VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Одним из наиболее перспективных направлений информатизации образования является процесс обучения с применением компьютерного моделирования (КМ). КМ можно рассматривать как универсальный, общенаучный метод познания, а также как процесс создания и исследования компьютерных моделей.

Компьютерное моделирование чаще всего используется в условиях, когда объект исследования недосягаем для субъекта познания, либо если отсутствуют аналоги в окружающей действительности. Следует различать моделирование как метод познания и моделирование как метод обучения. Основные их отличительные особенности заключаются в следующем [1]:

- меняется цель моделирования, если в первом случае она направлена на объект познания: исследователь познает свойства объекта, то во втором – направлена на обучение с помощью модели;

- расширяется функциональное назначение предмета моделирования. В первом случае предмет моделирования предназначен только для исследования, во втором как для исследования, так и для обучения.

Рассмотрим основные дидактические и методические возможности КМ, изложенные нами в работе [2].

Компьютерное моделирование позволяет вывести на качественно новый уровень принцип наглядности за счет применения машиной графики. Моделирование тех или иных явлений с помощью персональных компьютеров позволило синтезировать логико-математическую обработку информации с экспериментально-модельной наглядностью, в результате чего теоретические положения обрели свою наглядную форму. В этой связи, в науке речь пошла о новом мощном инструменте познания – когнитивном компьютерном моделировании, которое, как отмечено в работе А.Я. Аноприенко, представляет собой синтез числа, образа и алгоритма, позволяющий в концентрированной или наглядной форме фиксировать и использовать наиболее существенные количественные и алгоритмические знания об окружающем мире.

Средства машинной графики компьютеров дали возможность перейти от рутинной работы по обработке информации к творческой, позволяя обучающемуся выступать в роли творца разрабатываемой модели. Поэтому можно сказать, что КМ способствует реализации дидактической возможности – индивидуализации обучения.

Возможность использования КМ в целях проведения виртуального эксперимента, в тех случаях, когда проведение физического эксперимента оказывается невозможным, позволяет говорить о реализации такой дидактической возможности как доступность обучения.

Несомненным методическим достоинством виртуального эксперимента является возможность быстрой, простой и менее затратной организации многократного повторения эксперимента по сравнению с физическим, что дает основание говорить о возможности - избыточности учебной информации, предоставляемой компьютерным моделированием.

Компьютерное моделирование позволяет организовать на лекциях Мультимедиа проблемное обучение, основой которого является предъявление обучающимся проблемной задачи. Как известно, проблемной является та задача, самостоятельное решение которой обращено, исходя из неизвестного, на получение новых знаний, на создание новых средств поиска новых знаний или достижения дидактической цели. Студенты решают проблемные задачи, уже решенные до него, поэтому они являются творческими только для них, но не для преподавателя. Последний, конструируя проблемную задачу, знает ход и процесс ее решения, что позволяет ему проектировать не только возможные способы решения, но и те творческие процедуры, которые необходимы для поиска решения проблемной задачи.

Применение КМ на лекциях Мультимедиа позволяет решать проблемные задачи путем соединения абстрактного с конкретным, улучшая качество первичного восприятия обучающимися сложной информации. Компьютерное моделирование на лекциях Мультимедиа предполагает использование как виртуальных лабораторных работ в режиме on-line, так и автоматизированных лабораторных практикумов удаленного доступа.

Так, например, на лекции Мультимедиа по дисциплине «Теоретические основы электротехники», тема «Переходные процессы» студенческой аудитории задается вопрос: «Как изменится форма кривой переходного процесса, при изменении параметра какого-либо элемента исходной схемы (например, при увеличении или уменьшении индуктивности)?» Преподавателем заранее моделируется электрическая схема в инструментальной среде Multisim, содержащая все необходимые элементы. Варианты ответов (гипотезы) могут быть разными, каждый вариант ответа обосновывается студентом, предложившим его. Процессы обсуждения и сравнительного анализа выдвинутых гипотез сопровождаются проведением виртуальных экспериментов в Multisim, подтверждающих или опровергающих предложенные гипотезы. Возможность компьютерной визуализации выдвигаемых студентами ответов позволяет предметно на новом качественном уровне организовать преподавателю обсуждение, а студентам - провести сравнительный анализ с обоснованием правильного выбора решения.

Таким образом, применение компьютерного моделирования на лекциях Мультимедиа обеспечивает новый качественный уровень процесса обучения с мощным обучающим и развивающим потенциалом, являясь новым методом активного обучения.

Также в данной работе представлена методика проведения лабораторных занятий по дисциплине «Общая электротехника», основанная на интеграции методик обучения на реальном физическом оборудовании и виртуальном лабораторном практикуме. Предлагаемая методика включает в себя четыре уровня обучения.

Когнитивный (репродуктивный) уровеньобучения. На этом уровне студенты овладевают необходимыми теоретическими знаниями, умениями, навыками моделирования динамических систем с помощью программы математического моделирования MatLab.

Продуктивный уровеньобучения. После работы в виртуальной среде, обучающиеся выполняют лабораторные работы на реальных стендах. На этом уровне происходит применение полученных теоретических знаний на практике.

Когнитивный и продуктивный уровни характеризуются выполнением рецептурных действий обучающихся, когда они проявляют умение работать преимущественно в стандартных условиях, отраженных в руководстве по лабораторному практикуму.

Эвристический (частично-поисковый) уровень, соответствует моделированию обучающимися лабораторных работ по заданию преподавателя в виртуальной среде, с помощью программ моделирования MatLab, Simulink.

На эвристическом уровне обучающиеся выполняют частично-поисковые действия, когда они могут действовать достаточно самостоятельно, выполняя несложные творческие задания при непосредственном руководстве преподавателя.

Творческий (исследовательский) уровень. На этом уровне обучающимся предлагается самим спроектировать лабораторную работу сначала на компьютере, а затем, при положительных результатах апробировать работу, созданную в виртуальной среде, на реальном стенде в присутствии преподавателя. По итогам работы исследовательского уровня студенты оформляют два отчета, сопоставляют результаты виртуального и реального экспериментов, выявляют и объясняют причину расхождения полученных данных.

Предлагаемая методика проведения лабораторных занятий с применением компьютерного моделирования позволяет достичь одновременно две дидактические цели:

- изучить и освоить технологии моделирования в MatLab - е;

- экспериментально изучить на математических моделях закономерности процессов, протекающих в динамических системах.

На рисунках 1, 2 представлены схемы моделирования в среде MatLab_R2012b с дополнительным программным средством Simulink машин постоянного тока и асинхронной, выполненных автором работы. На рисунках 3, 4 результаты виртуальных экспериментов.

Рисунок 1 – Схема моделирования машины постоянного тока

Рисунок 2 – Схема моделирования асинхронной машины

Рисунок 3 – Механические характеристики машины постоянного тока

Рисунок 4 – Осциллограммы асинхронной машины

Список литературы

1. Семенова, Н. Г. Теоретические основы создания и применения мультимедийных обучающих систем лекционных курсов электротехнических дисциплин. Монография / Н. Г. Семенова. – Оренбург, ИПФ «Вестник», 2007. – 317 с.

2. Семенова Н.Г., Гнилова А.Д., Пчелинцев Д.В. Применение программы моделирования MATLAB при изучении дисциплины «Общая электротехника» / ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» – г. Оренбург, http://conference.osu.ru, 2013. – 4 с.

Код для цитирования: Скопировать