7.2 СДО в вузе. Лабораторные занятия

Основными задачами лабораторного занятия являются задачи экспериментального раскрытия теоретических положений изучаемого предмета, задачи ознакомления обучаемых с основными методами проведе­ния научного эксперимента, задачи анализа данных, полученных при обра­ботке результатов лабораторной работы [192]. В начале занятия обычно проводится допуск обучаемых к выполнению лабораторной работы, а в конце занятия проводится контрольный опрос и защита лабораторной работы. На занятии обуча­емый знакомится с приборами, образцами современной техники, измерительной аппаратурой, изучает принцип их действия, полу­чает сведения об областях их применения, наблюдает различные физические явления и процессы, осознает их практическую значи­мость в будущей профессиональной деятельности.

Отметим, что практика демонстраций разного рода лабораторных экспери­ментов зачастую недостаточно эффективна, если иметь в виду прочность и глубину знаний. Традиционным лабораторным экспериментам присущи и такие  неизбежные недостатки, как сложность приобретения и модернизации лабораторного оборудования; высокая стоимость и экологическая небезопасность некоторых агрегатов; недостаточная наглядность из-за невоз­можности наблюдения явлений и процессов, протекающих внутри лабораторной установки, протекающих слишком медленно или слиш­ком быстро, при низких или высоких температурах; неизбежная погрешность любого эксперимента. Мы считаем, что использование возможностей средств ИКТ на лабораторных занятиях позволит устранить большую часть этих недостатков.

В образовательной деятельности часто приходится пользо­ваться лабораторными установками, стендами и комплексами для того, чтобы повысить наглядность разного рода явлений и про­цессов. Если программное и программно-аппаратное обеспечение сопрягаемое с ЭВМ  используется как часть такого комплек­са, то очевидно, что он должен обеспечить выполнение подобной же функции. В соответствии с задачами лабораторного занятия при его проведении возможно использование контролирующих, обучающих и моделирующих программ.

Наиболее широкое распространение в преподавании различных предметов вузах получили информационные системы на базе  средств ИКТ для моделирования различных явлений, процессов, работы лабораторных стендов, агрегатов, машин, проведения замеров, снятия показаний приборов с использованием специальных датчиков, обработки результатов эксперимента, построения таблиц, диаграмм, графиков.

Лабораторные  занятия  отличаются  необходимостью  работы  с  каким-либо  оборудованием. 

В  ДО  эта  проблема  решается двумя способами:

-  использованием  программных  симуляторов,  имитирующих  работу оборудования и лабораторных стендов;

-  удаленным доступом к реальному оборудованию.

Первый вариант позволяет выполнять работы в удобное время без привязки к конкретному времени проведения занятия (асинхронный режим).

Второй вариант предполагает удаленный сетевой доступ к оборудованию в строго определенное время по расписанию (синхронный режим).

В ходе учебного процесса могут быть использованы программно-аппаратные системы и комплексы, которые позволяют управлять (в том числе дистанционно) действиями реальных объектов, устройств, роботов, моделировать работу реальной системы, агрегата, машины с возможностью руководства этой работой и снятия показаний специальных датчиков, сопрягаемых с компьютером. Полученные данные обрабатываются системой, на экране компьютера строятся таблицы, диаграммы, графики. Для  технических  специальностей  работа  на  реальном  оборудовании  очень важна,  поэтому  требуется  организация  удаленного  доступа.  Программные симуляторы  рекомендуется  использовать  как  вспомогательное  средство  с  целью подготовки к реальным экспериментам.

Использование средств ИКТ на лабораторных занятиях в СДС позволяет осуществить сбор информации и постановку эксперимента, создать условия, в которых возможны те или иные наблюдения и проведение научного исследования. В данном случае результаты измерений могут быть мгновенно проанализированы и представлены в наглядной форме.

Система позволяет при наличии заданной математической модели легко получить результаты моделирования (как правило, в числовом выражении, а если это в принципе возможно, то и в формульном). Обучаемому остается самая тонкая работа - построение математи­ческой модели, понимание области её применимости, интерпретация результатов моделирования. В ходе построения модели обучаемый вынужден более глубоко изучить предмет исследования. Автоматизация сложных  вычислений позволит обучаемому сконцентрировать свое внимание на понимании сущности изучаемого явления или процесса. Умения перевести проблему из реальной действительности в адекватную модель, исследовать  эту модель, правильно интерпретировать результаты исследования являются важнейшими элементами информационной культуры обучаемых.

Проведение лабораторных занятий с использованием средств компьютерного моделирования позволяет визуализировать разного рода явления и процессы, которые не поддаются непосредственному наблюдению. Работа с имитационными  компьютерными моделями позволяет существенно сократить время на подготовку и проведение сложных экспериментов, выделить самое важное, организовать интересное научное исследование. Возможность многократного повторения эксперимента позволит обучаемым приобрести навыки анализа результатов эксперимента, сформировать умение обобщать полученные результаты и формулировать выводы.

Следует отметить, что разработчики программных средств иногда создают компьютерные модели простейших учебных приборов, работа которых демонстрируется на экране. В данном случае компьютер весь эксперимент делает самостоятельно. Обучаемый при этом выполняет пассивную роль, он только нажимает на кнопки, слабо понимая смысл этих действий. Зачастую  разработчики моделирующих программ  не предусматривают возможность внесения изменений в условия протекания эксперимента, что не позволяет  ученику осуществить в ходе лабораторного занятия полноценную исследовательскую деятельность.

Педагогически  целесообразными являются программно-аппаратные комплексы, которые позволяют:

-          моделировать протекание разнообразных явлений и процессов; работу лабораторных стендов, агрегатов, машин, с возможностью задания и изменения начальных и граничных условий; проводить замеры необходимых параметров;

-          многократно повторять весь эксперимент или его фрагменты, регистрировать необходимые данные и физические параметры;

-          визуализировать изучаемые явления и процессы не только в статике, но и в динамике;

-          наглядно иллюстрировать детали;

-          варьировать параметры исследуемой системы и условия эксперимента, которые сложно реализовать в натурном эксперименте;

-          изменять масштаб времени;

-          автоматизировать обработку и анализ результатов эксперимента; обеспечить представление результатов в виде таблиц, графиков, диаграмм;

-          исследовать количественные параметры модели, а не только визуализировать их качественные характеристики;

-          решать задачи исследовательского характера;

-          проектировать, конструировать механизмы, машины, имитировать их работу средствами  анимации;

-          реализовать возможности интеллектуального управления ходом учебного процесса;

-          автоматизировать контроль знаний, умений, навыков, полученных в ходе лабораторного занятия.

Работа с компьютерными моделями несет в себе творческое начало, позволяет избежать таких типичных недостатков традиционной лабораторной работы, как рутинность, механистичность, заданность наперед.

Применение на лабораторном занятии учебных компьютерных моделей способствует:

-             развитию исследовательских навыков и интеллектуальных способностей обучаемых;

-             активизации учебной деятельности обучаемых;

-             усилению мотивации обучения, побуждающей обучаемых к серьезной, сложной, но интересной деятельности;

-             стимуляции различных видов мышления, таких как абстрактное, логическое, образное;

-             существенному сокращению времени на подготовку и проведение сложных экспериментов;

-             концентрации внимания обучаемого на усвоении важнейших законов, терминов, определений;

-              формированию умения оптимально организовать  свою работу;

-             предоставлению каждому обучаемому средств для осуществления упражнений в определенном виде деятельности;

-             организации  интересного научного исследования;

-             овладению обучаемыми умениями и навыками использования современных информационных и коммуникационных технологий для решения профессионально значимых задач.

Компьютерные модели целесообразно использовать для изучения процессов, носящих вероятностный характер, недоступных прямому наблюдению, связанных с использованием сложного, дорогостоящего, экологически небезопасного оборудования.

Комплексное применение средств ИКТ на лабораторных занятиях  позволит решить следующие задачи:

- повышается научность, доказательность экспериментов и исследований;

-          обучаемые активно участвуют в учебном процессе, что способствует усилению мотивации учения;

-          создаются условия для индивидуального и дифференцированного обучения;

-          усиливается информативная емкость и наглядность изучаемого материала;

-          развиваются творческие способности, исследовательские навыки, инженерное мышление;

-          формируется умение моделировать, проектировать, конструировать;

-          создаются условия для индивидуального выбора педагогом наиболее приемлемой для него методики преподавания;

-  повышается объективность контроля знаний.