Федеральный закон № 273-ФЗ от 29.12.2012 «Об образовании в Российской Федерации» в статье 16 [1] дает общие понятия, что включает электронная информационно-образовательная среда (ЭИОС): это информационные технологии, ресурсы и сервисы, которые обеспечивают освоение обучающимися образовательных программ в полном объеме независимо от их (обучающихся) места нахождения. Кроме того, закон указывает, когда она необходима вузу: при реализации образовательных программ с применением исключительно электронного обучения, дистанционных образовательных технологий. Федеральные государственные стандарты нового поколения (ФГОС3+) предписывают вузу иметь электронную информационно-образовательную среду независимо от электронного обучения, дистанционных образовательных технологий в организации.
В Тюменском индустриальном университете функционирование ЭИОС обеспечивается соответствующими средствами информационно-коммуникационных технологий и квалификацией работников, ее использующих и поддерживающих и соответствует законодательству Российской Федерации. Взаимодействие между участниками образовательного процесса, в том числе синхронное и (или) асинхронное, взаимодействие посредством сети Интернет с помощью системы поддержки учебного процесса Educon. Среди большого количества ресурсов системы Educon виртуальные лабораторные работы представлены большим разнообразием, практически по всем дисциплинам профессионального цикла.
Цель исследования: установить роль и место компьютерных лабораторных работ для обучения студентов дисциплинам профессионального цикла, их влияние на формирование профессиональных компетенций обучающихся.
Материалы и методы исследования
Анализ научных работ по проблеме исследования, изучение, систематизация и обобщение опыта сложившейся практики организации и осуществления учебных занятий с использованием виртуального лабораторного практикума. Сравнение и анализ результатов, получаемых в ходе научного и учебного виртуального эксперимента. Анализ результатов участия в проекте «Федеральный интернет-экзамен в сфере профессионального образования» при выполнении кейс-заданий. Выборка студентов – 257 человек за 5 лет.
Результаты исследования и их обсуждение
В ходе анализа научных работ [2–4] мы установили, что при реализации образовательных программ с использованием электронного обучения, дистанционных образовательных технологий в вузах широко используются компьютерные лабораторные работы. В то же время отметим, что виртуальные лабораторные работы системы Educon являются не только дополнением к реальному эксперименту, но и представляют новую методику изучения дисциплин естественнонаучного и профессионального цикла. В виртуальной работе можно увидеть имитацию «живого» технологического процесса, что позволяет средствами технологии виртуальной реальности изучать производственные процессы. Основные задачи практикума можно поставить следующим образом.
1. Во-первых, наблюдать основные явления. Наблюдение явлений помогает развивать важное качество – интуицию будущего специалиста. Но при выполнении виртуальной работы есть возможность многократного наблюдения, без опасения, что оборудование можно испортить. Выполнение проходит в индивидуальном режиме, можно приостановить эксперимент и провести его в медленном режиме. Например, при выполнении быстро протекающих процессов это позволяет более детально изучить процесс. Так, при проверке закона Бернулли в лабораторной работе по дисциплине «Гидравлика и гидропневмопривод» прекрасно демонстрируется эта возможность.
2. Во-вторых, обучающиеся совершенствуют навыки работы с приборами, производят измерения.
3. В-третьих, очень важно научиться различным методам проведения измерений, овладеть техникой эксперимента.
Мы сравнили результаты, получаемые в ходе научного и учебного виртуального эксперимента, и представили их в табл. 1.
Таблица 1
Сравнение результатов, получаемых в ходе научного и учебного виртуального эксперимента
|
Порядок действий |
Результаты, получаемые в ходе научного и учебного виртуального эксперимента |
|
|
обучающегося |
инженера |
|
|
1. Постановка цели эксперимента |
Цель определена в методическом руководстве к работе в терминах дисциплины |
Цель определяется в терминологии техники производства и науки |
|
2. Проработка теории вопроса эксперимента |
Изучаются свойства предложенного объекта исследования |
Изучаются свойства существующего объекта исследования |
|
3. Формирование проведения эксперимента |
Проработка перечня задач работы, описание схемы установки, подготовка протокола отчета по работе |
Проработка схемы установки, плана эксперимента. Определение задач, решаемых в ходе одного опыта. Подготовка журнала с таблицами |
|
4. Проведение измерений |
Измерение и оформление результатов в виде таблиц и графиков |
Измерение и оформление результатов в виде таблиц и графиков |
|
Окончание табл. 1 |
||
|
Порядок действий |
Результаты, получаемые в ходе научного и учебного виртуального эксперимента |
|
|
обучающегося |
инженера |
|
|
5. Обработка результатов |
Обработка результатов через прямые, косвенные, совместные уравнения измерений с использованием табличных значений, графических зависимостей и определением погрешности измерения. Использование средств информационных технологий при обработке результата |
Обработка результатов через прямые, косвенные, совместные уравнения измерений с использование табличных значений, графических зависимостей и определением погрешности измерения. Использование средств информационных технологий при обработке результата |
|
6. Оформление отчета |
Отчет о выполненной лабораторной работе, реферат по разделу курса дисциплины, доклад на научной конференции |
Отчет о проведенной экспериментальной работе, статья для научного журнала, доклад на конференции |
Как видно из таблицы, результаты, получаемые в ходе научного и учебного эксперимента, схожи. Научно-исследовательские компетенции обучающихся представлены решением исследовательской проблемы, свойственной научной деятельности: постановка цели и задач, изучение теории по выбранной теме, выдвижение гипотезы исследования, подбор технологии исследования, сбор собственного материала, его анализ и обобщение, собственные выводы. В частности, мы рассматриваем исследовательскую деятельность как движение в познании от чувственно-конкретного к эмпирически-абстрактному (реализуемое в экспериментальном этапе познания), далее переход к теоретически-абстрактному (реализуемый фундаментальными содержательными обобщениями) и далее восхождение от теоретически-абстрактного к теоретически-конкретному. Организация деятельности раскрывает этапы научного познания: исследование ситуации > эмпирический обобщённый анализ > воспроизведение объектов > дедукция и получение следствий > анализ умозаключений [5].
Особенность виртуальных работ в том, что в процессе их выполнения сочетаются разные каналы восприятия: слух, зрение, кинестетика, чем и достигается наибольшая эффективность. Кроме того, результаты работы формируются в электронном виде и прикрепляются в систему Educon. Эта работа может вестись удаленно. Преподаватель проверяет и выставляет баллы за выполненную работу. Это дает преподавателю возможность контролировать работу более детально, а студентам – оперативнее выполнять ее [6].
В ходе компьютерной обработки результатов эксперимента обучающиеся овладевают навыками, необходимыми далее в инженерной практике: статистической обработки экспериментальных данных, грамотного представления полученных результатов в виде графиков, схем, таблиц. Так закладывается база профессиональных компетенций.
Тюменский индустриальный университет на протяжении ряда лет участвует в инновационном проекте «Федеральный интернет-экзамен в сфере профессионального образования (ФЭПО)». Проект позволяет оценить учебные достижения студентов на различных этапах обучения в соответствии с требованиями федеральных государственных образовательных стандартов и реализуемых образовательных программ. В рамках проекта используется трёхуровневая модель педагогических измерительных материалов: первый блок – задания на уровне «знать», второй – задания на уровне «знать» и «уметь», третий блок – задания на уровне «знать», «уметь», «владеть». Следует особо отметить, что задания третьего блока, представляют описание реальной практической ситуации, к которой сформулированы вопросы. Практические задания в том числе могут быть представлены в виде виртуальных лабораторных установок. Сформированные практические навыки у обучающихся в ходе выполнения виртуальных лабораторных помогают в успешном выполнении заданий ФЭПО.
Так, студенты направления подготовки 23.03.03. Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов в ходе изучения дисциплины «Теплотехника» выполняют цикл лабораторных работ. Например, в работе «Определение средней массовой изобарной теплоемкости воздуха» студенты проводят серию экспериментов, нацеленных на определение Ср. – средней массовой изобарной теплоемкости воздуха. Задача – сопоставить полученные результаты с данными таблиц теплоемкостей, а также со значениями, полученными на основании молекулярно-кинетической теории (МКТ). Обучающиеся снимают показания приборов, работают с моделью изобарного процесса, обрабатывают измерения, рассчитывают погрешность, проводя трудоёмкий расчет. Очень помогает выполнение работы в табличном процессоре MS Excel: провести расчеты, построить график и др. В случае ошибки очень легко делается корректировка новыми измерениями эксперимента и исправляются неточности, за счет связи формул пересчитывается результат. Таким образом, в ходе эксперимента формируется фундамент профессиональных компетенций инженера. Именно эксперимент предшествует внесению изменений в технологический процесс, позволяет проверить и оценить изобретения, открывает путь для использования в практической деятельности достижений науки.
Знания об эксперименте, умения его грамотно поставить и провести верный расчет нужны будущему инженеру. В частности, при прохождении ФЭПО предлагается кейс-задание с подобным экспериментом (рис. 1 и 2).
Практика участия в проекте «Федеральный интернет-экзамен в сфере профессионального образования» показывает успешность групп, которые выполняли виртуальный практикум. На рис. 3 показаны итоги участия групп в проекте «Федеральный интернет-экзамен в сфере профессионального образования». Результаты освоения дисциплины «Теплотехника» у обучающихся, выполнявших виртуальные работы при изучении дисциплины, сравнительно выше.
Рис. 1. Экспериментальная установка в лабораторной работе по дисциплине «Теплотехника»
Рис. 2. Кейс-задание ФЭПО по дисциплине «Теплотехника»
Рис. 3. Эффективность освоения дисциплины «Теплотехника» при выполнении виртуальных лабораторных работ
Кроме того, практические навыки проведения расчетов, построение графиков в табличном процессоре MS Excel помогают в дальнейшем студентам при выполнении курсового проектирования, научно-исследовательской деятельности обучающихся. Студенты филиала ТИУ в г. Тобольске – активные участники международных конференций и конкурсов студенческих работ, где работы ребят занимают достойные места.
Так, номинантом Международного конкурса лабораторных, графических, расчетных и практических работ для студентов, магистрантов Interclover в 2019 г. стала студентка ХТОб-17 Сильман Анастасия с расчетной работой по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника». Работа «Расчет теплообменника» была выполнена в рамках изучения дисциплины, все расчеты проведены с использованием табличного процессора MS Excel.
Виртуальные лабораторные работы по дисциплинам «Техническая термодинамика и теплотехника», «Теплотехника», «Гидравлика и гидропневмопривод» и ряду других дисциплин профессионального цикла представляют собой аналогию реальных лабораторных работ и имитацию технологических процессов работы машин и оборудования при новом методическом подходе. В ходе выполнения виртуального практикума есть возможность реализации интерактивных методов обучения, например работа в малых группах. Работа в малых группах – это одна из самых популярных стратегий, так как она дает всем обучающимся возможность участвовать в работе, практиковать навыки сотрудничества, межличностного общения (в частности, умение активно слушать, вырабатывать общее мнение, разрешать возникающие разногласия).
В ходе лабораторных работ происходит изучение и проверка явлений и законов. А так как работы выполняются индивидуально, то здесь присутствуют элементы научного эксперимента. При выполнении виртуального практикума обучающиеся учатся применять теоретический материал к анализу конкретных практических ситуаций, экспериментально изучать основные закономерности, определять точность и степень достоверности получаемых результатов, устанавливать источники вероятных ошибок, учатся применять современные методы статистической обработки экспериментальных результатов с применением средств информационных технологий. Так, например, можно организовать виртуальную лабораторную работу.
В табл. 2 представлен методический подход к выполнению виртуальной лабораторной работы «Определение коэффициента теплоотдачи от горизонтальных труб различных диаметров, изготовленных из одинаковых материалов»
Таблица 2
Методика работы в малых группах при выполнении лабораторного практикума
|
Тема |
Определение коэффициента теплоотдачи от горизонтальных труб различных диаметров, изготовленных из одинаковых материалов |
|
Материальное обеспечение |
Лабораторное оборудование виртуальной работы |
|
Содержание заданий |
1. Выполнить все опыты лабораторной работы. 2. Оформить отчет по лабораторной работе. 3. Защита лабораторной работы |
|
Организация |
1. Студенты делятся на группы по 2–3 человека, где определяется лидер, он и руководит процессом |
|
Основной этап |
1. Изучение методики каждого опыта лабораторной работы. 2. Выполнение опытов. 3. Фиксирование наблюдений. 4. Оформление отчета по лабораторной работе с выполнением всех заданий, прописанных в методических указаниях. 5. Защита лабораторной работы каждой малой группой |
|
Итоги |
Определение вопросов, которые необходимо повторить или изучить. Выставление оценок |
Выводы
Таким образом, в ходе проведенного исследования установлено, что компьютерные лабораторные работы являются альтернативой обычным лабораторным работам и, дополняя друг друга, способствуют формированию теоретического мышления студентов и закладывают основы научно-исследовательских компетенций будущего инженера. Организация деятельности обучающихся при выполнении виртуальных работ раскрывает этапы научного познания: исследование ситуации > эмпирический обобщённый анализ > воспроизведение объектов > дедукция и получение следствий > анализ умозаключений – и закладывает основы формирования профессиональных компетенций обучающихся.