Мультимедийные обучающие системы лекционных курсов

2. Интегративная структура мультимедийной обучающей системы лекционного курса электротехнической дисциплины, включающая блоки контента учебного материала (установочно-целевой, справочно-энциклопедический, электронного конспекта, объяснительно-иллюстративный, проблемных задач, тестовых заданий) и отражающая возможности их использования для реализации дидактических компонентов (целевого, потребностно-мотивационного, содержательного, операционально-деятельностного, оценочно-результативного) лекции Мультимедиа и основных ее функций (познавательной, развивающей, организующей, воспитательной).

3. Метод компьютерного моделирования проблемных задач, реализуемый мультимедийной обучающей системой лекционных курсов электротехнических дисциплин, как способ активизации учебно-познавательной деятельности обучающихся на лекционных занятиях, обеспечивающий усиление инвариантных компонент учебно-познавательной деятельности и осуществляющий перевод обучающихся с репродуктивного уровня деятельности на продуктивный за счет компьютерного моделирования проблемных задач с априорно неизвестным решением и возможными гипотетическими вариантами их решения с использованием графических, геометрических и имитационных моделей и таких программных возможностей мультимедиа, как многооконное представление информации на одном слайде, «манипулирование», контаминация, дискретная подача информации.

4. Комплекс психолого-педагогических требований к мультимедийным обучающим системам лекционных курсов электротехнических дисциплин, учитывающий особенности процесса обучения электротехническим дисциплинам (предъявление учебного материала на лекционных занятиях должно строиться с опорой на взаимосвязь вербально-логического, сенсорно-перцептивного и представленческого (образного) уровней когнитивного процесса) и включающий следующие новые требования: синкретичности предъявления учебной информации, обеспечения полной структуры учебно-познавательной деятельности, избыточности учебной информации, комплементарности, динамически развивающегося теоретического образа, эмоционального регулирования учебно-познавательной деятельности.

5. Научно-методические основы применения мультимедийных обучающих систем лекционных курсов, включающие:

а) методики проведения вариативных видов лекций:

- в лекциях, ориентированных на организацию репродуктивного уровня учебно-познавательной деятельности (информационных, обзорных, установочных, консультативных), в качестве ключевого следует использовать объяснительно-иллюстративный блок контента МОС (ЛК);

- в лекциях, ориентированных на организацию продуктивного уровня учебно-познавательной деятельности (проблемных, лекциях-диалогах, лекциях с запланированными ошибками), в качестве ключевого должен быть применен блок проблемных задач;

б) методики подготовки и повышения квалификации преподавателей сообразно уровню их специальной, методической и ИКТ компетентности;

в) методику экспериментальной оценки активизации учебно-познавательной деятельности обучающихся на лекции Мультимедиа, включающую определение уровня усвоения основных понятий лекционного материала и оценку функционального состояния студентов с применением физиологических, психометрических и субъективных методов.

Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечены применением комплекса методов, адекватных объекту, целям, задачам и логике исследования, длительным характером опытно-поисковой работы, репрезентативностью объема выборок и статистической значимостью экспериментальных данных.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснованы актуальность, проблема исследования, сформулированы объект, предмет, цель, гипотеза, задачи и методы исследования, его научная новизна, теоретическая и практическая значимость, положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ становления и развития мультимедийных обучающих систем электротехнических дисциплин» выявлены закономерности и тенденции развития мультимедийных средств учебного назначения, что позволило историю становления мультимедийных средств учебного назначения разделить на три этапа. Первый этап - становление (1981-1995 гг.) - связан с совершенствованием процессоров и операционных систем персональных компьютеров. Для мультимедийных средств учебного назначения данного периода характерно применение языков программирования и представление учебной информации с использованием двухмерной графики. Второй этап - развитие (с 1995 г. по настоящее время) - связан с появлением операционной системы Windows 95, включающей в себя средства мультимедиа, и созданного конкретно под нее процессора Pentium Pro. Мультимедийные средства учебного назначения (МСУН) данного периода создаются с использованием, как языков программирования, так и инструментальных сред; учебная информация представлена с применением двух- и трехмерной графики. Третий этап - совершенствование - связан с дальнейшим совершенствованием и разработкой интеллектуальных обучающих систем и технологий «Виртуальная реальность».

Выявлено, что программные возможности мультимедийных средств учебного назначения предопределяют их психолого-педагогические возможности в учебном процессе: гипертекст упрощает процесс навигации и предоставляет возможность выбора индивидуальных траектории и темпа изучения материала; аудиосопровождение учебной информации повышает эффективность восприятия материала; визуальное представление информации способствует лучшему запоминанию и усвоению учебного материала; анимация является одним из сильных средств привлечения внимания и эмоционального восприятия информации; представление визуальной информации в цвете, являясь мощным средством психофизиологического и эмоционального воздействия на человека, служит эффективным средством приема и переработки зрительной информации; компьютерное моделирование используется с целью обеспечения наглядности, доступности восприятия учебной информации, которую невозможно представить обычными средствами наглядности (репродуктивный уровень), и развития интеллектуального и творческого потенциала (продуктивный уровень); интерактивность обеспечивает обратную связь и способствует организации совместной деятельности в триединстве «преподаватель - ПК - обучающийся»; манипулирование информацией способствует организации повторения учебной информации; многооконность дает возможность одновременного (параллельного) рассмотрения различных гипотез при проблемном обучении.

Установлены преимущества применения мультимедийных средств учебного назначения, которые заключаются в том, что обучающемуся предоставляется возможность слышать и видеть учебный материал, одновременно активно участвуя в управлении его подачей, возвращаясь к непонятым или особо интересным разделам. При этом обучающийся может пользоваться не только звуком и изображением, но и терпением учителя-компьютера, способного воспроизводить объяснение столько раз, сколько это необходимо для понимания и запоминания учебного материала.

Впервые введено новое категориальное понятие «Мультимедийная обучающая система электротехнической дисциплины». По нашему мнению, МОС должна обеспечивать полную структуру учебно-познавательной деятельности, реализация которой позволит более эффективно ее организовать с целью овладения обучающимися научными знаниями, умениями, навыками.

В связи с этим под смыслосодержательным существительным «система» в введенном нами категориальном понятии мы понимаем совокупность компьютерных учебных программ, обеспечивающих полную структуру учебно-познавательной деятельности. Первое прилагательное «мультимедийная» в категориальном понятии характеризует форму представления информации в МОС, второе - дидактическую цель ее применения (в нашем случае основная цель - обучение). На основании вышеизложенного в настоящей работе сформулировано следующее определение:

«Мультимедийная обучающая система электротехнической дисциплины - это совокупность взаимосвязанных компьютерных учебных программ (информационной, тренировочной, моделирующей, справочно-энциклопедической, контролирующей), обеспечивающих полную структуру учебно-познавательной деятельности: цель, мотив, собственно деятельность, результат - при условии интерактивной обратной связи, выполненных на основе технологий Мультимедиа».

Предложена следующая классификация МОС электротехнической дисциплины: МОС (ЛК) - мультимедийная обучающая система для организации лекционных занятий, в которой превалирует информационная компонента; МОС (ПЗ) - мультимедийная обучающая система для организации практических занятий (упражнений), в которой превалирует тренировочная компонента; МОС (ЛЗ) - мультимедийная обучающая система для организации лабораторных занятий, в которой превалирует моделирующая компонента.

Установлены типы МОС, рекомендуемые для организации репродуктивной и продуктивной учебно-познавательной деятельности. Использована классификация методов обучения, предложенная И.Я. Лернером и М.К. Скаткиным (пять методов обучения, в каждом из последующих методов степень активности и самостоятельности в деятельности обучаемых возрастает) (табл. 1).

Таблица 1

Мультимедийные обучающие системы электротехнических дисциплин для организации репродуктивной и продуктивной учебно-познавательной деятельности

В таблице введены следующие аббревиатуры: ПМС - программно-математические средства; МС и БД - мультимедийные справочники и базы данных; ИОС - интеллектуальные обучающие системы.

На основании выявленных особенностей процесса обучения электротехническим дисциплинам установлено, что для них наиболее перспективна разработка мультимедийных средств учебного назначения, обеспечивающих наличие компьютерных учебных программ по всем видам учебных занятий по электротехнической дисциплине: лекционных, практических, лабораторных, включая самостоятельную работу студентов, предусматривающую выполнение расчетно-графических заданий, курсовых и дипломных проектов.

Анализ публикаций по применению средств ИКТ в процессе обучения электротехническим дисциплинам высшей школы показал, что основное количество публикаций (2007 г.) посвящено организации практических занятий - 25,5 %, лабораторных занятий - 27,8 %, курсовому и дипломному проектированию - 18,2 %, самостоятельной работе студентов - 22,5 %. Вопросам внедрения средств ИКТ на лекционных занятиях уделено внимание лишь в 6 % работ. В то же время из работ В.П. Беспалько и других исследователей известно, что именно на лекционных занятиях наблюдается самая низкая активность учебно-познавательной деятельности.

Таким образом, вопросы создания и внедрения МОС, обеспечивающих активизацию учебно-познавательной деятельности в лекционных курсах электротехнических дисциплин, еще не получили достаточной разработки.

Во второй главе «Психолого-педагогические требования к мультимедийным обучающим системам лекционных курсов электротехнических дисциплин» сформулирован комплекс психолого-педагогических требований к МОС (ЛК). Педагогические требования представлены как совокупность дидактических требований, касающихся наиболее общих аспектов обучения, и методических, связанных со спецификой преподавания электротехнических дисциплин.

На основании проведенного анализа научно-методический литературы выявлено, что применение средств ИКТ на лекционных занятиях потенциально обеспечивает, по сравнению с лекциями, проводимыми по традиционной технологии, более высокий уровень реализации таких традиционных дидактических требований, как научность, наглядность, доступность, прочность, сознательность и активность обучающихся, единство образовательных, развивающих и воспитательных функций обучения.

Обоснована целесообразность введения новых дидактических требований к МОС лекционных курсов:

- требование синкретичности предъявления учебной информации, под которым мы предлагаем понимать комбинированное предъявление учебной информации, включающее в себя дидактически обоснованное соотношение ее различных форм: текст, звук, графика, видео, анимация.

Данное дидактическое требование является основным отличительным требованием МОС (ЛК) по сравнению с ранее создаваемыми электронными средствами учебного назначения, т. к. отражает существенную отличительную особенность мультимедийных средств учебного назначения, объединяющих традиционную статическую визуальную информацию (текст, графику) и динамическую (речь, музыку, видеофрагменты, анимацию);

- требование обеспечения полной структуры учебно-познавательной деятельности (цель, мотив, собственно деятельность, конечный результат).

Данное дидактическое требование впервые предлагается для проведения лекционных занятий. Выполнение этого требования на лекции обеспечивает обратную связь, а соответственно, замкнутый вид управления учебно-познавательной деятельностью и ее активизацию.

На основании проведенного исследования специфики преподавания электротехнических дисциплин сформулированы следующие методические требования к МОС лекционных курсов: с целью организации доступности, прочности обучения и формирования у обучающегося собственного корректного наглядно-образного представления изучаемого объекта на лекции Мультимедиа предъявление учебной информации должно удовлетворять требованию избыточности учебной информации (тривиальная, синкретичная избыточность и избыточность кодированием); с целью формирования у обучающегося системы ценностей, мировоззрения, мотивации, целеполагания предъявление учебной информации на лекциях с применением МОС лекционных курсов должно осуществляться на основе требования комплементарности мультимедиа и традиционных технологий; с целью облегчения изучения абстрактных понятий и отношений с ними, процессов, протекающих в технических устройствах как во времени, так и в пространстве, предъявление учебной информации в МОС (ЛК) должно удовлетворять требованию динамически развивающегося теоретического образа, реализуемого либо с помощью дискретной подачи визуализированной информации, либо с помощью программ имитационного моделирования.

Анализ психолого-педагогический литературы (В.М. Бехтерев, И.А. Васильев, Е.А. Громова, Е.П. Ильин, Р.Ю. Ильюченок, С.Л. Рубинштейн, О.К. Тихомиров, Е.Д. Хомская. А.Я. Чебыкин и др.) по вопросам организации учебного процесса с применением традиционных технологий обучения позволил сделать вывод об обязательном участии эмоций в учебно-познавательной деятельности. Установлено, что в условиях информатизации образования вопросы эмоционального регулирования не только не снимаются, но, напротив, требуют повышенного внимания и поиска новых приемов, невозможных при традиционных технологиях обучения.

В настоящем исследовании выявлено, что высокий уровень учебно-познавательной деятельности определяется интервалом оптимального эмоционального возбуждения, который в свою очередь зависит от многих факторов: от сложности темы лекции, применяемых методов обучения, психофизиологических особенностей аудитории, а также от приемов эмоционального регулирования.

В связи с этим в работе введено новое психологическое требование к МОС (ЛК) - требование эмоциональной регуляции учебно-познавательной деятельности, которое реализуется в МОС (ЛК) посредством следующих приемов: цветового воздействия, композиционного моделирования, анимации, аудиосопровождения, пространственной визуализации графической информации - с целью активизации таких ведущих познавательных эмоций, как удивление, любопытство, любознательность, уверенность, увлеченность.

МОС (ЛК) должна удовлетворять эргономическим требованиям, обеспечивающим организацию нормальной визуальной среды на лекции Мультимедиа. К эргономическим требованиям отнесены: требования к шрифтам, символам, формулам, к созданию цветовой гармонии, к организации информации внутри одного окна, к работе с несколькими окнами, к организации аудиоинформации, к анимированным изображениям.

Показано, что МОС (ЛК) способны обеспечить проведение всех видов лекций: информационных, консультативных, обзорных, установочных, проблемных, лекций-диалогов, лекций с запланированными ошибками и т. д. В дальнейшем лекцию, организованную с применением МОС (ЛК), будем называть лекцией Мультимедиа.

В третьей главе «Активизация учебно-познавательной деятельности посредством мультимедийной обучающей системы лекционного курса» разработана модель активизации учебно-познавательной деятельности, отражающая взаимосвязь программных (визуализация, анимация, цвет, гипертекст, многооконность, манипулирование, моделирование, контаминация, аудиовизуализация, интерактивность) и психолого-педагогических (наглядность, доступность, прочность, эмоциональное регулирование, проблемность, избыточность, синкретичность, обратная связь) возможностей МОС (ЛК) и их влияние на активизацию инвариантных компонентов учебно-познавательной деятельности (целевого, потребностно-мотивационного, содержательного, операционально-деятельностного, эмоционально-волевого, контрольно-регулировочного, оценочно-результативного).

Предложено рассматривать компьютерное моделирование как метод активного обучения, включающий в себя взаимосвязанные активное воздействие (со стороны преподавателя) и научное познание (со стороны обучающихся) абстрактных понятий и отношений с ними, сложных электротехнических устройств или динамических процессов (явлений), с использованием компьютерных моделей, выполненных с помощью специализированных (предметно-ориентированных) прикладных программ, позволяющий синтезировать сенсорно-перцептивный и представленческий уровни когнитивного процесса.

Проведен анализ научно-методической литературы по применению компьютерных моделей в различных областях знаний. Выявлены типы и предложена классификация компьютерных моделей, адекватных содержательной специфике процесса обучения электротехническим дисциплинам (ЭТД) (рис. 1).

21

2

Рис. 1. Классификация компьютерных моделей, адекватных содержательной специфике процесса обучения электротехническим дисциплинам

Предложено:

- изучение абстрактных понятий и отношений с ними проводить с помощью графической модели. Под графической моделью нами предложено понимать условный образ абстрактных понятий, которые невозможно представить обычными средствами предметной наглядности, выполненный с помощью графических редакторов в виде диаграмм, графиков, характеристик, таблиц и т. д.;

- изучение реальных электротехнических устройств (систем) проводить с помощью геометрической модели. Под геометрической моделью нами предлагается понимать визуализированное подобие реального электротехнического устройства, выполненное инструментальными средствами ПК (средствами машинной графики) и отображающее конструктивную форму, основные структурные элементы устройства (системы) и существующие между ними связи;

- изучение процессов, протекающих в реальных электротехнических устройствах (системах), проводить с помощью имитационной модели. Как известно, имитационная модель представляет собой отдельную программу или комплекс программ, позволяющий с помощью последовательности вычислений и графического отображения их результатов воспроизводить (имитировать) процессы функционирования объекта при условии воздействия на него различных, в том числе случайных, факторов.

Проведен анализ возможностей применения метода проблемного обучения для области электротехнических дисциплин. Сформулировано определение дидактического понятия «проблемная задача»: Проблемная задача - дидактическое средство обучения, которое ориентирует обучающихся на приобретение новых знаний или/и способов деятельности в их приобретении, сопровождается активной целенаправленной учебно-познавательной деятельностью, специально организованной преподавателем. Показано, что уровень сложности проблемной задачи определяется степенью неопределенности, которая может рассматриваться как рассогласование между имеющимся у обучающихся уровнем знаний и требованиями задачи, между пониманием необходимости решить задачу и возможностью найти правильное решение.

На основании синтеза методов проблемного обучения и компьютерного моделирования в исследовании предложен метод компьютерного моделирования проблемных задач, являющийся новым методом активного обучения на лекционных занятиях, основанным на информационном взаимодействии между лектором, студенческой аудиторией и интерактивным партнером - МОС (ЛК).

Предложена структура деятельности педагога по реализации проблемного обучения на лекционных занятиях с применением МОС (ЛК), в которой выделены следующие виды деятельности: целеполагающий, проектирующий, программная реализация, исполнительский, диагностический и рефлексивный. Предложено в проектирующем виде деятельности выделить следующие этапы: 1-й этап, который включает в себя анализ проблемного материала и соответствия его уровню подготовленности обучающихся; 2-й этап, который заключается в формировании условий проблемной задачи в соответствии с поставленными целями, с учетом оптимального значения неопределенности (рассогласование между имеющимся у обучающихся уровнем знаний и требованиями задачи); 3-й этап, состоящий в прогнозировании преподавателем предполагаемых гипотез, которые могут быть выдвинуты студентами в процессе решения проблемной задачи; 4-й этап, связанный с разработкой преподавателем методики применения проблемной задачи на лекции.

Предложен новый вид в структуре деятельности преподавателя по организации проблемного обучения - программная реализация, - который связан с визуализацией условий, содержания проблемной задачи и моделированием ее гипотетических решений на ПК.

Выявлены достоинства метода компьютерного моделирования проблемных задач по сравнению с традиционным методом организации проблемного обучения, основными из которых считаем следующие: сокращение времени на решение проблемной задачи; расширение типа проблемных задач; проблемные задачи, созданные с помощью компьютерного моделирования, являются «вечным учебным продуктом», который можно постоянно изменять, дополнять, корректировать; улучшение восприятия и осмысления проблемной задачи за счет синкретичного предъявления учебной информации; повышение мотивационно-эмоционального фактора за счет эстетического оформления слайдов в цвете, анимации; более конкретное и обоснованное обсуждение гипотез и проведение сравнительного анализа за счет многооконного представления информации на одном слайде; при компьютерном моделировании проблемных задач с помощью имитационных моделей проверка решения осуществляется с помощью виртуального эксперимента здесь и сейчас.