Научный журнал
Международный журнал экспериментального образования

ISSN 1996-3947
ИФ РИНЦ = 0,460

Использование информационных технологий при создании инновационной образовательной среды на физическом факультете классического университета

Марек В.П. Микушев В.М. Чирцов А.С.
Переход Санкт-Петербургского государственного университета на собственные образовательные стандарты подразумевает интенсификацию образовательного процесса, усиление контроля качества обучения, предоставление возможности выбора обучаемыми индивидуальных образовательных траекторий, увеличение доли самостоятельной работы студентов, их привлечение к современным научным исследованиям. Приобретение физическим факультетом в рамках реализации Национального проекта «Инновационная образовательная среда в классическом университете» современных дорогостоящих приборных комплексов ставит дополнительные задачи их параллельного эффективного использования как в интересах обучения и подготовки исследователей-экспериментаторов, так и для обеспечения конкурентоспособных научных исследований. Одним из важнейших условий, обеспечивающих решение этих комплексных задач, является квалифицированное использование современных информационных технологий для поддержки и управления учебным процессом. Апробация новых идей осуществляется на базе нового экспериментального учебного направления «Прикладные математика и физика», открытого на факультете в 2003 году [1].

Базовой частью проекта усиления профессиональной подготовки на физическом факультете явился существенный пересмотр принципов организации преподавания курсов общей, атомной и субатомной физики вместе с обзорным циклом «Проблемы современной физики», совокупность которых призвана создавать основы современного естественнонаучного мировоззрения будущих физиков-профессионалов. Для улучшения контроля качества обучения на факультете введена 10-балльная шкала оценок, введена электронная система учета рейтинга студентов, учитывающая сложность выбранных ими курсов, количество выходов на экзамены, результаты текущих аттестаций и т.д. Осуществлен переход на систему сдвоенных экзаменов, состоящих из письменного контроля обязательного минимума знаний и последующей беседой с экзаменатором, на которую допускаются лишь ответившие более чем на 50% вопросов письменной части.

Повышенные требования к студентам подразумевают повышения качества их обучения. Для организации информационной поддержки курсов общей физики был реализован проект создания серии оригинальных учебников и учебно-методических пособий [2, 3], а так же - серии электронных мультимедийных сборников учебных и методических материалов, ориентированных на использование как преподавателями для иллюстраций лекционных занятий, так и учащимися - для самостоятельной работы, подготовки к экзаменам и при самообразовании [4]. В сборники включены весьма разнообразные типы материалов на электронных носителях. Библиотека учебных и методических разработок преподавателей дублирует созданные в рамках проекта материалы на традиционных носителях. В библиотеку электронных текстов включены гипертекстовые версии учебников, электронные аналоги студенческих конспектов лекций (содержащих только формулы и рисунки с весьма краткими «лозунговыми» пояснениями), составленные лекторами задачники и подборки контрольно-измерительных материалов для письменных и устных форм контроля.

В электронные сборники серии включены анимированные аудио-треки с минимизированными вариантами реально читаемых лекций. Текст электронных лекций воспроизводится синхронно с появлением формул, схем, слайдов или простых анимаций.

Одним из важнейших типов мультимедийных учебных материалов сборников являются выполненные в виде Java-атлетов оригинальные программы-конструкторы. Высокий уровень интерактивности таких программ позволяет пользователю конструировать модели изучаемых физических систем, варьировать ее характеристики и параметры начальных состояний, определять способы численного моделирования и визуализации его результатов [5-7]. Такое использование численного моделирования представляет собой альтернативу не столько реальному («живому») физическому эксперименту, а, в большей степени, теоретическому описанию этих систем. Существует ряд ситуаций, когда компьютерные симуляции имеют неоспоримые преимущества перед классическими аналитическими методами описания. К ним относятся возможность выполнения сложных расчетов в реальном времени занятия, возможность визуализации теоретических моделей, поэтапное усложнение теоретической модели, демонстрация ее step-by-step приближения к реальной системе, визуализация трудно наблюдаемых и принципиально ненаблюдаемых явлений. Кроме того, использование компьютерного моделирование позволяет осуществить переход от пассивного освоения учащимися нового материала к активным формам, включающим элементы творчества и научного поиска. Сборники содержат блоки заданий для самостоятельных работы, в ходе которых студенты выполняют самостоятельные мини-исследования, включающие планирование виртуальных экспериментов, их подготовку и проведение, интерпретацию результатов, создание на их основе новых улучшенных численных моделей. На основе предлагаемых в сборнике задач студенты выполняют курсовые работы и защищают их на курсовых мини-конференциях. Лучшие работы докладываются на ежегодной студенческий конференции и международных конференциях по компьютерному моделированию и современным технологиям образования [8]. Как правило, созданные в ходе таких работ программные продукты включаются в сборники.

В основе физики лежит эксперимент. Ее изучение немыслимо без демонстрации ключевых для понимания теории опытов, иллюстрирующих тему явлений природы, современных сложных и дорогостоящих экспериментальных установок. В аудиторных условиях оказывается возможным продемонстрировать в виде реальных экспериментов лишь весьма незначительную часть подобных материалов. Это обусловило включение в сборник большого числа видеофрагментов, без знакомства с которыми качественная подготовка специалистов в области современной физики кажется весьма неполной. Демонстрации видеозаписей, совмещенных с компьютерными 3d -моделями, решают еще одну важную проблему иллюстрации переходов от реальных установок или явлении природы к их упрощенным схемам, традиционно изучаемым в рамках стандартных курсов. В библиотеку видеофрагментов так же включены записи анимаций, получаемых в результате моделирования на профессиональных пакетах, требующих серьезных вычислительных ресурсов вплоть до параллельных и высокопроизводительных вычислений, которые сегодня трудно организовать в реальном времени лекций.

Высокие требования, предъявляемые к студентам на аттестациях, делают привлекательным создание доступных для учащихся (на протяжении всего периода освоения курса) тренировочных систем контроля качества усвоения материала [9]. С этой целью в сборники встроены обучающие интерактивные тесты. В них предлагаются вопросы, ответы на которые должны быть составлены из предлагаемого набора утверждений или рисунков. В случае ошибочного выбора или неполного ответа система предоставляет необходимые пояснения или наводящие вопросы. Диалог заканчивается при получения правильного и полного ответа или при превышения задаваемого авторами теста числа попыток. В последнем случае обучаемому предлагается сформулированный авторами правильный ответ.

В настоящее время созданы четыре тома (сборника) электронной серии, соответствующих четырем стандартным курсам общей физики. Начаты работы по созданию пятого тома, посвященного атомно-молекулярной и субатомной физике.

Сборник материалов по курсу «Классическая и релятивистская механика» состоит из трех разделов, посвященных классической и релятивистской механикам и теории колебаний. Сборник включает 15 тем, соответствующих читаемым лекциям курса и содержащих более 150 компьютерных моделей и 35 видеофрагментов. Ориентированный на поддержку курса термодинамики сборник «Молекулярная физика и основы статистической физики» содержит разделы, посвященные физике идеальных газов, описанию газов реальных и физике конденсированного состояния. В этот сборник включено 25 интерактивных компьютерных моделей, 14 клипов с результатами моделирования в оболочках «Молекулярная динамика» и «Ansys», более 25 видеофрагментов. Третий том серии посвящен классической и релятивистской электродинамике и содержит традиционные для подобных курсов разделы: «Электростатика», «Магнитостатика» и «Электродинамика». В сборник вошло более 250 оригинальных компьютерных моделей и более 40 учебных видеофрагментов. Последний (четвертый) том созданной серии ориентирован на сопровождение курса оптики. В электронный сборник включено четыре раздела, посвященных электромагнитной оптике явлениям интерференции и дифракции, геометрической оптике и элементам квантовой теории света. Сборник проиллюстрирован 70 компьютерными моделями и 35 видеофильмами.

Созданная серия мультимедийных сборников широко используется при чтении лекций на 1-2 курсах, организации практических занятий и работ над курсовыми проектами для студентов бакалавриата «Прикладные математика и физика», преподавании курса «Концепции современного естествознания» для студентов нефизических специализаций и при организации циклов удаленных лекций «Физический факультет - одаренным школьникам», транслируемых по сетям Интернет и спутниковой связи [10].

Подготовка отвечающего современным требованиям специалиста-исследователя в области физики требует помимо традиционных физических практикумов организации учебной лабораторией для обучения приемам работы на современных научных приборных комплексах. Имеющееся на факультете новейшее оборудование (класс зондовых сканирующих микроскопов, линия нанолитографии, комплекс растровых электронных микроскопов, ионный микроскоп, уникальный комплекс исследования вещества в газовой и твердотельной фазах, мощные лазеры с длительностью импульсов нано- и фемтосекундного диапазонов, Фурье-спектрометр, нанометро-логический комплекс, комплекс для зондирования атмосферы, Grid-кластер для получения и обработки уникальной экспериментальной информации с Большого Адронного Коллайдера (CERN)) позволило создать такую распределенную лабораторию, ориентированную на сочетание научных исследований с элитарным обучением лучших студентов факультета и других ВУЗов.

При организации ознакомительных работ на уникальных приборах возникает серьезная проблема сохранения их работоспособности при эксплуатации недостаточно квалифицированными пользователями. В этой связи начат цикл работ по созданию мультимедийных описаний к работам на сложных приборах. Такие описания включают традиционную текстовую часть, дополняемую подробным аудио-инструктажем, сопровождаемым демонстрацией анимированных схем и фотографий. Представляется важным до начала работы обеспечить для студентов возможность познакомиться с видеофрагментами, демонстрирующими основные приемы работы на установке, некорректные действия операторов вместе с их последствиями и методами их устранения. Так же кажется совершенно необходимым знакомство студентов с методами юстировки тех блоков установки, к которым учащиеся заведомо не будут допущены. Важнейшим элементом подготовки к работе является предварительный тренинг на компьютерных симуляторах реальной установки, создаваемых в технологиях 3d-max и Flash. Как и в случае аттестаций по теоретическим курсам, перед выполнением работ усиленного физпрактикума студентам целесообразно пройти самоконтроль знаний на содержащихся в мультимедийном описании интерактивных обучающих тестах. Тестовые варианты мультимедийных описаний к двум работам «Форвакуум-ный насос» и «Сканирующий зондовый микроскоп» разработаны и проходят апробацию в учебном процессе [11].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. А.С. Чирцов. Прикладные математикаи физика - опыт организации элитарного направления интенсивного обучения на физическом факультете СПбГУ. // В сб. «Физика в системе современного образования» (ФССО-05)- матер.УШ межд.конф. 29мая - Зиюня 2005. СПб // Изд.РГПУ им. Герцена, ISBN 5-93-682-220-0-6, с. 142-144
  2. А.С. Чирцов. Электромагнитные взаимодействия: Классическая электродинамика. //Учебное пособие. СПб.: ИздательствоС.-Петербургского университета, 2005., 370 с.ISBN 5-288-04090-7.
  3. А.С. Чирцов. Сборник материалов для контроля знаний студентов по курсу «Оптика» //Методич. Пособие. Из-ва «Соло», СПб, 2007,74 с,ISBN 978-5-98340-179-2.
  4. М.В. Абутин, К.П. Колинько,А.С. Чирцов. Концепция и опыт использования вреальном учебном процессе электронных мультимедийных сборников по физике.// Компьютерные инструменты в образовании 2004, N5, с. 3-19.
  5. Д.Ю. Никольтский, А.С. Чирцов. Виртуальный физический конструктор: компьютерные модели для школьного курса механики. //Компьютерные инструменты в образовании" N6, ноябрь-декабрь 2000г., СПб, с. 42-47.
  6. М.В. Абутин, К.П. Колинько, Д.Ю. Никольский, А.С.Чирцов. Серия электронных сборников «Физика: модель, эксперимент, реальность». Использование возможностей мультимедиа и информационных технологий для поддержки преподавания электродинамики. // Вестник СПбГУ. Сер. 4,2005, вып. 2, С. 123-133.
  7. М.В. Абутин, К.П. Колинько, А.С. Чирцов Серия электронных сборников «Физика: модель, эксперимент, реальность». Использование возможностей мультимедиа и информационных технологий для поддержки преподавания курсаоптики. // Вестник СПбГУ. Сер. 4, 2006, вып. 2.,С. 104-110.
  8. В.П. Марек, А.С. Чирцов. Использование мультимедийных ресурсов для организации самостоятельной работы студентов при реализации на Физическом факультете СПбГУ новых образовательных стандартов // В сб. «МатериалыХУМежд. Конф. «Современное образование: содержание, технологии, качество» 22 апреля 2009 г.», Т.1, СПб, 2009, С.219-221
  9. В.Ю. Венедиктов, В.М. Микушев, А.А.Надолинский, А.С. Чирцов. Опыт организации интенсивного обучения и эффективного контролякачества в бакалавриате по направлению «Прикладные математика и физика» // Веб.Материалы X Междунар.Конф. «Физика в системе современного образования» (ФССО-09)», СПб, 31 мая -4 июня 2009 г, Т.1, СПб, 2009, С. 42-44.
  10. А.С. Чирцов. Использование электронного сборника мультимедийных ресурсов для инновационного курса общей физики при организации циклов удаленных лекций для учащихся Гимназического Союза России // В сб.«Материалы ХV Межд. Конф. «Современное образование: содержание, технологии, качество»22 апреля 2009 г. Т.1, СПб, 2009, С.138-140.
  11. B.П. Марек, А.С. Чирцов. Исследование возможностей мультимедиа и компьютерного моделирования для организации самостоятельной работы студентов и их подготовки к работам физпрактикумов // В сб. Материалы X Междунар. конф.«Физика в системе современного образования»(ФССО-09)», СПб, 31 мая - 4 июня 2009 г., Т.2,СПб, 2009, С. 193-195.

Библиографическая ссылка

Марек В.П., Микушев В.М., Чирцов А.С. Использование информационных технологий при создании инновационной образовательной среды на физическом факультете классического университета // Международный журнал экспериментального образования. – 2009. – № 6. – С. 23-0;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=173 (дата обращения: 21.04.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252