ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ ПРАКТИКУМОВ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ВУЗА. Лабораторных практикумов
 Скачать 200.52 Kb.
|
|
122 ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ НАУКИ Э.И. Закирова, канд. техн. наук, доцент, кафедра автоматизации, информационных и инженерных технологий, Чайковский филиал Пермского национального исследовательского политехнического университета, г. Чайковский, Россия, elya-elvira@mail.ru ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ ПРАКТИКУМОВ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ВУЗА При изучении технических дисциплин одним из вариантов закрепления теоретических поло- жений лекционного материала является экспериментальная работа студентов, состоящая в демонстрации изучаемых явлений и процессов. Сегодня многие технические вузы используют инновационные технологии, в том числе виртуальные лабораторные практикумы по различ- ным дисциплинам, так как в условиях учебных лабораторий очень сложно или невозможно вос- произвести многие явления, провести опыты. В связи с этим во многих технических вузах при организации и проведении практических занятий используются виртуальные лабораторные практикумы. При этом под понятием «виртуальный» понимается, что студент не работа- ет непосредственно с изучаемым объектом, процессом или явлением, а получает информацию о нем посредством различных компьютерных моделей. Вследствие этого возникает проблема: могут ли компьютерные аналоги заменить реальное физическое оборудование и не снизится ли при этом качество подготовки будущих специалистов? Данная статья посвящена анализу возможности и эффективности применения виртуальных лабораторных практикумов в об- разовательном процессе вуза. Главной задачей применения подобных интерактивных методов обучения является развитие навыков по постановке лабораторных экспериментов, умения анализировать поставленные задачи и полученные в ходе опытов результаты, а также при- нимать на их основе самостоятельные решения. В статье показана возможность применения подобных интерактивных технологий при изучении цикла профессиональных дисциплин сту- дентами технических вузов. Приведено теоретическое обоснование и описана методика обу- чения студентов с применением виртуальных лабораторных практикумов на примере изучения электротехнических дисциплин. Полученные результаты дают основание говорить об успеш- ности применения подобной методики при проведении занятий в технических вузах. Ключевые слова: технический вуз, активные методы обучения, лабораторные работы, вирту- альный лабораторный практикум, профессиональное обучение, образовательный стандарт, эксперимент, электротехнические дисциплины. В течение нескольких десятилетий формировались и применяются технологии обучения, основанные на непосредствен- ном взаимодействии учащихся с препо- давателями 1 . Однако в окружающем мире значительно меняются условия, в которых живут и работают миллионы людей, вслед- ствие чего традиционная образовательная система перестала удовлетворять потреб- ностям общества в получении знаний и со- вершенствовании способов и методов веде- ния образовательной деятельности. Все эти изменения связаны с переходом мирового сообщества к постиндустриальному, а затем и к информационному типу организации общества 2 Современные технологии преподавания в вузах таковы, что в процессе обучения не- обходимо одновременно формировать у сту- дентов требуемые знания, умения и навыки, 123 № 7 (59) АВГУСТ 2015 отвечающие основным целям образования в профессиональной деятельности, потреб- ность в новых знаниях и заинтересованность в изучении дисциплин 3 . При этом решение подобных задач связано с использованием мето- дов активного обучения, которые предполагают, что эффективное изу- чение чего-либо – это не простое запоминание, а активная интеллекту- альная деятельность 4 Федеральные госу- дарственные образова- тельные стандарты выс- шего образования раз- личных технических направлений подготов- ки регламентируют необходимость органи- зации в вузах учебных лабораторий и (или) возможность их замены на виртуальные ана- логи: «7.3.1. Перечень материально-техниче- ского обеспечения, необходимого для реа- лизации программы бакалавриата, включает в себя лаборатории, оснащенные лаборатор- ным оборудованием, в зависимости от степе- ни сложности. Конкретные требования к ма- териально-техническому и учебно-методиче- скому обеспечению определяются в пример- ных основных образовательных программах. В случае применения электронного обуче- ния, дистанционных образовательных тех- нологий допускается замена специально обо- рудованных помещений их виртуальными аналогами, позволяющими обучающимся осваивать умения и навыки, предусмотрен- ные профессиональной деятельностью» 5 При проведении в вузе учебных занятий используются различ- ные их формы, в том числе лекции, лабора- торные и практические работы, а также разно- образные виды само- стоятельной работы (в том числе выполнение курсовых работ и проек- тов, рефератов, индиви- дуальных заданий и др.). При изучении технических дисцип- лин не обойтись без теории, но наиболее значимым и результативным компонентом подготовки является лабораторный прак- тикум. Под ним понимается наиболее зна- чимый и результативный компонент как общепрофессиональной, так и специаль- ной подготовки в обла- сти техники и техноло- гий. Проведение лабо- раторных практикумов обосновывается необ- ходимостью выполне- ния студентами прак- тических работ с ре- альными устройствами и оборудованием (или их аналогами) для при- обретения и формиро- вания у будущих спе- циалистов необходимых навыков. Лабораторный практикум проводится в специализированных учебных лаборато- риях, поэтому эффективность данного вида занятий во многом определяется возмож- ностями учебного заведения: в оснащении учебных лабораторий современным обору- дованием, в выборе номенклатуры объектов экспериментального изучения и содержания лабораторных работ, в реализации эффек- тивных технологий выполнения работ и т. п. 6 Однако в ряде случаев проведение ла- бораторных работ на реальном физическом оборудовании невозможно (к примеру, при организации дистанционного обучения, при громоздкости оборудования и невоз- можности его размещения в стенах учебных лабораторий вузов, при невозможности де- тального изучения характеристик процессов ввиду быстротечности реакций или малых размеров графических отображений процес- сов на дисплеях прибо- ров, при невозможности рассмотреть кинемати- ку движений объектов, происходящих внутри корпусов и кожухов, а также при изучении объектов повышенной опасности, доступ к ко- торым студентов запре- щен). Поэтому в подобных ситуациях для повышения эффективности и результатив- ности образовательного процесса целесооб- разно использовать системы автоматизиро- В окружающем мире значительно меняются условия, в которых жи- вут и работают миллионы людей, вследствие чего традиционная образовательная система пере- стала удовлетворять потребностям общества в получении знаний и совершенствовании способов и методов ведения образователь- ной деятельности. Проведение лабораторных практикумов обосновывается необходимостью выполнения студентами практических работ с реальными устройствами и обо- рудованием (или их аналогами) для приобретения и формиро- вания у будущих специалистов необходимых навыков. 124 ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ НАУКИ ванных лабораторных практикумов (АЛП) 7 , каждая из которых представляет собой ком- плекс технических, программных и методи- ческих средств, обеспечивающих автомати- зированное проведение лабораторных работ и экспериментальных исследований непо- средственно на физических объектах и (или) их математических моделях. Разновидностя- ми систем АЛП являются виртуальные лабо- раторные практикумы (ВЛП), электронные лабораторные практикумы, электронные учебно-методические комплексы, электрон- ные тренажеры и другие. Таким образом, существует потребность в совершенствовании методики преподава- ния профессиональных дисциплин в техни- ческих вузах путем большего использования активных методов обучения с помощью ин- терактивных технологий. В связи с этим ав- тор представляет теоретическое обоснование и разработку методики проведения лабора- торных работ с применением ВЛП в процес- се изучения дисциплин электротехнического цикла студентами различных технических направлений подготовки в вузе. Разработанный ВЛП внедрен в учебный процесс Чайковского филиала Пермского национального исследовательского политех- нического университета и включает в себя ла- бораторные работы по трем электротехниче- ским дисциплинам: «Теоретические основы электротехники», «Электроснабжение с ос- новами электротехники» и «Электротехни- ка». Данные дисциплины читаются студентам направлений подготовки 13.03.02 (140400.62) « Э л е к т р о э н е р г е т и - ка и электротехника», 1 5 . 0 3 . 0 4 ( 2 2 0 7 0 0 . 6 2 ) «Автоматизация техно- логических процессов и производств», 09.03.01 (230100.62) «Информа- тика и вычислитель- ная техника» и 08.03.01 (270800.62) «Строитель- ство». ВЛП состоит из ла- бораторных работ по сле- дующим темам: «Опыт- ная проверка законов Кирхгофа для расчета цепей постоянного тока», «Опытная про- верка метода наложения», «Опытная про- верка теоремы об активном двухполюснике», «Определение параметров цепи переменного тока», «Исследование резонансных явлений в последовательной цепи RLC», «Резонанс токов», «Исследование линейного пассивно- го симметричного четырехполюсника», «Ис- следование нелинейных цепей постоянного тока», «Исследование трехфазной цепи при соединении фаз нагрузки звездой», «Иссле- дование трехфазной цепи при соединении фаз нагрузки треугольником», «Исследова- ние переходного процесса в цепи первого порядка», «Исследование переходного про- цесса в цепи второго порядка». Разработанный ВЛП обеспечивает сле- дующий функционал: – возможность просмотра материалов по сборке электрической цепи согласно за- данию лабораторной работы; – автоматизированное моделирование и расчет характеристик исследуемых про- цессов; – автоматизированное построение гра- фиков и векторных диаграмм; – интеграцию результатов выполнения каждой лабораторной работы в шаблоны от- четов, выполненных с использованием про- граммы Microsoft Office Word. Работа ВЛП основана на преобразова- нии исходных характеристик электрической цепи в конечные данные с помощью мате- матических моделей процессов. Математи- ческие модели выполнены в виде различных алгоритмов, оперирующих входными и вы- ходными данными. Входные данные – это начальные ха- рактеристики изучаемых процессов, представлен- ные в виде значений со- противлений, электро- движущей силы, напря- жений, токов и другого. Входной информацией являются также схемы построения электриче- ских цепей. Выходная инфор- мация – это резуль- тат работы программы, то есть те значения, ко- торые получены в результате моделирова- ния. Выходные данные представлены чис- ленными значениями. На основании вы- ходной информации заполняются таблицы, Эффективность лабораторного практикума во многом опреде- ляется возможностями учебного заведения: в оснащении учебных лабораторий современным обо- рудованием, в выборе номенкла- туры объектов экспериментально- го изучения и содержания лабо- раторных работ, в реализации эффективных технологий выпол- нения работ и т. п. 125 № 7 (59) АВГУСТ 2015 строятся векторные диаграммы, схемы и графики зависимостей физических вели- чин, а также проводится анализ полученных данных. Результаты интегрируются в отчеты по лабораторным работам. Рассмотрим принцип работы ВЛП. При запуске программы необходимо выбрать требуемую лабораторную работу из списка предложенных и в появившемся окне ввести данные для заполнения титуль- ного листа отчета. Проведение каждой лабораторной осу- ществляется в четыре этапа. На первом этапе (раздел «Подготовка к работе») студентам предлагается повторить пройденный материал (указаны учебные из- дания с номерами страниц), вписать ответы на контрольные вопросы и построить век- торные диаграммы, которые затем интегри- руются в отчет по лабораторной работе. На втором этапе (разделы «Описание лабораторной установки» и «Изображение схемы») приводится описание лаборатор- ной установки с изображением необходи- мых приборов и средств с возможностью экспериментирования непосредственно на электрической схеме. На третьем этапе (раздел «Порядок вы- полнения экспериментальной части») опи- сывается порядок проведения эксперимента. Данная часть ВЛП позволяет просмотреть материал по сборке схемы, представленный в виде презентации, выполненной с исполь- зованием программы Microsoft Office Power- Point. Имеется также возможность модели- рования изучаемого процесса по исходным характеристикам представленной схемы, значения которых могут быть изменены сту- дентами. Результаты моделирования можно сохранить в отчете по лабораторной работе в том случае, если не планируется экспери- мент с реальными приборами и устройствами. Четвертый этап (раздел «Обработка результатов»), который является самостоя- тельной работой студентов, предполагает обработку результатов измерений, но он также автоматизирован: имеется возмож- ность проведения расчета характеристик процессов, построения графиков и диа- грамм, оформления и записи полученных результатов в отчет по лабораторной работе. Таким образом, при изучении в техни- ческом вузе дисциплин, рабочие программы которых предусматривают при проведении практических занятий постановку различ- ных экспериментов, представленная мето- дика организации лабораторных работ с ис- пользованием ВЛП, способствует: – повышению степени понимания сту- дентами рассматриваемых процессов; – снижению количества учебного вре- мени, затрачиваемого на графические по- строения; – возможности сравнения полученных на модели результатов расчета с данными, снятыми на экспериментальной установке; – индивидуальному выполнению лабо- раторных работ; – возможности удаленного выполне- ния лабораторных работ. Применение подобных образователь- ных технологий возможно при всех формах организации учебного процесса, но в боль- шей степени оно присуще заочной и очно- заочной формам обучения, так как в этом случае студент получает возможность досту- па к лабораторным работам из любой гео- графической точки земного шара через Ин- тернет, что существенно расширяет образо- вательное пространство университета. Литература 1. Энгель Е.А., Шевчук С.Ф., Царев Р.Ю. Систем- ный анализ при исследовании распределенных об- разовательных сред // Современные наукоемкие технологии. 2007. № 12. С. 65–67. 2. Шевчук С.Ф. Анализ архитектуры распределен- ной информационно-образовательной среды // Современные наукоемкие технологии. 2007. № 10. С. 108–109. 3. Горленко О.А., Мирошников В.В. Согласование компетенций бакалавров и магистров с требовани- ями профессиональных стандартов // Инженерное образование. 2011. № 7. С. 68–73. 4. Закирова Э.И. Использование деловых игр в пре- подавании IT-дисциплин // Дискуссия. 2015. № 6(58). С. 142–147. 5. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 15.03.04. Автоматизация технологиче- ских процессов и производств (уровень бакалаври- ата) от 12.03.2015 г. № 200. [Электронный ресурс]. URL: http://fgosvo.ru/news/5/1072 (дата обращения 01.08.2015). 6. Информатизация образования: направления, средства, технологии: пособие для системы повы- 126 ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ НАУКИ шения квалификации / под общ. ред. С.И. Маслова. М.: Издательство МЭИ, 2004. 868 с. 7. ОСТ 9.2-98 Система разработки и постанов- ки продукции на производство. Учебная техни- ка для образовательных учреждений. Системы автоматизированного лабораторного практи- кума. Основные положения от 14.10.98 № 2610. [Электронный ресурс]. URL: http://koapp.narod. ru/pay/ty/ost/ost_9_2_98.htm (дата обращения 01.08.2015). USING VIRTUAL LABORATORY WORKSHOPS IN THE EDUCATIONAL PROCESS OF A TECHNICAL UNIVERSITY E.I. Zakirova, Candidate of technical sciences, Docent, The department of automation, information and engineering technologies, Tchaikovsky branch of Perm National Research Polytechnic University, Tchaikovsky, Russia, elya-elvira@mail.ru Today, many technical universities use innovative technologies in the educational environment, including virtual laboratory workshops on various special subjects, as many events and experiences of an educational nature are very difficult or impossible to carry out in the conditions of educational laboratories. In the study of technical disciplines one of the options for maintaining theoretical positions lecture material is an experimental work of students consists in a demonstration of the studied phenomena and processes. In this connection, many technical colleges in organizing and conducting workshops use virtual laboratory practical training sessions. Thus, the term «virtual» means that a student does not work directly with the object under study, process or phenomenon, and receives information through a variety of computer models. As a result, a problem arises: can a computer analogy to replace actual physical equipment and decreases if the quality of training of future specialists? This article analyzes the possibilities and effectiveness of virtual laboratory workshops in the educational process of university. The main objective of the use of such interactive methods of teaching is to develop skills in the formulation of laboratory experiments, the ability to analyze the tasks and obtained during the experimental results, and based on them to make independent decisions. The paper shows the possibility of using these interactive technologies in the study of the cycle of professional disciplines of students of technical universities. The paper contains the theoretical basis and describes the methodology of teaching students using the virtual laboratory practical example to study electrical engineering disciplines. The results give grounds to speak about the success of the application of such techniques during training in technical universities. Key words: technical university, active learning methods, laboratory work, a virtual laboratory workshop, vocational training, educational standard, experiment, electrical disciplines. References 1. Engel’ E.A., Shevchuk S.F., Tsarev R.Iu. Sistemnyi ana- liz pri issledovanii raspredelennykh obrazovatel’nykh sred [System analysis in the study of distributed educational en- vironments]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii – Mod- ern high technologies, 2007, no. 12, pp. 65–67. 2. Shevchuk S.F. Analiz arkhitektury raspredelennoi informatsionno-obrazovatel’noi sredy [The analysis of the architecture of the distributed information and educational environment]. Sovremennye naukoem- kie tekhnologii – Modern high technologies, 2007, no. 10, pp. 108–109. 3. Gorlenko O.A., Miroshnikov V.V. Soglasovanie kompetentsii bakalavrov i magistrov s trebovaniiami professional’nykh standartov [Harmonization of the competences of bachelors and masters with the require- ments of professional standards]. Inzhenernoe obrazo- vanie – Engineering education, 2011, no. 7, pp. 68–73. 4. Zakirova E.I. Ispol’zovanie delovykh igr v prepodava- nii IT-distsiplin [The use of business games in teaching IT subjects]. Diskussiia – Discussion, 2015, no. 6(58), pp. 142–147. 5. Federal state educational standard of higher education in the field of training 15.03.04 automation of techno- logical processes and production (bachelor level) from 12.03.2015, No. 200. (in Russian). Available at: http:// fgosvo.ru/news/5/1072 (accessed 01.08.2015). 6. Informatizatsiia obrazovaniia: napravleniia, sredstva, tekhnologii: Posobie dlia sistemy povysheniia kvalifikatsii / Pod obshch. red. S.I. Maslova [Informatization of edu- cation: trends, tools, technologies: a Handbook for the system of professional development. Ed. by S.I. Maslov]. Moscow, Izdatel’stvo MEI Publ., 2004. 868 p. 7. OST 9.2-98 System development and launch of new products. Training equipment for educational institu- tions. Automated laboratory practical work. The basic provisions dated 14.10.98 No. 2610. (in Russian). Avail- able at: http://koapp.narod.ru/pay/ty/ost/ost_9_2_98. htm (accessed 01.08.2015). |