Преподавание физико-математических дисциплин

Специфика дистанционного обучения физико-математическим дисциплинам связана с формализованным представлением содержания знаний и большой долей учебного практикума, включающего в себя развитие навыков решения задач и выполнение лабораторных работ.

Теоретический материал по физико-математическим дисциплинам изобилует математическими формулами и выкладками, трудными для самостоятельного усвоения. В связи с этим, для облегчения восприятия учебного материала курса необходимы либо традиционные лекции педагога в аудитории с использованием демонстрационного материала, либо интерактивные мультимедиа-лекции.

Применение компьютерных технологий позволяет значительно повысить качество лекционных демонстраций. Современное проекционное оборудование дает возможность показа физических процессов с большим увеличением и разрешением, что является немаловажным фактором для обеспечения наглядности учебного материала. Также очень эффективны для понимания сущности физических явлений и процессов их анимационные модели, выполненные на компьютере. Особенно важно их применение в тех случаях, когда нельзя осуществить прямой эксперимент. Примером может служить демонстрация с помощью компьютера кинетических процессов в газах, молекулярных явлений в жидкостях, квантовых явлений в микромире и т. п. В традиционном обучении проблема наглядного представления физических явлений частично решается лекционными демонстрациями, однако, даже при наличии хорошего лабораторного оборудования, лекционная демонстрация зачастую лишь косвенно может подтвердить искомый результат, т.к. он получается из вычислений на основе косвенных измерений. В таких случаях очень полезной оказывается имитационная модель физического явления, построенная на определенных теоретических закономерностях. Демонстрация модели дает возможность наглядного качественного и количественного описания любого процесса.

Расширением возможностей анимационных моделей являются математические модели. Математическое моделирование с применением компьютеров позволяет оперативно в процессе лекции продемонстрировать и исследовать основные свойства физических объектов, выяснить границы применимости той или иной теории.

В сочетании с высоким качеством представления учебной информации компьютерные и мультимедиа-средства значительно повышают эффективность лекций.

Аналогично создаются и мультимедиа-лекции. Интерактивная мультимедиа-лекция позволяет интегрировать различные среды представления информации — текст, статическую и динамическую графику, видеои аудиозаписи в единый комплекс, позволяющий обучаемому стать активным участником учебного процесса, поскольку выдача информации происходит в ответ на соответствующие его действия.

В отличие от гуманитарных физико-математические дисциплины, как уже говорилось, формализованы и легко представляются в гипертекстовом виде. Кроме того, в сценарии мультимедиа-лекций можно предусмотреть распределение материала по уровням сложности и таким образом адаптировать его к индивидуальным особенностям ученика.

Разработка и создание мультимедиа-лекций для физико-математических дисциплин обладают наибольшей сложностью. Как правило, такого рода лекции сопровождаются многочисленными математическими выкладками, справочными данными, рисунками и демонстрациями. По сути дела, в лекции информация представлена в самых различных видах: текст, звук, видео. Конечно, представление лекции в виде гипертекста может отчасти решить дидактическую задачу усвоения материала. Однако при этом исчезают авторское участие, придающее лекции эмоциональную окраску, и индивидуальность педагога; следовательно, исчезает то качество обучения, которое всегда есть в очном обучении, а именно соучастие в процессе познания. Таким образом, возникает задача технологического и методического решения проблемы сохранения качества очного обучения в электронной мультимедиа-лекции.

Появление информации на этих четырех полях управляется таймером. Появление формул и поясняющих надписей на основной доске синхронизовано с моментами времени, где лектор впервые о них упоминает. Появление иллюстраций, поясняющих мысль автора, на доске рисунков также синхронизовано по времени с речью лектора. Для привлечения внимания ученика используются эффекты «мигания», изменения цвета, анимации. По ходу лекции формулы на основной доске заменяются новыми, однако те формулы, на которые в дальнейшем автор будет ссылаться, переносятся на доску ссылок. Взаимное расположение видеокадра с лектором и основной доски на экране монитора подобрано таким образом, что создается впечатление естественного написания формул.

Важно отметить, что гипертекстовая структура курса является многоуровневой и содержит ряд контрольных заданий по выводу формул для частных случаев теории. Таким же образом можно включать различные демонстрационные мультимедиа-приложения.

Особую сложность в учебном процессе на основе дистанционных технологий представляет лабораторный практикум. При его организации следует использовать специально разработанные компьютерные лабораторные тренажеры, которые позволяют эффективно отследить важные закономерности, смоделировав физические процессы. При этом компьютеру зачастую отводится роль экспериментальной установки, а оформление работы: теоретическая часть, таблицы измерения, графическое представление результатов — выполняется каждым учеником индивидуально. Это позволяет им не только глубоко изучать физические явления, но и научиться правильно составлять научный отчет, оптимальным способом представлять результаты своей работы.

Компьютерные лабораторные работы могут наиболее эффективно применяться в следующих случаях:

• · для предварительного знакомства ученика с тем экспериментом, который ему предстоит выполнить впоследствии на реальной установке, если эксперимент сложен и работа на лабораторной установке требует предварительной подготовки и тренировки;
• · тогда, когда реальный эксперимент затруднён, например, тем, что физические параметры имеют экстремальные значения (слишком большое или, напротив, слишком малое давление, температура и т. п.). По этой причине экспериментальная установка может или вообще отсутствовать, или быть слишком сложной или дорогой и поэтому недоступной для учебного процесса;
• · для реализации так называемых мысленных, модельных, идеальных экспериментов, которые вообще невозможно осуществить в реальной жизни, но которые можно себе представить. Мысленные эксперименты играют чрезвычайно важную роль в развитии науки, поэтому их практическое, хотя бы и «виртуальное», воплощение при обучении учеников весьма полезно;
• · для моделирования знаменитых опытов, вошедших в историю (тем самым знакомя учеников с историей данной науки);
• · для наглядной демонстрации не видных в обычном эксперименте, но реально протекающих процессов (например, движение электронов или других микрочастиц). Наглядность играет большую роль в обучении, особенно для школьников и учеников младших курсов.

Вполне возможно, что для некоторых специальностей (например, математики) такого компьютерного практикума вполне достаточно, тем более, что в учебных планах этих специальностей лабораторный практикум часто отсутствует.

Опыт применения компьютерного лабораторного практикума показал, что:

• 1) эти работы могут выполняться всеми учениками группы (или подгруппы) одновременно, т. е. можно использовать фронтальный метод выполнения работ, позволяющий выполнять данную работу именно в нужное по учебному плану время, что значительно облегчает работу педагога.
• 2) наглядность (без излишней вульгаризации) сильно облегчает понимание сути моделируемых явлений.
• 3) познавательная активность учеников, обычно и так достаточно высокая при выполнении лабораторных работ, ещё сильнее повышается, так как появляется элемент игры, причём игры безопасной (компьютерную работу, в отличие от настоящей, нельзя сломать).

Вместе с тем, компьютерные лабораторные тренажеры могут только имитировать физические закономерности. При подготовке учеников физико-математических специальностей, безусловно, необходимы экспериментальные лабораторные установки.

Как показывает опыт, при любой степени методической оснащенности учебного процесса при подготовке учеников физико-математических специальностей взаимодействие ученика с педагогом является необходимым элементом учебного процесса. Основным критерием качества усвоения знаний учениками данных специальностей является умение применять полученные теоретические знания при решении задач и выполнении лабораторных работ. При дневной форме обучения это достигается на практических и лабораторных занятиях, где ученики имеют возможность высказать свои аргументы по поводу решения конкретной задачи и послушать рассуждения педагога. Поэтому и при дистанционном обучении необходимы очные формы педагогического общения ученика с педагогом. При этом часть материала по физико-математическим дисциплинам может быть передана тьюторам, при условии наличия у них необходимой степени квалификации.

При дистанционном обучении общение педагога со учениками осуществляется также на консультациях, организуемых при помощи сетевых средств. Это дает возможность осуществлять консультации в отложенном режиме, тщательно продумывая ответы на вопросы учащихся, используя специальные редакторы для разъяснения сложных вопросов.

Текущий контроль знаний может быть осуществлен на основе тестирующих программ или индивидуальных контрольных заданий, которые проверяются педагогом «вручную». Для осуществления итогового контроля наиболее предпочтительным остается традиционный способ — выезд педагога для проведения зачета или экзамена. Однако возможно и письменное проведение экзамена под руководством тьютора.