| Краткое содержание: | ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ
У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність дослідження, визначено його мету, завдання, об’єкт, предмет, охарактеризовано наукову новизну, теоретичне та практичне значення, висвітлено особистий внесок здобувача, подано відомості про апробацію та запровадження результатів дослідження, наведено відомості щодо публікацій, структури й обсягу дисертації.
У першому розділі “Наукові основи використання інформаційних технологій у процесі навчання електротехніки майбутніх учителів фізики” розглянуто загальні теоретичні основи впровадження ІТ у навчанні електротехніки як засобу інтенсифікації фізико-технічної підготовки майбутніх учителів фізики.
Технічний і технологічний прогрес неминуче веде до морального старіння конкретних зразків апаратури, машин, апаратів, устаткування. Здатність фахівців адаптуватися до нових технічних рішень, успішне опановування новітньою технікою і впровадження її в освітній процес визначається рівнем їх підготовки, що формується багатьма фундаментальними та прикладними дисциплінами, серед яких чільне місце займає електротехніка
Використання сучасних ІТ створює глобальний інформаційний простір, не обмежений інституціонально та географічно. Навчальні комп'ютерні програми отримують все більше поширення. Однак вони далекі від досконалості. Назріла необхідність мати такі навчальні програми, які дійсно сприяють підвищенню результативності навчальної діяльності, формують позитивне ставлення та інтерес до досліджуваного матеріалу. ІТ для освіти – могутній засіб інтенсифікації навчання, без якого неможлива якісна підготовка сучасного фахівця. Проте не слід забувати, що це лише засіб, і інформатизація освіти сама по собі, як самоціль не має сенсу. Найбільш перспективним шляхом розвитку освіти є, на наш погляд, органічне поєднання та взаємодоповнення традиційних, перевірених часом засобів навчання з ІТ.
Встановлено психолого-педагогічні умови запровадження ІТ у процес навчання фізичних основ електротехніки. Різні форми відображення і пізнання навколишньої дійсності пов’язані з різними типами мислення. При підборі навчального матеріалу і форми його подання необхідно пам’ятати про відмінності типів відображення, пов’язаних з діяльністю різних півкуль мозку. Надлишкова вербалізація призведе до “виключення” правої півкулі та конкретно-образного мислення, що спричинить перевтому, швидку втрату інтересу та уваги. Протилежна крайність, пред’явлення лише конкретних об’єктів є не кращою альтернативою, оскільки осмислення навчального матеріалу цілком неможливе без повноцінного задіяння другої сигнальної системи. В багатьох випадках оптимального поєднання образного та абстрактного вдається досягти шляхом використання віртуальних моделей об’єктів навчання. У змісті навчально-наукових дисциплін має передувати практично-діяльнісний аспект навчання, який активізується залученням реальної техніки та інтерактивних моделей для розв’язання науково-дослідних і навчальних задач; потрібна така організація навчання, щоб засвоєння знань відбувалося в процесі діяльності.
Принципи дидактики, які мають місце при навчанні за традиційними технологіями, мають місце і при використанні ІТ. Вони зазнають певних змін за галуззю та умовами реалізації, проте змістова їх частина лишається при цьому незмінною. Аналіз можливостей ІТ дозволив нам доповнити деякі з принципів дидактики з урахуванням психологічних основ використання ІТ в освіті. Принцип науковості вимагає, щоб навчальний матеріал відповідав сучасним досягненням фізико-технічних знань. Використання ІТ значно скорочує час проникнення новітніх досягнень науки в програми курсів відповідних навчальних дисциплін. Доступність освіти завдяки сучасним телекомунікаціям виводиться на якісно новий рівень – здатність комп’ютерних мереж до високої швидкості обміну інформацією на необмеженій відстані значно розширює коло потенційних студентів. Принцип індивідуалізації навчального процесу реалізується за допомогою гіпертекстової побудови структури навчального матеріалу на базі онтології предметної області. Така структура дозволяє тим, хто навчається самим обирати навчальну траєкторію з можливістю поточного контролю та самоконтролю (засобами комп’ютерних тестів) для корегуючого впливу. Принцип професійної спрямованості проявляє себе через те, що інформаційні технології для майбутніх вчителів фізики виступають в тому числі в ролі інструмента їхньої майбутньої професійної діяльності – як технічний засіб навчання, як інженерний та науковий інструмент для проектування, моделювання тощо. Принцип наочності при використанні ІТ розкривається найбільш повно – завдяки засобам ІТ можна створювати інтерактивні моделі явищ, що вивчаються, та значно сильніше задіяти у навчальному процесі образне мислення. Програмні моделі дають змогу найбільш чітко виділити і розмежувати суттєві ознаки об’єкту вивчення, зв’язки і відношення між його складовими, проявами досліджуваних явищ та їх причинно-наслідкову сутність. Засоби ІТ дозволяють візуалізувати не лише конкретні фізичні об’єкти, а ще і наукові абстракції (скалярні та векторні поля, енергетичні рівні і т.д.), поняття, теорії, при чому в динаміці, якщо це необхідно. Принцип єдності наукового і навчального процесу, який передбачає органічне поєднання навчального процесу й наукового пошуку студентів, реалізується шляхом залучення студентів до створення математичних і комп’ютерних моделей, програмних засобів та середовищ моделювання, проведення віртуальних експериментів, самостійного творчого пошуку.
Відповідно до визначених психологічних умов та дидактичних основ виділено методичні особливості запровадження ІТ у процес фахової підготовки майбутніх учителів фізики. Використання ІТ на лекції істотно збагачує її, дозволяючи органічно доповнити традиційну методику. ІТ під час лекції здатні практично повністю замінити собою всі традиційні технічні засоби навчання, такі як кодоскоп, діапроектор, кіноустановку, відеомагнітофон та інші.
Засоби комп’ютерного моделювання не можуть замінити собою лабораторний практикум, але вони здатні істотно доповнити його. Віртуальний експеримент, який передує виконанню робот на реальному лабораторному устаткуванні, виконує цілу низку дидактичних цілей. Віртуальний експеримент може грати роль тренувального, оскільки помилки студента в цьому випадку не тягнуть за собою негативних наслідків для здоров’я та для працездатності обладнання. Успішне виконання віртуального експерименту разом зі знанням теоретичної частини може слугувати допуском до виконання завдань на реальному лабораторному стенді, завдяки чому вдається суттєво зменшити вірогідність грубих помилок. Засоби комп’ютерної математики істотно спрощують обробку великих масивів експериментальних даних, звільняючи студентів від рутинних операцій, що значною мірою допомагає утримати їх інтерес до навчання.
Широке застосування ІТ у викладанні технічних дисциплін вимагає педагогічно гнучкого раціонального поєднання електронних обчислювальних засобів з традиційними технологіями навчання. Головний принцип використання ІТ в процесі навчання електротехнічним дисциплінам в педагогічному університеті – це орієнтація на ті випадки, коли поставлена педагогічна мета за допомогою класичних прийомів стає важко здійсненною і з'являється нагальна необхідність у пошуку нових прийомів і способів вирішення такого завдання.
У другому розділі “Методика використання інформаційних технологій у навчанні фізичних основ електротехніки при підготовці майбутніх учителів фізики” розкриті практичні аспекти впровадження ІТ у процес навчання електротехніки, відповідно до цілей і змісту навчання.
Спираючись на визначені психолого-педагогічні умови, дидактичні основи та методичні особливості запровадження ІТ нами розроблено методичні засади використання ІТ при вивченні фізичних основ електротехніки майбутніми вчителями фізики, які ґрунтуються на комплексному використанні засобів ІТ, підсиленні ролі самостійної діяльності за умови якісного і кількісного збільшення інформаційного та матеріально-технічного забезпечення навчального процесу. Основними з цих засад є науковість та єдність наукового і навчального процесу, які реалізуються залученням студентів до розробки нових програмних оболонок з комп’ютерного моделювання фізичних явищ, проектуванні пристроїв та кіл у середовищах імітаційного моделювання, проведенні віртуальних експериментів; наочність, яка реалізується використанням інтерактивних моделей явищ, що вивчаються, програмних засобів для віртуального демонстраційного експерименту, мультимедійною підтримкою лекційного курсу; професійна спрямованість змісту навчання реалізується зокрема за допомогою математичного моделювання фізичних явищ в електричних колах; самостійність в оволодінні знаннями та індивідуалізація навчання що реалізується зокрема за допомогою завдань, які виконуються студентами в середовищах імітаційного моделювання та завдань у тестовій формі; інтерактивність, яка дозволяє організувати таке навчання, при якому студенти засвоюють знання в процесі перетворюючої діяльності з комп’ютерними моделями; системність, яка передбачає структурування навчального матеріалу відповідно до онтології предметної галузі, виявленні логічних зв’язків між фізиними явищами та процесами; доступність, яка дозволяє більш глибоко розкрити логічні та ієрархічні зв'язки в предметної області знань, не перевантажуючи студентів фактологічним матеріалом.
Проаналізовано дидактичні можливості електронних посібників у вивченні електротехніки та інструментальні засоби їх розробки. Створення електронної копії паперового підручника чи посібника - це лише перший крок до створення електронного підручника. Повноцінний електронний підручник повинен мати гіпертекстову побудову навчального матеріалу, включати в себе елементи мультимедіа, інтерактивні моделі явищ, що вивчаються, віртуальний лабораторний практикум, засоби зворотнього зв’язку у вигляді комп’ютерних тестів, засоби пошуку інформації та засоби оновлення навчального матеріалу через мережу Інтернет.
Мультимедійність електронного посібника має дуже велике значення при викладанні складного матеріалу. Засвоєння нових знань з використанням зору набагато ефективніше, ніж при використанні вербальних методів. Використання відео і анімацій дозволяє ефективніше пояснити “важкі” для розуміння моменти, поліпшити сприйняття складних моделей і скоротити обсяг навчального тексту. Особливість курсу електротехніки полягає у тому, що на відміну від курсів теоретичної фізики студенти часто мають справу зі складними механізмами. При пояснені принципів їхньої дії доцільно використовувати віртуальні демонстрації, бажано з можливістю користувача змінювати параметри моделі. Наочність анімацій має велике значення при вивченні електричних машин, складних механізмів на основі електромеханічних реле тощо.
Аналіз дидактичних можливостей і психолого-педагогічних умов дозволив виокремити переваги та недоліки використання ІТ у лабораторному практикумі з електротехніки. Надмірна комп’ютеризація лабораторних робіт може мати негативний ефект у навчанні. Дії, що складають предмет засвоєння, той хто навчається повинен виконувати сам, інакше не відбудеться їх засвоєння. Проте коли проведення реального експерименту неможливо або ускладнено, єдиною альтернативою залишається віртуальний навчальний експеримент. Разом з тим в тих випадках, коли проведення реального експерименту можливе, комп’ютерне моделювання досліджуваних процесів та явищ дозволяє істотно доповнити традиційний лабораторний практикум. Віртуальні моделі фізичних явищ та процесів можуть бути використані для тренувального експерименту перед виконанням роботи на реальному лабораторному стенді, для самостійної роботи студентів тощо.
Одним із шляхів реалізації віртуального лабораторного практикуму з електротехніки є створення спеціалізованих програмних засобів для конкретних умов і конкретних задач з використанням алгоритмічних мов програмування, таких як Object Pascal, C++ і т.д. Однак такий шлях не завжди раціональний – варто врахувати, що нині існує досить багато якісних програмних середовищ для моделювання електричних схем. В більшості випадків застосування середовищ моделювання чи математичних пакетів є більш раціональним.
При створенні середовищ комп’ютерного моделювання фізичних процесів, з огляду на математичний апарат, що використовується та взаємодію користувача з середовищем розрізняють два основні підходи до побудови моделі – математичне та імітаційне моделювання. Обидва шляхи побудови комп’ютерних моделей досліджуваних явищ мають свої переваги та недоліки, і обидва не є ідеальними. Оптимальним шляхом створення віртуального лабораторного практикуму є гармонійне поєднання цих двох типів моделювання з метою максимального використання сильних сторін кожного та нівелювання недоліків. При вивченні одних и тих самих за сутністю процесів різними програмними засобами, у поєднанні з традиційним натурним лабораторним практикумом студенти мають змогу більш повно розкрити для себе фізичний зміст явищ, що вивчаються.
Визначено можливості систем комп’ютерної математики, таких як MathCad та MatLab у навчанні електротехніки. Створення математичних моделей фізичних явищ, що протікають у електричних колах дозволяє глибше проникнути у сутність цих явищ, більш повно розкрити причинно-наслідкові зв’язки, показати складні для сприйняття поняття. Використання математичних пакетів дозволяє позбавитись багатьох рутинних операцій при розв’язанні електротехнічних задач і розрахунку параметрів електричних кіл. Разом з тим зазначимо, що математичне моделювання менш прийнятне у випадку аналізу процесів у досить складних колах, оскільки при цьому системи рівнянь виявляються надто громіздкими, що призводить до втрати наочності.
Доведено дидактичні можливості програмних комплексів MatLab SimPowerSystems, MatLab Wavelet Toobox та National Instruments Multisim. Зазаначені середовища імітаційного моделювання є досить простими в опануванні і водночас досить потужними для моделювання систем дуже високої ступені складності, мають при цьому високу наочність та відкривають широку свободу для технічної творчості студентів.
Пакет SimPowerSystems містить набір блоків для побудови віртуальних моделей електротехнічних пристроїв і пристроїв силової електроніки. Використовуючи бібліотеки Simulink і SimPowerSystems, а також застосовуючи функції й команди MatLab, користувач може не тільки імітувати роботу пристроїв у тимчасовій області, але й вивчати їхні частотні властивості, оцінювати динамічні параметри та здійснювати гармонійний аналіз струмів і напруг. Зауважимо, що бібліотека SimPowerSystems має відносно велику кількість блоків, а також дає можливість створювати нові підсистеми із блоків, наявних у бібліотеці, і залучати функції MatLab. Все це значною мірою розширює можливості SimPowerSystems при використанні його разом з Simulink. Можливість моделювання електричних машин і схем силової електроніки досить складних схем керування ними (пристроїв електропривода) є головною відмінністю системи MatLab від інших програмних засобів, призначених для моделювання електричних схем.
|
