Разработка электронного Интернет-учебника по теоретической механике для технических вузов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.01, кандидат физико-математических наук Пономарева, Елена Владимировна

• Пономарева, Елена Владимировна
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Пономарева, Елена Владимировна

Введение.

Глава 1. Концепция дистанционной обучающей системы по теоретической механике.

1.1. Концепция и структура дистанционной обучающей системы по теоретической механике для технических ВУЗов.

1.2. Схемы электронных учебников. Соответствие версий электронного Интернет-учебника предложенным схемам.

1.3. Организационная и обучающая компоненты электронного Интернет-учебника.

Выводы по первой главе.

Глава 2. Структура и содержание теоретического материала электронного Интернет-учебника.

2.1. Структура, содержание приложения.

2.2. Раздел «Расчет механизмов». Комплексный расчет механизмов: от составления расчетной схемы - до вопросов прочности.

2.3. Пример: комплексный расчет кривошипно-шатунного механизма.

2.3.1. Постановка задачи.

2.3.2. Кинематический расчет.

2.3.2.1. Расчет с использованием материала темы

9 «Кинематика точки».

2.3.2.2. Расчет с использованием материала темы «Кинематика плоского движения тела».

2.3.2.3. Анализ полученных результатов.

2.3.3. Динамический расчет.

2.3.3.1. Метод кинетостатики. g 2.3.3.2. Уравновешивание вращающихся масс.

2.3.4. Прочностные расчеты.

2.4. Структура окон, навигация.

2.4.1. Организация навигации в локальной версии учебника

2.4.2. Организация навигации в дистанционной версии учебника.

2.5. Технология.

2.5.1. Получение гипертекстового html-формата.

2.5.2. Создание компьютерных иллюстраций.

2.5.2.1 Создание компьютерных анимированных моделей в среде математического пакета Maple.

2.5.2.2. Моделирование движения механизмов с использованием системы автоматизированного проектирования Solid Works и программного комплекса Dynamic Designer Motion.

2.6. Реализация дистанционной версии в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем».

Выводы по второй главе.

Глава 3. Структура, содержание, программная реализация приложения «Тесты и задачи».

3.1. Структура, содержание приложения «Тесты и задачи».

3.2. Технология.

3.2.1. Программная реализация блока самоконтроля приложения «Тесты и задачи».

3.2.2. Реализация приложения «Тесты и задачи» в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем».

3.3. Классификация видов заданий приложения «Тесты и задачи».

3.4. Навигация и структура окон приложения «Тесты и задачи»

3.5. Методика проведения пошагового контроля знаний. ф 3.6. Результаты базового тестирования.

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Практикум. Методика обучения решению задач.

4.1. Постановка проблемы. Варианты компьютерных практикумов.

4.2. Структура и содержание расчетного практикума по теоретической механике.

4.3. Технология и навигация.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка электронного Интернет-учебника по теоретической механике для технических вузов»

Одной из наиболее актуальных и характерных особенностей современного общественного прогресса стала широкая компьютеризация, основанная на развитии и применении персональных компьютеров, телекоммуникационных средств связи и соответствующих программных средств, предназначенных для решения разнообразных задач из различных областей человеческой деятельности.

Распространение компьютеров нового поколения, расширение возможностей персональных компьютеров, применение развитых средств телекоммуникационной связи создали условия для их привлечения к активизации учебного процесса - созданию на их основе компьютерных обучающих средств. При этом наибольшее значение приобретают такие современные технологии, как технология визуального моделирования, технология контроля и тестирования знаний, гипертекстовая, мультимедиа, гипермедиа технологии, и в особенности - сетевая технология [16, 22].

Современные социально-экономические условия в России и за рубежом характеризуются возросшим спросом на образовательные услуги, зачастую предоставляемые параллельно с профессиональной деятельностью. При этом особую социальную значимость приобретает дистанционное обучение, предоставляющее различным слоям населения возможность освоения образовательных программ в образовательных учреждениях высшего, среднего и дополнительного профессионального образования.

Дистанционное обучение обеспечивается применением совокупности образовательных технологий, при которых взаимодействие обучаемого и преподавателя осуществляется независимо от места их нахождения и распределения во времени на основе педагогически организованных информационных технологий, прежде всего с использованием средств телекоммуникации [28].

В практике дистанционного обучения наибольшее распространение получила сетевая технология, базирующаяся на использовании сети Интернет и обеспечивающая возможность обучения в удобном месте, по индивидуальному расписанию, используя информационные ресурсы удаленного на значительное расстояние учебного заведения, имея постоянный контакт с преподавателем, студентами и администрацией с использованием современных средств телекоммуникаций и технологий оперативной компьютерной связи.

Согласно [78], дистанционное обучение - это универсальная форма обучения, базирующаяся на использовании широкого спектра традиционных, новых информационных и телекоммуникационных технологий, которые создают условия для обучаемого свободного выбора образовательных дисциплин, диалогового обмена с преподавателем, при этом процесс обучения не зависит от расположения обучаемого в пространстве и времени.

Характерными чертами дистанционного обучения через Интернет являются [22, 23]:

- гибкость - возможность заниматься в удобное для студента время, в удобном месте и темпе;

- массовость - возможность одновременного, асинхронного доступа к учебной информации большого количества студентов;

- коммуникабельность - общение студентов через компьютерные сети друг с другом и с преподавателями;

- индивидуальный подход - учебный курс может адаптироваться к конкретному студенту; социальное равноправие - равные возможности получения образования независимо от места проживания, состояния здоровья, социального статуса.

Наряду с традиционными информационными ресурсами для обеспечения процесса дистанционного обучения используются следующие средства дистанционного обучения: специализированные учебники с мультимедийными сопровождениями, электронные учебно-методические комплексы, включающие электронные учебники, учебные пособия,

• тренинговые программы, компьютерные лабораторные практикумы, контрольно-тестирующие комплекты, иные материалы, предназначенные для передачи по телекоммуникационным каналам связи [28].

Тем самым развитие вычислительной техники позволяет сделать процессы обучения и процессы контроля и тестирования знаний более удобными для преподавателя и для студентов, позволяет включить новые существенные элементы обучения.

С учетом изложенного, можно сделать вывод, что тематика, связанная со становлением дистанционного образования и разработкой новых компьютерных обучающих средств для дистанционного образования, является актуальной и своевременной.

Общий обзор средств компьютерного обучения т

Практически одновременно с появлением компьютеров началось их использование в образовании, интенсивно стали разрабатываться разнообразные средства компьютерного обучения [16, 22].

Один из первых этапов в развитии средств компьютерного обучения характеризуется разработкой автоматизированных обучающих систем (например, АОСМИКРО, УРОК, КОБРА, АДОНИС, СЦЕНАРИЙ и др.), ориентированных на создание и сопровождение достаточно простых обучающих и контролирующих курсов. Как указано в [16, 51], они включают широкий набор модулей: графический и текстовый редакторы, средства выставления оценки и анализа ответов обучаемого, инструменты моделирования процессов. Опыт применения таких систем во многих

ВУЗах показывает их эффективность при использовании на автономных компьютерах и локальных вычислительных сетях [16].

Появившаяся позже гипертекстовая технология дает возможность создания интерактивного учебного материала, снабженного ссылками между различными частями, позволяющими выполнить переход к другому файлу, фрагменту файла, Web-странице. Гипертекст можно изучать, следуя смысловым связям, многими различными путями. По принципу гипертекста организованы многие электронные учебники, справочники, встроенные подсказки в компьютерных системах и т.п. [60, 68].

Стремительное расширение возможностей персональных компьютеров, широкое распространение компьютеров нового поколения, применение оптоволоконной связи создали условия как для появления, так и быстрого развития мультимедиа, гипермедиа и сетевых технологий [22].

Под мультимедиа в настоящее время понимают компьютерную информационную технологию, позволяющую объединять в компьютерной системе текст, звук, видеоизображение, графическое изображение, анимацию [72, 73]. В общем случае мультимедиа обогащена возможностями хранения огромных массивов информации, обладает определенной степенью интерактивности.

Мультимедиа-приложения используются во многих сферах жизни и деятельности человека, в том числе и в области образования. Образовательное мультимедиа адаптировано к потребностям учебной среды; особое место занимают обучающие мультимедиа продукты, позволяющие повысить эффективность и сократить сроки обучения [73].

Развитие компьютерных сетей и технологии мультимедиа позволило расширить возможности гипертекста и превратить его в гипермедиа-документ, т.е. гипертекстовый документ, обогащенный нетекстовыми компонентами, такими как графика, анимация, звук и видео [22].

Гипермедиа-продукты учебного назначения позволяют учащимся работать с большим объемом материала, представленного в виде текста, сопровождаемого графическими иллюстрациями, анимацией, видео, звуковыми комментариями [22].

Развивающимся направлением информатизации общества в целом и образования в частности являются сетевые телекоммуникационные технологии, открывшие, благодаря доступу к глобальной информационной сети Интернет, широкие возможности для учащихся и преподавателей. Преподаватели и обучаемые получают возможность общения друг с другом, используя такие технологии оперативной компьютерной связи, как электронная почта, on-line (синхронный режим связи) и off-line (асинхронный режим связи) телеконференции. Наличие средств телекоммуникаций делает возможным доступ к информации в базах данных, удаленных от пользователя, создает условия для ведения совместной научной работы, обмена опытом [22, 23].

В последнее время в мире все большее внимание уделяется развитию Интернет-образования. Интенсивно разрабатываются многочисленные Интернет-курсы, большинство из которых выполнено в виде гипертекста, сопровождаемого средствами мультимедиа (WWW-технология) [22].

Создание подобных курсов способно обеспечить программное средство «ОРОКС», разработанное Московским областным центром новых информационных технологий Московского государственного института электронной техники. «ОРОКС» представляет собой сетевую программную оболочку для создания обучающе-контролирующих систем и позволяет организовывать учебный процесс с помощью сетевых технологий [64]. Обучающие системы, созданные на основе «ОРОКС», позволяют обеспечить интерактивную связь преподавателя с обучаемым, тестирование, обучение и контроль знаний в режиме удаленного доступа через Интернет.

Другая система - система «WEB-TECTER» [65] (МОЦНИТ МИЭТ) -позволяет просто и оперативно создавать тестирующие и обучающие программы, осуществлять обучение и тестирование студентов с любого компьютера, подключенного к сети Интернет.

Стали появляться системы, поддерживающие Интернет-обучение и стремящиеся организовать учебный процесс в целом. Примером служат системы «Прометей» [22], «Аванта» [22], система дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем» [22, 23, 85], обеспечивающие современный уровень обучения в учебных заведениях и учебных центрах на основе применения телекоммуникаций и информационных технологий.

Рассмотрим далее состояние этого вопроса в области теоретической механики.

Обзор компьютерных обучающих средств по теоретической механике

Проведенный обзор указывает на возросший интерес к данной проблематике и актуальность выбранной темы: ведущие ВУЗы страны серьезно занимаются созданием компьютерных обучающих средств, в том числе, по теоретической механике. Первые компьютерные обучающие программы в области теоретической механики выполнены под DOS или написаны при помощи языков программирования и способны работать как приложения Windows на локальной машине (т.е. не обеспечивают возможность дистанционного обучения). Ниже рассмотрены примеры таких обучающих средств.

Одной из первых компьютерных программ в области теоретической механики можно назвать компьютерное учебное пособие "Кинематика сложного движения точки" (1993 г., ЦНИТ МГУ) [80] и компьютерную обучающую программу "Кинематика точки и абсолютно твердого тела" (1994 г., ЦНИТ МГУ) [81], работающие под управлением операционной системы DOS и предназначенные для поддержки лекций и практических занятий по курсу "Теоретическая механика" в технических вузах, университетах и техникумах. Позволяют проводить простейшие компьютерные эксперименты, использование средств компьютерной мультипликации придает наглядность используемым механическим моделям.

Аналогичной разработкой, но предназначенной для самостоятельной работы обучаемых с учебным материалом по теоретической механике, является компьютерный тренажер "Кинематика точки" "ТР-ТМК" (1995 г.,

ЦНИТ) [83]. При работе с тренажером обучаемому предоставляется возможность проводить исследования, изменять начальные условия и следить за изменениями кинематических характеристик (демонстрируется построение траектории, характер изменения вектора скорости и вектора ускорения и их проекций). По ходу исследования обучаемому предлагается ответить на ряд контрольных вопросов.

В 1991 - 1995 г.г. в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова и Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН Ю.Ф. Голубевым, В.Е. Павловским с соавторами разработан компьютерный учебник по теоретической механике [82], предназначенный для самообучения и проведения семинарских занятий в ВУЗах. В состав учебника входят справочный теоретический материал, эталонные образцы решения задач, контрольные вопросы для самопроверки с подсчетом балла в качестве оценки усвоения материала, задачник и система диагностики знаний. Учебник допускает использование средств мультимедиа.

Можно также отметить работающую под управлением операционной системы DOS автоматизированную обучающую систему "Кинематика" [61], созданную в Брянской государственной инженерно-технологической академии, предназначенную для обучения и контроля знаний студентов инженерных вузов. Она написана в инструментальной среде "АДОНИС" (версия 1.4), излагаемый материал сопровождается иллюстрациями и мультипликациями.

Кафедра теоретической механики Московского Энергетического Института (технического университета) уделяет особое внимание средствам, способным упростить и сделать более наглядным процесс обучения студентов теоретической механике [94]. Для ряда разделов курса теоретической механики авторами А.В. Корецким, Н.В. Осадченко и другими созданы обладающие достаточно широкими возможностями обучающие программы:

- stevin - обучающая программа по статике систем твердых тел;

- robby - предназначена для изучении кинематики плоскопараллельного движения системы твердых тел;

• -dp - обучающая программа по динамике, используемая при выполнении типового расчета "Динамика материальной точки";

- dr - обучающая программа по динамике, используемая при выполнении студентами типового расчета по теме "Динамика твердого тела с неподвижной осью вращения";

- dk - обучающая программа по динамике, используемая при выполнении типового расчета "Динамика машин с кулисным приводом" (предусматривает развитие навыков составления уравнений движения механических систем в форме уравнений Лагранжа 2-го рода), и др.

В среде визуального объектно-ориентированного программирования Delphi создана компьютерная программа-тренажер по решению задач теоретической механики (раздел «Статика») [76], разработанная в Новосибирской государственной академии водного транспорта. Программа может работать как Windows-приложение вне среды Delphi. Позволяет получить навыки в решении типовых задач по основным темам раздела "Статика", предназначена для студентов высших учебных заведений и лиц, самостоятельно изучающих основы теоретической механики.

В Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности, кафедрой теоретической механики и ТММ ведется работа по созданию обучающих компьютерных программ, и в среде Delphi разработан пакет программ по теоретической механике, включающий лекционный материал, задачи трех уровней сложности по всем изучаемым разделам, помощь в решении задач на стадии самостоятельной проработки изучаемого материала, таймер для фиксации времени решения. Программы используются в учебном процессе при проведении аудиторных практических занятий, а также экзамена по курсу.

Отметим, что среди работ в области создания электронных учебников по теоретической механике появляются примеры систем, предназначенных для работы с ними посредством глобальной сети Интернет.

Так, можно назвать «Курс теоретической механики» [59], разработанный на кафедре теоретической физики и механики Санкт-Петербургского Института Точной Механики и Оптики (СПбГИТМО, или технического университета) авторами Г.И. Мельниковым, А.Г. Кривошеевым. Курс представлен разделом «Кинематика», в который входит глава «Кинематика точки», состоящая из параграфов «Векторный способ задания движения точки», «Координатный способ задания движения точки», «Естественный способ задания движения точки», «Скорость и ускорение точки в полярных координатах». Структура электронного учебника реализована в форме матрицы, по вертикали содержащей разделы учебника, а по горизонтали - уровни изложения.

Имеется курс теоретической механики [66], разработанный на кафедре механики и процессов управления Пермского университета, включающий лекционный материал, банк учебных задач и систему текущего контроля усвоения материала. Программа позволяет обучаемому посмотреть интересующий его материал учебника и проверить свои знания, решив ряд задач и ответив на вопросы.

В Тульском государственном университете создана система, предназначенная для использования в учебном процессе посредством сети Интернет. Одной из составных частей системы является учебно-методический комплекс по теоретической механике [67]. Компьютерное обучение с использованием системы дистанционного образования состоит в изучении разделенного на отдельные модули теоретического материала по электронному учебнику, в тестировании по материалу каждого модуля в режимах самопроверки и контроля (тесты с выбором ответа), а также в наработке практических навыков решения задач по электронному задачнику в сочетании с выполнением контрольных работ.

В Московском Энергетическом Институте (техническом университете) можно отметить также обучающий курс по теоретической механике [71], предназначенный для проведения контрольно-обучающих мероприятий и ориентированный на использование глобальной сети Интернет. Курс разработан авторами А.И. Кобриным и В.Г. Кузьменко.

В Воронежской государственной технологической академии разработан тест [84] по теоретической механике, содержащий 200 задач. Работа с тестом осуществляется с любого компьютера, подключенного к сети Интернет.

Кроме того, следует отметить большое количество учебных материалов для школьников и поступающих в ВУЗы по физике, в которые входят основные разделы механики «Статика», «Кинематика» и «Динамика». Среди таких работ особого внимания заслуживают:

1) обучающая мультимедиа-программа нового поколения "Открытая физика 2.0" [95] (ФИЗИКОН), в которой использованы Интернет-технологии, что позволяет ее использовать в проектах дистанционного образования. Первая часть курса "Открытая физика 2.0" включает разделы: механика, механические колебания и волны. Каждая излагаемая в учебнике тема сопровождается подборкой задач, часть которых снабжена решениями или подробными указаниями, чтобы напомнить пользователю методику решений. Другая часть предназначена для самостоятельного решения и самопроверки. Наряду с обычным традиционными задачами в курс включено значительное количество тестовых задач, в которых предлагается выбрать правильный ответ из целой серии возможных ответов;

2) программа «Универсальный Механизм - Юниор vl.O», позволяющая описывать плоские механические системы, а также моделировать и исследовать их поведение [96];

3) обучающая программа "Физика в анимациях", подготовленная в виде набора HTML-файлов, подобных сайту в Интернете. Она содержит трёхмерные визуализации и анимации по волнам, механике, оптике, термодинамике. Все анимации сопровождаются теоретическими объяснениями и ссылками на соответствующие учебники.

Анализ компьютерных обучающих программ.

Электронный Интернет-учебник, его типовые возможности

Анализ публикаций по применению информационных технологий в образовании показал, что ввиду огромного многообразия и специфики использования для различных дисциплин и различных видов учебных заведений, в настоящее время нет точной общепризнанной классификации компьютерных обучающих программ, однако, в зависимости от вида их использования на занятиях возможно условное деление следующим образом [14, 15 16, 22, 23]: демонстрационные программы, обучающие программы, программные средства для математического и имитационного моделирования, программные средства для контроля/тестирования уровня знаний, тренажеры, информационно-справочные системы, автоматизированные обучающие системы, электронные учебники, экспертные обучающие системы, интеллектуальные обучающие системы.

Особое место в этом ряду занимают электронные учебники [15, 16, 22, 23] - обучающие программные системы комплексного назначения, предоставляющие обучаемому теоретический материал, обеспечивающие тренировочную учебную деятельность и контроль уровня знаний, а также информационно-поисковую деятельность, математическое и имитационное моделирование с компьютерной визуализацией и сервисные функции при условии осуществления интерактивной обратной связи.

Остановимся подробнее на основных свойствах электронных учебников, как локальных, так и сетевых.

Электронный учебник, также как и традиционный «бумажный», включает в себя, прежде всего, учебный материал, содержащий основные данные об изучаемом предмете; вместе с тем, электронный учебник имеет ряд отличительных особенностей, которые определяют его преимущества по сравнению с традиционной книгой:

• моделирование и имитация изучаемых процессов и явлений',

• демонстрация визуальной учебной информации: использование цветных изображений служит для наглядного представления материала, облегчает его понимание и запоминание. Компьютерная анимация позволяет увеличить скорость передачи информации обучаемому и повысить уровень ее понимания; демонстрирует, как протекают явления и процессы, описываемые в учебнике, способствует наглядному представлению принципов работы изучаемых механизмов, позволяет учащемуся сформировать образные представления, проникнуть в суть изучаемых явлений и процессов;

• звуковое сопровождение является дополнительным методом передачи информации, позволяет лучше воспринимать изучаемый материал, обогатить его комментариями преподавателя и акцентировать внимание студентов в местах, требующих дополнительного пояснения [16];

• видео - более полным образом обеспечивает наглядную демонстрацию изучаемого материала, улучшает его восприятие и снижает утомляемость [16];

• возможность быстрых переходов между блоками изучаемого материала (закладки, гиперсвязи и гиперссылки, позволяющие связать информацию и выполнить переход к другому файлу, фрагменту файла, Web-странице);

• разнообразные сервисные услуги (справочная информация, калькуляторы, сохранение промежуточных результатов расчетов) избавляют обучаемого от трудоемких вычислений, выполнения рутинных операций, что ускоряет процесс выполнения задания, повышает продуктивность учебной деятельности.

Кроме рассмотренных выше возможностей, электронные учебники позволяют индивидуализировать подход и дифференцировать процесс обучения, обеспечить работу обучаемого в режиме самоконтроля, контролировать знания с диагностикой ошибок и обратной связью, проводить лабораторные работы, эксперименты и опыты в условиях виртуальной реальности [22, 23].

Сетевая эпоха, начавшаяся в образовании, породила новый вид электронных учебников - электронные Интернет-учебники, обладающие всеми качествами, присущими обычным электронным учебникам, а также имеющие дополнительные возможности, предоставляемые Web.

Для электронного Интернет-учебника типовую схему (например, такую, как в [16]) дополним возможностями Web и представим на рис. 1.1. теоретический материал задачник лабораторные работы эксперименты практикум e-mail интерактивная связь (on-line, off-line конференции, chat, др.)

Возможности Web /

4 использование ресурсов сети Интернет

Рис. 1 А. Типовые возможности электронного Интернет-учебника

Первый тип (смысловые элементы): объединяет возможности, позволяющие изучить теоретический материал дисциплины, закрепить полученные знания решением задач и выполнением расчетных работ, проведением компьютерных экспериментов, прохождением промежуточного и итогового контроля; приближает работу с электронным учебником к традиционному процессу обучения [16].

Второй тип (возможности мультимедиа): включает сопровождение учебного материала с помощью видео, звука, анимации, графики, что позволяет повысить наглядность излагаемого материала и интерес к обучению.

Третий тип (интерфейс, сервисные услуги)', относятся возможности, определяющие структуру компьютерной обучающей системы и интерфейс с пользователем - возможность организации многоуровневой системы меню, многооконного интерфейса, системы гипертекстовых переходов, поиск по тексту, различные сервисные услуги (справка, калькулятор, сохранение промежуточных результатов вычисления и др.).

Четвертый тип (возможности Web): обеспечивают интерактивную связь обучаемого и преподавателя через Интернет (от простой электронной почты до организации off-line или on-line конференций), организацию поиска учебной и научной информации в сети Интернет, использование ссылок на работы ученых во всем мире и др. возможности [22, 23].

Из сказанного можно сделать следующие выводы.

При создании компьютерной обучающей системы по теоретической механике для технических ВУЗов в виде электронного Интернет-учебника должны быть обеспечены рассмотренные выше типовые возможности. Особое внимание следует уделить возможностям мультимедиа, а именно созданию компьютерных анимированных моделей, которые наглядно покажут обучаемым полный цикл движения механизмов, что важно для технических ВУЗов. Четвертый тип возможностей (возможности Web) накладывают дополнительные условия на выбор основных форматов электронного Интернет-учебника и технологии;должна быть обеспечена не только взаимная совместимость, но и совместимость с Интернет.

Решение этих вопросов рассмотрено отдельно для каждого программного приложения электронного учебника по соответствующим т главам.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Во введении обсуждается современное состояние и актуальность проблем, рассматриваемых в диссертации. Выполнен обзор основных этапов развития средств компьютерного обучения, показаны перспективные направления в области создания компьютерных обучающих программ, приведен обзор разработок в области теоретической механики. Сформулирована цель работы, определяются предмет, задачи и методы исследования. Перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основании проведенного анализа построена общая концепция дистанционной обучающей системы, выполненной в виде электронного Интернет-учебника по теоретической механике для технических ВУЗов, в том числе, разработана структура учебника, двух его версий (локальной и дистанционной) и программных приложений, включающих теоретический материал с примерами решения типовых задач, проверку знаний обучаемого посредством выполнения тестовых заданий и решения задач, выполнение компьютерных расчетно-графических работ.

Во второй главе рассмотрены структура и содержание приложения «Теоретический материал» электронного Интернет-учебника по теоретической механике; описан комплексный расчет механизмов (на примере кривошипно-шатунного механизма), начиная от общих принципов составления расчетных схем до вопросов прочности. Рассмотрены некоторые аспекты программной реализации приложения «Теоретический материал» электронного Интернет-учебника, создание компьютерных анимированных моделей реальных механизмов, построенных на основе математических моделей. Описаны основные этапы реализации дистанционной версии электронного учебника в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем». т В третьей главе разработаны структура и содержание приложения

Тесты и задачи", описана реализация в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем». Разработана методика пошагового контроля знаний, приведена классификация используемых заданий, показана структура окон и организация навигации.

В четвертой главе разработаны структура, содержание расчетного практикума по теоретической механике, состоящего из набора компьютерных расчетно-графических работ, тематически подобранных в соответствии с этапами комплексного расчета механизмов. Рассмотрена технология и реализация приложения «Практикум» в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем».

В заключении приведена общая характеристика работы, перечислены основные результаты, определены направления дальнейшего развития разработанного электронного Интернет-учебника по теоретической механике для технических ВУЗов. Проведен анализ апробаций разработанного электронного Интернет-учебника, показаны выявленные характеристики системы, даны общие выводы и рекомендации.

Апробация. Основные результаты работы обсуждались на научных семинарах, форумах, конференциях, в том числе: V Международной конференции «Информатика. Образование. Экология и здоровье человека», Астрахань, 2000 г.; Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», Новочеркасск, 2000 г.; Международной научной конференции, посвященной 70-летию АГТУ, Астрахань, 2001 г.; Международном форуме по проблемам науки, техники и образования, Москва, 2001 г.; научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин», Астрахань, 2002 г.; международном симпозиуме «Надежность и качество», Пенза, 2002 г., и др.

Заключение диссертации по теме «Теоретическая механика», Пономарева, Елена Владимировна

Основные результаты, полученные в настоящей диссертации, состоят в следующем.

1. Разработана общая концепция построения дистанционной обучающей системы по теоретической механике, выполненной в виде электронного Интернет-учебника, состоящего из двух версий (локальной и дистанционной) и приложений, содержащих теоретический материал, модуль контроля знаний, расчетный компьютерный практикум.

2. В учебник по теоретической механике введен раздел «Расчет механизмов» с описанием комплексного расчета механизмов, начиная от составления расчетной схемы до прочностных расчетов звеньев механизмов.

3. Выполнено обоснование выбора основных форматов для подготовки учебного материала, содержащего текстовую информацию, иллюстрации, компьютерные анимированные модели, модули самоконтроля и контроля знаний, компьютерный расчетный практикум с учетом совместимости выбранных форматов и возможности их передачи по сети Интернет. Произведен подбор программных средств для получения выбранных форматов, создания анимированных компьютерных моделей механизмов, построенных на основе математических моделей и иллюстрирующих полный цикл движения механизмов. 4. Реализована дистанционная версия электронного Интернет-учебника в системе дифференцированного Интернет-обучения «Гекадем»: формирование общего массива элементов знаний по механике, создание на его основе механических курсов с разной структурой, содержанием, назначением в соответствии со специальностью, ГОСом, рабочей программой. Реализована также локальная версия электронного учебника, аналогичная дистанционной версии.

Проведенные в диссертации исследования открывают возможности для дальнейшего развития разработанного компьютерного обучающего комплекса по теоретической механике.

Одним из таких направлений должна стать разработка объединенного дистанционного программного комплекса по механике, состоящего из электронных Интернет-учебников по теоретической механике для технических ВУЗов, прикладной механике, технической механике, теоретической механике в классическом изложении, учебников по сопротивлению материалов, деталям машин, теории механизмов и машин и др.

Представляется целесообразной дальнейшая работа над усовершенствованием дополнительных приложений - «Тесты и задачи» и «Практикум»:

- разработка банка заданий разных групп сложности, а также заданий, обеспечивающих межтематическое тестирование по всем основным разделам курса теоретической механики и итоговый контроль (а также постконтроль) знаний студентов, завершивших изучение курса. Последнее позволит регулярно контролировать знаний выпускников и, при необходимости, поддерживать требуемый уровень этих знаний;

- расширение набора расчетно-графических работ, создание расчетно-графических работ для большего числа механизмов и по большему количеству тем, совмещении виртуального эксперимента и расчетного практикума.

Также в дальнейшие планы входит работа над усовершенствованием и расширением мультимедийных возможностей электронного Интернет-учебника - включение звукового сопровождения, видеофрагментов, увеличение числа анимированных компьютерных моделей механизмов.

В качестве результатов диссертационной работы можно назвать также апробацию разработанного электронного Интернет-учебника по теоретической механике для технических ВУЗов с выявлением следующих основных характеристик.

Объем материала, заложенного в дистанционную обучающую систему «Теоретическая механика для технических ВУЗов», соответствует 88-часовой программе изучения курса теоретической механики для технических ВУЗов. Из них 40 часов отведено изучению теоретического материала, 14 часов - на выполнение расчетно-графических работ, 22 часа - работа с тестами и задачами (в том числе, промежуточный и итоговый контроль знаний), 12 часов -семинары.

Среднее контактное время работы с системой -1 — 1,5 часа на каждое занятие курса, при этом при повторных сеансах работы с системой это время уменьшается. Среднее время прохождения итогового теста по курсу — 1,5 часа.

Средний оценочный балл по занятиям составляет 60 - 70 % от возможного максимума, что свидетельствует о достаточно высоком уровне сложности поставленных вопросов.

Благодаря многочисленным иллюстрациям к курсу, система легко и быстро осваивается пользователями. Использование анимированных моделей, иллюстрирующих движение механических систем, в частности, полный цикл движения механизмов с показом того, как при движении механизма меняются векторы скоростей и ускорений, положения мгновенных центров скоростей звеньев и т.п., помогает обучаемым лучше понять и запомнить материал.

Электронный учебник «Теоретическая механика для технических ВУЗов» может быть полезен:

- студентам для самостоятельного изучения курса теоретической механики и при подготовке к зачетам и экзаменам;

- студентам дистанционной формы обучения;

- преподавателям при ведении занятий и при обучении на ФПК;

- преподавателям, разрабатывающим электронные курсы по механическим дисциплинам для разных специальностей (в соответствии с ГОСами, рабочими программами этих специальностей).

По результатам проведенных испытаний можно сделать следующие выводы: электронный Интернет-учебник «Теоретическая механика для технических ВУЗов» является эффективным средством для изучения теоретической механики для технических ВУЗов и его целесообразно использовать в учебном процессе.

С учетом сделанных в ходе испытаний учебника предложений по. его доработке и расширению базовая версия учебника доработана и подготовлена к опытной эксплуатации.

131

Заключение

В результате исследований, выполненных в диссертации, были сформулированы и реализованы в виде программного комплекса принципы создания дистанционной обучающей системы по теоретической механике. На их основе создана дистанционная обучающая система по теоретической механике, представляющая собой электронный Интернет-учебник комплексного методического назначения, включающий теоретический материал, модуль для проверки знаний посредством решения тестовых заданий и задач, расчетный практикум и объединяющий две версии - локальную и дистанционную.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Пономарева, Елена Владимировна, 2003 год

1. Арлазоров М. Жуковский. М.: Машиностроение, 1964. 218 с.

2. Баранов Г.Г. Курс теории механизмов и машин. М.: Машиностроение, 1975. 494 с.

3. Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю., Кельзон А.С. Теоретическая механика в примерах и задачах.Т. 1. М.: Наука, 1986. 560 с.

4. Бондаренко С.М. Проблема формирования познавательного интереса при классно-групповом и программированном обучении: по материалам психолого-педагогической литературы // Вопросы алгоритмизации и программирования обучения. М., 1973.

5. Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Курс теоретической механики. СПб.: Лань, 1998. 446 с.

6. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судостроение, 1977. 392 с.

7. Воронина Т. П., Кашицин В.П., Молчанова О.П. Образование в эпоху новых информационных технологий. М.: Информатик, 1995. 220 с.

8. Григорьян А.Т. Механика от античности до наших дней. М.: Наука, 1974.

9. Гузенков П.Г. Детали машин. М.: Высш. школа, 1982. 351 с.

10. Дубина А.Г. Машиностроительные расчеты в среде Excel 97/2000. СПб.: БХВ Санкт-Петербург, 2000. 416 с.

11. Еремьянц В.Э. Построение и анализ динамических моделей механизмов. Бишкек, 2000. 48 с.

12. П.Дьяконов В.П. Maple 7. Учебный курс. СПб.: Питер, 2002. 672 с.

13. Зайнутдинова Л.Х. Психолого-педагогические требования к электронным учебникам (на примере общетехнических дисциплин). Астрахань: Изд-во АГТУ, 1999. 71 с.

14. Зайнутдинова Л.Х. Создание и применение электронных учебников (на примере общетехнических дисциплин). Астрахань: ЦНТЭП, 1999. 363 с.

15. Ионова Ю.Н. Методическое, алгоритмическое, программное обеспечение электронного учебника по теоретической механике: дис. . канд. физ.-мат. наук: 01.02.01.-М., 1995,- 151 е.: ил. Библиогр.: с. 138-140.

16. Тихоненко А.В. Использование компьютерного моделирования процессов различной степени реалистичности в курсе физики // Пирамида-Мах1ма, 2001, № 2.

17. Капранов И.В. Методы решения, задач на принцип виртуальных перемещений. Московский лесотехнический институт, М., 1978.

18. Космодемьянский А.А. Очерки по истории механики. М.: Просвещение, 1964. 198 с.

19. Крук Б.И., Журавлева О.Б. Компьютерные технологии: итеративная обучающая программа // Межвузовский сборник научных трудов "Информатизация образования". Новосибирск, 1994.

20. Крук Б.И., Журавлева О.Б., Калачев И.В. Электронный учебник как средство субъективно-объективного инфовзаимодействия в процессе обучения // Научный сборник "Проблемы инфовзаимодействия". Новосибирск, 1995.

21. Курганская Г.С. Модели, методы и технология дифференцированного обучения на базе Интернет. Автореф. дис. . д-ра физ.-мат. наук : 05.13.11. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2000.

22. Курганская Г.С. Система дифференцированного обучения через Интернет. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2000. 103 с.

23. Курсовое проектирование деталей машин / Отв. ред. Кудрявцев В.Н. Л.: Машиностроение, 1984. 400 с.

24. Локтев В.И. Сравнительные задачи и вопросы по теоретической механике. Астрахань: Изд-во АГТУ, 1999. 195 с.

25. Мальгина Е.В., Мальгин Ю.В. Холодильные машины и установки. М.: Пищевая промышленность, 1973. 668 с.

26. Матросов А.В. Maple 6. Решение задач высшей математики и механики. СПб: 6-БХВ-Петербург, 2001. 528 с.

27. Методика применения дистанционных образовательных технологий (дистанционного обучения) в образовательных учреждения высшего, среднего и дополнительного профессионального образования РФ. Поиск, №4 2003.

28. Механика машин. И.И. Вульфсон, М.Л. Ерихов, М.З. Коловский и др. / Под ред. Г.А. Смирнова. М.: Высшая школа, 1996. 511с.

29. Мещерский И.В. Сборник задач по теоретической механике. М.: Наука, 1986. 447 с.

30. Миронов А.И. Методические указания к выполнению РПР «Расчет на прочность коленвала». Астрахань: АГТУ, 2002. 32 с.

31. Невенчанная Т.О., Павловский В.Е., Пономарева Е.В. Комплексный расчет механизмов в дистанционном Интернет-учебнике по теоретической механике. II международная конференция «Проблемы механики современных машин». Улан-Удэ, 2003. (вттелахи)

32. Невенчанная Т.О., Павловский В.Е., Пономарева Е.В. Комплексный расчет механизмов в электронном учебнике по теоретической механике: Препринт Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН № М., 2003. с.

33. Невенчанная Т.О., Пономарева Е.В. Анализ программ для создания электронного учебника по теоретической механике. Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования / Под ред. В.П. Савиных, В.В. Вишневского. М. 2001. с.124 126.

34. Невенчанная Т.О., Пономарева Е.В., Митин А.Ю. Роль компьютерного моделирования в теоретической механике. Надежность и качество. Трудымеждународного симпозиума / Отв. ред. Юрков Н.К. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002. 503 с. с. 145 146.

35. Никитин Н.Н. Курс теоретической механики. М.: Высшая школа, 1990. 607 с.

36. Новые информационные технологии в преподавании электротехнических дисциплин (НИТЭ 98): Материалы четвертой Международной научно -методической конференции, 21-26 сентября 1998г. Астрахань: Изд - во АГТУ, 1998.

37. Павловский В.Е., Невенчанная Т.О., Курганская Г.С., Пономарева Е.В. Концепция, структура, программная реализация электронного Интернет-учебника: Препринт Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН № . М., 2003. с.

38. Павловский В.Е., Нечаева Е.С., Голубева Ю.Н. Методика тестирования знаний в компьютерной обучающей системе. Препринт Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН № 25. М., 2000.

39. Пластинин П.И. Теория и расчет поршневых компрессоров. М.: ВО "Агропромиздат", 1987.271 с.

40. Манзон Б.М. Maple V Power Edition. М.: ИИД "Филинъ", 1998. 240 с.

41. Поршневые компрессоры / Отв. ред. С.Е. Захаренко. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1961. 454 с.

42. Поспелов Г.А. Руководство по курсовому и дипломному проектированию по холодильным и компрессорным машинам. М.: Машиностроение, 1986. 264 с.

43. Ретинская И.В., Шугрина М.В. Отечественные инструментальные системы для разработки обучающих программ. // Мир ПК, 7, 1994.

44. Сборник задач по теоретической механике. / Отв. ред. К.С. Колесников. М.: Наука, 1989. 446 с.

45. Сборник задач по теоретической механике. / Отв. ред. Н.А. Бражниченко. М.: Наука, 1989. 231 с.

46. Сборник коротких задач по теоретической механике. / Отв. ред. О.Э. Кепе. М.: Высшая школа, 1989. 368с.

47. Сборник заданий для курсовых работ по теоретической механике / Под общ. ред. А.А. Яблонского. М.: Высшая школа, 1978. 388 с.

48. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики: Учеб. для втузов. М.: Высшая школа, 1998. 416 с.

49. Учебные задания по теоретической механике. Ч. 4. Аналитическая механика / Под ред. В.Д. Малянова, С.М. Филипповского. Астрахань, 1982. 96 с.

50. Яковлева М.Ю., Яковлев П.В. Методические указания "Тестовые технологии в процессе обучения". Астрахань: Изд-во АГТУ, 2002. 28 с.

51. Хортонен Л.С. Методические рекомендации по разработке и применению педагогических тестов. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2001. 40 с.

52. Невенчанная Т.О. О проблемах фундаментальной механической подготовки студентов.//Университетская газета, №4. Астрахань: Изд-во АГТУ, 1999. 3 с.

53. Агранович Б.Л., Чучалин А.И., Соловьев М.А. Инновационное инженерное образование // Журнал ассоциации инженерного образования России "Инженерное образование", выпуск 1, 2003.90. http://www.buk.irk.ru:8100/1 ibrary/6.shtm 1

54. Биркгоф Г., Барти Т. Современная прикладная алгебра. / Пер. с английского Ю.М. Монина. М.: Мир, 1976.

55. Курганская Г.С. Математическое и программное обеспечение системы сопоставительной оценки //Доклады Всесоюзного семинара. Томск, 1990.

56. Keegan D. The foundation of distance education.- L. Groom Helm, 1986.94. http://tenriech.inpci.ac.ru/program/program r.html95. http://coinp.zood.ru/zmain08/zh/z972.html96. http://soft-2003.narod.ru/educ/61 17.htm