Чирцов Александр Сергеевич. Методы и средства автоматизации разработки электронных образовательных ресурсов для вариативного изучения физики

Краткое описание

Чирцов Александр Сергеевич. Методы и средства автоматизации разработки электронных образовательных ресурсов для вариативного изучения физики: диссертация ... доктора технических наук: 05.13.06 / Чирцов Александр Сергеевич;[Место защиты: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»].- Санкт-Петербург, 2014.- 650 с.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики
На правах рукописи
Чирцов Александр Сергеевич
Методы и средства автоматизации разработки электронных образовательных ресурсов для вариативного изучения физики
05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (образование)
Диссертация на соискание ученой степени
доктора технических наук
Консультант
д.т.н, профессор
Стафеев Сергей Константинович
Санкт-Петербург - 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 8
Глава -1 Анализ этапов развития, классификация и требования
к электронным образовательным ресурсам (ЭОР) 22
1.1 Этапы компьютеризации образования 23
1.1.1 Первый этап: компьютеризация образования и эксперименты
по использованию компьютерных технологий в предметном обучении 23
1.1.1 Систематические разработки электронного образовательного контента для
использования на персональных компьютерах 26
1.1.2 Внедрение сетевых технологий в практику создания электронных
образовательных ресурсов 28
1.1.3 Внедрение мультимедийных и телекоммуникационных технологий
в практику создания и использования электронных образовательных ресурсов 36
1.1.4 Интеграция электронных учебных ресурсов и создание сред
для их разработки 39
1.1.5 Проблема интеграции учебной и научной деятельности 45
1.2 Классификация электронных обучающих средств 47
1.2.1 Общие положения 48
1.2.2 Варианты классификаций электронных обучающих ресурсов 51
1.2.3 Специфические особенности классификации электронных
образовательных ресурсов по физике 55
1.2.4 Внутренние связи между вариантами классификации электронных
образовательных ресурсов по физике 63
1.3 Требования, предъявляемые к цифровым образовательным ресурсам 64
1.3.1 Требования к цифровым образовательным ресурсам
для среднего образования 65
1.3.2 Требования к конкретным типам электронных учебных ресурсов 70
1.3.3 Специфические требования к электронным учебным ресурсам по физике 78
1.4 Заключение 81
1.5 Основные выводы 82
Глава - 2 Концепция автоматизации создания ЭОР и алгоритмы
электронных конструкторов виртуальных физических систем 84
2.1 Концепция электронного конструктора и его использования в обучении .. 85
2.1.1 Концепция использования компьютерного моделирования
в преподавании физики 85
2.1.2 Концепция использования программ-конструкторов физических моделей 90
2.1.3 Требования к программам-конструкторам для автоматизированной
разработки электронных моделей физических систем 93
2.1.4 Анализ существующих электронных конструкторов учебных физических моделей с точки зрения предложенной
концепции и сформулированных требований 97
2.2 Алгоритмы реализации программного комплекса электронного
конструктора «Частицы в электрических и магнитных полях» 99
2.2.1 Общая характеристика разработки 99
2.2.2 Алгоритмы и программная реализация 101
2.3 Алгоритмы реализации программного комплекса
«Оптический конструктор» 109
2.3.1 Общая характеристика разработки 109
2.3.2 Алгоритмы и программная реализация 109
2.3.3 Примеры образовательного контента, созданного на базе конструктора 114
2.4 Современная версия базовой части моделирующей программы-
конструктора для моделирования движения частиц в силовых полях 115
2.4.1 Общая характеристика разработки 115
2.4.2 Алгоритмы и программная реализация 117
2.4.3 Использование программы-конструктора 124
2.5 Программа-конструктор визуализаторов электростатических и
магнитостатических полей 128
2.5.1 Общая характеристика программ 128
2.5.2 Алгоритмы и программная реализация 129
2.5.3 Использование программы-конструктора 134
2.6 Дополнительные интерактивные программы для моделирования
физических систем 136
26.1 Программа-конструктор симуляций процессов в линейных цепях 138
2.6.2 Программа-конструктор виртуальных опытов по дифракции света 140
систем для случаев различных граничных условий для потенциалов 143
2.7 Java-версии программы-конструктора моделей геометрической оптики ... 149
2.7.1 Общая характеристика программ «Оптический конструктор» 150
2.7.2 Алгоритмы и программная реализация 151
2.7.3 Использование программы-конструктора 162
2.8 Концепция и алгоритмы использования компьютерного
моделирования для решения задачи включения в образовательный процесс элементов исследовательской деятельности 165
2.8.1 Концепция использования компьютерного моделирования
для привлечения учащихся к научным исследованиям в области атомно-молекулярной физики 165
2.8.2 Электронные ресурсы для учебно-научной деятельности
в области атомно-молекулярной физики 170
2.8.3 Компьютерное моделирование в области физики нелокальной плазмы 179
2.9 Заключение 191
2.10 Основные выводы 193
Глава - 3. Многофункциональные электронные сборники:
структура, алгоритмы построения и варианты реализации 195
3.1 Концепция электронных мультимедийных сборников 195
3.1.1 Варианты использования сборников 197
3.1.2 Разработка новых вариантов использования электронных аналогов
традиционных форм обучения 200
3.1.3 Реализации концепции мультимедийных сборников 213
3.2 «Физика; модель -эксперимент - реальность» -серия сборников
мультимедиа материалов для изучения физики в старших классах 213
3.2.1 Сборник мультимедийных ресурсов
"Гравитация: развитие взглядов от И.Ньютона до А.Эйнштейна" 215
3.2.2 Сборник мультимедийных ресурсов "Электрические и магнитные поля:
удобная теоретическая модель или физическая реальность?" 231
3.2.3 Сборник мультимедийных ресурсов
«Развитие взглядов на природу света» 248
3.3 Серия электронных мультимедийных сборников
по курсу Общей физики 256
3.3.1 Сборник 1: «Классическая и релятивистская механика» 259
3.3.2 Сборник 2: «Молекулярная физика и термодинамика» 272
3.3.3 Сборник 3: «Электродинамика» 276
3.3.4 Сборник 4: «Оптика» 285
3.4 Новые варианты использования возможностей современных
информационных и мультимедийных технологий в электронном образовательном контенте 291
3.4.1 Использование технологий создания стереоскопических изображений
для разработки лекционных демонстраций по физике 291
3.4.2 Создание мультимедийных описаний к лабораторным работам 299
3.4.3 Разработка единого алгоритма взаимодействия объектов апплетов,
порождаемых объединенной программой-конструктором 301
3.5 Заключение 304
3.6 Основные выводы 306
Глава - 4 Результаты апробации электронных конструкторов
и сборников ЭОР по физике 309
4.1 Использование мультимедийных сборников при чтении
углубленного курса «Элементарная физика» и организации факультативных занятий в рамках проекта «Физика и компьютер» 309
4.1.1 Организация обучения в рамках образовательного проекта
«Физика и компьютер» 310
4.1.2 Организационные решения и основные итоги реализации
экспериментального образовательного проекта «Физика и компьютер» 316
4.2 Использование ресурсов мультимедийных сборников
для научно-просветительской и профориентационной работы с мотивированными и одаренными учащимися старших классов 319
4.2.1 Цикл лекций «Школьникам о современной физике» 319
4.2.2 Дистанционный курс для Гимназического союза России 321
4.2.3 Распределенные лекции Центра подготовки одаренных школьников
Ленинградской области 322
4.2.4 Использование мультимедийных ресурсов для интенсивной
и углубленной массовой подготовки абитуриентов 323
4.2.5 Научно-популярная телевизионная передача «Пратик-Ум» 325
4.3 Алгоритмы использования мультимедийных сборников для сопровождения углубленного изучения курсов общей физики студентами бакалавриатов физико-математических специализаций 327
4.3.1 Организация на Физическом факультете СПбУ нового образовательного
направления «Прикладные математика и физика» 327
4.3.2 Алгоритмы использования мультимедийных сборников в учебном процессе
на образовательном направлении «Прикладные математика физика» 341
4.3.3 Использование мультимедийных сборников для организации
самостоятельной работы с элементами научного исследования 345
4.3.4 Использование мультимедийных сборников для организации целевой подготовки студентов по профилю «Электрофизика» по заказу работодателя .. 347
4.4 Использование мультимедийных сборников для организации
углубленного преподавания курса физики в Университете ИТМО 349
4.4.1 Алгоритмы использования мультимедийных сборников
в организации обучения физике с бакалавриатах Университета ИТМО 350
4.4.2 Результаты эксперимента по организации интенсивного обучения
фундаментальным основам физики студентов НИУ ИТМО 353
4.5 Использование электронных конструкторов и мультимедийных
сборников для поддержки работ по формированию у широких слоев населения современной естественно-научной картины мира 357
4.5.1 Использование мультимедийных сборников для сопровождения
углубленного преподавания курса «Концепции современного естествознания» для студентов гуманитарных специализаций 357
4.5.2 Использование ресурсов электронных сборников для создания
многоуровневого МООК- курса по физике 361
4.6 Заключение 367
4.7 Основные выводы 368
Глава -5. Методы привлечения учащихся к научным исследованиям
с использованием электронных конструкторов 371
5.1 Привлечение учащихся к мини-исследованиям,
проводимым на базе электронного образовательного контента 371
5.1.1 Использование компьютерных симуляций в качестве источника
задач для теоретических мини-исследований 372
5.1.2 Исследования в области программирования электронных сборников и
средств автоматизированного создания электронного учебного контента 375 
5.2 Включение элементов научного исследования в физические практикумы путем объединения реального и модельного эксперимента 377
5.2.1 Концепция создания автоматизированных лабораторных практикумов с
включением элементов научного исследования 378
5.2.2 Трансформация учебного практикума в исследовательский путем
включения численного моделирования: «Исследование газового разряда» 379
5.2.3 Трансформация учебного практикума в исследовательский путем включения численного моделирования: «Эксперименты в
аэродинамический трубе» 386
5.2.4 Трансформация учебного практикума в исследовательский путем включения численного моделирования: «Изучение гистерезисных
эффектов в системах с высокотемпературными сверхпроводниками» 390
5.3 Использования современных компьютерных технологий для поддержки работ по привлечению обучающихся к научным исследованиям 397
5.3.1 Использование компьютерного моделирования в исследованиях столкновительных переходов между различающимися по спину
уровнями Неї 399
5.3.2 Численное моделирование нелокальной неравновесной плазмы 410
5.3.3 Использование численного моделирования газовых разрядов для развития
нового подхода к анализу составов газовых смесей на основе электронной столкновительной спектроскопии 419
5.3.4 Численное моделирование газового разряда в воздухоподобных смесях 436
5.4 Заключение 439
5.5 Основные выводы 440
Заключение 441
Список сокращений и условных обозначений 445
Список литературы 446
Приложения 
Введение
Актуальность темы исследования
Во второй половине ХХ столетия произошел беспрецедентый п своим масштабам и значимости технологический скачок, результатом которого явилось появление компьютерных технологий, последствия которого уже сейчас воспринимаются как судьбоносные в масштабах всей цивилизации. Появление компьютеров и связанных с ними современных информационных, сетевых, телекоммуникационных и мультимедийных технологий за рекордно короткие сроки (около двух десятилетий) привело к принципиальным изменениям практически всех сторон жизни и деятельности общества. Если в докомпьютерную эпоху автоматизация, как одна из важнейших составляющих общечеловеческого прогресса, была направлена главным образом на решение задач замены человека в наиболее простых, но требующих физического напряжения однообразных операциях, то современные компьютерные технологии открывают пути для автоматизации многих видов интеллектуальной деятельности.
В настоящее время употребление термина «автоматизация» в применении к производственным процессам, проектированию, планированию, управлению и даже к научным исследованиям, как правило, не встречает возражений. В то же время, выражение «автоматизация обучения» на современном этапе у многих участников образовательного процесса вызывает настороженное отношение. В этом кроется одна из причин сравнительно медленного внедрения компьютерных технологий в реальную практику учебного процесса, несмотря на то, что теоретические дискуссии 80 - 90х годов о целесообразности использования компьютеров в предметном обучении на сегодняшний день уже потеряли свою актуальность. Существенная заслуга в демонстрации оправданности применения компьютерных технологий в обучении принадлежит физике, выступившей в период компьютеризации в качестве своеобразного полигона для апробаций идей использования компьютерных технологий в обучении. Последнее было обусловлено высокой математизированностью и алгоритмизированностью дисциплины и используемых ею методов и относительной (по сравнению с другими естественными и гуманитарными науками) простотой изучаемых в ее рамках объектов.
Сегодня бурно развивающиеся информационные, телекоммуникационные, сетевые и мультимедийные технологии все чаще ставят практически перед всеми сферами человеческой деятельности (включая систему образования) проблемы в форме привлекательных для использования новых разработок и технологий. Правильной тактикой «потребителя» является не отказ от таких предложений и не попытки их безоговорочного внедрения, а внимательная работа по селекции действительно эффективных для конкретной сферы деятельности инноваций. Именно в этом виде работ в области информационного сопровождения, компьютеризации и автоматизации учебно-научного процесса физика сохранила свои лидирующие позиции.
При этом приходится признать, что, начиная с последней четверти ХХ века, внутренняя ситуация в области фундаментального физического образования, а также в смежных областях естественнонаучного и инженерно-технического образования складывается отнюдь не благоприятно. С одной стороны, революционный прогресс в области компьютерных технологий, микробиологии, нанотехнологий предопределяет острую потребность общества в специалистах, обладающих фундаментальным физико-математическим образованием, готовых работать в физике и смежных с ней междисциплинарных областях. С другой стороны, популярность физики и точных наук катастрофически падает не только в России, но и в большинстве стран, внесших основной вклад в их развитие. В результате падения спроса со стороны обучаемых уровень преподавания дисциплин физико-математического профиля постепенно падает и приближается к черте ниже которой проблематичной оказывается не только работа выпускника в области исследований и преподавания, но и в высокотехнологичных производственных сферах, активно использующих достижения фундаментальной и прикладной науки. Популярность Computer Science, в определенной мере порожденной точными науками, частично способствует оттоку перспективной молодежи из сферы физико-математических наук. В описанной ситуации оправдана постановка вопроса об эффективном использовании компьютерных технологий в интересах поддержки и интенсификации современного физико-математического образования и распространении результатов этих работ на всю область естественнонаучного образования.
Предпосылкой для успешного решения поставленного вопроса является утвержденный в 2010г. Приказом Министерства образования и науки Российской Федерации Государственный образовательный стандарт основного общего образования (ФГОС) и касающиеся высшего образования сходные документы федерального и отраслевого уровней, регламентирующие современные требования к структуре образовательных программ, условиям их реализации и результатам их освоения. В текстах нормативных документов содержатся требования обеспечения компетентностного и индивидуализированного подхода к обучению молодежи и указывается на необходимость развития новых методик обучения и инноваций в образовательной сфере.
Таким образом, одной из стратегических задач, поставленных сегодня перед системой образования России, является переход к массовому индивидуализированному и практико-ориентированному обучению, подразумевающему увеличение доли самостоятельной, активной работы учащихся по освоению теоретического материала и приобретения ими ориентированных на будущую трудовую деятельность компетенций. Необходимость решения этих весьма ресурсоемких задач полностью соответствует сегодняшним объективным потребностям физического образования и интересам потенциальных работодателей. Последнее означает необходимость поиска реалистичных путей для их решения. Современные компьютерные и информационные технологии могут и должны стать надежной базой для организации такой деятельности и обеспечения ее информационного и методического сопровождения. Полем для апробации и стандартизации таких работ может и должна выступить система фундаментального физического образования, имеющая опыт инновационной деятельности по изучению и внедрению электронных методов обучения и объективно заинтересованная в таком внедрении.
Таким образом, общая стратегия развития образования в России, долгосрочные потребности в подготовке специалистов различных профилей с фундаментальным базовым образованием и конкретные интересы сохранения традиций и устойчивого развития Российской школы физико-математического образования делают актуальной настоящую работу, посвященную поиску и апробациям новых вариантов автоматизации разработки электронных образовательных ресурсов, адаптируемых к индивидуальному уровню подготовки и запросам пользователя, созданию соответствующих программных средств, допускающих возможность использования лицами, не являющимися профессионалами в области программирования, и внедрению этой электронной продукции в реальный учебный процесс.
Вопрос о степени разработанности выбранной области исследования весьма неоднозначен. С одной стороны, практика активных попыток разработки электронных образовательных ресурсов (ЭОР) в России и за рубежом имеет уже почти тридцатилетнюю историю, что позволяет ставить вопрос о систематизации сделанного. С другой стороны, в настоящее время весьма настойчиво звучит мнение о том, что надежды на быстрый и экономически привлекательный эффект от внедрения информационных и цифровых технологий в образование себя не оправдали. Последнее привело к заметному снижению массового увлечения этой сферой. Одной из причин низкой результативности завершающегося этапа компьютеризации предметного обучения оказалась попытка дублирования электронными средствами традиционных форм учебного процесса и автоматизации самого процесса обучения. При этом без должного внимания осталась проблема поиска и внедрения таких вариантов использования новых технологий, которые дополняют традиционный процесс обучения новыми, ранее недоступными формами. Автоматизация и компьютеризация традиционных форм учебной деятельности у ее субъектов (и учащихся, и преподавателей) часто ассоциировались с попытками стандартизации учебного процесса и отказа от индивидуального подхда. Отличительной чертой выбранной области исследования является поиск вариантов автоматизации не самого образовательного процесса, а работ по созданию его информационного обеспечения, которые в случае перехода к массовому индивидуализированному обучению неизбежно становится весьма ресурсоемкими. Степень разработанности указанной области весьма низкая. Имеющиеся немногочисленные программные среды и оболочки, ориентированные на создание интерактивных электронных образовательных ресурсов по естественнонаучным дисциплинам, весьма ресурсоемки и, как правило, требуют для своего использования серьезной предварительной подготовки предметников. Отличительной чертой развиваемого в настоящей работе подхода является поиск вариантов создания достаточно универсальных средств автоматизации, допускающих возможность их удаленного использования непрофессионалами на работающих в удаленном on-line режиме не обладающих рекордно высокой производительностью доступных компьютерах. Указанная область в настоящее время разработана недостаточно.
Цели и задачи настоящего исследования вытекают из анализа инициировавших его причин. Целью исследования является поиск и развитие путей информационного обеспечения углубленного физического образования путем создания и развития методов и средств автоматизации разработки электронных образовательных ресурсов для сопровождения вариативного изучения физики.
Основная цель исследования достигалась в результате решения следующих задач:
• Выявление общих тенденций развития электронных образовательных ресурсов и их использования для сопровождения учебного процесса в конкретной предметной области.
• Анализ имеющихся классификаций электронных образовательных ресурсов и дополнение или совершенствование классификаций в случае необходимости.
• Выделение наиболее перспективных и востребованных в обучении физике типов электронных образовательных ресурсов, анализ их наиболее важных с точки зрения использования в обучении свойств; разработка вариантов развития этих ресурсов.
• Изучение системы требований, предъявляемых к электронным образовательным ресурсам; анализ ее применимости для выделенных перспективных типов; модификация и дополнение системы требований с учетом практики использования рассматриваемых ресурсов.
• Формулировка концепции использования электронных ресурсов в физическом образовании и разработка конкретных алгоритмов их построения.
• Анализ возможностей автоматизации создания выделенных типов электронных образовательных ресурсов и разработка алгоритмов функционирования средств автоматизации.
• Создание новых электронных образовательных ресурсов с целью апробации реализованных алгоритмов и методов их автоматизированной разработки, оценки универсальности этих методов, качества создаваемых с их помощью ресурсов и проверки возможности эффективного использования последних в реальном учебном процессе.
• Осуществление тестового внедрения средств автоматизированной разработки электронных образовательных ресурсов и созданной с их помощью продукции в реальный учебно-научный процесс на его различных уровнях; выработка рекомендации по использованию новой учебной продукции.
• Анализ путей дальнейшего развития выполненного исследования и совершенствования разработанной продукции.
Научная новизна исследования заключается в том, что в ходе его проведения сформулированы отличающиеся от традиционных и опубликованных в литературе концептуальные положения и получены следующие результаты:
• Предложен новый вариант 3D - микроклассификации электронных образовательных ресурсов, включающей в себя неинвариантные по предметной принадлежности признаки, необходимые для однозначного позиционирования ресурса внутри соответствующей области знаний.
• Предложены количественные критерии целесообразности использования различных типов электронных образовательных ресурсов в обучении физике, построенные на количественных оценках их значимости как для традиционной образовательной деятельности, так и для обеспечения развития активных форм обучения, и критерии значимости типов электронных ресурсов с точки зрения принятия решения о создании средств автоматизации их разработки.
• Предложена концепция трансформации компьютерного моделирования, как одного из наиболее эффективных видов интерактивной электронной поддержки обучения физике, в близкую к предельному уровню интерактивности качественно новую форму электронных конструкторов виртуальных физических моделей, сочетающих в себе функции обеспечения активных форм изучения физики и автоматизации разработки ЭОР для обеспечения массового индивидуализированного предметного обучения.
• Предложен новый подход к автоматизированному созданию интерактивных моделирующих программ, основанный на адаптирующихся к специфике виртуальных физических систем алгоритмах, использующих методы объектно-ориентированного программирования, самонастраиваемые процедуры итерационного интегрирования уравнений движения элементов этих систем и автоматическую генерацию новых поколений объектов.
• Продемонстрирована возможность использования адаптирующихся алгоритмов для автоматической генерации интерактивных апплетов, осуществляющих численные симуляции широкой номенклатуры физических систем и явлений, соответствующей всем основным разделам программ курсов классической физики.
• Продемонстрирована возможность эффективного использования интерактивных средств численного моделирования физических систем для организации междисциплинарных форм непрерывного, углубленного и сбалансированного обучения физике, математике и Computer Science на трех уровнях обучения: довузовского, бакалавриата и магистратуры.
• Предложены варианты использования стереоскопических технологий для 30- визуализаций результатов работы электронных конструкторов и порождаемых ими трехмерных и многомерных виртуальных систем, включая четырехмерное пространство-время.
• Предложен вариант использования электронных конструкторов и численного моделирования для организации новых видов гибридных лабораторных и компьютерных практикумов, включающих в себя наряду с учебной составляющей элементы научных исследований.
• Предложен механизм раннего привлечения учащихся к научным исследованиям, основанный на сочетании экспериментальной работы на автоматизированных лабораторных установках и элементов теоретического анализа изучаемого явления, осуществляемого с помощью интерактивных средств численного моделирования физических систем.
• На основе анализа и сопоставления с экспериментальными и теоретическими данными результатов объектно-ориентированного моделирования получены результаты, представляющие интерес для фундаментальной физики газового разряда: предложен новый механизм интеркомбинационных электронных столкновительных переходов и продемонстрировано возникновения нового эффекта нарушения приближения амбиплярности в нелокальной двумерной плазме.
• На основе результатов выполненного комплексного численного моделирования нелокальной плазмы микроразряда в гелии обоснована возможность реализации и получены условия применимости нового метода детектирования газовых примесей, основанного на предложенных принципах электронной столкновительной спектроскопии.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость выполненного исследования состоит:
• в разработке концепции использования интерактивных электронных образовательных ресурсов в индивидуализированном обучении физике в целях увеличения доли активной исследовательской деятельности обучаемых;
• в обоснования на ее базе необходимости развития электронных конструкторов виртуальных физических систем как программных сред двойного назначения: многофункциональных ресурсов для сопровождения поисковой компоненты учебного процесса и, одновременно, средств автоматизации разработок интерактивных численных моделей изучаемых физических систем и явлений;
• в разработке принципов объектно-ориентированного моделирования применительно к сложным физическим системам для построения адаптируемых алгоритмов, обеспечивающих автоматическую (не требующую корректировки программного кода) генерацию самонастраиваемых процедур.
Результаты исследования были доведены до практической реализации, к основным итогам которой следует отнести:
• Создание трех базовых программ-конструкторов, обеспечивающих автоматизацию разработки интерактивных демонстраций по всем изучаемым в рамках программ среднего образования и блоков общих дисциплин высших учебных заведений (университетов) разделам курсов классической физики.
• Создание коллекций электронных интерактивных демонстраций и задач для мини-исследований в курсах физики средних и высших учебных заведений.
• Разработку алгоритма создания интеллектуальной оболочки обучающего тестирования, обеспечивающей автоматизированную генерацию заданий и организацию проверки их выполнения тестируемым в форме, максимально приближенной к диалогу между экзаменатором и учащимся.
• Создание двух серий электронных сборников авторских мультимедийных обучающих ресурсов для средних и высших учебных заведений, содержащих помимо интерактивных электронных образовательных ресурсов новые типы электронного контента: гибридного видео, стереоскопических 3 D-визуализаций и мультимедийных описаний физического практикума.
• Внедрение и массовая апробация созданных ЭОР в рамках авторской образовательной программы «Физика и компьютер» для организации интенсивного обучения школьников по междисциплинарному курсу сбалансированного изучения физики, математики и компьютерных технологий.
• Внедрение и массовая апробация созданных ЭОР в рамках подготовки бакалавров по образовательному направлению «Прикладные математика и физика», базирующейся на инновационных методиках обучения, закрепление в Федеральном Государственном образовательном стандарте.
• Результаты применения средств автоматизированной генерации объектно-ориентированных моделей физических систем для трансформации активной познавательной деятельности в самостоятельные научные исследования.
• Доказана возможность эффективного использования электронных конструкторов и сборников мультимедийных ресурсов для сопровождения дистанционного обучения, реализуемых по МООС-технологиям
Методология и методы исследования
В качестве методологической основы исследования на общенаучном уровне был использован системный подход, позволивший позиционировать выбранную цель выполняемого цикла работ в общей системе проблем и задач, решаемых в области технического и информационного сопровождения подготовки специалистов, и в ее конкретных реализациях, касающихся использования компьютерных технологий для повышения эффективности естественнонаучного образования.
На конкретном уровне разработки подходов к созданию обладающих большой универсальностью алгоритмов конструирования и численного моделирования виртуальных систем использован естественный для выбранного направления исследований подход, основанный на современной физической картине мира, допускающей возможность сведения всего многообразия систем и явлений классической физики к совокупностям большого, но ограниченного числа элементарных объектов («частиц») и переносчиков взаимодействий между ними. Наличие весьма ограниченных наборов типов таких объектов и взаимодействий между ними обеспечило возможность реализации идеи автоматизированного конструирования виртуальных систем - аналогов простейших реальных физических объектов и явлений, представляющих собой интерактивные компьютерные симуляции. Для расширения возможностей создаваемых конструкторов моделей классической физики и при моделировании низкотемпературной плазмы частично использовались идеи и методы релятивистской физики и квантовой механики.
В ходе создания алгоритмов электронных конструкторов и осуществления их программной реализации использованная идеология конструирования сложных систем из их простых элементов естественным образом потребовала использования методов объектно-ориентированного программирования. Знакомство с этими методами на начальных этапах исследования привела к формированию реализованного в работе подхода, общая методология которого весьма близка к формирующимся в настоящее время концепциям объектно-ориентированного моделирования.
При разработке вопросов, связанных с наполнением разработанных электронных средств конкретным информационно-учебным содержанием, ориентированным на различающихся по уровням подготовки и мотивации учащихся, использовались развитые в педагогических науках деятельностный, компетентностный и личностный подходы. На основе этих подходов был осуществлен синтез целостной концепции методической разработки и содержательного наполнения созданных электронных сборников.
При выполнении теоретической части исследования были использованы:
• концептуальный и сравнительный анализ имеющихся в монографиях, учебниках и периодических изданиях материалов по методам численного моделирования сложных систем, использованию идеологии и методов объектно-ориентированного программирования и содержащиеся в педагогической и методической литературе данные по вопросам использования электронных обучающих ресурсов в образовании;
• анализ нормативно-законодательных документов, государственных образовательных стандартов, учебных программ и учебных пособий по проблемам внедрения и использования электронных ресурсов в образовании;
• изучение методов решения задач подготовки интерактивных образовательных ресурсов по физике с использованием доступных электронных средств разработки.
На эмпирическом уровне использовалась:
• апробация создаваемых электронных ресурсов в реальном учебном процессе и в практике привлечения учащихся к научным исследованиям;
• верификация правильности работы разрабатываемых алгоритмов на специальных тестовых задачах.
К основным этапам выполнения исследования следует отнести:
• Формирование концепции электронных конструкторов и создание тестового макета конструктора и интегрированного с ним электронного учебника.
• Создание базовых версий трех электронных конструкторов, обеспечивающих возможность генерации интерактивных моделей в курсе физики для средних учебных заведений.
• Создание библиотек компьютерных симуляций и серии электронных сборников для учащихся старших классов средних школ; внедрение разработок в ходе реализации проекта «Физика и компьютер»
• Создание интегрированного электронного конструктора третьего поколения и библиотек интерактивных демонстраций по физике для учащихся бакалавриатов физических и нефизических специальностей; внедрение разработок в ходе организации образовательного направления «Прикладные математика и физика».
• Разработка блоков интерактивных конструкторов для атомно-молекулярной физики и физики нелокальной плазмы; апробация вариантов использования электронных конструкторов для трансформации активной познавательной деятельности учащихся в самостоятельные научные исследования.
• Апробация возможности использования созданных интерактивных ЭОР в дистанционном обучении, основанном на МООС-технологиях.
Положения, выносимые на защиту
1. Основанное на предложенной классификационной схеме типов ЭОР утверждение о перспективности автоматизации разработок гибридных (интегрированных)
электронных образовательных ресурсов, обязательной частью которых должны быть построенные на принципах объектно-ориентированного моделирования программы («компьютерные симуляции») с максимально-высоким уровнем интерактивности.
2. Положенная в основу разработки конкретной учебной электронной продукции и средств ее автоматизированного создания система дополнительных (специфических для предметной области) требований к ЭОР по физике, вытекающих из общих (частично противоречивых) требований к учебным ресурсам, специализированных микро-классификаций и практики учебного процесса.
3. Вывод о целесообразности разработки автоматизированных универсальных средств создания интерактивных компьютерных моделей по физике (электронных конструкторов виртуальных физических систем), представляющих дополнительный интерес с точки зрения их использования в качестве учебных ресурсов, обладающих высоким уровнем интерактивности.
4. Разрабо

Список литературы

Заключение
Итоги выполненного исследования
В ходе выполнения исследования были решены все изначально поставленные задачи:
• На основе анализа тенденций развития электронных образовательных ресурсов и их использования для сопровождения фундаментального обучения физике было показано, что на протяжении всей истории компьютеризации образования отчетливо проявляется тенденция поэтапного усложнения структуры ЭОР, постепенного перехода к сложным электронным ресурсам, объединяющим в себе элементы, ориентированные на различные медийные среды; однако главной тенденцией является непрерывное увеличение степени интерактивности электронных ресурсов, параметра, выделяющего этот класс учебной продукции на фоне традиционных.
• Анализ имеющихся классификаций электронных образовательных ресурсов и дополнение/совершенствование классификаций в случае необходимости. В ходе анализа используемых в настоящее время классификаций ЭОР была отмечена тенденция к разработке инвариантных, предметно независимых подходов. Такие классификации, несомненно, удобны для организации глобальных хранилищ ресурсов, но существенно затрудняют поиск необходимой информации участниками образовательного процесса. В этой связи было предложено дополнить глобальные классификации предметными «микроклассификациями», ориентированными на интересы пользователей; в качестве простого примера приведена трехмерная классификация.
• В качестве наиболее перспективных для использования в ориентированном на активные формы работы учащихся преподавании физики выделены компьютерные симуляции физических систем и происходящих с ними явлений, как класс высокоинтерактивных ресурсов, допускающих использование практически во всех видах образовательной деятельности.
• В результате изучения требований, предъявляемых к ЭОР в настоящее время и носящих независимый от предметной области использования характер, сделан вывод о необходимости их дополнения специфическими требованиями, отражающими особенности обучения физике; было вскрыто внутреннее противоречие между общими требованиями краткости и лаконичности, предъявляемыми к ЭОР, как продуктам формирующейся Web-культуры, и полноты и фундаментальности - традиционным характеристикам образовательного контента. В качестве варианта решения возникшего противоречия предложено использовать присущие электронной продукции свойства многовариантности и интерактивности.
• На основе проведенного анализа и опыта практического преподавания физики в средних и высших учебных заведениях сформулирована концепция использования ЭОР в данной предметной области и выделены основные перспективные направления их разработки, подразумевающие широкое использование мультимедийных и телекоммуникационных технологий в сочетании с обязательным учетом требований интерактивности. В качестве наиболее перспективной продукции предложены допускающие удаленное использование электронные сборники мультимедийных ресурсов, основным наполнением которых должны быть гибридные видеоматериалы, обучающие тесты и интерактивные модели-демонстрации. В качестве наиболее универсальной и адаптируемой к специфике обучения формы таких компьютерных симуляций предложены электронные конструкторы, одновременно являющиеся средством автоматизации ресурсоемких разработок интерактивных моделей.
• Проведен анализ возможностей автоматизации создания различных типов интерактивных электронных образовательных ресурсов и разработаны оригинальные алгоритмы соответствующих средств автоматизации. Факт успешного создания простых в эксплуатации и допускающих удаленных доступ электронных конструкторов показал возможность использования предложенных принципов «физического объектно-ориентированного программирования» для массовой автоматизированной разработки разнообразных гибких, настраиваемых электронных симуляций на базе адаптирующихся алгоритмов, использующих самонастраивающиеся процедуры решения дифференциальных уравнений и порождения объектов следующих поколений.
• На базе разработанных алгоритмов создано семейство оригинальных программ - электронных конструкторов, позволивших осуществить наполнение двух серий электронных сборников для поддержки многовариантного интенсивного обучения физике в выпускных классах средних учебных заведений и в бакалавриатах вузов. Практика внедрения созданных электронных учебно-информационных ресурсов показала их высокую эффективность не только в традиционном учебном процессе, но и при решении задач развития активных форм овладения материалом учащимися и вовлечения их в творческую поисковую работу, вплоть до раннего привлечения к научным исследованиям.
• Создание новых высокоэффективных средств разработки интерактивных программ открыло возможности развития новых форм образовательной деятельности и раннего привлечения учащихся к исследованиям, а также позволило выполнить серию исследований в области физики нелокальной плазмы и элементарных плазменных процессов, в результате которых были получены новые физические результаты в фундаментальной и прикладной областях.
• Созданная электронная учебная продукция использовалась при организации интенсивного обучения в специализированных классах физико-математических школ, в бакалавриатах Физического факультета СПбГУ, НИУ ИТМО и ПсковГУ, в бакалавриатах гуманитарных факультетов СПбГУ при чтении курсов «Концепции современного естествознания», в научно-просветительской работе.
Рекомендации
Разработанные средства автоматизированного создания интерактивных ЭОР, использующих численное объектно-ориентированное моделирование, наиболее полезны для учебных заведений, планирующих осуществлять индивидуализированную подготовку учащихся, ориентированную на их исходный уровень знаний, способности и мотивацию. Именно в таких ситуациях возникает необходимость создания больших объемов электронной продукции, различающейся по количеству и сложности содержащейся в ней информации.
Другим перспективным вариантом использования электронных конструкторов является оперативная подготовка новых курсов с мультимедийным сопровождением, отражающим специфику их содержания. Электронные конструкторы, вне сомнения, могут быть рекомендованы преподавателям-новаторам, желающим реализовывать свои оригинальные педагогические идеи.
Наконец, электронные конструкторы, как наиболее гибкие, обладающие максимальной интерактивностью электронные образовательные ресурсы для численного моделирования, могут быть рекомендованы для использования на факультативных занятиях и для организации самостоятельной исследовательской деятельности учащихся. Они являются безальтернативным средством для оперативной и не требующей программирования самостоятельной разработки и осуществления численных экспериментов с целью углубленного изучения теории и/или изучения вопросов о соответствии различных теоретических приближений результатам поставленного учебного (или научного) эксперимента.
Перспективы дальнейшей разработки темы
К основным направлениям дальнейшего развития работ следует отнести:
• Создание окончательного варианта универсального интегрированного конструктора моделей классической физики, допускающего создание гибридных демонстраций с участием объектов из любых классов, разработанных к настоящему времени и открытого для дальнейшего развития путем расширения библиотек моделей физических объектов и процедур из взаимодействия. Естественным развитием технических возможностей в новой версии должно стать использование параллельных вычислений и технологий стереоскопических визуализаций вплоть до «виртуальной реальности».
• Дополнение электронных сборников онтологиями содержащихся в них учебно¬информационных ресурсов с целью превращения их в постоянно наполняемые базы знаний с мультимедийным интерактивным наполнением.
• Объединение разработанных ресурсов с доказавшими свою жизнеспособность МООС-технологиями дистанционного обучения с целью создания максимально интегрированной среды сопровождения индивидуализированного учебного процесса, ориентированного на множественное использование каналов восприятия информации и сочетание традиционных академических и практико¬ориентированных форм обучения.
• Создание пригодной для использования в открытом доступе и допускающей работу неподготовленных пользователей завершенной версии электронного конструктора по атомно-молекулярной физике, ориентированного на использование его как в учебном процессе, так и в научных исследованиях. Организация на его базе систематической (поточной) работы по привлечению учащихся к научным исследованиям в области физики нелокальной плазмы, носящим как фундаментальный, так и прикладной характер.
• Создание пятого сборника мультимедийных ресурсов, посвященного атомно¬молекулярной и субатомной физике и ориентированного на поддержку учебного и учебно-научного процессов.