механике. Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования / Под ред. В.П. Савиных, В.В. Вишневского. М. 2001. с.124 126.

34. Невенчанная Т.О., Пономарева Е.В., Митин А.Ю. Роль компьютерного моделирования в теоретической механике. Надежность и качество. Трудымеждународного симпозиума / Отв. ред. Юрков Н.К. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002. 503 с. с. 145 146.

35. Никитин Н.Н. Курс теоретической механики. М.: Высшая школа, 1990. 607 с.

36. Новые информационные технологии в преподавании электротехнических дисциплин (НИТЭ 98): Материалы четвертой Международной научно -методической конференции, 21-26 сентября 1998г. Астрахань: Изд - во АГТУ, 1998.

37. Павловский В.Е., Невенчанная Т.О., Курганская Г.С., Пономарева Е.В. Концепция, структура, программная реализация электронного Интернет-учебника: Препринт Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН № . М., 2003. с.

38. Павловский В.Е., Нечаева Е.С., Голубева Ю.Н. Методика тестирования знаний в компьютерной обучающей системе. Препринт Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН № 25. М., 2000.

39. Пластинин П.И. Теория и расчет поршневых компрессоров. М.: ВО "Агропромиздат", 1987.271 с.

40. Манзон Б.М. Maple V Power Edition. М.: ИИД "Филинъ", 1998. 240 с.

41. Поршневые компрессоры / Отв. ред. С.Е. Захаренко. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1961. 454 с.

42. Поспелов Г.А. Руководство по курсовому и дипломному проектированию по холодильным и компрессорным машинам. М.: Машиностроение, 1986. 264 с.

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

44. Сборник задач по теоретической механике. / Отв. ред. К.С. Колесников. М.: Наука, 1989. 446 с.

45. Сборник задач по теоретической механике. / Отв. ред. Н.А. Бражниченко. М.: Наука, 1989. 231 с.

46. Сборник коротких задач по теоретической механике. / Отв. ред. О.Э. Кепе. М.: Высшая школа, 1989. 368с.

47. Сборник заданий для курсовых работ по теоретической механике / Под общ. ред. А.А. Яблонского. М.: Высшая школа, 1978. 388 с.

48. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики: Учеб. для втузов. М.: Высшая школа, 1998. 416 с.

49. Учебные задания по теоретической механике. Ч. 4. Аналитическая механика / Под ред. В.Д. Малянова, С.М. Филипповского. Астрахань, 1982. 96 с.

50. Яковлева М.Ю., Яковлев П.В. Методические указания "Тестовые технологии в процессе обучения". Астрахань: Изд-во АГТУ, 2002. 28 с.

51. Хортонен Л.С. Методические рекомендации по разработке и применению педагогических тестов. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2001. 40 с.

52. Невенчанная Т.О. О проблемах фундаментальной механической подготовки студентов.//Университетская газета, №4. Астрахань: Изд-во АГТУ, 1999. 3 с.

53. Агранович Б.Л., Чучалин А.И., Соловьев М.А. Инновационное инженерное образование // Журнал ассоциации инженерного образования России "Инженерное образование", выпуск 1, 2003.90. http://www.buk.irk.ru:8100/1 ibrary/6.shtm 1

54. Биркгоф Г., Барти Т. Современная прикладная алгебра. / Пер. с английского Ю.М. Монина. М.: Мир, 1976.

55. Курганская Г.С. Математическое и программное обеспечение системы сопоставительной оценки //Доклады Всесоюзного семинара. Томск, 1990.

56. Keegan D. The foundation of distance education.- L. Groom Helm, 1986.94. http://tenriech.inpci.ac.ru/program/program r.html95. http://coinp.zood.ru/zmain08/zh/z972.html96. http://soft-2003.narod.ru/educ/61 17.htm