Исследование виртуальных технологий лабораторного эксперимента в повышении эффективности обучения в вузах МЧС России

Российское высшее образование вошло в период модернизации, связанной с развитием информационных и телекоммуникационных технологий, способствующих созданию единого информационного пространства, повышению качества и конкурентоспособности отечественного образования, в том числе высшего. С другой стороны, изменения в экономике влияют на формирование нового социального заказа, предъявляемого обществом к качеству подготовки специалистов для Государственной противопожарной службы. На передний план выходят: способность к адаптации в меняющихся социальных и экономических условияхумение работать в сотрудничестве с другими людьми и ориентироваться в происходящих процессахспособность критически мыслить и принимать самостоятельные решения и т. д.

Условия образовательной деятельности в высшем и последипломном обучении в вузах МЧС России в настоящее время характеризуются развитием электронных технологий обучения, включающих в себя: использование среды Интернетэлектронных библиотекучебно-методических мультимедийных материаловвиртуальных лабораторных практикумов, в том числе с удаленным доступом.

В отечественных научных разработках явления и процессы, связанные с реализацией образовательных возможностей средств информационно-компьютерных технологий, получили название «информатизация образования». Информатизация образования рассматривается как целенаправленно организованный процесс, ориентированный на реализацию целей обучения и развития индивида, который включает в себя подсистемы обучения и воспитания, обеспечивающие сферу образования методологией, технологией и практикой разработки и оптимального использования средств информационно-компьютерных технологий, применяемых в комфортных и здоровьесберегающих условиях.

Развитие информационных средств и информационной продукции учебного назначения, применяемых в современной высшей школе МЧС России, несомненно, изменяет требования к компетентности будущего специалиста Государственной противопожарной службы, что, в свою очередь, предполагает: разработку теоретических основ осуществления учебного информационного взаимодействия между обучаемым, обучающими интерактивным средством обучения, функционирующим на базе информационно-компьютерных технологий;

— развитие личностных качеств обучающихся, и прежде всего самостоятельности и инициативы в процессе получения профессионального образования в вузах МЧС Россииформирование у обучающегося ответственности за выбор режима учебной деятельности и информационного взаимодействия с интерактивными источниками учебной информации;

— формирование у обучающегося компетенций в области реализации возможностей средств информационно-компьютерных технологий в учебно-профессиональной и будущей профессиональной деятельности сотрудника Государственной противопожарной службы, в том числе для спланированного продвижения в повышении квалификации, необходимой для успешного ведения спасательных и неотложных аварийно-восстановительных работ.

Указанные направления совершенствования образования, относящиеся также к подготовке специалистов в сфере пожарной безопасности Российской Федерации, обеспечиваются не только активным использованием в процессе обучения компьютерной техники или ресурсов информационных сетей. Они должны подкрепляться, прежде всего, дидактически обоснованной реализацией возможностей средств информационно-компьютерных технологий, применение которых создает предпосылки интенсификации образовательного процесса, а также разработкой методик, ориентированных на развитие интеллекта обучаемого, на самостоятельное извлечение и представление знания, на продуцирование информации.

В, современной научно-методической литературе вопросы использования информационных технологий в образовательном процессе вуза рассмотрены довольно широко. Концептуально-теоретические основы информатизации образования освещены в работах В. П. Беспалько, А. А. Вербицкого, Б. С. Гершунского, В. В. Давыдова, А. П. Ершова, Е. И. Машбица, Е. С. Полат, С. Пейнерта, Н. Ф. Талызиной и др. Теоретическим аспектам создания и использования средств информатизации образования посвящены исследования А. И. Башмакова, И. Е. Вострокнутова, С. Р. Домановой, Л. Х. Зайнутдиновой, И. Г. Захаровой, К. Г. Кречетникова, З. Ф. Мазур, Д. Ш. Матроса, С. В. Панюковой, И. В. Роберт, Э. Г. Скребицкого и др. Педагогические и методические основы обучения студентов в высших учебных заведениях с использованием информационных технологий разработаны в исследованиях А. А. Андреева, А. А. Ахаяна, A. JL Денисовой, Е. В. Дозорова, С. А. Новоселова, П. И. Образцова, И. В. Онокова, М. И. Потеева, JI.B. Рошиной, O.K. Филатова, М. С. Чвановой, T.JI. Шапошниковой, О. Н. Шиловой, В. Ф. Шолоховича и др.

Однако, несмотря на то, что реализация возможностей средств информационно-компьютерных технологий значительно совершенствует учебный процесс в вузах МЧС России, развивает личность курсанта или студента, приобщает его к реализации потенциала информационного ресурса Интернет, общая ситуация с информатизацией образования в современной высшей школе сегодня может быть охарактеризована как неудовлетворительная. Это касается и профессиональной подготовки в вузах МЧС России будущих специалистов в сфере пожарной безопасности, при которой господствует традиционный подход со всеми присущими ему противоречиями и несоответствием современному уровню развития человека и общества. Среди главных недостатков традиционного подхода к обучению можно выделить: декларативный способ представления знанийконстатирующий подход к контролю результатов учебной деятельностинедостаточная дифференциация обученияотставание содержания учебно-методической литературы от запросов современностислабое проявление самостоятельности при освоении знанийнедостаточная практическая направленность в сфере освоения современных информационно-компьютерных технологийнедостаточные навыки в использовании современной измерительной техникии т.д.

Одна из поставленных задач решается внедрением в учебный процесс вузов МЧС России современных технологий проведения лабораторного практикума. Лабораторный практикум является важнейшим компонентом обучения в технических вузах. В процессе выполнения лабораторных работ студенты имеют возможность проверить на практике свои теоретические знания, получить навыки экспериментальной работы, среди которых составление плана исследования, выбор схемы эксперимента и необходимой измерительной аппаратуры, обработка полученных данных, анализ источников и оценка погрешности.

В то же время лабораторные работы являются наиболее дорогостоящим видом учебных занятий, затраты на проведение которых могут достигать 60−80% от общих затрат на обучение, что связано с необходимостью закупки и обслуживания необходимых стендов, выделения значительных площадей под его размещение.

Тенденция развития учебного лабораторного оборудования состоит в автоматизации процессов управления экспериментом, сбора, хранения и обработки экспериментальных данных. Эта тенденция становится все более осязаемой по мере повышения функциональных возможностей, уменьшения стоимости, габаритов и энергопотребления компьютерной и микроконтроллерной техники. Включение средств автоматизации в состав лабораторного оборудования позволяет проводить эксперименты по существенно более сложным алгоритмам управления, например, программно задавать воздействующие сигналы, изменяемые во времени, перестраивать в процессе эксперимента структуру изучаемого объекта, изменять параметры его элементов. Компьютер или микроконтроллер в совокупности с интеллектуальными датчиками открывают возможности для увеличения количества каналов, повышения точности и быстродействия измерений выходных показателей. Экспериментальные данные могут быть сохранены в памяти компьютера, обработаны и наглядно представлены с помощью специальных программ.

Возникает следующая задача: как сделать, чтобы один или небольшое количество комплектов оборудования позволяли выполнять лабораторные работы практически одновременно сразу многим студентам, не обязательно находящимся в одной лаборатории в строго отведенное время? Желательно, чтобы это оборудование было доступно учащимся в любое время и из любого места их пребывания. Для решения этой проблемы необходимо организовать передачу заданий и получение результатов лабораторных исследований посредством компьютерных сетей, а в современных условиях и сетей мобильной телефонной связи. Выигрыш на этом пути вполне очевиден: отпадает необходимость многократного тиражирования однотипного оборудования, оно может работать не эпизодически, а с полной нагрузкой, открываются возможности кооперации и взаимовыгодного обмена образовательными ресурсами между различными учебными заведениями. При этом оборудование физически не перемещается из вуза в вуз, а работает в режиме многопользовательского дистанционного доступа. Наконец, в образовательный процесс многих вузов может быть введено уникальное научное или производственное оборудование.

Сказанное актуализирует потребность разрешения следующих противоречий:

— между высоким уровнем развития современных информационно-компьютерных технологий, реализация возможностей которых определяет пути совершенствования профессиональной подготовки сотрудников Государственной противопожарной службы, и недостаточным уровнем использования этих возможностей в научно-методическом обеспечении пожарно-технического образования будущих специалистов в сфере пожарной безопасности Российской Федерации;

— потребностью в новых образовательных технологиях в условиях модернизации образования, постепенного перехода к личностно-ориентированной образовательной парадигме и недостаточным применением данных технологий в традиционной системе обучения в вузах МЧС России;

— широким внедрением информационно-компьютерных технологий во все сферы человеческой деятельности и недостаточным уровнем подготовки специалистов, способных компетентно их использовать в своей профессиональной деятельности.

В вузах МЧС России лабораторный практикум (во взаимодействии с другими методами изучения фундаментальных и технических наук) всегда был основой пожарно-технического образования, так как профессиональная компетентность будущих сотрудников Государственной противопожарной службы предполагает формирование умений и навыков, связанных с измерением величин технических параметров и обработке результатов этих измерений.

Однако специфика пожарно-технического образования предполагает изучение физических и химических процессов, протекающих достаточно продолжительное время (например, прогрев строительных конструкций или самовозгорание), при этом применение виртуальных моделирующих комплексов требует адекватной продолжительности лабораторных занятий, что не всегда может вписаться в современные динамически насыщенные планы обучения. Решением указанной проблемы могло бы быть временное масштабирование моделируемых процессов, а так же проведение комплексных расчетно-экспериментальных занятий, продолжительностью 4⁶ академических часов, в течение которых: моделировался физико-химический процесс во временном масштабе, достаточно приближенным к естественно протекающему процессубыло проведено количество измерений, позволяющее получить необходимый навык их проведениявозможные промежутки времени между измерениями эффективно использовались для выполнения расчетной части комплексного задания.

Для успешного решения накопившихся противоречий, связанных с организацией и проведением лабораторного практикума в рамках расчетно-лабораторного занятия необходимо: провести анализ исследований по разработке дидактических средств в области виртуального лабораторного эксперимента, позволяющих повысить эффективность обучения в вузах МЧС Россииразработать модель организации лабораторного практикума для курсантов вуза МЧС России, включающую расчетную и экспериментальную фазысформировать оптимальную схему проведения расчетно-лабораторного занятияразработать оптимальную структуру и произвести программную реализацию программно-компьютерных комплексов, а также необходимую методическую поддержку, позволяющую курсантам и студентам выполнять лабораторные экспериментыопределить пути и методы интенсификации занятий за счет более качественной подготовки курсантов и студентов путем внедрения в педагогическую практику индивидуальных комплексных заданий, содержащих как расчетную, так и экспериментальную компоненты.

Значительная педагогическая значимость поставленной проблемы, ее недостаточная теоретическая разработанность в психолого-педагогической литературе, потребность вузов МЧС России в практических рекомендациях по использованию современных информационных технологий обусловили выбор темы исследования, определили цель, объект и предмет исследования.

Цель исследования — разработка научно обоснованных и педагогически эффективных виртуальных технологий проведения лабораторных экспериментов.

Объектом исследования явился процесс подготовки специалистов в учебных заведениях МЧС России.

Предмет исследования — выявление условий и путей повышения эффективности обучения курсантов и студентов вузов МЧС России основе виртуальных технологий проведения лабораторных экспериментов.

В процессе исследования была выдвинута рабочая гипотеза: эффективность обучения в вузах МЧС России повысится, если:

— при формировании необходимых профессиональных знаний, навыков и умений будут использованы виртуальные технологии проведения лабораторного эксперимента;

— формой реализации виртуальных технологий лабораторного эксперимента является фронтальное расчетно-лабораторное занятие увеличенной продолжительности;

— тематика и форма отчетности виртуальных лабораторных экспериментов и расчетно-графических заданий должны быть общими.

Цель исследования и сформулированная рабочая гипотеза обусловили следующие задачи:

1. Оценить возможности использования существующего отечественного и зарубежного опыта использования современных виртуальных технологий проведения лабораторного эксперимента в учебном процессе вузов МЧС России по дисциплинам общеинженерного цикла.

2. Определить и обосновать психолого-дидактические требования к комплекту учебно-методических материалов, поддерживающих виртуальные технологии проведения лабораторного эксперимента и выполнение расчетно-графических заданий.

3. Разработать комплекты методической документации и соответствующего программно-компьютерного сопровождения фронтальных расчетно-лабораторных занятий увеличенной продолжительности, необходимого для их внедрения в учебный процесс по дисциплинам «Основы теплотехники» и «Теплотехника».

4. Экспериментально подтвердить эффективность использования разработанных виртуальных технологий при проведении фронтальных расчетно-лабораторных занятий увеличенной продолжительности в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.

Методологической основой исследования явились: философские, психологические и педагогические концепции познавательной деятельности обучаемых при самостоятельной работе над учебным материалом (В.П. Беспалько, А. Е. Болотин, В. П. Давыдов, Т. А. Ильина, Н. В. Кузьмина, Н. Ф. Талызина, В. А. Якунин и др.) — дидактические и психологические закономерности в учебном процессе (Ю.Г. Баскин, Н. Г. Винокурова, П. Я. Гальперин, А. А. Грешных, О. Ю. Ефремова, Ю. Н. Кулюткин, С. В. Литвиненко, Я. А. Пономарев, В. Н. Пушкин, Л. С. Узун, В. А. Щеголев и др.) — применение законов кибернетики как наиболее общей теории управления учебным процессом (B.C. Артамонов, Р. Аткинсон, А. И. Берг, Н. Винер, В. Д. Никандров, У. К. Ричмонд, И. Столуров и др.). системный подход в изучении педагогических явлений.

В процессе исследования использовались следующие методы:

1. Определение теоретической основы и разработанности проблемы исследования посредством анализа психолого-педагогической, методической и технической литературы.

2. Контент-анализ учебно-методической литературы и планирующей документации дисциплин специального цикла.

3. Разработка технического задания и программная проработка необходимых функций рабочего места курсанта, содержащего виртуальную лабораторию.

4. Педагогические наблюдения за самостоятельной работой курсантов и слушателей с компонентами рабочего места курсанта.

5. Педагогический анализ содержания отчетов по результатам выполнения комплексных расчетно-лабораторных заданий и устных ответов курсантов и студентов при их защите, статистическая и качественная обработка результатов.

6. Свободное интервью и анкетный опрос курсантов и студентов, преподавателей и экспертов, анализ результатов опроса и бесед.

7. Запись на носители параметров обращений слушателей к опциям рабочего места курсанта, содержащего виртуальную лабораторию.

8. Анализ экспертных оценок методических материалов и разработанных при подготовке эксперимента программных продуктов.

9. Констатирующий и формирующий педагогический эксперимент.

Логика исследования:

Исследование проводилось в три взаимосвязанных этапа в период с 2006 по 2009 годы.

На первом этапе (2006;2007 гг.) проводилось изучение педагогической, психологической, методической и технической литературы по исследуемой проблеме, производилось теоретическое обоснование темы и определение задачи проводимого исследования, сформулирована рабочая гипотеза исследования.

На втором этапе (2007;2008 гг.) в теоретическом плане было проведено уточнение гипотезы исследования, структуирование связей между компонентами предлагаемого программного продукта и методическим обеспечением. Практический аспект исследования состоял в разработке программы и проведении констатирующего и формирующего экспериментов, была проведена программная реализация бета-версии рабочего мета курсанта, содержащего виртуальную теплотехническую лабораторию.

На третьем этапе (2008;2009 гг.) в теоретическом плане произведено уточнение и доработка предлагаемых условий эффективного использования рабочего мета курсанта, содержащего виртуальную теплотехническую лабораторию. В практическом плане — проведение контрольного измерения эффективности использования рабочего места курсанта, содержащего виртуальную теплотехническую лабораторию, а так же программная реализация его уточненных версий.

На заключительном этапе был проведен теоретический анализ результатов исследования и оформление диссертационной работы.

На защиту выносится:

— авторская система принципов формирования индивидуального комплексного задания, содержащего как расчетную, так и экспериментальную компоненты, позволяющая обеспечить самостоятельную работу курсантов в режиме групповой работы с лабораторными вычислительными комплексами;

— способ организации самостоятельной работы обучаемых в рамках фронтального расчетно-лабораторного занятия увеличенной продолжительности через резидентно отображаемый интерактивный график, обеспечивающий непосредственную связь со всеми компонентами рабочего места курсанта и регламентирующий последовательность выполнения комплексного расчетно-экспериментального задания;

— оригинальная структура внутренних связей автоматизированного рабочего места курсанта, формирование которой позволяет обеспечить постоянный и поэтапный контроль преподавателем хода самостоятельной работы курсантов и студентов над выполнением комплексного расчетно-экспериментального задания.

Научная новизна исследования состоит в том, что:

1. Разработана структура оригинального интерактивного графика выполнения комплексного расчетно-экспериментального задания, обеспечивающая непосредственный переход к компонентам рабочего места курсанта.

2. Определена структура необходимых внутренних интерактивных связей рабочего места курсанта применительно к задачам обеспечения самостоятельной работы обучаемых по выполнению комплексного расчетно-экспериментального задания.

Теоретическая значимость исследования состоит в том, что сформулирована система принципов формирования тематики комплексных расчетно-экспериментальных заданий применительно к учебному процессу вузов МЧС России.

Практическая значимость исследования состоит в том, что:

1. На основании сформулированных в ходе диссертационного исследования психолого-дидактических требований разработан комплект учебно-методических материалов для проведения фронтальных расчетно-лабораторных занятий увеличенной продолжительности.

2. В педагогическую практику Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России внедрен интерактивные графики выполнения расчетно-экспериментальных заданий по дисциплине «Теплотехника».

3. Методические и программные разработки, полученные при создании рабочего места курсанта «Теплотехника» были использованы при создании технических заданий для других учебных предметов вуза: «Электроника и пожарная автоматика», «Электротехника и электроника», «Термодинамика и теплопередача».

Достоверность научных положений, полученных результатов и обоснованность рекомендаций обеспечивалась:

— выбором проверенных на практике и теоретически обоснованных показателей эффективности разработанного программного продукта как инструментария для реализации виртуальных технологий проведения лабораторного эксперимента;

— длительностью (более 2-х лет) эксперимента, участием независимых экспертов в измерении остаточных знаний экспериментальной и контрольной групп;

— применением методов математической статистики и возможностей современного информационного инструментария при сборе и обработке данных, полученных в ходе эксперимента;

— согласованностью прогнозов, сформулированных в ходе исследования и достижений педагогического опыта высших учебных заведений, а так же личным опытом преподавания.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной научно-практической конференции на 6 международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения последствий чрезвычайных ситуаций», (СПб. СПбУ ГПС МЧС России, 2007 г.).

Внедрение результатов исследования осуществлялось непосредственно в ходе формирующего эксперимента в Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России. Разработанный автором программный продукт был рекомендован к использованию в учебном процессе кафедры физики и теплотехники с курсантами и студентами очной формы обучения.

Публикации. Основные положения опубликованы в 5 печатных работах, в том числе одна — в издании, рекомендованных ВАК России.

Выводы по главе 3.

1. Выполнение лабораторного эксперимента включает в себя больше, чем просто представление информации о моделируемом процессе, необходима проверка действий обучаемого с динамичной обратной связью в процессе моделирования для избежания ошибочных выводов, а также отложенная обратная связь для периодической оценки знаний обучаемого (принцип интерактивности).

2. Корректно структуированный моделирующий комплекс, как правило, обладает интеллектуальностью:

— преподаватель играет центральную роль в процессе создания и заполнения программно-аппаратного комплекса, поддерживающего процесс моделированиякроме того, максимально используются возможности применяемых технологий моделирования изучаемых физико-химических процессов, при этом учитывается природа объекта моделирования и составляющие знания о нем.

3. Знание об изучаемом физико-химическом или ином процессе рассматривается как множество некоторых сущностей. Обучающие последовательность в процессе проведения виртуального эксперимента создается на основе этих сущностей, создавая тем самым высокую степень соответствия между структурированием знания и принципом выполнения процесса измерений параметров моделируемого физико-химического или иного процесса.

4. Система моделирования должна поддерживать простой интуитивный интерфейс, обладающий возможностью более четкой детализации при выполнении виртуального эксперимента.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Предусмотреть освоение методики использования виртуальных технологий моделирования в учебном процессе при проведении мероприятий организационно-методического характера, нацеленных на повышение квалификации профессорско-преподавательского состава.

2. Для предупреждения возможного дублирования, тематику виртуальных экспериментов по учебным дисциплинам, имеющим соответствующие межпредметные связи, необходимо согласовывать в ходе межкафедральных семинаров и совещаний.

3. При создании электронной библиотеки на сервере учебного заведения необходимо сформировать специальный раздел для хранения программных комплексов виртуальных лабораторий и сопроводительной учебной документации по различным учебным дисциплинам с возможностью их доступа пользователями учебного заведения.

4. При планировании комплексных расчетно-экспериментальных занятий повышенной продолжительности предусмотреть их проведение только в первой половине дня.