Навчання фізико-технічних дисциплін майбутніх вчителів інформатики з використанням комп’ютерного моделювання

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Національний педагогічний університет імені М.П. Драгоманова

Навчання фізико-технічних дисциплін майбутніх вчителів інформатики з використанням комп'ютерного моделювання

Твердохліб І.А.

Розвиток інформаційно-комунікаційних технологій і масове їх впровадження в навчальний процес школи та ВНЗ стимулюють активний розвиток щодо нового методу пізнання - комп'ютерного моделювання. Його використання в навчальному процесі дає змогу виконувати моделювання реальних технічних пристроїв, не вимагає значних затрат часу та матеріальних ресурсів, а в деяких випадках дає змогу змоделювати роботу технічних пристроїв, розробка чи дослідження яких в реальних навчальних лабораторіях взагалі неможлива.

На думку М.І. Жалдака «використання засобів ІКТ в навчальному процесі має бути педагогічно виваженим і обґрунтоване теоретично та експериментально ... доцільне використання сучасних інформаційно-комунікаційних технологій в навчальному процесі дає можливість розкрити значний гуманітарний потенціал природничих дисциплін, пов'язаний з формуванням наукового світогляду, розвитком аналітичного і творчого мислення, суспільної свідомості і свідомого ставлення до навколишнього світу» [2]. Тому, підготовка майбутніх вчителів інформатики повинна сприяти не тільки оволодінню прийомами роботи з програмними засобами загального та спеціального призначення, а й формуванню навичок розв'язування навчальних задач, здійснення дослідницької діяльності, оволодіння методами наукового пізнання з використанням комп'ютерного моделювання.

На думку багатьох дослідників важливим результатом вивчення інформатичних дисциплін є розширення й поглиблення теоретичних основ предметної галузі, що вивчається, за рахунок надання студентам можливості моделювання, імітації досліджуваних процесів і явищ, організації на цій основі дослідницької діяльності майбутніх вчителів, уміння створювати комп'ютерні моделі та проводити експерименти за їх допомогою [9].

Під комп'ютерним моделюванням автори [3] розуміють метод розв'язування задач аналізу або синтезу складної системи, що ґрунтується на використанні її комп'ютерної моделі, тобто сутність комп'ютерного моделювання полягає у відшуканні кількісних і якісних результатів з використанням наявної моделі та її аналізу за допомогою засобів комп'ютерної техніки.

Комп'ютерне моделювання неминуче ставить перед дослідником питання про вибір середовища для моделювання, адекватного досліджуваній проблемі, а у випадку наукових досліджень, що проводяться в певній предметній галузі, сьогодні намагаються працювати у спеціалізованих середовищах, для яких характерним є певний рівень універсальності [4].

Як відомо, для створення сучасних електронних систем і приладів використовують інформаційне моделювання, зокрема математичне. Проте, побудова фізичних моделей багатьох сучасних електронних приладів в навчальній лабораторії вимагає значних затрат часу на підготовку установки, великих матеріальних затрат на обладнання лабораторії, а в деяких випадках, взагалі неможлива. Тому альтернативою до класичного виконання лабораторних робіт є постановка дослідів з використанням віртуальної лабораторії на персональному комп'ютері. Робота у віртуальній лабораторії дає змогу проводити більшу кількість дослідів за той самий час, і при цьому студенти залишаються застраховані від помилок, пов'язаних з виведенням з ладу приладів та радіоелементів, від ураження електричним струмом тощо.

Важливе значення в системі фахової підготовки майбутніх вчителів інформатики відіграє вивчення ними фізико-технічних дисциплін, що сприяє формуванню в них важливих предметних компетентностей, розумінню принципів роботи комп'ютерної техніки, вмінь налагоджувати роботу та усувати певні технічні несправності. До таких дисциплін варто відносити перш за все “Фізику”, “Основи мікроелектроніки”, “Логічні основи інформатики”, “Спеціальний лабораторний практикум з інформатики” тощо.

Неналежний стан, а в деяких випадках і відсутність необхідного лабораторного устаткування, спонукало до пошуку альтернативних шляхів вивчення фізико-технічних дисциплін в процесі підготовки студентів напряму підготовки 0403 - “Системні науки та кібернетика”. Так, одним із шляхів інтенсифікації процесу навчання фізико-технічних дисциплін у вищому педагогічному навчальному закладі вбачається у створенні комп'ютерного лабораторного практикуму, який будується на тих самих принципах, що і звичайний лабораторний практикум.

Для організації віртуального лабораторного практикуму будемо використовувати системи автоматизованого проектування (САПР), під якими автори [8, с. 47] розуміють проектування, коли окремі перетворення описів об'єкта, алгоритму його функціонування або алгоритму процесу його створення, здійснюються в автоматизованому режимі.

В державному стандарті України система автоматизованого проектування визначається як автоматизована система, призначена для автоматизації технологічного процесу проектування виробу, кінцевим результатом якого є комплект проектно-конструкторської документації, достатньої для виготовлення та подальшої експлуатації об'єкта проектування [1, с. 12].

Серед усього різноманіття систем автоматизованого проектування їх можна класифікувати за галузевим призначенням:

MCAD (англ. mechanical computer-aided design) - САПР механічних пристроїв (SolidWorks, Autodesk Inventor, КОМПАС, CATIA);

ECAD (англ. electronic computer-aided design) - САПР електронних пристроїв, радіоелектронних засобів, інтегральних схем, друкованих плат тощо (MicroCap, OrCAD, NI Multisim, AutoCAD Electrical);

* AEC CAD (англ. architecture, engineering and construction computer-aided design) - САПР в галузі архітектури і будівництва (Autodesk Architectural Desktop, AutoCAD Revit Architecture Suite, Piranesi, ArchiCAD).

В процесі навчання фізико-технічних дисциплін майбутніх вчителів інформатики активно використовуються системи автоматизованого проектування типу ECAD. Так, деякі лабораторні роботи з раніше перерахованих дисциплін пропонується виконувати з використанням систем автоматизованого проектування електронних пристроїв, радіоелектронних засобів, інтегральних схем, друкованих плат тощо. Це зумовлене перш за все відсутністю необхідного лабораторного устаткування та орієнтацією на підготовку майбутніх вчителів, а не інженерів.

Аналіз систем автоматизованого проектування типу ECAD дав змогу виокремити три різних типи програмних засобів комп'ютерного моделювання електронних систем та пристроїв (рис. 1.):

S комерційні потужні автоматизовані системи, що використовуються на професійному рівні використання яких дає змогу моделювати складні аналогові та цифрові схеми, вони оснащені зручним графічним інтерфейсом та великою кількістю вимірювальних пристроїв;

S комерційні програмні засоби з безкоштовним поширенням із певними обмеженнями. Розробники таких програмних засобів, як MicroCap, OrCAD, Allegro Cadence, NL5Circuit Simulator, DoCircuit пропонують користуватися демо-версіями своїх потужних САПР, проте з обмеженнями на кількість елементів у схемі, не повною бібліотекою компонентів, обмеженнями на побудову певних графіків тощо;

S вільнопоширювані САПР, за допомогою яких можна реалізовувати майже таку саму кількість функцій як і за допомогою комерційних, проте вони поширюються за відкритою ліцензією.

Рис. 1. Класифікація систем автоматизованого проектування ECAD

На особливу увагу заслуговують системи автоматизованого проектування, створені для використання безпосередньо в процесі навчання. Так, Logisim - вільнопоширюване програмне забезпечення навчального призначення для розробки та моделювання цифрових логічних схем. Воно призначене для підтримки вивчення дисциплін, починаючи від математичної логіки до архітектури та організації комп'ютерів і використовується студентами коледжів та університетів всього світу [10]. Вагомими перевагами Logisim перед іншими аналогічними програмними засобами є його навчальне призначення, можливість русифікації інтерфейсу та робота під управлінням операційних систем Linux, MacOS X та Windows.

Наведемо порівняльну таблицю характеристик та особливостей використання систем автоматизованого проектування. Системи порівнювалися за характеристиками, що важливі для побудови та моделювання аналогових та цифрових електричних схем, зручністю користувацького інтерфейсу, та доцільністю використання в педагогічних університетах.

Порівняльна таблиця систем автоматизованого проектування

Таблиця 1

В процесі навчання майбутніх вчителів інформатики був розроблений комплекс віртуальних лабораторних робіт для підтримки навчання фізико-технічних дисциплін засобами САПР. Наведемо перелік лабораторних робіт, що розроблені для виконання з використанням систем автоматизованого проектування:

Навчальна дисципліна “Фізика”:

Перевірка закону Ома для постійного струму;

Визначення опору провідників за допомогою містка постійного струму (містка Уітстона);

Перевірка правил Кірхгофа;

Вивчення складання взаємно перпендикулярних коливань. Фігури Ліссажу;

Дослідження власних коливань у коливальному контурі;

Вивчення вимушених електричних коливань у коливальному контурі.

Навчальна дисципліна “Основи мікроелектроніки”:

Дослідження вакуумного тріода;

Вивчення будови та принципу дії напівпровідникового діода;

Дослідження напівпровідникового стабілітрона;

Вивчення будови та принципу дії біполярного транзистора;

Дослідження польового транзистора;

Вивчення аналогових інтегральних мікросхем;

Дослідження операційних підсилювачів.

Навчальна дисципліна “Логічні основи інформатики”:

Вивчення логічних елементів;

Вивчення тригерів;

Вивчення лічильників;

Вивчення суматорів та дешифраторів;

Зауважимо, що деякі методичні особливості використання систем автоматизованого проектування в процесі вивчення студентами інформатичних спеціальностей фізико-технічних дисциплін описано в роботах [5, 6, 7].

Відносно новим і досить цікавим типом систем автоматизованого проектування електричних та цифрових схем є он-лайн моделювання. Серед он-лайн програмних пакетів, призначених для моделювання електронних процесів у напівпровідникових схемах, варто виокремити EasyCAD, DoCircuit, PartSim. Дані програмні засоби є вільнопоширюваними та написані на базі утиліти SPICE - симулятора електронних схем з відкритим кодом; до них додано велику бібліотеку елементів, наочні та зручні в користуванні вимірювальні прилади (рис. 2). Доцільність використання систем он-лайн моделювання підтверджується тим, що дані системи проектування розроблялися не лише для інженерів, радіолюбителів, а й для студентів та викладачів.

комп'ютерний моделювання навчальний автоматизований

Проведення дослідів з використанням віртуальної лабораторії на персональному комп'ютері є альтернативою до класичного виконання лабораторних робіт з фізико-технічних дисциплін за відсутності обладнання для виконання реальних робіт практикуму. Використання комп'ютерного моделювання як методу наукового пізнання в процесі вивчення фізико-технічних дисциплін і поєднання його з методами проблемного навчання сприяє розвитку логічного мислення студентів та формуванню у них системи професійних компетентностей, необхідних у майбутній професійній діяльності.

Отже, вивчення фізико-технічних дисциплін з використанням комп'ютерного моделювання передбачає не тільки формування міцних знань, умінь і навичок з даної предметної галузі, але й сприяє активізації навчально-пізнавальної діяльності студентів, інтенсифікації навчально-виховного процесу та зацікавленості студентів у використанні систем автоматизованого проектування в процесі навчання та в подальшій професійній діяльності.

Література

Державний стандарт України 2226-93. Автоматизовані системи. Терміни та визначення. - К.: Держстандарт України, 1994. - 91 с.

Жалдак М.І. Система підготовки вчителя до використання інформаційно - комунікаційних технологій в навчальному процесі / М.І. Жалдак // Науковий часопис НПУ імені М.П. Драгоманова. Серія № 2. Комп'ютерно-орієнтовані системи навчання: Зб. наук. праць / Редрада. - К.: НПУ імені М.П. Драгоманова, 2011. - № 11 (18). - С. 3-16.

Комп'ютерне моделювання систем та процесів. Методи обчислень. Частина 1: навчальний посібник / [Квєтний Р.Н., Богач І.В., Бойко І.Р. та інші]; за заг. ред. Р.Н. Квєтного. - Вінниця: ВНТУ, 2013. - 191 с.

Семеріков С.О. Роль, місце та зміст комп'ютерного моделювання в системі шкільної освіти / С.О. Семеріков, І.О. Теплицький // Науковий часопис НПУ імені М.П. Драгоманова. Серія № 2. Комп'ютерно-орієнтовані системи навчання: Зб. наук. праць / Редрада. - К.: НПУ імені М.П. Драгоманова, 2010. - № 9 (16). - С. 30-40.

Твердохлеб И.А. Методические аспекты использования средств ИКТ в процессе обучения компьютерной схемотехнике будущих учителей информатики /И.А. Твердохлеб // Проблемы современной науки: сборник научных трудов: выпуск 10. Часть 1. - Ставрополь: Логос, 2013. - С. 147-154.

Твердохліб І.А. Вивчення електродинаміки в віртуальній лабораторії на персональному комп'ютері / І.А. Твердохліб // Матеріали ІІІ міжвузівської науково -практичної конференції “Наукова діяльність як шлях формування професійних компетентностей майбутнього фахівця” (НПК-2012), м. Суми, 5-6 грудня 2012 р. - Суми: Вид-во СумДПУ імені А.С. Макаренка, 2012 р. - С. 276-278.

Твердохліб І.А. Віртуальний лабораторний практикум з основ мікроелектроніки / І.А. Твердохліб // Науковий часопис НПУ імені М.П. Драгоманова. Серія № 5. Педагогічні науки: реалії та перспективи. - Випуск збірник наукових праць / за ред. В.П. Сергієнка. - К.: Вид-во НПУ імені М.П. Драгоманова, 2010. - С. 471-474.

Тлумачний словник з інформатики / Г.Г. Півняк, Б.С. Бусигін, М.М. Дівізінюк та ін. - Д., Нац. гірнич. ун-т, 2010. - 600 с.

Хазіна С.А. Комп'ютерне моделювання фізичного процесу у різних програмних середовищах / С.А. Хазіна // Науковий часопис НПУ імені М.П. Драгоманова. Серія № 2. Комп'ютерно-орієнтовані системи навчання: Зб. наук. праць / Редрада. - К.: НПУ імені М.П. Драгоманова, 2008. - № 6 (13). - С. 93-96.

Размещено на Allbest.ru