Использование современных информационных технологий для организации лабораторного практикума

Основной задачей системы высшего профессионального образования является удовлетворение потребностей рынка труда в специалистах нужного профиля и с требуемым уровнем подготовки, обладающих сформированным научным и профессиональным мировоззрением. Этому способствуют все формы организации учебного процесса в высшей школе, но особое значение придается лабораторному практикуму, являющемуся одной из основных компонент усвоения и формирования профессиональных компетенций.

Лабораторный практикум — существенный элемент учебного процесса в вузе, в ходе которого студенты фактически впервые сталкиваются с самостоятельной практической деятельностью в конкретной области. Лабораторное занятие по определению представляют собой одну из форм учебной работы, которая направлена на освоение студентами отдельных видов, способов и методов проведения экспериментальной учебно-исследовательской и научно-исследовательской работы, на ознакомление их с современными техническими и программными средствами проведения измерений и развитие их творческой активности.

Лабораторные занятия являются как бы средним звеном между углубленной теоретической работой учащихся на лекциях, семинарах и применением знаний на практике. Эти занятия удачно сочетают элементы теоретического исследования с практической работой, фундаментальное содержание учебных дисциплин с лабораторно-практической формой усвоения этого содержания и создают тем самым условия для повышения интереса студентов к науке, их познавательной активности, развития логического мышления и творческой самостоятельности.

Таким образом, лабораторные занятия в вузе занимают особое место и от качества теоретической, практической и методической подготовки этих занятий во многом зависит качество обучения студентов.

Лабораторные занятия обычно проводятся в учебной лаборатории вуза — учебном помещении, оснащенном специальным оборудованием для проведения лабораторных работ под руководством преподавателя. Но могут также проводиться в лаборатории, входящей в состав предприятия, научного учреждения, министерства и выполняющей научные, производственно-контрольные эксперименты с целью решения научных и производственных задач. В случае участия в этих экспериментах студентов, они проводятся в целях обучения. профессиональный образование лабораторный практикум Основные исходные, наиболее общие руководящие положения по содержанию, методике и организации образовательного процесса изложены в принципах обучения [1]. При организации лабораторных занятий в качестве основных можно выделить следующую систему принципов обучения:

• 1. Принцип социальной обусловленности и научности обучения определяет необходимость соблюдения в подготовке студентов требований государства, общества.
• 2. Принцип практической направленности подготовки ориентирует на обучение студентов тому, что необходимо в практической деятельности специалиста.
• 3. Принцип целеустремленности, систематичности и последовательности в обучении исходит из научного положения о том, что эффективное обучение возможно только при наличии четкой целостной системы, включающей взаимосвязанные элементы, предполагающей внутреннее единство рассматриваемых явлений. Этот принцип устанавливает направленность, логику и последовательность учебного процесса.
• 4. Принцип доступности и высокого уровня трудности обучения определяет такую организацию и методику обучения, при которой обучаемые сознательно и активно овладевают знаниями, навыками и умениями, формируют профессиональные компетентности с учетом своих реальных способностей.
• 5. Принцип сознательности, активности и мотивированности обучаемых. Сознательность в обучении предполагает понимание обучаемыми сущности изучаемых проблем, убежденность в правильности и практической ценности получаемых знаний, их положительное отношение к обучению. Активность обучаемых — это их интенсивная умственная деятельность и практическая подготовка в процессе обучения и применения знаний, сформированных навыков и умений. Мотивированность обучаемых — это их заинтересованное отношение к совершенствованию профессиональной компетентности.
• 6. Принцип прочности овладения компонентами профессиональной компетентности. Для решения практических задач обучаемым нужны не просто знания, а целостный комплекс взаимосвязанных компонентов профессиональной компетентности — знания, навыки, умения, профессиональные позиции, имеющие достаточную глубину и прочность для их использования в практике.
• 7. Принцип дифференцированного и индивидуального подхода в обучении определяет организацию групповых учебно-познавательных действий на занятиях по различным предметам подготовки, в тесном сочетании с индивидуальным подходом при обучении каждого студента.

Опыт ряда вузов проведения лабораторных работ, основанных на приведённой системе принципов обучения, позволяет сформулировать следующие требования к качественному лабораторному практикуму: время проведения лабораторных занятий должно совпадать со временем изучения теоретического материала, проводиться они должны фронтально, вариативно, реально, с применением современного оборудования, современных образовательных технологий, современных технологий проведения экспериментальных исследований, качественного методического обеспечения. При этом должен обеспечиваться дифференцированный, индивидуальный и личностно-ориентированный подходы в обучении.

Целью статьи является выявление и обоснование педагогических условий организации качественного лабораторного практикума, основанного на использовании современных информационных технологий, способствующего активизации учебного процесса, развитию познавательного и творческого потенциал студентов, повышению эффективности усвоения теоретического материала.

Лабораторный практикум (ЛП), как правило, делится на три части — теоретическую, практическую и написание отчета. Теоретическая часть, оформленная в виде учебно-методических материалов, включает в себя краткие сведения по теории, описание исследуемого объекта или явления, описание установки, задание на выполнение и методику выполнения эксперимента, рекомендуемую литературу, требования к отчету и контрольные вопросы. Учебно-методические материалы должны быть выданы студентам с таким временным расчетом, чтобы они смогли самостоятельно качественно подготовиться к выполнению лабораторной работы.

Во время практической части выполняется экспериментальное исследование на лабораторной установке. Написание отчета включает необходимые расчеты по исходным и полученным в ходе эксперимента данным, оформление табличных и графических материалов, сравнение полученных результатов с расчетными, оценку погрешностей, формулирование выводов и заключений.

Практическая часть ЛП традиционно проводилась в виде натурного (реального) эксперимента — эксперимента, выполняемого непосредственно над самим объектом. В традиционном виде ЛП наряду с неоценимыми преимуществами практической формы приобретения знаний обладает рядом недостатков. Даже при наличии необходимого оборудования, позволяющего осуществлять натурный эксперимент, имеется ряд ограничений для проведения его с достаточной полнотой.

Во-первых, это фактор времени. Натурный эксперимент часто занимает много времени. Кроме того, время необходимо на осмысление результатов. Временные ограничения особенно остро сказывается на студентах дистанционного (заочного) обучения, вынужденных выполнять лабораторные работы в сжатые сроки, отведенные на лабораторно-экзаменационную сессию.

Во-вторых, натурные эксперименты требуют тщательного соблюдения техники безопасности, поэтому проводятся под строгим контролем преподавателя и по заранее разработанному плану. Проявление инициативы и самостоятельности студентов в рамках такого лабораторного практикума ограничено методическими указаниями и планом проведения ЛП.

Наконец, натурный эксперимент зачастую дорог и сложен, требует материального оснащения, которое не всегда имеется в учебных заведениях и к тому же должно систематически восполняться (расходуемое) и обновляться (заменяться на более современное).

С развитием компьютерных технологий наряду с натурным стал широко использоваться компьютерный (численный, виртуальный) эксперимент — эксперимент, выполняемый над математической моделью объекта исследования на ЭВМ и состоящий в том что, по одним параметрам модели вычисляются другие её параметры и на этой основе делаются выводы о свойствах объекта, описываемого математической моделью. Виртуальный лабораторный эксперимент в ряде случаев может быть одним из эффективнейших инструментов при поддержке практической подготовки студентов.

Применение виртуального эксперимента целесообразно для: представления физических явлений, трудно воспроизводимых в реальном лабораторном эксперименте; повышения уровня безопасности экспериментов путём применения компьютерных тренажёров; повышения у обучаемых мотивации к обучению путём создания моделей, позволяющих рассматривать физические процессы «изнутри»: вносить изменения в протекание процесса, наблюдать происходящие трансформации в работе устройства и самостоятельно оценивать их характер; визуализации принципиально ненаблюдаемых при реальном лабораторном эксперименте явлений [9].

А также для: демонстрации особенностей поведения прибора вне допустимого диапазона режимов работы, что в реальном эксперименте связанно с нарушением техники безопасности и/или повреждением прибора; акцентирования внимания студентов (соответствующей подачей материала и формой его представления) на принципах действия прибора с целью выделения отдельных инженерных решений для последующего критического анализа.

Кроме того, виртуальный эксперимент можно сделать адаптивным, то есть настраивающимся в зависимости от возможностей обучаемого, что позволяет реализовать принцип индивидуализации. Демонстрацию изучаемых объектов и явлений можно проводить фронтально, обеспечивая показ эксперимента большой аудитории. А использование компьютера при написании отчёта позволяет значительно упростить и ускорить выполнение расчётов, упрощает доступ к необходимым справочным и методическим материалам, позволяет качественно оформить таблицы, графики, рисунки, текст, сделать твёрдую копию отчёта.

Но в компьютерной программе сложно предусмотреть влияние всех существующих факторов и взаимосвязей, тем более, что многие из них на этот период могут быть просто не выявлены и не изучены. Промежуточным вариантом является полунатурный эксперимент, в котором наиболее важная для исследователя часть изучаемых явлений, процессов, системы воспроизводится на реальной установке, а остальная часть — имитируется на компьютере. В этом случае возможно достижение разумного сочетания изучения реальных объектов лабораторного практикума и их моделей.

Учебно-методические материалы для ЛП могут быть выполнены в виде полиграфических изданий или в виде электронных учебных средств, включающих в себя дидактические, методические и информационно-справочные материалы. В последнем случае учебно-методические материалы и лабораторная работа могут быть представлены в виде системы, состоящей из двух подсистем: информационной (содержательная часть) и программной (программная реализация). В технологии создания такого виртуального лабораторного эксперимента (ВЭ) можно выделить следующие основные стадии: подготовку исходных материалов; разработку программной структуры ВЭ; компьютерную подготовку содержательной части ВЭ; компоновку ВЭ; апробацию ВЭ с доработкой по ее результатам; подготовку и запись дистрибутива ВЭ, разработку документации для пользователя и тьютора.

Содержание и последовательность выполнения перечисленных технологических этапов приведены на рис. 1.

Сложность и многогранность решаемых при разработке, апробации и актуализации таких учебных продуктов задач обуславливают необходимость привлечения для их решения различных специалистов: авторов учебных материалов, методистов, разработчиков компьютерных средств.

Имеющийся у авторов статьи опыт использования виртуальных лабораторных работ в учебном процессе показал, что сама их разработка может являться важным учебным элементом при подготовке студентов разных специальностей. При выполнении таких работ могут объединяться студенты разных вузов (например, технического и педагогического), которые в рамках межвузовской кооперации будут выполнять роли названных выше специалистов.

В качестве примера такой кооперации можно рассмотреть выполненный на кафедре информатики и вычислительной техники Красноярского государственного педагогического университета по техническому заданию и техническом содействии кафедры систем автоматического управления Сибирского государственного аэрокосмического университета дипломный проект на тему «Дидактические материалы для студентов технических вузов: интерактивная компьютерная модель шагового двигателя».

Разработанная компьютерная лабораторная работа предназначена для изучения работы шагового двигателя (ШД). Интерфейс программы (рис. 2) показывает модель ШД и позволяет управлять его работой путем подачи напряжений на обмотки 1, 2, 3, 4 статора.

Модель учитывает зависимость вращающего момента обмоток статора от угла поворота ротора, инерцию подвижных элементов, внутреннее трение, внешнюю нагрузку на вал двигателя. Модель интерактивно реагирует на изменения состояния ШД, что позволяет пояснить ключевые принципы, положенные в основу его устройства и работы. Развёртки 5 и 6 напряжения на обмотках и угла поворота 7 ротора как функции от времени визуально представляются на экране компьютера в виде осциллограмм.

Интерактивность и привычная форма представления данных облегчают переход на работу с реальным оборудованием. С помощью графического курсора можно быстро выбрать на осциллограмме интересующий момент времени и посмотреть соответствующее состояние двигателя. Секторными диаграммами визуализируются ключевые физические параметры двигателя (угловая скорость вращения, вращающие моменты обмоток и нагрузки). Синхронизация выбранного на осциллограмме момента времени и изменений в состоянии двигателя способствует пониманию логики работы и физических процессов, положенных в основу работы двигателя.

Возможно, как хранить и сравнивать осциллограммы для двух и более экспериментов, так и быстро пересчитывать результаты моделирования при изменении входных параметров (добротность двигателя, частота собственных колебаний, нагрузка на вал, частота следования управляющих импульсов). Это позволяет изолировать вклад отдельных процессов и наглядно обрисовать их физическую природу.

Программа написана на языке Питон и использует интерфейс gtk, благодаря чему переносима на платформы Windows, Linux, и многие другие. Для комфортной работы достаточно компьютера следующей конфигурации: процессор уровня AMD 1.6 ГГц, 512 Мб RAM, интегрированный графический адаптер. Все используемые библиотеки и инструменты доступны, распространяются бесплатно с открытыми исходными текстами.

Таким образом, применение информационных технологий при организации лабораторного практикума активизирует учебный процесс, повышает наглядность обучения, возбуждает познавательный интерес и способствует реализации творческого потенциала студентов, позволяет студентам глубже понять сущность изучаемых явлений, обучает их решать исследовательские задачи с применением современных средств вычислительной техники. Преподавателям же использование информационных технологий при организации лабораторного практикума позволяет оптимально решать поставленные задачи и обеспечить требования к качеству лабораторных занятий.

Всё это в совокупности способствует повышению уровня профессионального образования студентов.

• 1. Абульханова, К.А. Психология и педагогика: курс лекций [Текст] / Под редакцией Абульхановой К. А., Васиной Н. В., Лаптева Л. Г., Сластенина В.А.- М.: Издательство «Совершенство», 1998. -320 с.
• 2. Жарков, Ф.П. Использование виртуальных инструментов Lab VIEW [Текст] / Ф. П. Жарков, В. В Каратаев, В. Ф Никифоров, В. С. Панов. Под ред. К. С. Демирчана и В. Г. Миронова. — М.: Солон-Р, Радио и связь, Горячая линия — Телеком, 1999. — 268 с.