Введение

Применение компьютерной техники в учебном процессе является мощным средством активизации познавательной деятельности студентов, расширения поля их самостоятельной работы. Развивающее и творческое обучение достигается за счет интерактивности взаимодействия обучаемого с компьютерной программой, за счет анализа получаемой самостоятельно информации и формулирования выводов по работе.

В последние годы Минобразования России огромное внимание уделяет проблеме информатизации образования. Постановлением Правительства РФ от 28.08.2001 г. № 630 утверждена Федеральная целевая программа «Развитие единой образовательной информационной среды (2001–2005 гг.)». Одной из главных целей программы является «создание условий для поэтапного перехода к новому уровню образования на основе информационных технологий». Так в показатели аккредитации вузов включен показатель наличия электронной библиотеки. Необходимо не только наполнять электронными изданиями электронные библиотеки, но и создавать образовательную информационную среду.

Неотъемлемыми частями электронных изданий являются виртуальные модели, тренажеры и лаборатории.

Классификация виртуальных моделей, тренажеров и лабораторий

Чтобы понять, какое место занимают виртуальные модели, тренажеры и лаборатории, необходимо провести классификацию, основанную на их возможностях [1, 2].

1. Интерактивные демонстрации.В основном программы этого вида являются частью электронных учебников и играют роль либо вспомогательного средства для восприятия учебного материала, либо средства для наглядной демонстрации какого-либо эксперимента. Программы содержат небольшое число элементов интерактивности, но в то же самое время у спешно выполняют функции по показу проведения экспериментов.
2. Простые модели.Зачастую основной целью программ данного вида является описание какого-либо научного опыта. Созданные модели представляют собой набор лабораторных работ или исследований, объединенных по некоторому признаку. Коллекция простых моделей является полноценной виртуальной компьютерной лабораторией. Особенностью простых моделей является относительная простота их создания, так как в них представлен один простой процесс, описываемый одной или несколькими математическими формулами. Другой отличительной особенностью является то, что различные модели могут создаваться независимо разными программистами. Эти качества обуславливают распространенность простых моделей. При этом следует учитывать, что минусами подхода являются:
   • трудность расширения (при попытке включения в курс новой лабораторной работы требуется привлекать программиста, по существу создавая новую модель практически с нуля);
   • невозможность объединения моделей (две модели из различных лабораторных работ являются полностью обособленными и не могут взаимодействовать, описывая новое явление);
   • ограниченность обучающегося в действиях.

   Примерами виртуальных компьютерных лабораторий этого вида являются:

   • виртуальная лаборатория по общей физике (ИДО ТГУ)(http://ido.tsu.ru/russian/course.phtml?c=13&n=1);
   • компьютерный лабораторный практикум по физике (МГТА)(http://www.bitpro.ru/ITO/2001/ito/II/1/II-1-36.html).
3. Универсальные лаборатории для класса явлений.Программы данного вида имеют в основе своего функционирования мощный математический аппарат и соответственно являются сложными моделирующими системами. Универсальность таких систем обеспечивается системным подходом к моделированию и разработке моделей. Благодаря своим возможностям виртуальные компьютерные лаборатории могут быть используемы для реальных научных или производственных расчетов. Особенностью универсальных лабораторий является ярко выраженный компонентный подход. Благодаря своим характеристикам, на основе универсальных лабораторий существует возможность создавать не только сложные модели, но и достаточно простые, которые по силам для разработки одним программистом. Примерами относительно простой лаборатории, предназначенной для использования в образовательных целях, являются:
   • СhemLab for Windows от Model Science Software (http://modelscience.com);
   • «Живая» физика (http://www.int-edu.ru/soft/);
   • Сrocodile Chemistry от Crocodile Clips Ltd(http://www.crocodileclips.com/chem.htm).

   Примерами виртуальной лаборатории, предназначенной для использования в научных целях, являются:

   • Интернет-ориентированная кроссплатформенная интерактивная система визуализации математических моделей (http://mathmod.aspu.ru);
   • лаборатория исследования океана (http://gis.poi.dvo.ru/);
   • виртуальная лаборатория ядерной физики (http://nrv.jinr.ru/nrv/).

   Основными плюсами универсальных компьютерных лабораторий являются:

   • простота расширения (в составе программ этого типа имеются средства для добавления новых компонентов);
   • возможность объединения компонентов для построения большого количества моделей различных экспериментов.
4. Универсальные лаборатории.В возможности данных программ заложено использование в одном эксперименте явлений различной природы.Примерами лабораторий этого вида являются:
   • Crocodile Physics от Crocodile Clips Ltd (http://www.crocodileclips.com/phys.htm);
   • Electronics Workbench (http://www.interactiv.com);
   • система моделирования МАРС (ТУСУР) (http://toe.tusur.ru/index.php?id=8).

   В качестве примеров универсальных программных комплексов, пригодных для построения виртуальных лабораторий, охватывающих конкретную предметную область, можно привести:

   • MathCAD – универсальный пакет для проведения математических и инженерных расчетов, пользующийся широким признанием среди специалистов;
   • MATLAB with SIMULINK (MathWorks Inc.) – самый развитый по своим функциональным и интерфейсным возможностям ПК для моделирования и анализа систем автоматического управления;
   • LabVIEW BasePackage – среда графического программирования;
   • FutureLab (http://www.simulations-plus.com/futurelab/index.html).
5. Имитационные лаборатории.Стержнем имитационной лаборатории является возможность моделировать абсолютно любые процессы или явления и реализовать такие эксперименты, которые в реальной жизни недостижимы из-за больших затрат на их проведение или по причине невозможности создания необходимых условий для проведения эксперимента. В ходе выполнения эксперимента существует возможность использования явлений и процессов различной природы, а также возможность применения методов оптимизации эксперимента. Технология основана на идеи, что исследуемая система, полностью имитируется с помощью совокупности программных средств. Этот набор программных средств должен содержать в себе как минимум: какой-либо язык имитационного моделирования (например, Siman, Simula, GPSS и др.), средства для визуального представления моделей, средства оптимизации построенной модели и средства для удобного представления результатов моделирования и оптимизации. Примерами лабораторий этого вида являются пакеты VSMPL, AnyLogic, Arena, GPSS-PC.

Постановка задачи

В настоящее время процесс разработки программного обеспечения, в том числе и процесс разработки виртуальных тренажеров и моделей, представляет собой сложный трудоемкий процесс. Участие в нем требует специальной подготовки специалистов, которые смогут реализовать поставленные перед ними задачи. При этом в образовательных процессах должны участвовать конкурентноспособные и качественные модели, правильно реализующие задачи. С качественным представлением задачи лучше всего может справиться преподаватель в данной предметной области. Проблема в том, что для того, чтобы реализовать модель самостоятельно, преподавателю необходимо иметь навыки использования специализированных программных средств.

Решение этой проблемы возможно двумя способами:

• представление модели специалистам, реализующим ее, и совместная многократная поправка реализованной модели преподавателем и специалистами;
• использование среды, которая позволит преподавателю без наличия специализированных знаний реализовывать какие-либо виртуальные модели.

Из приведенной классификации можно выделить два класса: интерактивная демонстрация и простые модели. Создание объектов этих классов возможно при помощи среды, работа в которой доступна для преподавателей.

Объекты остальных классов сложны и их разработка требует непосредственного вмешательства специалистов.

Требования к функциональности. Разрабатываемая система должна обеспечивать возможность создания интерактивных демонстраций и простых моделей средствами визуального проектирования с максимально простым интерфейсом задания параметров моделей.

Требования к интерфейсу. Особенностью среды является привычность интерфейса, оформленного в стиле MS Office. Привычный интерфейс необходим для наиболее быстрой адаптации преподавателей.

Требования к выходным данным. Конечным продуктом среды, в которой будет происходить разработка, является исполняемый объект. Таким образом, преимуществом работы в такой среде является тот факт, что объекты, полученные в процессе проектирования, смогут работать самостоятельно, без использования среды проектирования.

Так как обучающие материалы расположены в web-среде, то исполняемый объект должен быть в формате, удобном для встраивания в web-содержание. Такими форматами могут выступать:

• объекты flash;
• web-страницы с использованием JavaScript;
• страницы, написанные на развивающемся языке HTML5;
• и прочие форматы.

Заключение

Предлагаемая среда позволит преподавателям самостоятельно создавать качественный программный продукт, встраиваемый в web-содержание. При этом разработка не требует многократного сотрудничества преподавателя со специалистами по реализации (программистами). Такой подход обеспечит снижение времени и трудоемкость разработки. Работа проводится в рамках магистерской диссертации.

 

ЛИТЕРАТУРА:

 

1. Стародубцев В. А. Компьютерные и мультимедийные технологии в естественнонаучном образовании / В. А. Стародубцев, Ф. В. Николаев // Томск : Дельтаплан, 2002. – 224 с.
2. Ефимов Е. Н. Построение классификации виртуальных лабораторий / Е. Н. Ефимов // Вестник ИжГТУ. – 2008. – № 1(37). – С. 115.