Применение педагогических программных средств в обучении решению физических задач

Главным компонентом, определяющим применение ЭВМ в процессе обучения решению физических задач, является используемое для этих целей программное обеспечение. При разработке и отборе педагогических программных средств предпочтение, на наш взгляд, следует отдавать тем программам, с помощью которых можно реализовать различные методические подходы к обучению учащихся.

На основе проведенного анализа литературы, посвященной вопросам использования ЭВМ в учебном процессе и исследованиям по разработке методов и средств компьютерного обучения, было выявлено, что наиболее удачным является использование в процессе обучения программных средств, построенных по принципу действия экспертно-обучающих систем. Экспертнообучающая система (ЭОС) - это програм-

ма, реализующая ту или иную педагогическую цель на основе знаний эксперта в некоторой предметной области, осуществляющая диагностику знаний обучаемых и управление учением, а также демонстрирующая поведение на уровне экспертов (см.: Петрушин В.А. Архитектура экспертнообучающих систем И Разработка и применение экспертно-обучающих систем: Сб. науч. тр. М„ 1989. С. 7- 18).

В настоящее время не существует четко сформулированного подхода к созданию и использованию ЭОС в учебном процессе. В то же время многие исследователи отмечают преимущества ЭОС перед традиционными обучающими системами (см.: Грызлов С.В. Экспертно-обучающие системы (обзор литературы) И Преподавание физики в высшей школе. М., 1996. № 4. С. 3 - 12; Митрофанов ЕЮ. Экспертные системы в процессе обучения. М., 1989; Петрушин В.А. Интеллектуальные обучающие системы: архитектура и методы реализации (обзор) // Известия АН. Техническая кибернетика. 1993. № 2. С. 164 -189; Применение экспертных систем в обучении физике: Метод, рекомендации / Сост. Е.З. Власова. СПб., 1992). Это связано, по-видимому, с тем, что, хотя данная проблема достаточно глубоко исследована теоретически, практическое применение ЭОС затруднено из-за сравнительно небольшого числа существующих систем, ориентированных на процесс обучения.

Основные задачи, которые должны решаться обучающими системами, - задачи по определению смысла обучающих воздействий, их реализации и оценке. Для того чтобы систему можно было назвать обучающей, она должна быть непосредственно направлена на учебные цели, те. это должно быть ее основной, а не вспомогательной функцией. ЭОС должна обеспечивать не только и не столько решение конкретных задач, сколько овладение учащимися знаниями, умениями, навыками, соответствующими способами действий. Именно обучение, выбор и ге-нерация обучающих воздействий, основанные на определенных представлениях об обу-чении и сведениях об учащихся, должны быть в центре внимания при проектировании и разработке ЭОС.

Исходя из вышесказанного, мы остановились на создании обучающей программы, построенной по принципу действия экспертно-обучающих систем. При ее проектировке и построении нам представлялось необходимым учесть особенности и преимущества ЭОС перед традиционными системами обучения.

Разработанная обучающая система осуществляет решение комплекса задач о движении тела по наклонной плоскости и управляет деятельностью учащегося по ходу решения. В систему заложены несколько вариантов задач: о движении тела по наклонной плоскости под действием силы тяжести с учетом силы трения (рис. 1 а); о движении тела по наклонной плоскости под действием внешней силы различной ориентации (рис. 1 б-г). Во всех вариантах задач требуется определить ускорение тела, движущегося по наклонной плоскости с нулевой начальной скоростью, если известны угол наклона плоскости, коэффициент трения груза по наклонной плоскости, величина и направление внешней силы.

Рис. 1. Варианты задач, решаемых с помощью обучающей системы

Обучающая система реализует следующие приемы обучения: компьютерное моделирование физической ситуации, о которой идет речь в задаче; управление деятельностью учащегося по ходу решения задачи с помощью эвристических средств; пошаговый контроль процесса решения задачи; предъявление эталонного решения по просьбе учащегося.

Алгоритм работы обучающей системы представлен на рис. 2.

На начальном этапе обучения после выбора задачи учащемуся предоставляется возможность провести компьютерный эксперимент. Манипулируя компьютерной моделью, изменяя характеристики объектов и условия их взаимодействия, учащийся получает наглядное представление о

Рис. 2. Алгоритм работы обучающей системы динамике физического явления, описанного в задаче. Также предусмотрена графическая интерпретация зависимостей между физическими величинами, о которых идет речь в задаче. Такое сочетание компьютерного моделирования с графической интерпретацией физического процесса или явления позволяет учащемуся более полно провести анализ условия задачи.

В окне эксперимента изображена наклонная плоскость с находящимся на ней телом (рис. 3). Изменяя параметры системы (угол наклона, массу тела, коэффициент трения), учащийся может наблюдать за работой компьютерной модели. Движение тела по наклонной плоскости осуществляется в реальном времени с учетом свойств и параметров физической ситуации задачи.

Старт

Рис. 3. Окно эксперимента обучающей системы

1.5        0.31

Помощь

Выход

Управление и диалог с системой осуществляются с помощью манипулятора «мышь»?

После наблюдения за компьютерной моделью, выделив ее основные элементы, определив, как изменяется состояние объектов и что является причиной этого изменения, установив физические величины, которые могут характеризовать свойства объектов, и условия их взаимодействия, учащийся переходит к решению выбранной задачи.

На мониторе открывается окно решения задачи (рис. 4).

В режиме решения управление осуществляется следующим образом. На мониторе высвечиваются вопрос и предлагаемые системой варианты ответов. Учащийся с помощью «мыши» выбирает верный, на его взгляд, вариант ответа либо, если система просит учащегося выполнить ка-кое-то действие (например, указать направ ление осей координат и точку приложения действующих сил), выполняет это действие. После подтверждения выбора ответа обучающая система анализирует ответ и выдает сообщение о его правильности. В случае ошибки на экран выводится подсказка, ознакомившись с которой учащийся может повторить выбор ответа. Если же ответ учащегося вновь неверен, система предлагает ему решить тестовые задачи, подробно объясняя их решение.

После этого система возвращает учащегося к решению основной задачи. Ему предлагается ответить на вопрос, который вызвал затруднение, на основе решения тестовых задач. Если и в этом случае ответ учащегося неверный, система сама формулирует правильный ответ, подробно его объясняя. Затем в окне решения высвечивается следующий вопрос, и т.д.

В режиме обучения система «направляет» действия и ход мыслей учащегося

Варианты ответов:

Г" Скатывающая сила

Г Сила Лоренца Г" Сила Кулона

Г Сила реакции опоры

Г" Сила тяжести

Г" Сила трения

Выберите правильные ответы и нажмите кнопку ">>"

» Выход

Рис. 4. Окно решения задачи обучающей системы по заложенному в ней алгоритму решения задач по механике, описанному А.В.Усо-вой, Н.Н.Тулькибаевой (Практикум по решению физических задач. М., 1992). Цель системы на данном этапе - показать учащемуся алгоритм решения задач о движении тела по наклонной плоскости; цель учащегося -овладеть знаниями и навыками, необходимыми для решения задач данного класса.

После решения задачи по просьбе учащегося на экран выводятся план решения задачи с объяснением, краткая его запись или окончательная формула.

Затем система предлагает учащемуся решить более сложную задачу, провести диагностику своих знаний и умений или закончить работу с системой. Работая в режиме демонстрации эталонного решения, система сама решает задачу и поясняет свои действия.

При разработке обучающей системы мы стремились, прежде всего, дать учащимся возможность самим выполнять формируемые у них действия и фиксировать в определенной форме результаты их выполнения. В связи с последним возникла необходимость ввести в систему модель обучаемого, в которой хранилась бы информация о решении учащимся задачи с использованием обучающей системы: допущенные им ошибки, неверные действия, время работы с системой, т.е. информация, которая позволяет произвести статистический сбор данных об успехах учащегося в умении решать задачи.

Таким образом, во время решения учат щимся задачи система фиксирует все допущенные им ошибки и недочеты. На основе этой информации по окончании сеанса обучения на монитор выводятся сообщения о допущенных ошибках. При необходимости учащемуся предлагается ряд типовых задач, ориентированных на заполнение пробелов в знаниях, выявленных при решении данной задачи.

Созданная обучающая система, построенная по принципу действия экспертно-обучающих систем, предоставляет учащемуся относительную самостоятельность в выборе задач, обращении за помощью и в то же время управляет его учением, предлагая теоретический материал, нужный ему для усвоения способа решения задач, осуществляя диагностику знаний, формируя у учащегося умения и навыки, необходимые ему для решения комплекса задач о движении тела по наклонной плоскости.