автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Интерактивные системы для дистанционного обучения и компьютерного моделирования физических явлений

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Системы дистанционного образования (СДО) и научных исследований на основе сетевых компьютерных технологий.

1.2. Моделирование явлений когерентной оптики для задач ДО

1.2. Разработка интерактивной ДО нового поколения и ее практическая реализация для задач когерентной оптики - задача данной работы.

Глава 2. Анализ структуры и технологий СДО

2.1. Структура и основные компоненты интерактивной СДО

2.2. Анализ новейших компьютерных технологий, используемых в системах ДО.

2.3. Интерактивная компьютерная модель - основной компонент систем

ДО нового поколения

2.4. Примеры программной реализации интерактивных компьютерных моделей.

2.5. Внешнее и внутреннее управление компьютерными моделями

Глава 3. Компьютерное моделирование явлений когерентной оптики.

3.1. Когерентная оптика - физика явлений

3.2. Математическая модель явлений когерентной оптики

3.3. Построение алгоритмической модели

Глава 4. Примеры интерактивных моделей явлений когерентной оптики

4.1. Интерактивная модель саморепродукции

4.2. Интерактивная модель многофокусных систем

4.3. Интерактивная модель согласованной фильтрации и распознавания образов

Глава 5. Описание примера реализации системы дистанционного обучения по когерентной оптике

5.1. Структура действующей СДО по когерентной оптике

5.2. Работа интерактивных моделей в общей СДО

5.3. Перспективы развития дистанционного обучения в приложении к естественным наукам

Выводы

В последние годы вопросы, связанные с созданием систем дистанционного обучения, привлекают все большее внимание ученых. Огромный интерес к дистанционному образованию (ДО), который существует сегодня во всем мире, имеет объективную основу: рост потребности населения развитых стран в непрерывном образовании, относительно низкая стоимость ДО, развитие телекоммуникаций и широкое распространение Internet, используемого для ДО.

Во всем мире наблюдается увеличение числа студентов, обучающихся по ДО-технологиям, растет число вузов, использующих ДО, создается большое число международных образовательных структур. Современное образование становится синтезом содержания и технологий обучения [1].

Важность проблем ДО для российского образования обусловлена огромной территорией страны, неравномерностью в распределении академических центров и высокой концентрацией квалифицированных педагогических коллективов в больших городах. С появлением ДО для людей, занятых в промышленности, возникла возможность получения дополнительного образования без отрыва от производства [2].

Особое значение ДО имеет для академических школ. Система дистанционного обучения (СДО) может быть одним из способов передачи знаний из академических центров страны в регионы.

Концепция дистанционного обучения не является новым открытием для высшей и средней школы России. Огромный опыт, накопленный в заочной и экстернатной формах обучения, стал основой для развития дистанционного обучения. Такие заслуженные школы как ЗФТШ при МФТИ [3], заочная школа МИФИ и многие другие накопили огромный опыт в преподавании и доказали важность этих форм обучения.

Существующие СДО главным образом предназначены для преподавания гуманитарных дисциплин и не учитывают специфики преподавания естественных наук. Использование таких СДО для преподавания фундаментальных наук является неэффективным. Вопрос о разработке новых технологий ДО для обучения дисциплинам физико-математического цикла следует сегодня признать мало исследованным.

Как известно, физика является экспериментальной наукой, поэтому при построении СДО необходимо широко использовать компьютерное моделирование физических процессов, В данной работе компьютерное моделирование в системах ДО рассмотрено в работе на примере задач когерентной оптики. Компьютерное моделирование в оптике традиционно основывается на математическом аппарате, базирующемся на разложении светового поля как по сферическим, так и по плоским волнам.

Разложение по плоским волнам, составляющее предмет исследования Фурье-оптики, является альтернативой принципу Гюйгенса - Френеля, основанного на разложении по сферическим волнам. Математический аппарат, необходимый для представления светового поля в виде суперпозиции плоских волн, опирается в значительной мере на преобразование Фурье. Эта задача решается в компьютерном моделировании с помощью использования алгоритма быстрого Фурье - преобразования (БФП) [4].

В работе рассмотрены проблемы построения математической и компьютерной модели физических процессов, рассматриваемых в Фурье-оптике. В настоящей работе описана теория и приведены алгоритмы для компьютерного моделирования таких явлений как саморепродукция, многофокусная оптическая система, согласованная оптическая фильтрация и ее применение к задаче распознавания образов.

Рассмотрены ограничения в компьютерной реализации данных явлений. В работе описана программная реализация этих моделей физических экспериментов.

Проведен анализ компьютерных моделей для процессов с точки зрения их использования в системах ДО. Рассмотрена структура СДО и взаимодействие различных компонент СДО.

В последнее время все большее значение в ДО приобретают групповая работа и совместные дистанционные исследовательские проекты. Изложены существующие схемы построения дистанционных исследовательских проектов и проведен их сравнительный анализ. На примере задач Фурье-оптики рассмотрена схема построения дистанционного исследовательского проекта.

Таким образом разработка новых технологий ДО на основе последних компьютерных сетевых технологий и Internet является, безусловно, актуальной задачей. Разработка интерактивных систем для дистанционного обучения и компьютерного моделирования физических процессов - важное современное направление исследований, имеющее как прямое прикладное, так и теоретическое значение.

При постановке данной работы планировалось проведение теоретических исследований, реализация основных технологических решений систем ДО для работы в глобальных сетях и разработка действующей модели ДО на примере задач когерентной оптики.

Развитие технологий и концепций ДО - комплексная проблема, требующая системного подхода, у нее есть много организационных, правовых и экономических аспектов. В данной работе рассмотрен только технологический аспект этой проблемы в приложении к преподаванию естественных наук. При этом рассматриваются только сетевые компьютерные технологи ДО.

Выводы

Перечислим основные результаты, полученные при выполнении настоящей работы.

1. Проведен анализ основных функций систем дистанционного обучения (СДО), предназначенных для обучения естественнонаучным дисциплинам и использующих компьютерные сетевые технологии. Показана важность использования компьютерного моделирования в дистанционном обучении и необходимость интеграции всех компонентов СДО.

2. Разработана общая структура системы дистанционного обучения для дисциплин естественнонаучного цикла. Предложенная структура системы дистанционного обучения, отличается от существующих аналогов СДО использованием компьютерных моделей и тестирующих приложений как клиентских программ, взаимодействующих с сервером системы дистанционного обучения. Все подсистемы в предложенной схеме СДО взаимодействуют с помощью системы администрирования, что обеспечивает единый контроль доступа к ресурсам СДО. Разработанная в данной работе структура СДО обладает централизованной системой хранения данных. Отличительной чертой предложенной СДО является наличие системы ведения проектов (СВК) для организации дистанционных исследовательских проектов.

3. Показано, что для реализации системы дистанционного обучения и использования интерактивных учебных программ, СДО должна базироваться на клиент-серверной вычислительной модели. На основе анализа различных технологий предложены технологические решения для реализации прототипа СДО. В работе использованы масштабируемые Internet-технологии для реализации таких программных блоков системы, как сервер баз данных, приложение-клиент, приложение-сервер WWW. В качестве клиента СДО может использовать WWW-браузер, поддерживающий Java JDK 1.1. Прототип СДО реализован с использованием приложений, работающих в операционных системах Unix (Linux) и Windows NT Server.

4. В работе рассмотрена роль интерактивных учебных моделей экспериментов и их возможности для демонстрации модели натурного физического эксперимента. Выделены функции и разработана схема структуры учебной компьютерной модели. Для программной реализации данной части СДО использована технология Java. Сделан вывод, что наличие программного интерфейса в обучающих программах является необходимым условием для их эффективного использования в дистанционном обучении. Предложена программная реализация учебных моделей, основанная на использовании библиотеки OBJava. Данная библиотека объектов обеспечивает разработку программ с единым интерфейсом пользователя, содержит развитые средства организации сообщений между частями учебной компьютерной модели.

5. Для организации дистанционных контрольных работ разработаны тестирующие и тренирующие приложения (ТТП). Предложена проверка различного типа ввода ответа пользователем. Для программной реализации ТТП использован язык Java. Рассмотрена организация режимов дистанционной лабораторной и контрольной работ на основе взаимодействия интерактивных учебных моделей, тестирующих и тренирующих приложений с другими частями СДО.

6. В качестве примера использования интерактивных учебных моделей в СДО рассмотрен ряд явлений Фурье-оптики. Проанализирована математическая модель данных явлений. Разработана алгоритмическая модель, которая базируется на алгоритме быстрого Фурье-преобразования.

7. Разработаны интерактивные учебные программы, моделирующие явление саморепродукции, многофокусную систему, задачу согласованной фильтрации и распознавания образов. Рассмотрены ограничения применимости компьютерных моделей, связанные с дискретным характером вычислений. Проведенный анализ алгоритмической и программной реализации явлений Фурье-оптики позволил уточнить границы применимости методов моделирования на основе быстрого Фурье-преобразования, а также выявить ряд эффектов, несвойственных для натурного эксперимента. Рассмотрены способы устранения этих эффектов.

8. С помощь созданных учебных моделей исследованы различные явления когерентной оптики. Установлена высокая степень согласия компьютерного эксперимента с теорией. Использование компьютерного моделирования позволяет визуализировать фазу оптического поля, а также моделировать оптические фильтры сложной конфигурации.

9. Разработана схема структуры системы дистанционного обучения, которая позволяет организовать дистанционные лабораторные и контрольные работы для студентов, работающих на компьютерах, объединенных в локальную или глобальную вычислительную сеть. Вся информация о работе студентов, работающих в СДО через сеть Internet, фиксируется в СДО. Результаты работы учащихся могут быть представлены преподавателю в удобном виде. Система администрирования обеспечивает контроль доступа всех пользователей СДО.

10. На основе разработанной структуры СДО создан действующий прототип системы дистанционного обучения по когерентной оптике. Созданная СДО обладает развитыми средствами администрирования и организации дистанционных коммуникаций между участниками учебного процесса. На примере курса по Фурье-оптике рассмотрена работа студентов с учебными материалами, системой коммуникации и другими частями СДО. Разработанная действующая модель системы дистанционного обучения по когерентной оптике может быть использована для организации лабораторного практикума по данной теме. Возможности созданного прототипа СДО показали эффективность предложенной в данной работе структуры системы дистанционного обучения и используемых в ней интерактивных учебных моделей физических явлений.

В заключении считаю своим долгом выразить глубокую благодарность С.М. Козелу, Г.Р. Локшину, H.H. Соболевой за постоянное внимание, помощь и поддержку при выполнении данной работы, а также М.В. Богатырева за помощь в выполнении программной части работы.

1. Концепция создания и развития единой системы дистанционного образования в России.// В Бюллетене "Проблемы информатизации высшей школы информатизации высшей школы", 1995, № 3.

2. Андреев A.A. Введение в дистанционное обучение // Материалы IV Международной конференции по дистанционному обучению, Москва, 1997.

3. Певзнер П., Трухан М. Заочная школа при МФТИ // Квант, 1989, № 12, с. 68-70.

4. Рабинер Л., Гоулд Б., Теория и применение цифровой обработки сигналов. // Пер. с англ. Москва, Мир, 1978

5. Алексеенко Е.А., Довгялло A.M., Платонова Б.А. Система программирования обучающих курсов. Киев: Вища школа, 1981.

6. Шаталов В.Ф. Эксперимент продолжается. М.: Сталкер, 1998.

7. Эрдниев П., Эрдниев Б. Укрупнение дидактических единиц в обучении математике-Москва, 1986

8. Халамайзер A.B. Из опыта работы Хазанкина // Математика в школе, 1987, № 4

9. Филиппов E.H. Программная инженерия и педагогические программные средства. В сб. Системы и средства информатики. Вып.8.-М.: Наука. Физматлит, 1996.

10. Суходольский Г.В. Основы психологической теории деятельности. Л.: Изд. Ленинградского ун-та. 1988.

11. Беспалько В.П. Программированное обучение (дидактические основы). М.: Высшая школа, 1970.

12. Обучающие машины, системы и комплексы. // Справочник под ред. А.Я. Савельева. Киев: Высшая школа, 1986.

13. Пышенкина Е.А. "Автоматизированная система проверки знаний студентов". Материалы научно-методической конференции Новые информационные технологии в учебном процессе, Минск, 1994, с. 87-88.

14. Александров Г.Н. Программированное обучение и новые информационные технологии обучения // "Информатика и образование", 1993, с. 7.

15. K.R.Murphy, C.O.Davidshofer "Psychological testing", L.-N.Y.:Prentice Hall, 1991.

16. Клайн П. Справочное руководство по конструированию тестов. Киев, 1994.

17. Конюхов Н.Ю., Шаккум М.Л. "Акмеология и тестология".-М.: Российский салон, 1996.

18. Родионов Б. У., Татур А.О. Стандарты и тесты в образовании. М.: МИФИ, 1995.

19. Аванесов B.C., Основы научной организации педагогического контроля в высшей школе. М.: МИСиС, 1989.

20. Анастези А., Психологическое тестирование. М.: Педагогика, 1982.

21. Хусаинов Т. Ж., Хусаинова 3. И. Живая Геометрия: Руководство для учителя. М.: ИНТ, 1997.

22. Рубашкин Д. Д. Мультимедиа в школе: Учебно-методическое пособие. М.: ИНТ, 1996.

23. Бронфман В. В., Шапиро М. А. Серия "Живая Физика": Электростатика. Методическое пособие. М.: Институт новых технологий образования, 1997.

24. MaryHuel-Fen Wu, С. Dianne Martin. An Exploratory Study of Users Media Preference in a Public Setting // Journal of Educational Multimedia and Hypermedia, 1997, vol 6. № 1.

25. Сопрунов С. Ф., Щеглова О. В. Logo Writer: Справочное пособие // М., ИНТ, 1997.

26. Семенов А. Л. Информатика в российской средней школе: // Доклад на пленарном заседании II Международного конгресса ЮНЕСКО "Образование и информатика" // Информатика и образование, 1996, №5, с. 29-32.

27. Хатхоху М.Н., Валькман Ю.Р., Компьютерные технологии обучения в школе. Киев: Кит, 1995.

28. Полякова Т.М. и др. Разработка обучающих курсов в среде мультимедиа. Материалы 2-й и 3-П конференции по ДО. -М.: МЭСИ. 1997, с. 99-107.29.32,33,34,35,36,37,38.