РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННЫХ УЧЕБНЫХ ПОСОБИЙ

(НА ПРИМЕРЕ АКАДЕМИИ ГРАЖДАНСКОЙ ЗАЩИТЫ МЧС РОССИИ)

 

 

Гарелина С.А.

канд. техн. наук, доцент

доцент кафедры механики инженерной графики

Академия гражданской защиты МЧС России

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение                                                                                                                                           3

1.  Электронные учебные пособия, разработанные на кафедре механики        5

и инженерной графики

1.1.  Метрология, стандартизация и сертификация          5

1.2.  Теория механизмов и машин   6

1.3.  Детали машин и основы конструирования   9

1.4.  Сопротивление материалов     13

Выводы к главе 1                                                                                                                             17

2.  Методология разработки электронных учебных пособий      18

и их использования в образовательный процессе

2.1.  Электронные учебные пособия как средство активации    18

когнитивной деятельности обучающихся 

2.2.  Организация образовательного процесса      21

с применением электронных учебных пособий

2.3.  Обоснование этапов создания электронного учебного пособия    24

Выводы к главе 2                                                                                                                             28

3.  Интерактивные трехмерные учебные пособия            29

3.1.  Преимущества интерактивных трёхмерных 29

электронных учебных пособий

3.2.  Эффективность использования в образовательном процессе         32

интерактивных трёхмерных моделей

Выводы к главе 3                                                                                                                             34

Выводы                                                                                                                                             35

Список литературы                                                                                                                          36

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Актуальность. Динамика изменения образования в нашей стране привели к тому, что электронные средства учебного назначения стали одним из главных компонентов информационной образовательной среды и инструментом реализации требований ФГОС нового поколения [1]. Стоит отметить требования, которые предъявляют к этим «учебникам будущего»: «В идеале электронной школе необходимы интерактивные компьютерные пособия, использующие последние достижения компьютерных технологий, например, содержащие ссылки на смежные предметы и разделы курсов, а также весь спектр мультимедийного контента: подробные иллюстрации, видеоролики, аудиофайлы, цифровые копии документов» [2].

Очевидно, что качество электронного обучения напрямую зависит от качества электронных учебных пособий (далее ЭУП). На сегодняшний день в данной области не существует стандартов и единого научно-методического обеспечения [3]. Сегодня, создание электронных учебников и пособий – это технологически новое, экспериментальное решение задач в современной системе подготовки учебных материалов, является непростой технологической и методической задачей [4].

Для того, чтобы сделать хороший ЭУП необходимо знать не только методику дисциплины, но и иметь специальную подготовку в освоении информационных технологий, компьютерных программ, разработанных для создания ЭУП [4].

В Академии гражданской зашиты МЧС России (далее – Академия) с 2015 года совместную работу по созданию ЭУП ведут кафедра механики и инженерной графики и отдел современных средств обучения с привлечением обучающихся. Накоплен огромный опыт по разработке ЭУП и их внедрению в образовательный процесс.

Впервые в Академии разработано и внедрено в образовательный процесс интерактивное приложение, содержащее трёхмерные действующие модели редуктора и привода. Потребность в таких приложениях приобрела особую актуальность в период вынужденного всеобщего перехода на дистанционный формат обучения в период пандемии 2020 – 2021 учебные года.

Использование для ЭУП современных технологий создания различных средств визуализации, применяемых в различных областях науки и техники, позволяют вывести образовательный процесс на качественно новый уровень. Стоит отметить, что вопросы создания и внедрения трёхмерных интерактивных приложений в учебный процесс находятся на стадии разработки и пока не имеют широкого распространения. Поэтому опыт создания таких приложений и, тем более, эффективность их применения недостаточно изучены, что актуализирует тематику данной работы. В том числе изучение вопроса эффективности использования в образовательном процессе разработанного в Академии приложения позволит сформулировать предложения по его доработке.

Таким образом, изучение особенностей создания и использования ЭУП, их свойств и оценки качества является актуальным в настоящее время [5, 6].

К разработке ЭУП привлекаются обучающиеся в рамках научного кружка кафедры механики и инженерной графики. В том числе для исследований эффективности использования разработанных ЭУП в образовательном процессе. 

Цель работы: обобщить и систематизировать имеющиеся отдельные наработки по разработке и внедрению ЭУП в образовательный процесс Академии и создать рекомендации по улучшению качества ЭУП.

Методы исследования: теоретические (изучение и анализ нормативных материалов, теоретико-методологический анализ литературных источников, системный анализ); педагогический эксперимент; статистические (методы обработки экспериментальных данных, их количественный и качественный анализ).

 

 

Задачи работы:

-             выполнить анализ ЭУП, разработанных на кафедре механики и инженерной графики, с целью выявления особенностей, преимуществ и недостатков этих ЭУП;

-             выявить особенности методологии разработки ЭУП и их использования в образовательном процессе;

-             выявить основы организации образовательного процесса с использованием ЭУП;

-             обосновать этапы создания ЭУП;

-             обосновать преимущества интерактивных трёхмерных ЭУП;

-             оценить эффективность использования в образовательном процессе интерактивных трёхмерных моделей.

Актуальность данной работы напрямую затрагивает такую важную сферу, как необходимость более подробного рассмотрения применения инновационных методик в образовательном процессе и разработка критериев к качеству самих электронных образовательных ресурсов. Также важен вопрос формулировки критериев оценки уровня сформированности компетенций обучающихся.

В первой главе выполнен обзор ЭУП, разработанных на кафедре механики и инженерной графики. За отмеченный период разработано и внедрено три пособия: «Детали машин и основы конструирования», «Метрология, стандартизация и сертификация», «Теория механизмов и машин». Все пособия имеют Гриф МЧС РОСИИ. Отмечены особенности этих пособий. В настоящее время разрабатывается электронный образовательный ресурс по курсу «Сопротивление материалов».

Во второй главе рассмотрены способы педагогического воздействия на обучающихся для активизации когнитивных функций, заключающихся в повышении уровня восприятия обучающимися учебной информации в изучаемой ими предметной области для дальнейшего её анализа и решения практических задач в будущей профессиональной деятельности. Рассматривается способ сообщения обучающимся информации, необходимой для формирования у них целостного представления об объектах реального мира через визуальный канал её восприятия с применением технологии 3D-визуализации объектов реального мира. Выявлены отличительные особенности и преимущества «нефронтального» подхода обучения, реализуемого с применением интерактивных ЭУП. Приведён пример реализации отдельных элементов ЭУП и показана реализация «нефронтального» подхода к обучению с целью индивидуализации образовательного процесса. Представлены формируемые с применением ЭУП компетенции.

Рассмотрены принципы программированного обучения с использованием ЭУП. Рассмотрены некоторые аспекты педагогического дизайна ЭУП, показано соответствие этапов педагогического дизайна и этапов его разработки. При проведении анализа литературы были получены полезные ссылки.

В третьей главе представлена история развития методических материалов, на замену которым приходят интерактивные трёхмерные пособия. Описано функциональное назначение, польза и научная обоснованность использования интерактивных трёхмерных ЭУП. Приведены этапы разработки таких пособий. Приведены результаты оценки эффективности использования в образовательном процессе в Академии интерактивных трёхмерных моделей редуктора и привода, которые входят в ЭУП «Детали машин и основы конструирования» и предназначены для изучения их устройства. На основе педагогического исследования выявлены трудности, с которыми столкнулись обучающиеся при формировании знаний по устройству редуктора с помощью разработанных моделей и текстового представления информации, что позволило сформулировать предложения по доработке этих моделей.

1.        ЭЛЕКТРОННЫЕ УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ,  РАЗРАБОТАННЫЕ НА КАФЕДРЕ МЕХАНИКИ И ИНЖЕНЕРНОЙ ГРАФИКИ

 

1.1.  «Метрология, стандартизация и сертификация»

 

В большинстве ЭУП интерактивность заключается в предусмотренных переходах по гиперссылкам и определении правильности реакции учащегося на предъявленное задание. Т.е., основной упор делается на наглядность, которая легко реализуется с помощью компьютера. ЭУП с заранее заданным сценарием и обязательным контролем в заранее определённых местах являются, по сути дела, информационно-демонстрационными. Таким учебникам отводится пассивная роль: воспроизведения материала. Примером такого ЭУП является «Метрология, стандартизация и сертификация». При его разработке акцент сделан на дизайн, оболочку, его структуру и навигацию.

Титульная страница ЭУП содержит три основных навигационных элемента (рис. 1). Заголовочная зона с выпадающим меню однозначно раскрывает содержание пособия и содержит текст: «Теория», «Практика», «Тексты», выпадающее меню – «Метрология», «Стандартизация» и «Сертификация». В нижней части расположена кнопка в виде логотипа Академии, позволяющая перейти с любой страницы ЭУП на титульную страницу. Кнопка «Авторы» позволяет перейти на страницы с кратким описанием назначения учебника и авторов проекта. Титульная страница позволяет перейти к любому разделу ЭУП.

На рис. 2 показана внутренняя страница ЭУП. Заголовочная зона с выпадающим меню, которая сохраняется для всех страниц ЭУП, содержит текст: «Метрология», «Стандартизация» и «Сертификация», выпадающее меню – «Теория», «Практика», «Тексты». Все внутренние страницы снабжены левым навигационным меню, позволяющим переходить на страницы выбранного раздела. При выборе любого из разделов происходит переход на эту часть ЭУП, причём для однозначной ориентации пользователя в содержании, выбранный пункт меню меняет цвет. Рабочее поле содержит название раздела, параграфы раздела и материал выбранного параграфа (текст, разаработанные схемы представления информации, изображения). В нижней панели также расположена кнопка в виде логотипа Академии и кнопка «Авторы».

 

 

Рисунок 1 – Титульная страница ЭУП

 

 

Рисунок 2 – Внутренняя страница ЭУП

 

В настоящее время оптимальное качество HTML-файла можно получить только при его создании в ручном режиме [7]. На рис. 3 представлено содержание папки с файлами, которые обеспечивают работу ЭУП. На рис. 4 показан вид страницы с HTML кодом, а на рис. 5 – реализуемая с его помощью соответствующая страница ЭУП.

 

 

Рисунок 3 – Содержание папки с файлами, которые обеспечивают работу ЭУП

 

1.2.  «Теория механизмов и машин»

 

На рис. 5 представлен внешний вид ЭУП «Теория механизмов и машин». При разработке пособия внимание уделено разработке его дизайна (отличается от пособия «Метрология, стандартизация и сертификация» (рис. 1, 2)). Пособие отличает содержание большого количества фото- и видеоматериалов (рис. 6): имеются разделы «Фотогалерея» и «Видеогалерея». Внутри ЭУП имеются гиперссылки на все элементы, представленные в этих разделах.

 

 

Рисунок 4 – Вид части страницы ЭУП с HTML кодом

 

 

 

Рисунок 5 – Титульная страница ЭУП

 

ЭУП содержит раздел «Персоналии», посвящённый учёным, которые внесли значительный вклад в развитие «Теорию механизмов и машин» (рис. 7).

Пособие также выполнено в оболочке на языке HTML-файла, которая создано в ручном режиме.

Реалии жизни и специфика мышления современного молодого поколения предъявляет значительно более высокие требования как к процессу освоения знаний, так и к его содержательной части. Актуальным стало интерактивное обучение (от лат. inter – взаимно и …act – действовать), которое осуществляется в условии постоянного активного взаимодействия обучающего и обучаемого. Интерактивность же ЭУП возникает тогда, когда в ответ на действия учащегося ресурс предъявляет индивидуализированную информацию, имеющую определённый педагогический смысл именно для сложившейся ситуации.

При изучении дисциплины «Теория механизмов и машин» большие трудности у обучающихся возникают при определении кинематических характеристики этих механизмов. Поэтому разработан итеративный модуль (рис. 8), позволяющий увидеть в онлайн-режиме, как меняются кинематические характеристики звеньев механизма при изменении его геометрических параметров и начальной скорости ведущего звена. Приложение выполнено для двух видов механизмов.

 

 

Рисунок 6 – Страница ЭУП «Фотогалерея»

 

 

Рисунок 7 – Раздел ЭУП «Персоналии»

 

Даже такие простые интерактивные приложения, помимо обучающих функций, привлекают и актуализируют внимание на важных элементах знаний. Интерактивность приложения состоит в том, что существует возможность изменения параметров механизма (размеры звеньев, угловую скорость ведущего звена) и при этом видеть закономерные связи между кинематическими характеристиками звеньев, что особенно важно для обучающихся по специальностям 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

 

 

 

Рисунок 8 – Интерактивная плоская модель для изучения основных кинематических характеристик механизмы

 

 

1.3.  «Детали машин и основы конструирования»

 

ЭУП «Детали машин и основы конструирования» адаптировано для изучения в электронной информационно-образовательной среде Академии (рис. 9).

В Академии на кафедре механики и инженерной графики обучающиеся по специальности 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» профиль подготовки «Эксплуатация робототехнических средств и комплексов специального назначения» и «Эксплуатация аварийно-спасательной техники и базовых машин» изучают дисциплину «Детали машин и основы конструирования». От них требуется много усилий для формирования трёхмерного понимания устройства и принципов работы различных агрегатов сложной конструкции на основе текстовой информации и двухмерных изображений. При этом многие обучающиеся не обладают пространственным мышлением, что затрудняет восприятие материала [8]. Опыт показывает, что использование реальных механизмов в учебном процессе не всегда дает положительный результат. Прежде всего, реальные механизмы невозможно использовать при дистанционной форме обучения. Обучающиеся не всегда присутствуют на занятиях, не все успевают воспринимать материал. Безусловно, в интернете можно найти видеоролики, которые демонстрируют устройство некоторых агрегатов. Но отдельные видеоролики отличаются своим стилем представления информации, масштабом изображений. Как показал опыт, использование видеороликов не решает проблему привлечения и удержания внимания обучающихся к процессу обучения.

 

 

Рисунок 9 – Титульная страница ЭУП 

«Детали машин и основы конструирования»

 

Современная молодежь воспринимает информацию через технику, поэтому повысить интерес к образовательному процессу можно через цифровые технологии [9]. Обучающиеся «поколения видеоигр» ориентированы на восприятие интерактивной среды, насыщенной трёхмерной графикой, схожей с той, что использует игровая индустрия. Обучающихся уже не привлекают простые формы электронного представления материалов [8].

Развитие компьютерных технологий позволяют расширить возможности образования. Включение 3D моделей процессов и объектов в образовательный процесс является современным трендом. Такие модели отвечают требованиям образовательных технологий и обладают огромным потенциалом. Также стоит отметить, что в настоящее время обязательным элементом проектирования, в том числе, транспортных и робототехнических средств, являются трёхмерные модели. Использование трёхмерных моделей в учебном процессе по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» позволяет ознакомить обучающихся с современными тенденциями и техническими решениями в быстро изменяющихся условиях.

В МЧС России приводы и редукторы используют во всех машинах и робототехнических комплексах в качестве силового механизма движителя (рис. 10, рис. 11).

 

Рисунок 10 – Пожарный

                                робот-разведчик                                        Рисунок 11 – Пожарный робот

 

Но особенно актуальны приводы и редукторы в составе манипуляторов рабочих органов машин и робототехнических комплексов (рис. 12).

 

 

Рисунок 12 – Робототехнические комплексы МЧС России

 

В Академии в рамках изучения дисциплины «Детали машин и основы конструирования» обучающиеся выполняют курсовой проект, посвящённый проектированию привода общего назначения с одноступенчатым зубчатым цилиндрическим (прямо- и косозубым) редуктором и открытой цепной или клиноременной передачей. Для ЭУП разработаны интерактивные модели редуктора и привода (рис. 13 и рис. 14), онлайнкалькулятор для вычисления параметров редукторов (геометрических, кинематических и силовых).

Разработанные модели представляют собой реалистичные визуальные объёмные образы редуктора и привода с возможностью их приближения для детального рассмотрения. При этом обучаемый управляет процессом просмотра. Приложения позволяют продемонстрировать работу привода и редуктора, показать их сечения, осуществить разбор редуктора на составные элементы. Причём предусмотрена возможность подсветки выбранного элемента для всех видов редуктора и привода (разобранный, собранный, рабочий). Приложение позволяет оценить размеры редуктора и привода, относительные размеры зубчатых колёс на тихоходном и быстроходном валах. При работе редуктора видно, какой из двух валов имеет более высокую скорость вращения, какой из них подсоединён к двигателю, а какой – к исполнительному механизму.

 

Рисунок 13 – Редуктор с инфографикой

 

Рисунок 14 – Привод с инфографикой

 

Приложение содержит анимацию разборки и сборки редуктора. Прежде всего, наблюдение за этим процессов увеличивает время изучения представленного материала. При долгом просмотре даже статичной картинки при поиске каких-то заданных элементов качество запоминания деталей увеличивается. А когда есть движение отдельных элементов, то приходится наблюдать за движением каждого их них, и обучающийся вынужденно лучше запоминает элементный состав изучаемого технического объекта.

Модель содержит список элементного состава редуктора. Интерактивность состоит в том, что при выборе элемента (нажатием на кнопку с названием этого элемента) он подсвечивается на модели. Обучающийся просматривает список, выбирая элемент, который будет подсвечен (когда стоит проблема выбора, то процесс изучения затягивается). Затем смотрит на редуктор (в собранном или разобранном виде), где расположен и как устроен подсвеченный элемент. Более того, видно, как все эти элементы между собой взаимодействуют, в том числе в процессе работы редуктора.

Приложение содержит анимацию, демонстрирующую размеры редуктора, причём для наглядности рядом с редуктором представлена модель курсанта.

Процесс демонстрации находится под контролем обучающегося, который сам выбирает способы взаимодействия с моделями из всех имеющихся.

На рис. 15 и рис. 16 приведены примеры использования лебёдочных систем в МЧС России, что позволит связать дисциплину с будущей профессиональной деятельностью обучаемых.

 

 

Рисунок 15 – Использование лебёдки       Рисунок 16 – Система лебёдочная спасателями   СЛГ-300

 

Лебёдки в МЧС используют при проведении аварийно-спасательных и такелажных работ. При этом лебёдки должны быть малогабаритными, лёгкими (переносными), но иметь достаточную грузоподъёмность. Лебёдки имеют ручной, электрический или бензиновый привод.

Онлайн-калькулятор позволяет рассчитать грузовую лебёдку, в состав которой входит двухступенчатый цилиндрический редуктор.

При расчёте обучающиеся выбирают марку двигателя лебёдки из предложенного списка и задают его параметры (мощность и частоту вращения). Далее из другого списка выбирают редуктор и задают параметры редуктора: передаточное число, число зубьев на колёсах и шестернях первой и второй ступеней, модуль зацепления и КПД. Такой подход позволяет сформировать навык выбора характеристик двигателя и редуктора по их названию и назначению. Затем задаётся радиус барабана лебёдки. После этого калькулятор выполняет расчёт диаметров делительных окружностей шестерни и колеса, угловых скоростей и крутящих моментов валов, их мощностей, а также массы и скорости поднятия груза.

Обучающийся сразу видят динамическую модель лебёдки (рис. 17) с учётом всех заданных и рассчитанных параметров. Валы вращаются в соответствии с полученными результатами расчётов (видно, какой из валов присоединён к двигателю, а какой – к барабану лебёдки). Полученные результаты выводятся на экран с помощью удобного интерфейса, чтобы обучающийся мог легко сравнить их между собой.

Для удобства работы с приложения оно снабжено гиперссылками.

 

1.4.  «Сопротивление материалов»

 

Анализ электронных изданий по данному «Сопротивление материалов», доступных в среде интернет, показал, что в основном эти материалы представляют собой в лучшем случае взаимосвязанную систему конспектов лекций и примеров решения типовых задач. Например, не были найдены программы, обучающие построению эпюр внутренних силовых факторов (базовая задача в большинстве расчётов на прочность).

Стоит задача по созданию интерактивной программы по обучению расчёта и построения эпюр продольных сил, изгибающих моментов и поперечных сил, крутящих моментов в соответствии с учебной программой курса.

 

Рисунок 17 – Реализация онлайн калькулятора по расчету лебедки

 

Сначала задача решена в программе Excel. Предложенная программа активно взаимодействует с пользователем, осуществляя регулярный контроль степени самостоятельного усвоения учебного материала с помощью промежуточного тестирования.

Основной недостаток такой реализации поставленной задачи состоит в отсутствии возможности гипертекстовой организации информации и широких возможностей поиска необходимой информации.

В настоящее время разрабатывается ЭУП «Сопротивление материалов», которое содержит три раздела (рис. 18):

1.                  Теоретическая часть (графические объекты, текстовые и гиперссылки).

2.                  Интерактивная программа по обучению построения эпюр внутренних силовых факторов.

3.                  Тесты для самоконтроля.

Разрабатываемое пособие обучает построению эпюр в интерактивной форме. Обучающемуся предлагают три уровня сложности:

-             выполнение решения по алгоритму с подсказами;

-             выполнение решения по алгоритму с возможностью вызова подсказки;

-             проверка ответов на промежуточные вопросы, итогового решения и оценка решения.

 

 

 

Рисунок 18 – Макет главной страницы интерактивного ЭУП

«Сопротивление материалов»

 

Данное интерактивное ЭУП позволяет оперативно корректировать учебный материал путём внесения изменений в условия выполнения задачи.

Согласно замыслу, задача решается по строгому алгоритму. Программа постоянно задаёт вопросы и, получая обратную связь от обучаемого, формирует дальнейший сценарий процесса обучения: либо выдаёт рекомендации по дальнейшим действиям, либо предоставляет ответ с пояснениями (комментариями), либо направляет к изучению теоретического материала (или конкретного материала в соответствующем разделе).

Разработка пособия заключается, прежде всего, в создании достаточного набора алгоритмов решений, позволяющих реализовать индивидуальную траекторию обучения.

Все действия, согласно алгоритму, разделены по этапам (шагам). Пример формулировки задания обучающимся и алгоритм их действий представлены ниже, а в табл. 1 – пример алгоритма действий обучающиеся и результат ответной реакции пособия.

Таблица 1 – Пример алгоритма действий обучающихся и результат ответной реакции электронного пособия

Формулировка задания:			Разбить длину вала на участки
Подсказка:			Границами участков являются те сечения, в которых приложены внешние моменты.
Количество участков:	ввести значение		Кнопка:	Проверить
Правильные действия			Неправильные действия
Всплывает подтверждение и следующее задание			В данном случае (на первом этапе) всплывает правильный ответ и следующее пояснение задания:
Разбиваем длину вала на три участка I, II и			Количество участков будет равно 3. Если
III: установите «ползунок» на границах участков.			идти от свободного конца вала, то начало первого участка совпадает с положением М3. Начало следующего участка совпадает с положением М2. Начало третьего участка – с М1. Для разбиения длины вала на три участка I, II и III, установите ползунок на границах участков.
Правильные действия			Неправильные действия
Осуществляется переход к следующему шагу.			Всплывает кнопка «Установить», после нажатия которой ползунки встают в правильное положение.

 

На рис. 19 приведён вариант реализации алгоритма по рассмотренному выше примеру. Для реализации использованы технологии web-программирования. Каждый этап представлен в виде web-страницы экранной формы. Для фокусирования внимания контент размещается на одном экране.

 

 

Рисунок 19 – Вариант реализации алгоритма

На данном этапе (шаге) выполнения задания решается педагогическая цель, заключающаяся в формировании навыка разбиения длины вала на участки.

Все последующие действия обучающихся также строго регламентированы и контролируются системой. Выстраивание логической последовательности выполнения расчётов, наряду с продуманной пояснительной частью и визуализацией выполняемых обучающимися действий, обеспечивает более качественное освоение ими предлагаемого материала. Немаловажную роль при этом играет и повышение мотивации обучающихся к освоению учебного материала в результате «игрового» построения образовательного процесса.

Таким образом, целью применения методологии, направленной на индивидуализацию образовательного процесса и реализуемой с применением интерактивного ЭУП, является формирование у обучающихся одной (или нескольких) компетенций. Рассмотренный в настоящей работе пример создания ЭУП позволяет на основе модульного построения образовательного контента, а также траектории реализации учебного процесса формировать необходимый набор компетенций, характерных для того или иного направления подготовки. Формируемые компетенции с применением ЭУП приведены на рис. 20.

 

 

Рисунок 20 – Формируемые с применением ЭУП компетенции

 

Выводы к главе 1

 

Подводя итоги, можно сделать вывод, что информационные и мультимедийные технологии – это только средства, позволяющие повысить эффективность образовательного процесса. И в Академии решается задача по максимальному раскрытию этого потенциала для совершенствования образования на базе информационных технологий.

В ходе работы часто требовался пересмотр подходов к разработке и методики выполнения ЭУП. В результате были выявлены показатели, определяющих качество электронного учебника, позволившие оптимизировать процессы работы над ЭУП, сохраняя высокое качество исполнения на всех этапах.

2.        МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ ЭЛЕКТРОННЫХ УЧЕБНЫХ ПОСОБИЙ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ

 

2.1.  Электронные учебные пособия как средство активации

когнитивной деятельности обучающихся

 

Согласно утверждений, изложенных в [10], целостное отражение предметов и явлений, действующих на органы чувств человека является психическим процессом, степень (уровень) влияния которого зависит от вида его ведущей деятельности в определённый период времени жизни [11]. Учебная информация относится к типу информации, требующей её детальной проработки с точки зрения достижимости результата, определённого целью её сообщения обучающемуся. Безусловно, важную роль в восприятии учебной информации играют особенности высшей нервной деятельности обучающегося, наиболее важной, с нашей точки зрения из которых является его психофизическая деятельность [12]. При этом, основными каналами восприятия информации по-прежнему остаются: визуальный, аудиальный и кинестетический. Умелое сочетание способов сообщения обучающемуся информации необходимой для достижения в ходе занятия учебных целей, является основной задачей преподавателя при проектировании и разработке содержательной части учебного занятия.

Важная роль в этом процессе отводится корректной формулировке (описанию) результатов обучения, планируемых к достижению, выражаемых в виде перечня способностей (навыков), развивающихся у обучающихся в ходе профессионального обучения и развития основных видов: когнитивных [13], организационных и управленческих, морально-волевых и коммуникативных [14]. При этом к ключевым когнитивным навыкам человека можно отнести восприятие, внимание, интеллект, память, речь (рис. 21).

 

Рисунок 21 – Ключевые когнитивные навыки человека

 

Рассматривая вопросы описания навыков, развивающихся у обучающихся в ходе освоения образовательного контента, предлагается применить подход, сформулированный Б. Блумом в 1956 г. в одноимённой таксономии уровней познания, впоследствии уточнённой и дополненной Л. Андерсоном и его коллегами в 1999-2001 гг.

По мнению, высказанному в [15], при проектировании занятия считается целесообразным определить:

какие познавательные процессы, на каком из сформулированных в [16] уровнях

предполагается формировать и оценивать; что будет результатом деятельности обучающихся; как будут сформулированы (построены) задания; какими глаголами будут описаны необходимые результаты.

Выполнение вышеперечисленных операций позволит составить план действий по дальнейшему проектированию занятия. При этом необходимо учитывать, что при проектировании занятия преподавателю необходимо определить ответы, на какие вопросы обучающиеся будут искать самостоятельно. Учитывая современный уровень развития информационного общества, представление учебной информации в виде ЭУП считается наиболее оптимальным.

Создание ЭУП целесообразно выполнять поэтапно. Наглядно этапы создания ЭУП показаны на рис. 22, наиболее важным является этап разработки педагогического сценария, включающего в себя:

формулирование общих целей в терминах профессиональных компетенций; формулирование ожидаемых результатов обучения; декомпозиция цели; проектирование структуры; проектирование контрольных мероприятий.

 

 

Рисунок 22 – Этапы создания ЭУП

 

Наиболее важным в свою очередь с точки зрения рассматриваемой темы является процесс декомпозиции цели на отдельные образовательные задачи для формирования у обучающихся набора учебно-познавательных действий (навыков), что подтверждается определением когнитивной образовательной технологии, описанной в [17, 18].

Активное развитие компьютерной техники и цифровых технологий обеспечили существенное развитие области трёхмерной графики. Вершиной развития технологий визуализации на данный момент является технология создания интерактивных трёхмерных презентаций и технологий виртуальной реальности, позволяющих обеспечить качественно новый уровень интеграции пользователя в презентационный процесс. Презентационные технологии активно интегрируются в процессы качественного обучения, многократно повышая эффективность учебного процесса.

При этом современные технологии 3D-визуализации позволяют оказывать позитивное воздействие на обучающихся сразу в нескольких направлениях:

мотивационная составляющая; вовлечённость в учебный процесс; активизация когнитивных способностей.

В области мотивационной составляющей применение интерактивных технологий визуализации позволяют обеспечить качественно новый уровень заинтересованности обучающихся в учебном процессе, что обеспечивается новизной его содержательной части. Всё новое, незнакомое, нестандратное, непривычное, с чем сталкивается человек, провоцирует ярко выраженную нейронную активность в гипокамповой формации, что можно отнести к определённой форме ориентировочных рефлексов. Результатом такой деятельности является повышение выработки дофамина, что в итоге приводит к формированию у обучаемого позитивных мотиваций. Важным фактором является и то, что применение современных средств 3D-визуализации совместно с элементами интерактивности является непривычным для обучающегося, поскольку подобные методы только начинают активно применяться в образовании (например, рис. 23).

 

 

Рисунок 23 – 3D-визуализации для учебного процесса, выполненные студией «Protomodel»

 

Обеспечение обучающимся возможности непосредственно воздействовать на предмет изучения, провоцирует их вовлекаться в учебный процесс, задействуя таким образом сложную моторную деятельность подобную письму, но на более осмысленном уровне, поскольку такая деятельность провоцируется сами обучающимся, т.е. происходит за счёт его собственной мотивации, что очевидным образом повышает качество усвоения учебного материала.

Непосредственная вовлечённость обучаемого в учебный процесс вынуждает его применять свои когнитивные способности, в частности заставляет обучаемого экспериментировать, исследовать, задействовать воображение. Более того, непосредственное взаимодействие с объектом исследования, вынуждает обучаемого апеллировать к его метакогнитивным процессам и способностям за счёт задействования процессов понимания, базирующихся на памяти, опыте, сформированных знаниях и как результат – формирование ожиданий и результирующего понимания, к примеру, функционирования изделия (на примере роторного компрессора или редуктора).

В качестве примера рассмотрим выполнение задачи курсового проектирования вышеуказанной категорией обучающихся по дисциплине «Детали машин и основы конструирования.

Декомпозиция цели учебного занятия, представленного в виде ЭОР, приведена на рис. 24 в виде варианта карты проектирования.

В ходе применения предложенного подхода к проектированию ЭУП, а также применения средств интерактивной 3D-визуализации предполагается достичь: повышения представления обучающихся о реальном объекте, с которым они

работают, показать зачем этот объект нужен, где расположен и как работает; повышение уровня понимания конструкторской документации;

сокращение времени на выполнения задачи по разработке конструкторской

документации; повышение мотивации обучающихся к самостоятельному освоению учебных материалов.

 

 

Рисунок 24 – Карта проектирования (вариант)

 

 

2.2.  Организация образовательного процесса с применением электронных образовательных ресурсов

 

В табл. 2 представлены отличительные признаки классического («фронтального») подхода к процессу обучения и подхода, реализуемого с применением ЭУП», так называемого «нефронтального» [19].

Таблица 2 – Основные признаки, присущие «фронтальному»

и «нефронтальному» обучению

«Нефронтальное»	«Фронтальное»
Индивидуальная траектория изучения материала.	Единая для всех траектория обучения.
На траекторию, время и темп обучения оказывают влияние: –                    собственные запросы          и             инициативы обучающихся; –                    ошибки (и их коррекция) и успехи, индивидуальная скорость обучения.	Траектория, время и темп обучения одинаковы для всех обучающихся и регулируются            образовательным учреждением.
Обучающиеся достигают разных результатов (целей) обучения в разное время учебного процесса.	Цели и результаты обучения должны достигаться в одно и то же время, заданное преподавателем.
Обучающиеся работают в разное время и в разном темпе.	Обучающиеся работают в рамках заданных временных периодов.
Консультационное и/или тьюторское сопровождение по требованию обучающегося.	Консультационное (и/или тьюторское, если предусмотрено) сопровождение по заданному графику.

 

Исходя из замысла представленной выше методологии организации образовательного процесса, реализуемого с применением ЭУП, основными его отличительными признаками являются:

1.                  Избыточность, подразумевающая предоставление обучающимся возможности выбора: часть информации ЭУП представляет базовые для усвоения дисциплины знания, а часть делает это более детально и/или на более глубоком уровне, не дублирует содержание учебных материалов, а взаимно дополняет и развивает представление изучаемой дисциплины.

2.                  Индивидуальность, подразумевающая предоставление возможности многоразового изучения различных фрагментов учебного материала в разные периоды времени.

3.                  Интерактивность, подразумевающая выстраивание управляемых индивидуальных траекторий освоения учебного материала, в зависимости от уровня подготовленности обучающихся и результатов выполнения ими практических заданий.

4.                  Рефлексия, подразумевающая наличие постоянной обратной связи между педагогом, образовательным ресурсом и обучающимися, с целью мониторинга успешности и гарантированного достижения нужного уровня знаний, определения степени понимания (осознания) и освоения ими учебного материала, а также принятия решений о необходимости коррекции как содержательной части образовательного ресурса, так и учебного процесса.

Совокупность вышеуказанных признаков позволяет сделать вывод о возможности применения ЭУП для формирования «нефронтального» подхода к обучению, целью которого ставится индивидуализация образовательного процесса, в конечном счёте, влияющая на более качественное освоение теоретических знаний, закрепление практических навыков их применения в предметной области.

Для сравнения на рис. 25 и 26 представлены схемы образовательного процесса при реализации «фронтального» и «нефронтального» подходов к обучению

 

Рисунок 25 – Схема образовательного процесса при реализации «фронтального» подхода к обучению

 

В ЭУП обучающемуся предлагается три уровня сложности:

I-й уровень: выполнение решения по сформированному в соответствии с заданными для данного уровня алгоритму действий с подсказками (рис. 27);

II-й уровень: выполнение решения по алгоритму с возможностью вызова подсказки (пояснения, рекомендации) (рис. 28);

III-й уровень: проверка ответов на промежуточные вопросы, итогового решения и оценка решения (рис. 29).

 

Рисунок 26 – Схема образовательного процесса при реализации «нефронтального» подхода к его реализации с применением ЭУП

 

 

Рисунок 27 – Содержательная часть I-го уровня

 

Рисунок 28 – Содержательная часть II-го уровня

 

Рисунок 29 – Содержательная часть III-го уровня

 

2.3.  Обоснование этапов создания электронного учебного пособия

 

Работа над ЭУП включает два основных этапа: проектирование и реализация.

Как правило, на этапе проектирования показатели качества ЭУП от печатного не отличаются. На этом этапе в основе показателей качества лежат основные дидактические функции учебного издания:

–                    мотивационная, заключающаяся в побуждении обучающихся к изучению данной дисциплины и формировании интереса к работе;

–                    информационная, позволяющая обучающим расширять знания всеми доступными способами преподнесения информации;

–                    контрольно-корректирующая (тренировочная), предполагающая возможность проверки, самооценки и коррекции хода и результатов обучения, выполнения тренировочных упражнений.

В основе этапа реализации заложено соблюдение следующих требований:

–                    дизайн-эргономических, основанных на психофизиологических особенностях восприятия информации;

–                    технических, обеспечивающих соответствие электронных учебников современному уровню информационных технологий.

На основе собственных знаний и многолетнего опыта разработки ЭУП, анализа соответствующей литературы сформирован набор показателей, определяющих качество электронного учебника, которые были положены авторами в основу «Метрология, стандартизация и сертификация» (табл. 3).

Таблица 3 – Показатели, определяющие качество ЭУП и их реализация в ЭУП «Метрология, стандартизация и сертификация»

Показатели качества	Реализация показателей качества и дидактических принципов обучения в МСС
	I. Стадия проектирования
	1. Группа мотивационно целевых показателей
Наличие и обоснованность цели	ЭУП соответствует требованиям ГОС к подготовке дипломированных специалистов по направлениям 09.03.02 «Информационные системы и технологии», 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». В ЭУП отражена специфика подготовки специалистов в Академии. ЭУП рекомендовано МЧС России в качестве учебного пособия для

 

		слушателей, курсантов и студентов образовательных учреждений МЧС России.
Повышение уровня мотивации обучению	к	Содержание ЭУП способствует пониманию содержания дисциплины. ЭУП имеет чёткую структуру, соответствующую логике изучения материала и рабочей программе курса «Метрология, стандартизация и сертификация». В структуре ЭУП отражены все виды тематик и выполняемых учебных работ: – теоретическая часть, в основе которой содержится текст и графика (статические схемы, чертежи, таблицы и рисунки); –                   практическая часть с пошаговым решением типовых задач и упражнений по данному учебному курсу с пояснениями; –                   набор тестов по теоретической и практической частям и сборник задач; –                   справочная часть, которая включает в себя предметный указатель и список рекомендуемой литературы. ЭУП обладает свойством интерактивности, содержит интересные ссылки и материалы, связанные с изучаемой дисциплиной и будущей профессиональной деятельностью обучающихся. Реализованы следующие дидактические принципы: – систематичности и последовательности; – связи теории с практикой.
	2. Группа показателей, характеризующих качество контента
Научность и новизна учебнометодического материала		В основе ЭУП лежит большое количество научных монографий и статей, в которых освещено современное состояние и направления совершенствования метрологии, стандартизации и сертификации с учётом последних изменений в области реформирования системы технического регулирования в РФ. Рассмотрены вопросы технического регулирования, стандартизации и сертификации в сфере инфокоммуникационных технологий и оценки их безопасности. При работе над ЭУП было издано четыре статьи, связанные с разработкой электронной оболочки электронных учебников, с работой над проблемой создания структуры и дизайна электронных учебников. Пособие в печатном виде было издано в Республике Казахстан Таразским государственным университетом им. М. Дулати и АГЗ МЧС России. Реализован дидактический принцип научности.
Наглядность и доступность материала		Пособие написано хорошим языком, имеет большое количество иллюстраций и фотографий, разъяснений технических и иностранных терминов. Материал хорошо структурирован: ЭУП состоит из четырёх глав: «Метрология» (8 разделов), «Стандартизация» (7 разделов), «Сертификация» (5 разделов) и «Практика» (5 разделов). В условиях всё более «визуализирующегося» мира и увеличения информационной нагрузки авторы для интенсификации обучения разработали многочисленные схемы на основе технологии визуализации учебного материала. Для этого был выявлен наиболее оптимальный сервис, позволяющий создавать такие схемы: Cacoo (https://cacoo.com/diagrams). Реализован дидактический принцип наглядности.
Учёт индивидуальных особенностей обучающихся		ЭУП содержит различные формы промежуточных и итоговых контрольных заданий в зависимости от их уровня сложности, имеются пояснения к оценке итоговых результатов. ЭУП снабжено большим количеством текстовых подсказок, которые появляются возле выделенного слова при наведённом курсоре.
Достаточность вспомогательного материала		В ЭУП имеются ссылки на 118 литературных источника (в том числе на ГОСТ, ФЗ, технические регламенты, руководящие документы МЧС, учебники и учебные пособия), глоссарий.
3. Группа показателей, характеризующих контролирующие функции
Разнообразие форм контроля и самоконтроля		В ЭУП используются различные виды и формы промежуточного и итогового контроля, в том числе интерактивные – тестовые задания.
Обеспеченность контрольноизмерительными материалами		Каждый          раздел             ЭУП    снабжён             разработанными       тестовыми заданиями (более 400) с пояснения к оценке итоговых результатов и ответами. Реализованы следующие дидактические принципы: – сознательности и активности; – прочности.
II. Стадия реализации
1. Группа дизайн-эргономических показателей
Интерфейс		ЭУП состоит из единого шаблона оформления, созданного на основе таблицы стилей (CSS). В ЭУП используются гиперссылки и фреймовая структура, что позволяет быстро перейти к нужному разделу или фрагменту. При разработке интерфейса ЭУП были учтены требования, определяемые психофизическими особенностями человека (компоновка информации на экране, цветовое решение страниц и др.).
Качество оформления текстового материала		Используются цветовые, шрифтовые приёмы выделения текста в соответствии с логикой изложения, наблюдается единство оформления текста, текст читабелен.
Качество и достаточность графических изображений		Высокое качество оформления графического материала, количество которого достаточно для усвоения знаний обучающимися. ЭУП снабжено инфографикой.
2. Группа технических показателей
Удобство в представлении материалов на основе использования различных электронных форматов		Оболочка ЭУП выполнена на языке гипертекстовой разметки HTML. Поэтому для работы с пособием не требуется подключения к сети Интернет. ЭУП открывается стандартным, установленном на большинстве современных компьютеров браузером. Оно может быть передано в виде файлов на любом носителе. Страница, написанная на данном языке, привычна и знакома любому пользователю, что облегчает процесс навигации.

 

Важным при этом является то, что разработка ЭУП как минимум должна соответствовать педагогическому дизайну. При разработке педагогического дизайна рекомендуется придерживаться хорошо зарекомендовавшей себя модели ADDIE (Analysis, Design, Development, Implementation, Evaluation), разбивающей весь процесс на пять этапов [20]:

1.                  Анализ.

2.                  Проектирование: выбор средств обучения;

создание сценария или план-схемы учебных материалов;  подготовка пробной версии учебных материалов;

                оценка     и     доработка     материалов     с     точки     зрения     полного     соответствия

образовательным целям и поставленным задачам; сопровождение и развитие учебных материалов.

3.                  Разработка.

4.                  Реализация.

5.                  Оценка.

Далее разработчику необходимо поэтапно выполнить действия, влияющие на конечный результат.

Основными этапами создания ЭУП являются:

–                    выбор дисциплины (раздела, модуля) для разработки ЭУП;

–                    педагогическое обоснование целей, задач, ожидаемых результатов освоения образовательной программы (ОП) с применением ЭУП;

–                    определение критериев оценки качества результатов;

–                    анализ существующих (аналогичных) ЭУП по выбранной дисциплине; – непосредственно разработка модели ЭУП:

–                    определение назначения ресурса как дидактического средства, классификационного типа, компонентов ресурса, условий и рисков его использования в учебном процессе; разработка спецификаций – требований к ресурсу;

–                    разработка     сценариев      компонентов ресурса,         алгоритмов             взаимодействия, обучающегося с образовательным контентом, в том числе для реализации обратной связи, получения сведений о результатах обучения;

–                    программная реализация продукта, разработка:

–                    интерфейса пользователя;

–                    функционал компонентов ЭУП на базе созданных сценариев;

–                    режимов, предусмотренных моделью ЭУП;

–                    базы данных для хранения результатов обучения и т.д.;

–                    разработка методических рекомендаций для преподавателей по использованию ресурса на занятиях различных типов, а также для самостоятельной работы обучающихся с ЭУП;

–                    тестирование и апробация ЭУП в учебном процессе для контрольных групп обучающихся, оценка ресурса, как дидактического средства, обеспечивающего повышение качества обучения с учётом ресурсов образовательного учреждения;

–                    модификация ЭУП по результатам апробации;

–                    сопровождение ЭУП при использовании в учебном процессе.

Программная реализация ЭУП может быть проведена несколькими способами. С точки зрения программной реализации ЭУП могут быть использованы различные платформы, такие как: iSpring Suite, CourseLab, Smart Builder, Vyew, Moodle и др.

Также ЭУП может создаваться как программный продукт (ПП). Каждый ПП имеет свой жизненный цикл. В [21] представлен жизненный цикл ПП и указаны основные технические процессы создания ПП. В [22] перечислены требования к качеству ПП, в соответствии с которыми они должны обладать определёнными свойствами. В [23] представлены требования по оценке качества программного продукта, на основе его свойств.

Проанализировав процессы и этапы, присущие педагогическому дизайну и сопоставив их с требованиями, предъявляемыми к этапам разработки (создания ПП), можно сделать вывод об их соответствия и взаимном дополнении, особенно учитывая то, что ЭУП как результат интеллектуальной деятельности может быть представлен в виде такого программного продукта (программы для ЭВМ).

Результаты анализа этапов представлены в табл. 4.

Таблица 4 – Соответствие этапов педагогического дизайна и этапов разработки ПП

Этап создания ЭУП	Этап создания ПП	Соответствие этапов
Анализ	Замысел	Определяются потребности в создании ЭУП, требования к ЭУП, цель создания ЭУП, категории пользователей, ожидаемые результаты
Проектирование
Разработка	Разработка	Уточняются требования к разрабатываемой ЭУП, создается описание решений, разрабатывается алгоритм взаимодействия для обратной связи
Реализация	Производство Применение Поддержка применения	Программная реализация ЭУП (интерфейс, возможность внесения поправок и доработок, обеспечение функционирования ЭУП, тестирование и апробация и последующая модификация)
Оценка	Оценка качества программного обеспечения на основе свойств ПП	Оценка разработанной ЭУП, качество ЭУП, рекомендации по улучшению ЭУП

 

Выводы к главе 2

 

В ходе анализа методологий, применяемых в процессе обучения специалистов инженерно-технического профиля, осуществляемого с применением ЭО, сделан вывод о необходимости его индивидуализации, повышении информативности, интерактивности с обязательным корректирующим воздействием как со стороны преподавателя, так и со стороны ЭУП, в конечном счёте, являющимся результатом реализации педагогического замысла последнего.

В ходе анализа подходов, применяемых при разработке ЭУП согласно педагогическому дизайну, а также этапов выполнения работ, присущих созданию ПП, установлено их соответствие, предложена формулировка этапов выполнения работ по созданию интерактивных ЭУП. Определена последовательность и содержание этапов.

 

3.  ИНТЕРАКТИВНЫЕ ТРЁХМЕРНЫЕ УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ

 

3.1.  Преимущества интерактивных трехмерных электронных  учебных пособий

 

Интерактивные трёхмерные ЭУП – это высокотехнологичные учебные пособия, зачастую содержащие трёхмерные объекты, с которыми учащиеся могут непосредственно взаимодействовать. В интерактивных трёхмерных ЭУП обучающиеся могут рассмотреть объект исследования со всех сторон, могут посмотреть различные анимации, характеризующие процесс работы, разборку и сборку объекта исследования, посмотреть характеристические сечения и непосредственно процесс функционирования [24]. При этом, если объект исследования представляет собой сложное технологическое устройство, выполняющее определённую задачу, интерактивные трёхмерные ЭУП могут показать и технологический процесс работы такого изделия, наглядно иллюстрируя посредством трехмерной анимации все внутренние процессы, происходящие в таком изделии. Само собой, в процессе всех подобных демонстраций обучающийся сохраняет полный контроль над процессом демонстрации, имеет возможность подробно рассмотреть все технологические процессы. Интерактивные трёхмерные ЭУП выводят на качественно новый уровень процесс обучения, позволяя визуализировать для учащегося технологические процессы и технические объекты на качественно новом уровне [8].

Чтобы оценить всю полноту и ценность возможностей, которые становятся доступны при использовании качественных интерактивных трехмерных ЭУП, следует в первую очередь понять, какое место они занимают в учебном процессе и на смену каким учебным элементам они приходят.

На самом базовом уровне в процессе обучения используют текстовые описания, инструкции и методологии.

На следующем этапе применяют иллюстрации. Область изобразительного искусства в процессе обучения весьма обширна и позволяет компенсировать недостаток или невозможность использования материальных примеров в процессе обучения.

Дальнейшее развитие учебно-методического арсенала можно представить в виде презентационных видеофайлов и даже полноценных презентационных учебных стендов. Этот уровень качественно повышает процесс обучения, зачастую позволяя обучающимся приобрести и некоторые практические навыки. Фактически до момента появления интерактивных трёхмерных учебно-методических пособий полноценные учебные стенды были самым передовым вспомогательным средством обучения, но у этих средств были очевидные недостатки, компенсировать которые в том числе призвано использование интерактивных трёхмерных учебно-методических пособий.

В первую очередь это, конечно же, доступность. Интерактивные трёхмерные ЭУП представляют собой электронные программы, которые могут быть доступны через сеть Интернет, что с учётом современных возможностей средств коммуникации обеспечивает их доступность для обучающихся практически из любой точки планеты. Во-вторых, стоимость. Фактически в большинстве случаев стоимость интерактивных трёхмерных пособий оказывается ниже, чем стоимость полноценных учебно-презентационных стендов, особенно, когда речь идёт о полноразмерных технических объектах. Фактически можно отметить, что интерактивные трёхмерные учебно-методические пособия вобрали в себя весь спектр презентационных и учебных функций, которыми обладали все предшествующие средства обучения, будь то иллюстрации, анимации или презентационные учебные стенды.

Всё это стало возможным в первую очередь благодаря развитию средств информационных технологий, средств компьютерной графики и в целом компьютерной техники. С раннего этапа развития компьютерной техники и появления первых возможностей в разработке различных средств визуализации элементы трёхмерной графики начали применять в различных областях науки и техники, и в том числе в области образовательного процесса. На первых этапах это были трёхмерные изображения, призванные заменить иллюстрации в учебных пособиях, особенно это было актуально для иллюстрирования технических объектов ввиду существенно более высокой точности исполнения технических элементов.

Следующим этапом развития компьютерной графики в учебных процессах стало появление анимации и использование анимации для формирования учебных видеороликов, что открыло для процесса обучения фундаментально новый уровень наглядности и доступности в описании технических и технологических (во многом даже биологических) процессов.

Последним же этапом, недоступным до сих пор, оставалась интерактивность, т.е.

возможность для учащихся непосредственно взаимодействовать с объектом исследования. Активное же развитие компьютерной техники, особенно в последние три года, позволило достичь и этого уровня. В результате чего появилась техническая возможность реализации полноценных интерактивных трёхмерных учебно-методических пособий.

Современные интерактивные трёхмерные ЭУП – это, несомненно, существенный прорыв в области технологий обучения, но следует также отметить, что любые технические и технологические учебные средства, какими бы они ни были совершенными, всё равно остаются вспомогательными средствами, позволяющими расширить возможности взаимодействия с обучающимися для квалифицированного преподавателя. Именно преподаватель определяет план и структуру обучения и во многих ситуациях определяет индивидуальный подход к учащимся. Применение интерактивных трёхмерных ЭУП базируется на применении принципов обучения с использованием опорных образов, более того, применение интерактивных трёхмерных пособий позволяет существенно повысить собственную мотивационную составляющую учащегося благодаря активизации нейронной активности в гиппокамповой формации и активизации когнитивных способностей в результате необходимости самостоятельного взаимодействия с объектом исследования. При этом обеспечивается существенно более качественное усвоение информации посредством наглядности и актуализации внимания учащегося на учебных элементах, что достигается путём формирования ярко выраженных визуальных образов.

Фактически интерактивные трёхмерные ЭУП благодаря возможности использования интерактивных анимаций позволяют создать из интерактивных презентационных стендов полноценные учебно-методические средства, поочерёдно направляющие внимание учащегося именно в тех направлениях, которые определяет преподаватель посредством актуализации того или иного информационного потока. При использовании интерактивных трёхмерных ЭУП преподаватель фактически получает возможность конструировать процесс обучения на каждом этапе, обеспечивая оптимальный уровень вовлечённости учащегося в образовательный процесс. Следует особенно отметить актуальность использования средств интерактивных ЭУП пособий в период пандемии, поскольку подобные средства обеспечивают возможность для преподавателя удаленно взаимодействовать с учащимся практически без потери качества обучения при наличии необходимого объёма учебнометодического арсенала.

Процесс разработки интерактивных трёхмерных ЭУП начинается с формирования педагогического плана и определения функционального назначения каждого конкретного интерактивного трёхмерного учебно-методического пособия, т.е. с определения визуальных элементов актуализации, которые в дальнейшем будут использованы преподавателем для воздействия на сознание учащегося. На следующем этапе происходит подбор исходных материалов, на базе которых формируется большая часть технических трёхмерных элементов учебного пособия. Следующим этапом происходит формирование набора анимаций, характеризующих различные аспекты функционирования технических и технологических элементов, представленных в учебном пособии. На заключительном этапе разработки происходит программная компиляция и формирование готового интерактивного трёхмерного учебно-методического пособия, которое может быть размещено для доступа через сеть Интернет, и финальное тестирование подготовленного учебного приложения. После завершения процесса разработки происходит апробация и встраивание в учебный процесс. В процессе апробации возможно появление корректировок и дополнений, призванных учесть различные аспекты использования интерактивных пособий, неучтённых на этапе разработки, после чего могут быть произведены дополнения и корректировки.

Интерактивные трёхмерные ЭУП могут применяться во многих областях обучения. Фактически, со временем интерактивные трёхмерные ЭУП станут столь же распространены, как обычные иллюстрации. Но уже сейчас можно выделить наиболее критические области, где применение интерактивных трехмерных ЭУП наиболее востребовано. Речь идёт об областях науки и техники, в которых применяют сложные технические элементы. При этом самих технических элементов оказывается великое множество. Разнообразные двигатели, редукторы, насосы, различные технические механизмы – все эти технические элементы требуют участия человека для обслуживания и взаимодействия. Все эти области требуют квалифицированного обучения и формирования кадрового состава, досконально разбирающегося в принципах функционирования и структуре этих технических средств. Множество областей науки и техники, сопряжённых с различными электротехническими средствами, такими как измерительное оборудование, осциллографы, геодезическое оборудование и многое другое, также требуют высокого уровня обучения и подготовки квалифицированных кадров. Область медицины также обширна, как и область технических средств, при том что и в самой области медицины также присутствует огромное количество технических средств. Множество областей науки и техники, сопряжённых с явлениями, которые могут быть визуализированы для понимания человека только путём программного или трёхмерного моделирования, особенно требовательны к наглядному и качественному обучению. Итого, это только некоторые из областей, которые уже сейчас крайне заинтересованы в применении интерактивных трёхмерных учебно-методических пособий в образовательном процессе при подготовке квалифицированных кадров либо просто в качестве справочных пособий.

На данном этапе интерактивные трёхмерные ЭУП представляют собой небольшие программные продукты, иллюстрирующие работу и состав одного конкретного агрегата (к примеру, редуктор или роторно-пластинчатый компрессор) либо какое-то конкретное технологическое явление (к примеру, переход от связанной к земной системе координат в области динамики и управления полётом летательными аппаратами). В перспективе же при формировании большого количества разрозненных технических элементов появится возможность формирования полноценных интерактивных трёхмерных лабораторий, содержащих в своём составе десятки (а возможно, и сотни) различных технических объектов. При этом основная учебная ценность подобных интерактивных виртуальных лабораторий будет заключаться в возможности комбинирования доступных технических объектов и обеспечении их взаимодействия. С учётом существующего уровня развития компьютерной техники и появления средств виртуальной реальности возможно достижение уровня формирования интерактивных виртуальных лабораторий, способных полностью обеспечить потребность учащихся в получении предварительных практических навыков взаимодействия с техническими объектами, с которыми им в дальнейшем предстоит работать. Самым простым примером подобных подходов является разработка различных учебных симуляторов, применяемых при подготовке лётчиков, операторов башенных кранов, капитанов морских и речных судов, машинистов электропоездов, космонавтов и пр. Отдельно следует отметить область медицины, где уже начинают применять элементы обучения, сопряжённые с виртуальной реальностью, но подобные средства обучения всё ещё являются перспективными ввиду отсутствия достаточно качественной технической базы [25]. Активное развитие направления разработки интерактивных трёхмерных (или виртуальных) учебных лабораторий, как и просто ЭУП, открывает для преподавателей существенные возможности контроля и взаимодействия с учащимся и влияние на процесс обучения. В первую очередь в статистическом и технологическом плане. Управляя процессом работы учащегося с интерактивными приложениями, преподаватель может получать доступ к большому числу статистических данных, характеризующих процесс работы учащегося, в результате чего процесс отслеживания или формирования формальных показателей может быть оптимизирован или даже автоматизирован, что позволит высвободить больше времени непосредственно для процесса обучения.

Но не только в образовательном процессе применяют интерактивные трёхмерные приложения. Подобные решения уже активно используют в области культуры и искусства [26]. На данном этапе уже разработано некоторое количество интерактивных виртуальных художественных галерей и музеев, в которых пользователь может «прогуливаться» так же, как в реально существующей галерее или музее. При этом подобные виртуальные музеи доступны через сеть интернет и так же, как и с интерактивными трёхмерными учебнометодическими пособиями, не требуют для использования загрузки какого-либо дополнительного программного обеспечения. Область культуры и искусства особенно актуальна, так же, как и область обучения, поскольку современное общество (особенно это касается подрастающего поколения) более не смыслит свою жизнь в отрыве от сети Интернет или в отрыве от современных гаджетов. Новое поколение привыкло воспринимать действительность через призму современных технологий. Молодые юноши и девушки уже не заинтересованы в посещении галерей и музеев. Поэтому единственный способ приобщить подрастающее поколение к культуре и искусству – это идти навстречу подобным потребителям и формировать принципы потребления, знакомые и понятные целевой аудитории. Перенос культурного, исторического и художественного фонда в виртуальную цифровую среду не только позволит приобщить молодое поколение к культуре и искусству, но также позволит обеспечить сохранность ценнейших объектов художественного и исторического фонда. По всей нашей стране в отдалённых городах раскинуты небольшие галереи и музеи, содержащие многие уникальные предметы искусства, недоступные для восприятия ввиду банальной удалённости. Перенос таких объектов искусства в виртуальную среду – единственный способ, позволяющий сделать эти объекты искусства достоянием широкого круга ценителей.

 

3.2.  Эффективность использования в образовательном процессе

интерактивных трёхмерных моделей

 

Для оценки эффективности использования в образовательном процессе разработанных интерактивных трёхмерных моделей (рис. 13, 14) для ЭУП «Детали машин и основы конструирования» было проведено педагогическое исследование, направленное на выявление качества сформированности знаний по устройству редуктора с помощью двух видов представления материала: интерактивного предложения и традиционного текстового.

Было сформировано две группы испытуемых (каждая по 10 человек), которые не изучали дисциплину «Детали машин и основы конструирования». Первая группа изучала устройство редуктора с помощью разработанного приложения, вторая – с помощью текстового представления материала. Для этого авторами было разработано описание устройства редуктора и принцип его работы объёмом два листа формата А4, содержащее в том числе и чертёж редуктора.

После изучения материалов каждый испытуемый ответил на 20 вопросов, посвящённых количеству элементов, размерам редуктора, сравнительному анализу скоростей входного и выходного валов, размерам зубчатых колёс на этих валах, назначением и особенностям его основных составных элементов (например, шпильки, смотровая крышка, прокладки и т.д.).

Для полноты исследования участникам было предложено ознакомиться со способом изучения устройства редуктора, которым пользовались другая группа. В итоге каждый участник прокомментировал достоинства и недостатки двух видов представления информации.

Наблюдение показало, что у испытуемых работа с приложением вызвала больший интерес и энтузиазм. При этом время работы с приложением оказалось выше. Испытуемые просмотрели практически все доступные анимации, в том числе подсвечивали почти все составные элементы из списка. Таким образом, можно прийти к выводу, что данный вид представления информации вызывает большой интерес и способствует активизации познавательной деятельности.

Участники первой группы не ответили на вопрос о количестве составных элементов редуктора, а второй – все справились с этим вопросом. Авторы пришли к выводу, что в текстовом виде все элементы были пронумерованы и испытуемые запомнили последнюю цифру. В приложении представлен только список и всё внимание испытуемых направлено на изучение этого списка и поиска отмеченных элементов. Таким образом, было предложено ввести нумерацию элементов списка.

Наиболее сложным для второй группы оказался вопрос, связанный с перечислением составных элементов редуктора (отметили, корпус и зубчатые колёса). У первой группы этот вопрос не вызвал трудностей, они перечислили более 70 % элементов. Что позволило сделать вывод о высокой эффективности предложенного подхода для изучения элементного состава технических объектов. В процессе беседы выявили, что трудности у второй группы возникли в том числе, из-за отсутствия навыка чтения чертежей.

Для решения данной проблемы было предложено создать анимацию чертежа, в котором будет дублирование подсвечивания выбранных элементов. Такой подход позволит сформировать навыки чтения чертежей, ведь одной из целей дисциплины является, в том числе, развитие навыков конструирования и технического творчества.

Ни один из участников второй группы не ответил на вопрос, связанный с размерами редуктора (выяснилось, что не обратили внимание), а первая группа дала 100 % верный ответ. Что также позволяет сделать вывод о высокой эффективности подхода, используемого в приложении.

По нашему мнению, участники второй группы не смогли ответить на вопрос о способе соединения колеса и шестерни с валом по причине неумения читать чертеж. А первая группа в процессе взаимодействия с анимацией разборки редуктора отметила вид этого соединения (ответ был дан 100 % верный). И на вопрос для чего были использованы шпонки в редукторе ни один из испытуемых второй группы не дал ответа, а первая группа справилась на 100 %.

Только 50 % испытуемых второй группы дали верный ответ на вопрос о том, какой из валов быстроходный или тихоходный соединяется с двигателем. У второй группы этот вопрос не вызвал затруднений. И по соотношению размеров зубчатых колёс на двух валах у второй группы ответы были даны на 100 % верные.

Трудности у первой группы вызвали вопросы, связанные с функциональным назначением некоторых сборочных элементов и их особенностей. Наоборот, эти вопросы не вызвали затруднений у испытуемых второй группы. Все испытуемые отметили, что для ответа на такие вопросы информации, представленной в приложении не хватило. В связи с этим было предложено снабдить приложение кратким описанием каждого сборочного элемента в виде сплывающего текста. На рис. 30 представлен макет приложения с учётом разработанных предложений.

Таким образом, проведенное педагогическое исследование позволило выявить трудности, с которыми столкнулись испытуемые при использовании двух видов представления информации: интерактивное приложение и текстовое. Показано, что наибольший интерес вызвало изучение устройства редуктора по интерактивному приложению. Было предложено добавить описательную информацию сборочных элементов в виде всплывающего текста, а не гиперссылок. При этом текстовое представление оказалось более информативным. Однако первая группа потратила больше времени на работу с приложением за счет того, что они взаимодействовали с каждым видом анимации.

 

 

Рисунок 30 – Макет приложения интерактивного приложения редуктора с учетом разработанных предложений

 

Выводы к главе 3

 

Подводя итоги, можно сделать вывод о продуктивности и востребованности подхода использования современных средств 3D-визуализации в процессе обучения. Фактически, подобные методы обучения позволяют педагогу сконцентрироваться на общем процессе обучения, направляя и корректируя направление обучения, выводя его из фокуса внимания обучающегося и облегчая для него процесс мотивации (или принуждения) к процессу освоения учебной информации.

Таким образом, показано, что интерактивные трёхмерные ЭУП – это самый современный и самый совершенный способ визуализации, доступный на данном этапе развития средств обучения. Этапы разработки интерактивных трёхмерных учебнометодических пособий включают такие этапы, как подготовка учебно-педагогического анализа (что надо визуализировать), подготовка методологических выкладок, формирование плана разработки, трёхмерное моделирование, анимация, программная сборка, тестирование, апробация, введение корректировок, использование в образовательном процессе.

С одной стороны, показаны плюсы применения в образовательном процессе интерактивных пособий, а с другой – что разработка таких пособий – это большой труд как преподавателя, так и разработчика.

На сегодняшний день развитие представлений о разработке, внедрении и использовании в образовательном процессе интерактивных приложений не позволяет полностью заменить текстовое представление информации, требуется совмещение двух этих видов. И конечно перспективность интерактивных приложений не вызывает никаких вопросов. Очевидно, что процесс создания грамотных интерактивных приложений и их внедрение в образовательный процесс займет ещё очень много времени.

 

ВЫВОДЫ

 

Достигнута цель работы: обобщены и систематизированы имеющиеся наработки по разработке и внедрению электронных учебных пособий в образовательный процесс Академии и разработаны рекомендации по улучшению их качества.

В ходе выполнения цели решены следующие задачи:

–                    выполнен анализ электронных учебных пособий, разработанных на кафедре механики и инженерной графики для выявления их особенностей, преимуществ и недостатков. Показано, что информационные и мультимедийные технологии – это средства, позволяющие повысить эффективность образовательного процесса, а в АГЗ МЧС России решается задача по максимальному раскрытию этого потенциала для совершенствования образования на базе информационных технологий;

–                    выявлены показатели, определяющие качество электронного учебника, позволившие оптимизировать процессы работы над ним, а также особенности методологии разработки ЭУП и их использования в образовательном процессе;

–                    выявлены основы организации образовательного процесса с использованием электронных учебных пособий;

–                    сформулированы этапы выполнения работ по созданию интерактивных электронных учебных пособий и определена их последовательность и содержание;

–                    обоснованы преимущества интерактивных трёхмерных ЭУП и доказано, что они – самый современный и совершенный на сегодняшний день способ визуализации. Разработаны этапы создания интерактивных трёхмерных учебно-методических пособий;

–                    оценена и доказана эффективность использования современных средств 3Dвизуализации в образовательном процессе.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Ситуация по России: электронные учебники в школах. [Электронный ресурс]. URL:

https://newtonew.com/school/e-books-at-russian-schools (дата обращения 08.2021). 2. Электронные учебники в России: проблемы и перспективы. [Электронный ресурс]. URL: https://www.readerone.ru/about/reviews/elektronnye_uchebniki_v_rossii/ (дата обращения 08.2021). 3. Burunin О.A., Suntcova М.A., Vershinina G.N. Methodological Problems of Creation

Electronic Textbooks of Computer Science. European Researcher, 2013, Vol. (48), No 5-1. – P. 1152 – 1154.

4.                  Ковина Т.П. От концепции до реализации: опыт разработки электронного учебного Пособия // Известия МГТУ «МАМИ» № 1(19), 2014, т. 5 – С. 176 – 180.

5.                  Шалкина, Т.Н. Показатели и критерии качества электронного учебного курса // Образовательные технологии и общество, № 3, том 18, 2015. – С. 608 – 619.

6.                  Агафонова, С.Ю. Методологические основы оценки качества электронных учебников европейских иностранных языков / С.Ю. Агафонова, Д.В. Смолин // Ползуновский альманах / Алт. отделение Межд. Академии информатизации. Барнаул, 1999, № 2.

7.                  Ефимцева И.В. Разработка электронного учебного издания и его реализация в учебном процессе / И.В. Ефимцева. – Ставрополь: СГПИ, 2009 – 29 с.

8.                  Новгородова Н.Г. Применение динамичных средств трёхмерной компьютерной визуализации в учебных заведениях высшего образования // Новые образовательные технологии в вузе: материалы Пятой межд. н.-метод. конф. Ч. 2. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2008. – С. 330 –  336.

9.                  Влияние современных технологий на повышение учебной и творческой мотивации учащихся. Активизация познавательных интересов посредством применения ИКТ. 

[Электронный            ресурс].            Режим            доступа:            https://nsportal.ru/nachalnaya-

shkola/obshchepedagogicheskie-tekhnologii/2019/12/16/vliyanie-sovremennyh-tehnologiy-na (дата обращения: 01.03.2021).

10.              Восприятие. Основные виды, свойства и особенности восприятия. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://impsi.ru/general-psychology/vospriyatie-osnovnye-vidysvojstva-i-osobennosti-vospriyatiya/ (дата обращения 08.2021).

11.              Основные закономерности психического развития. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://impsi.ru/psihologiya-razvitiya-i-vozrastnaya-psihologiya/osnovnyezakonomernosti-psihicheskogo-razvitiya/ (дата обращения 08.2021).

12.              Психология и психофизиология восприятия учебной информации. Динамика развития личности учащегося в зависимости от его индивидуальных, возрастных, гендерных особенностей. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://multiurok.ru/files/psikhologhiia-i-psikhofiziologhiia-vospriiatiia-uc.html (дата обращения 08.2021).

13.              Гурылёва Л.В. Технология формирования содержания когнитивного аспекта профессиональной идентичности студентов технических специальностей / Л.В. Гурылёва,

Ю.С. Нагорнов, А.Ю. Нагорнова // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 1–1. – С. 69 – 72.

14.              Когнитивные исследования на современном этапе // Всеросс. конф. с межд. участием по когнитивной науке. – Архангельск, 2018 г. – С. 270 – 273.

15.              Алгоритм формулировки вопросов и заданий на основе таксономии Блум Школа педагогического дизайна «Новое Электронное Обучение». [Электронный ресурс]. Режим

доступа:                                                                          https://vnaumov.blogspot.com/2019/09/blog-

post_19.html?fbclid=IwAR05AWu1COTfwo0GA4Y40cNzPTuvrJtKm9aQyKF6g7wwUvLQQfE6mXDeWM (дата обращения 08.2021).

16.              Anderson and Krathwohl Bloom’s Taxonomy Revised. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://quincycollege.edu/content/uploads/Anderson-and-Krathwohl_RevisedBlooms-Taxonomy.pdf (дата обращения 08.2021).

17.              Организация образовательного процесса в контексте развития когнитивных возможностей обучаемых. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.informio.ru/publications/id523 (дата обращения 08.2021). 

18.              Бершадский М.Е. Когнитивная образовательная технология. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://bershadskiy.ru/index/kognitivnaja_obrazovatelnaja_tekhnologija/0-27 (дата обращения 08.2021). 19. Наумов В.А. Как организовать нефронтальное обучение. [Электронный ресурс]. URL: http://vnaumov.blogspot.ru/search/label (дата обращения 08.2021). 20. Что такое педагогический дизайн? [Электронный ресурс]. Режим доступа:

https://www.ispring.ru/elearning-insights/chto-takoe-pedagogicheskiy-dizayn/ (дата обращения 08.2021).

21.              ГОСТ Р ИСО/МЭК 15288–2005 Информационная технология (ИТ). Системная инженерия. Процессы жизненного цикла систем.

22.              ГОСТ Р ИСО/МЭК 12119–2000 Информационная технология (ИТ). Пакеты программ. Требования к качеству и тестирование.

23.              ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126–93. Информационная технология. Оценка программной продукции. Характеристики качества и руководства по их применению.

24.              Интерактивные 3D презентации. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://protomodel.ru/ (дата обращения 08.2021).

25.              «АРТЕКСА Виртуальная анатомия 4.0» виртуальный атлас анатомии человека в

3D! [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://arteksa.ru/index.php/ru/ (дата обращения 08.2021).

26.              35 лучших виртуальных музеев мира, которые необходимо посетить. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://zen.yandex.ru/media/canva/35-luchshihvirtualnyh-muzeev-mira-kotorye-neobhodimo-posetit-5e1f41925d636200acbceba7 (дата обращения 08.2021).