Постановка задачи

В связи со стремительным внедрением информационно коммуникационных технологий во все сферы человеческой деятельности непрерывно падает эффективность традиционных методов обучения, особенно в преподавании естественно научных дисциплин [1-2]. Наиболее объективной оценкой качества школьного образования здесь могут служить результаты единого государственного экзамена по физике. Однако общие результаты ЕГЭ дают лишь обобщенную характеристику уровня знаний учащихся по отдельным регионам РФ и не могут быть использованы для детального исследования эффективности применения информационно насыщенных технологий в учебном процессе.

Описание решения

Для этих целей в большей мере подходят итоги централизованного тестирования, которое проводится ежегодно до начала выпускных экзаменов в школах. В 2007 году было проведено более миллиона таких тестирований. Их результаты по каждому из заданий обработаны и опубликованы Федеральным Центром. Хотя составители тестов декларируют одинаковые условия тестирования для всех учащихся, анализ результатов по различным вариантам при достаточно большом (несколько тысяч) объеме выборок показывает, что они не равноценны по трудности. Количество правильных ответов по вариантам в целом может отличаться почти в 1,3, а по отдельным заданиям почти в 1,5 раза. Тем не менее, анализ позволяет установить наиболее проблемные темы, которые стабильно дают низкий процент выполнения. В 2007 году ими оказались вопросы и задачи по работе трансформаторов - 27,9, колебаниям маятника - 29,3, рычажным системам - 32,6, законам Ньютона - 32,9, законам преломления и отражения света - 36,1, работе при тепловом расширении газов - 37,6, электромагнетизму - 38,7, электромагнитным волнам - 39,3, строению ядра и атома - 39,3, по равномерному движению - 40 %.

Большинство этих тем связано с отсутствием или недостаточной проработкой их в физическом практикуме. Результаты тестирования, таким образом, фиксируют слабость лабораторной базы, отсутствие современного оборудования, программ и методик для демонстрации физических явлений и процессов, скрытых от непосредственного наблюдения или протекающих в динамике. Внедрение технологий NI позволяет при сравнительно небольших затратах модернизировать учебное лабораторное оборудование и существенно повысить качество образования [3]. Однако здесь на первый план выходят проблемы подготовки преподавателей.

В 2007 г в Орел ГТУ подготовлен и запущен в работу проект учебного эксперимента повышения естественнонаучной грамотности учащихся за счет использования в школьных лабораторных практикумах компьютерных систем измерения и мультимедийного представления данных. Создана сеть экспериментальных школ, в том числе и в сельской местности (рис.1).

Рис.1. Новая школа в селе Скородино Орловской области

В проекте участвуют педагогические коллективы экспериментальных школ, Центр инновационных технологий Орел ГТУ, кафедр физики и информатики Орловского государственного технического и Орловского государственного педагогического университетов, Орловского института усовершенствования учителей, студенты старших курсов, выпускающиеся по специальности «Учитель физики».

Выполненные НИОКР направлены на детальную разработку обучающих тестов, компьютерных моделей и лабораторных работ по физике, химии, биологии, математике и информатике. Уточнен состав необходимых технических и программных средств и разработаны методические указания по проведению работ автоматизированных лабораторных практикумов. Одновременно в рамках действующих государственных образовательных стандартов подготовлены предложения по совершенствованию содержания и методик обучения с использованием ИКТ.

Вместе с тем, помимо организационных решений, потребовались и определенные затраты на оснащение экспериментальных школ соответствующим оборудованием и лицензионным программным обеспечением. Эти вопросы решались в рамках реализации Национального проекта РФ в области образования и региональной программы строительства новых школ и оснащения их лабораторным оборудованием (рис.2).

Существенным элементом работы стала организация обучения преподавателей и учащихся школ в Образовательном Центре NI Орловского государственного технического университета, (рис.3). Оказалось, что отсутствие должной компьютерной подготовки преподавателей школ является едва ли не главным фактором, сдерживающим широкое распространение предлагаемых технологий. Освоение текстовых языков программирования значительно осложнило бы эту проблему. При использовании технологий программирования, сбора и обработки данных компании NI [4] цикл начальной подготовки укладывается в 3 дня.

Рис. 2. Кабинет физики, оснащенный компьютерной системой измерения

Получаемые преимущества вытекают из первоначально правильной и последовательно развиваемой концепции графического программирования LabVIEW, имеющей в настоящее время большое количество готовых приложений и открывающей доступ к мировым информационным ресурсам. Среда обеспечивает наглядность и быструю читаемость алгоритмов, высокую скорость создания новых программ автоматизации физических измерений и управления экспериментом и, что особенно важно для обучения, легко усваивается на интуитивном уровне. При этом вместе с преподавателями проходят обучение и учащиеся старших классов, которые в дальнейшем осуществляют функции элементарной технической поддержки при проведении занятий и семинаров (рис.3).

Используемое оборудование и программное обеспечение

Учебный эксперимент осуществляется на типовом лабораторном оборудовании кабинетов физики, состав которого утвержден Федеральным агентством по образованию 26.04.06. Комплекты дополнены персональным компьютером класса Pentium IV, аналога - цифровыми преобразователем USB -6008, электрическими датчиками усилий, давления, перемещения, скорости, ускорения, угла поворота, температуры, инфракрасного излучения, магнитного и светового потоков.

Базовое программное обеспечение - пакеты лицензионной среды LabVIEW с правом установки на все компьютеры каждой школы. Прикладное обеспечение - методические указания по выполнению лабораторных работ по физике с использованием компьютерных систем измерения с лицевыми панелями и программами сбора, обработки и мультимедийного представления данных каждого эксперимента.

Рис. 3. Открытый урок по применению компьютерных технологий в лабораторном практикуме по физике

Внедрение и развитие решения

В настоящее время технологии NI в форме регионального формирующего эксперимента внедряются в 15 школах Орловской области. По его завершению будут подготовлены методические указания и авторские программы применения компьютерных систем измерения в школьном лабораторном практикуме по физике, методики и рекомендации по обучению преподавателей.

Список литературы

1. Галаган П.В., Горбачев Н.Б., Шоркин B.C. Современный физический практикум и учебная техника нового поколения. Сб. трудов 1Хмеждународной учебно- методической конференции «Современный физический практикум». - г. Волгоград, 2006, с. 43-44

2. Пилипенко О.В., Горбачев Н.Б., Галаган П.В. Прорывные инновационные технологии для Национального проекта РФ в области образования. «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments».-M.: РУДН, 2006.-е. 145-149.

3. Горбачев Н.Б. Модернизация лабораторной базы школ и вузов на основе технических и программных средств компании National Instruments/ Материалы международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW».-M.: РУДН, 2005.-е. 29-32.

4. П.А. Бутырин, Т.А. Васьковская, В.В. Каратаев, СВ. Материкин Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7. -М.: ДМК Пресс, 2005. 254 с.