Технология создания виртуального лабораторного практикума в информационно-образовательной среде

Путилов Г.П., Тарасов И.А., Тумковский С.Р.

На примере курса «Физика» рассматриваются технология проектирования и построения виртуальных лабораторных практикумов для использования в информационно-образовательной среде.

Стратегическим направлением развития образовательных систем в современном обществе является интеллектуальное и нравственное развитие человека на основе вовлечения его в разнообразную самостоятельную целесообразную деятельность в различных областях знания.

Это направление признано главным в ходе реформ образовательных систем в ведущих странах мира, таких как США, Великобритания, Канада, Германия, Франция и др.

При этом процесс реформирования направлен на решение двух задач: развитию принципов самостоятельной активности и осознанности познания, как ведущих в процессе обучения, и интеграции средств новых информационных технологий в образовательный процесс, путем создания информационно-образовательных сред (ИОС).

Рациональная, дидактически обоснованная последовательность работы в ИОС, наравне с традиционной классно-урочной системой, предполагает следующие этапы:

·         изучение теоретического материала по конспектам лекций;

·         осмысление и закрепление теории на практических занятиях;

·         приобретение и развитие практических умений, накопление профессионального опыта с использованием виртуальных лабораторных практикумов;

·         решение практических задач с помощью наукоемких ППП и специализированного программного обеспечения.

Однако, в отличие от классно-урочной системы, она ориентирована на самостоятельную, индивидуальную работу учащегося, а значит, способствует развитию навыков самостоятельной познавательной деятельности.

Современные инструментальные средства, ориентированные на интернет-технологии, открывают широкие возможности для визуализации учебных материалов и построению интерактивных виртуальных лабораторных практикумов, органично встроенных в учебный процесс.

Следует отметить, что виртуальный лабораторный практикум в ИОС не является альтернативой занятиям в учебной лаборатории, а дает возможность проделать те опыты, которые невозможно реализовать в учебной лаборатории, например по распаду атомного ядра, или подготовиться к проведению тех, которые там предстоит проводить.

Рассмотрим технологию построения лабораторного практикума на примере курса «Общая физика».

Учебный материал курса «Физика» состоит из трех частей - курса лекций, семинарских занятий и лабораторных работ. Лабораторная работа делится на две части - теоретическую и практическую. В теоретическую часть входит краткое описание исследуемого явления, описание лабораторной установки для проведения опыта, задания и контрольные вопросы. В практическую часть, входит работа с самой установкой.

Аналогичная структура представления учебных материалов присутствует и в ИОС, однако имеется ряд существенных отличий. Теоретический материал, в виде курса лекций, более четко структурирован, снабжен различными моделями навигации, иллюстрации выполнены гораздо качественнее, а при необходимости анимированы. В материал семинарских занятий, посвященных разбору решения задач, встроены интерфейсы с программным обеспечением, позволяющим упростить рутинные процедуры вычислений. В основу построения лабораторных работ положен принцип виртуальной реальности, в соответствие с которым, участвующие в диалоге объекты имитируют свои реальные прототипы, как по внешнему виду, так и по способу работы с ними (рис. 1).

В качестве технологической основы реализации виртуальных лабораторных работ выбран язык гипертекстовой разметки документов HTML с встроенными в него Java апплетами, написанными с использованием библиотеки трехмерной графики OPENGL [1]. Основными причинами такого выбора являются:

·        Язык HTML является основой динамично развивающейся WWW-технологии представления материалов в Интернет, предоставляющей широкие дизайнерские возможности.

·        Язык Java является меж платформенным языком, т.е. не зависит от программно-аппаратной платформы, и органично интегрируется в HTML.

·        Программные средства для работы с HTML хорошо развиты, доступны обычному пользователю и не требуют специальных знаний.

·        Язык Java является объектно-ориентированным, что, с одной стороны существенно упрощает программирование, а, с другой - позволяет легко организовать работу в группе программистов в системе заданных объектов.

·        Библиотека трехмерной графики OPENGL, позволяет добиться максимального приближения виртуальных объектов к их реальным аналогам.

 

 

Рис 1. Внешний вид виртуальных лабораторных установок

Работа над созданием виртуального лабораторного практикума по курсу «Физика» осуществляется коллективом, в состав которого входят преподаватель-методист кафедры «Общая физика», осуществляющий постановку задачи моделирования лабораторной установки и сценарии ее реализации, подготовку теоретического материала, заданий и контрольных вопросов; программист, разрабатывающий Java-апплет, моделирующий лабораторную установку и художник-дизайнер, разрабатывающий иллюстративный материал и создающий окончательный дизайн лабораторной в формате HTML.

Технология проектирования и построения виртуальной лабораторной работы состоит из следующих этапов:

1.      Постановка задачи. Здесь определяются цель лабораторной работы, знания, умения и навыки, которые учащийся должен приобрести в процессе ее выполнения.

2.      Разработка сценария, реализующего процесс выполнения лабораторной работы.

3.      Разработка теоретического описания явления, которое исследуется в процессе выполнения лабораторной работы.

4.      Разработка заданий, которые выполняются в процессе проведения лабораторной работы.

5.      Разработка технического задания на программу, реализующую виртуальную лабораторную установку.

6.      Разработка моделей и алгоритмов, описывающих исследуемое явление.

7.      Разработка алгоритма поведения учащегося при работе с виртуальной лабораторной установкой в процессе выполнения заданий.

8.      Разработка дизайна виртуальной лабораторной установки.

9.      Программирование разработанных алгоритмов на языке Java.

10.  Отладка разработанных программ.

11.  Альфа-тестирование разработанных программ.

12.  Бета-тестирование разработанных программ преподавателем-методистом.

13.  Корректировка программного обеспечения по результатам бета-тестирования.

14.  Разработка графических иллюстративных материалов.

15.  Разработка дизайна лабораторной работы.

16.  Разработка модели описания виртуальной лабораторной работы, как компонента ИОС в виде семантического дерева, подробное описание которого приведено в [2], с учетом внешних и внутренних гиперсвязей (рис. 2).

17.  Сборка лабораторной работы в соответствии с моделью.

18.  Оптимизация HTML кода.

19.  Тестирование лабораторной работы и доработка по результатам тестирования.

20.  Разработка документации.

21.  Опытная эксплуатация и доработка лабораторной работы по ее результатам.

В табл. 1 приведен состав и функциональное назначение программного обеспечения, использующегося в процессе создания виртуального лабораторного практикума.

В заключение отметим, что по предложенной технологии, в настоящее время уже разработан и внедрен в учебный процесс лабораторный практикум по курсу «Физика» для 1 семестра, охватывающий разделы «Механика» и «Молекулярная физика» и заканчивается создание лабораторного практикума для 2 семестра, охватывающего разделы «Электричество» и «Оптика».

 

Рис. 2. Пример семантического дерева компонента ИОС

 

Таблица 1.

Программа

Назначение

1

MS Word

Разработка текстовых документов

2

MathType

Разработка формул

3

Adobe Photoshop

Разработка графических иллюстраций

4

DreamWeaver

Сборка лабораторной работы в соответствии с моделью

5

Notepad

Оптимизация HTML кода

6

Magican

Библиотека трехмерной графики OPENGL

7

JDK

Разработка, отладка и тестирование программ на языке Java

Познакомиться с примерами реализации виртуальных лабораторных установок можно по адресу http://itsoft.miem.edu.ru.

Литература

1.        Тарасов И.А. Введение в OPENGLhttp://itsoft.miem.edu.ru.

2.      Кечиев Л.Н., Путилов Г.П., Тумковский С.Р. Подготовка учебных материалов для включения в состав  информационно-образовательной среды - М. МГИЭМ, 1999 г.