Разработка дидактических средств обучения на основе компьютерных технологий как эффективное средство формирования профессиональных компетенций будущих бакалавров физико-математического образования

В статье рассматриваются вопросы разработки новых дидактических средств обучения на основе 3D-технологий, позволяющих повысить эффективность и качество подготовки бакалавров Ключевые слова: компьютерная модель, наглядность, обучение, стереоизображение, 3D-технологии.

The article deals with the aspects of creation of new didactic tools of education on the basis of 3D technology allowing increasing efficiency and quality of teaching bachelors.

Keywords: computer model, visual means, teaching, stereo-imaging, 3D technology.

В преамбуле Концепции развития математического образования в Российской Федерации (принята Распоряжением Правительства РФ от 24.12.2103 г. № 2506-р) отмечается, что «Развитые страны и страны, совершающие в настоящее время технологический рывок, вкладывают существенные ресурсы в развитие математики и математического образования» [1]. В разработанном плане мероприятий по реализации Концепции в разных его разделах (общесистемные мероприятия; профессиональное образование, в том числе дополнительное, подготовка научно-педагогических работников образовательных организаций высшего образования и научных работников научных организаций; математическое просвещение и популяризация математики) в той, или иной мере, присутствуют мероприятия по совершенствованию, разработке и созданию учебных пособий нового поколения (в том числе в электронных), обеспечивающих внедрение инновационных технологий в области обучения математике и направленных на популяризацию математических знаний и математического образования, в том числе, и в рамках дополнительного образования, а также разработка сервисов для создания творческих продуктов, проектов и игр-симуляторов.

В этой связи рассмотрим некоторые общие вопросы, связанные с методологией разработки стереоскопических дидактических средств обучения и педагогические возможности учебно-проектной деятельности студентов вузов по разработке дидактических средств обучения на основе компьютерных как одного из эффективных видов учебной деятельности бакалавров физико-математического образования, способствующей формированию у них профессиональных компетенций.

Об определении понятия «3Ds-технологии». В настоящее время широко используется понятие «3D-технология», «3D-графика» и т. д. Как правило, «по умолчанию» понимается, что понятие «3D-***» включает множество методов и инструментов (как программных пакетов, так и аппаратных средств), используемых для изображения объёмных объектов на «плоскости позиционирования» (экран, монитор, …). Однако, когда используется понятие «3D-кино», «3D-телевизор», «3D-монитор» и т. д., то также «по умолчанию» понимается, что имеет место иллюзия «объемности пространства», называемая стереоэффектом (зрительным, связанным с ощущением протяжённости пространства, его рельефности, или, как маркетинговый ход — название 4D). Такое несоответствие связано с некорректностью перевода при публикации заимствованных материалов из англоязычных источников. Как известно, «расширением» 3D-графики является «дополненная реальность» — возможность вращать, освещать, закрывать и закрашивать некоторые части объекта и т. д. и, далее, наблюдать изменения, происходящие с 3D-объектом на экране монитора, — опять же без стереоэффекта. Для того, чтобы была однозначность в трактовке применяемых далее терминов, будем понимать под «3Ds-изображением» стереоизображение, под «3Ds-технологией» технологию получения стереоизображения, и т. д., в отличие от «3D-изображения», «3D-технологии» и т. д. (т.е. без стереоэффекта), т.о. понятия «3Ds-*» и «стерео-*» — идентичны, и «необходимость» применения аналогичного определения сопряжена со сложившейся в настоящее время практикой применения понятий с употреблением набора букв «3D».

Естественной сферой применения 3Ds-технологий является проектирование, разработка и использование этих технологий при обучении стереометрии как в школе, так и в вузе, поэтому далее рассмотрим именно эти аспекты применения 3Ds-технологий в обучении математике и в подготовке будущих бакалавров физико-математического образования.

Исторический обзор. Исторически статические стереоизображения на печатной основе (стереофотографии) появились достаточно давно (1838 г., Ч. Ветстоун, Англия) [5]. Вместе с тем, зарубежный опыт использования в обучении геометрии 3Ds-технологий достаточно скромен и, в большей мере, использовались и совершенствовались именно ИКТ (информационно-коммуникационные технологии) [2].

В России имеется уникальный опыт использования в обучении школьного курса стереометрии альбома Г. А. Владимирского «Стереоскопические чертежи по геометрии» (1962 г., 1963 г.) [3]. В предисловии сказано: «Настоящее издание альбома „Стереоскопические чертежи по геометрии“ предназначено в качестве учебного пособия для учащихся старших классов очной и заочной форм обучения и занимающихся самообразованием» [3, 3]. «Явление стереоскопического эффекта, вызывая живой интерес со стороны учащихся, способствует яркому восприятию и прочности знаний изучаемого учебного материала. Из разных способов стереоскопического показа наиболее простым и экономически целесообразным является анаглифический метод, разработанный в последнее время для издательских процессов достаточно надежно» [3, 3]. Нельзя не признать актуальными и в настоящее время тезисы о методике обучения стереометрии и необходимости разработки стереоскопических дидактических средств обучения, сформулированные, еще в 60-х годах прошлого века. «Одной из задач преподавания геометрии в средней школе является задача развития и формирования пространственных представлений и понятий. В основе развития пространственных представлений учащихся на уроках стереометрии лежит зрительное восприятие объемного наглядного материала, обычно моделей геометрических тел, различных технических форм, предметов обихода, графических наглядных пособий и т. п. Систематическое ознакомление учащихся с геометрическими свойствами пространственных фигур и взаимосвязью между их элементами приводит к обобщению первоначальных пространственных представлений и формированию геометрических понятий. Процесс накопления и расширения запаса пространственных представлений протекает наиболее успешно в условиях широкого использования разнообразного наглядного материала. В этом отношении существенная роль может принадлежать стереоскопическим чертежам, которые дают возможность при изучении курса стереометрии значительно увеличить количество фигур, дающих в зрительном восприятии объемное изображение» [3, 5].

К сожалению, в последствии, этот альбом не переиздавался и такой формат дидактических средств обучения не практиковался. Одной из причин (технических) стала сложность и трудоемкость подготовки оригинал-макета издания с использованием метода анаглифической печати офсетным способом. Безусловно, изготовление наглядных пособий такого уровня — дорогостоящее мероприятие, требующее использования сложных технических инструментов, производственных мощностей и материальных ресурсов (в отличие от моделей (стеклянных, каркасно-стержневых, бумажных, деревянных и т. д.), изготовление которых было доступно учителями ученикам средней школы и являлось «учебно-методическим трендом» того времени). Кроме того, указанный альбом был ориентирован на конкретный учебник геометрии (А.П. Киселев, Н. Рыбкин), что снижало возможности развития методических идей в обучении и содержания задачного материала курса.

Современное состояние, цели и задачи. В настоящее время в информационно-коммуникационном образовательно-методическом пространстве Интернета используется достаточно большое число программных продуктов, призванных помочь обучающимся в изучении стереометрии, а учителям — в построении методики обучения отдельным разделам курса. Среди них имеются как зарубежные, так и отечественные продукты: Cabri 3D (Франция), The Geometer’s Sketchpad (Key Curriculum Press, США). «Путешествие в страну «Многогранников», «Эмка», (Д.В. Ильиных), игра «Лабиринт» (Д.В. Павлов), «Стереометрия» («Кудиц»), «Открытая математика. Планиметрия» и «Открытая математика. Стереометрия» («Физикон»), «1С: Математический конструктор» и др. Кроме того, возможна разработка 3D-дидактических средств обучения (3D-дсо) и построение методики обучения стереометрии с использованием пакетов Mathсad, Maple, 3D studio maх и др. Лишь фрагментарно в интернете можно видеть отдельные 3Ds-изображения геометрических структур, построенные энтузиастами-программистами как преодоление «личного вызова» по реализации собственных профессиональных амбиций по принципиальной возможности решения задачи построения 3Ds-изображения. В этом направлении в интернет-сообществе программистов на различных форумах предлагается достаточно большое число подходов и методов, разнящихся по своей сложности, трудоемкости и оригинальности, построения 3Ds-изображений, например, «Журнал для энтузиастов 3D-технологий» (например, http://mir-3d-world.w.pw/all_soders.htm).

Но, при этом, ни о каком систематическом использовании 3Ds-технологий для решения проблем методики обучения стереометрии школьников и подготовке бакалавров, способных разрабатывать 3Ds-изображения, по-видимому, речи не идет, и, поэтому программных продуктов в формате 3Ds в широком доступе, как это имеет место с продуктами в формате 3D, — нет. Это, отчасти, связано с отсутствием доступных 3Ds-технологий построения 3Ds-изображений, несмотря на некоторое, как было показано выше, их обилие. Можно признать, что обучающие среды в формате 3D (даже вместе с «дополненной реальностью») исчерпывают свою привлекательность как в контексте новизны средств обучения, так и возможностей методических инноваций. Речь будет, очевидно, идти об экстенсивном наращивании методического потенциала, выраженном в количественных показателях роста 3D-дидактических материалов по конкретному предмету. Можно также утверждать, что 3D-технологии эволюционно являются предшествующими 3Ds-технологиям.

Вместе с тем, в настоящее время появились предпосылки принципиального изменения ситуации с возможностью разработки качественных 3Ds-изображений, которые могут быть использованы в процессе обучения математике. Существование двух факторов, — наличие развитых адаптированных интегрированных сред разработчика, например, Delphi, C++ и др., позволяющих снизить напряженность в разрешении технических и методологических трудностей построения 3Ds-изображений, имеющих место в настоящее время, и достаточный уровень квалификации студентов вузов в области ИКТ (компьютерная геометрия, геометрическое моделирование и др.), — позволяют говорить о реальной возможности создания инновационных 3Ds-дсо. Кроме указанных выше факторов следует учесть результаты психологических исследований в области изучения психо-физиологических актов процесса восприятия информации. В частности, признается, что психологической основой совершенствования процесса обучения стереометрии являются факторы, установленные в исследованиях И. С. Якиманскои?, — «содержание и уровень обобщенности формируемого пространственного образа геометрической комбинации зависит от наглядности, на основе которой формируется этот образ; деятельности, в которой он формируется; функции? образа в конкретной задаче; индивидуальных особенностей учащегося, создающего образ» [7]. Кроме того, при изучении стереометрии «имеется немало трудностей при оперировании трехмерными (пространственными) изображениями, поскольку существующая методика обучения предполагает оперирование в основном плоскостными (двумерными) изображениями на предыдущем этапе обучения, т. е. при изучении планиметрии» [7].

В качестве одной из ближайших методических целей может быть сформулирована цель разработки методики и технологии обучения студентов педагогических вузов умению проектировать и разрабатывать 3Ds-дсо по математике. Реализация этой цели в процессе обучения студентов приведет к формированию у них профессиональных компетенций, необходимых им для дальнейшей профессиональной деятельности. Результатом деятельности студентов по разработке 3Ds-дсо могут быть электронные учебные пособия по изучению каких-либо тем курса математики, или, как достойная перспективная цель — электронный 3Ds-учебник. Эта цель полностью соответствует эффективной реализации принятой в настоящее время концепции компьютерной визуализация учебной информации. «Компьютерная визуализация изучаемого объекта — наглядное представление на экране ЭВМ объекта, его составных частей или их моделей, а при необходимости — во всевозможных ракурсах, в деталях, с возможностью демонстрации внутренних взаимосвязей составных частей; компьютерная визуализация изучаемого процесса — наглядное представление на экране ЭВМ данного процесса или его модели, в том числе скрытого в реальном мире, а при необходимости — в развитии, во временном и пространственном движении, представление графической интерпретации исследуемой закономерности изучаемого процесса. Требование обеспечения компьютерной визуализации учебной информации, предъявляемой к программным средствам учебного назначения, предполагает реализацию возможностей современных средств визуализации объектов, процессов, явлений (как реальных, так и „виртуальных“), а также их моделей, представление их в динамике развития, во временном и пространственном движении, с сохранением возможности диалогового общения с программой» [2, 289]. Этому требованию соответствуют и 3Ds-дсо, которые могут быть как статическими, так и динамическими. Последнее обстоятельство с методической точки зрения представляется инновационным и наиболее важным, т.к. ранее 3Ds-дсо были только статическими (других и не могло быть, потому что они изготавливались полиграфическим способом). Вопросы проектирования, методики использования динамических 3Ds-дсо и подготовка квалифицированных кадров по их разработке представляются весьма актуальными и требуют тщательного научно-методического исследования (предварительные итоги пилотных исследований в этой области получены и опубликованы в ряде работ, например, [4], [5], [6]).

Указанные выше обстоятельства открывают возможности по выполнению плана мероприятий по реализации Концепции развития математического образования в РФ в части разработки инновационных средств обучения и подготовке квалифицированных кадров для их проектирования, разработки и использования.

стереоскопический дидактический педагогический бакалавр

• 1. Концепции развития математического образования в Российской Федерации (принята Распоряжением Правительства РФ от 24.12.2103 г. № 2506-р)
• 2. Информационные и коммуникационные технологии в образовании: учебно-методическое пособие / И. В. Роберт, С. В. Панюкова, А. А. Кузнецов, А. Ю. Кравцова; под ред. И. В. Роберт. — М.: Дрофа, 2008. — 312 с.
• 3. Владимирский Г. А. Стереоскопические чертежи по геометрии (альбом). — М.: Учпедгиз, 1963. — 176 c.
• 4. Иванов И. А. Динамические дидактические средства обучения и перспективы их использования в учебном процессе / Модернизация школьного математического образования и проблемы подготовки учителя математики: Труды XXI Всероссийского семинара преподавателей математики университетов и пед. вузов / Под ред. В. В. Орлова. — СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2002. 220 с., С.198−199.
• 5. Иванов И. А., Иванова М. Н. Компьютерные модели как эффективное средство реализации принципа наглядности в обучении. / Вестник СГУТиКД, 2012. № 1 (19), C. 124−126
• 6. Иванова М. Н., Иванова С. И. Использование динамических 3D-структур для развития пространственного мышления школьников при обучении геометрии / Проблемы теории и практики обучения математике: Сборник научных работ, представленных на Международную научную конференцию «65 Герценовские чтения» /Под ред. В. В. Орлова. — СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2012. — 339 с.
• 7. Якиманская И. С. Психологические основы математического образования. М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 320 с.

References.

• 1. Kontseptsii razvitiya matematicheskogo obrazovaniya v Rossijskoj Federatsii (prinyata Rasporyazheniem Pravitel’stva RF ot 24.12.2103 g. № 2506-r)
• 2. Informatsionnye i kommunikatsionnye tekhnologii v obrazovanii: uchebno-metodicheskoe posobie / I.V. Robert, S.V. Panyukova, A.A. Kuznetsov, A.YU. Kravtsova; pod red. I.V. Robert. — M.: Drofa, 2008. — 312 s.
• 3. Vladimirskij G.A. Stereoskopicheskie chertezhi po geometrii (al'bom). — M.: Uchpedgiz, 1963. — 176 s.
• 4. Ivanov I.A. Dinamicheskie didakticheskie sredstva obucheniya i perspektivy ikh ispol’zovaniya v uchebnom protsesse / Modernizatsiya shkol’nogo matematicheskogo obrazovaniya i problemy podgotovki uchitelya matematiki: Trudy XXI Vserossijskogo seminara prepodavatelej matematiki universitetov i ped. vuzov / Pod red. V.V. Orlova. — SPb.: Izd-vo RGPU im. A.I. Gertsena, 2002. 220 s., S.198−199.
• 5. Ivanov I.A., Ivanova M.N. Komp’yuternye modeli kak effektivnoe sredstvo realizatsii printsipa naglyadnosti v obuchenii. / Vestnik SGUTiKD, 2012. № 1 (19), C. 124−126
• 6. Ivanova M.N., Ivanova S.I. Ispol’zovanie dinamicheskikh 3D-struktur dlya razvitiya prostranstvennogo myshleniya shkol’nikov pri obuchenii geometrii / Problemy teorii i praktiki obucheniya matematike: Sbornik nauchnykh rabot, predstavlennykh na Mezhdunarodnuyu nauchnuyu konferentsiyu «65 Gertsenovskie chteniya» /Pod red. V.V. Orlova. — SPb.: Izd-vo RGPU im. A.I. Gertsena, 2012. — 339 s.
• 7. YAkimanskaya I.S. Psikhologicheskie osnovy matematicheskogo obrazovaniya. M.: Izdatel’skij tsentr «Akademiya», 2004. — 320 s.