автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методы и средства автоматизации разработки электронных образовательных ресурсов для вариативного изучения физики

На правах рукописи

Чирцов Александр Сергеевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ РАЗРАБОТКИ ЭЛЕКТРОННЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ ДЛЯ ВАРИАТИВНОГО ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКИ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (образование)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2014

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный консультант: доктор техн. наук, профессор

Стафеев Сергей Константинович

Официальные оппоненты: Троян Владимир Николаевич

доктор физ.-мат. наук, профессор, СПбГУ

Ссниченков Юрий Борисович,

доктор техн.наук, профессор Институт информационных технологий и управления СПбГПУ

Водихо Александр Иванович,

доктор техн. наук, профессор, СПбГЭТУ

Ведущая организация: Национальный минерально-сырьевой

университет «Горный»

Защита состоится 30 декабря 2014 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.06 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, конференц-зал центра Интернет-образования.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49 и на сайте tppo.itiTW.ru .

Автореферат разослан «_» _ 201_года.

Ученый секретарь диссертационного совета К. ф.-м. н., доцент

Ж

Лобанов Игорь Сергеевич

;;;,L.iuioilka

701 Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования

Во второй половине XX столетия произошел беспрецедентной по своим масштабам и значимости технологический скачок, результатом которого явилось появление компьютерных технологий, последствия которого уже сейчас воспринимаются как судьбоносные в масштабах всей цивилизации. Появление компьютеров и связанных с ними современных информационных, сетевых, телекоммуникационных и мультимедийных технологий за рекордно короткие сроки (около двух десятилетий) привело к принципиальным изменениям практически всех сторон жизни и деятельности общества. Если в докомпьютерную эпоху автоматизация, как одна из важнейших составляющих общечеловеческого прогресса, была направлена главным образом на решение задач замены человека в наиболее простых, но требующих физического напряжения однообразных операциях, то современные компьютерные технологии открывают пути для автоматизации многих видов интеллектуальной деятельности.

В настоящее время употребление термина «автоматизация» в применении к производственным процессам, проектированию, планированию, управлению и даже к научным исследованиям, как правило, не встречает возражений. В то же время выражение «автоматизация обучения» на современном этапе у многих участников образовательного процесса вызывает настороженное отношение. В этом кроется одна из причин сравнительно медленного внедрения компьютерных технологий в реальную практику учебного процесса, несмотря на то что теоретические дискуссии 80 - 90х годов о целесообразности использования компьютера в предметном обучении на сегодняшний день уже потеряли свою актуальность. Существенная заслуга в практической демонстрации оправданности применения компьютерных технологий в обучении принадлежит физике, выступившей в период компьютеризации в качестве своеобразного полигона для апробаций идей использования компьютерных технологий в обучении.

Сегодня бурно развивающиеся информационные, телекоммуникационные, сетевые и мультимедийные технологии все чаще предлагают практически всем сферам человеческой деятельности, включая систему образования, вызовы в форме новых технических решений и разработок. Правильной тактикой «потребителя» в этом случае является не отказ от таких предложений и не попытки их безоговорочного внедрения, а внимательная работы по селекции тех предложений, которые действительно эффективны для конкретного поля деятельности. В этой важной деятельности на поле действенной организации информационного сопровождения, компьютеризации и автоматизации учебно-научной деятельности физика сохранила свои лидирующие позиции.

При этом приходится признать, что, начиная с последней четверти XX века, внутренняя ситуация в области фундаментального физического образования, а также в смежных областях естественнонаучного и инженерно-технического образования складывается отнюдь не благоприятно. С одной стороны, революционный прогресс в области компьютерных технологий, микробиологии, нанотехнологий предопределяет острую потребность общества в специалистах, обладающих фундаментальным физико-математическим образованием, готовых работать в физике и смежных с ней междисциплинарных областях. С другой стороны, популярность физики и точных наук катастрофически падает не только в России, но и в большинстве стран, внесших основной вклад в их развитие. В результате падения спроса со стороны обучаемых уровень преподавания дисциплин физико-математического профиля постепенно падает и приближается к черте, ниже которой проблематичной оказывается не только работа выпускника в области исследований и преподавания, но и в высокотехнологичных производственных сферах, активно использующих достижения фундаментальной и прикладной науки. Безусловна популярность Computer Science, в определенной мере порожденной точными науками, частично способствует оттоку перспективной молодежи

из сферы физико-математических наук. В описанной ситуации кажется оправданной постановка вопроса об эффективном использовании компьютерных технологий в интересах поддержки и интенсификации современного физико-математического образования и распространении результатов этих работ на всю область естественнонаучного образования.

Предпосылкой для успешного решения поставленного вопроса является утвержденный в 2010г. Приказом Министерства образования и науки Российской Федерации государственный образовательный стандарт основного общего образования (ФГОС) и касающиеся высшего образования сходные документы федерального и отраслевого уровней, регламентирующие современные требования к структуре образовательных программ, условиям их реализации и результатам их освоения. В текстах нормативных документов содержатся требования обеспечения компетентностного и индивидуализированного подхода к обучению молодежи и указывается на необходимость развития новых методик обучения и инноваций в образовательной сфере.

Таким образом, одной из стратегических задач, поставленных сегодня перед системой образования России, является переход к массовому индивидуализированному и практико-орнентированному обучению, подразумевающему увеличение доли самостоятельной, активной работы учащихся по освоению теоретического материала и приобретения ими ориентированных на будущую трудовую деятельность компетенций. Необходимость решения этих весьма интеллектуально и ресурсоемких задач полностью соответствует сегодняшним объективным потребностям физического образования и интересам потенциальных работодателей. Последнее означает необходимость поиска реалистичных путей для их решения. Современные компьютерные и информационные технологии могут и должны стать надежной базой для организации такой деятельности и обеспечения ее информационного и методического сопровождения. Полем для апробации и стандартизации таких работ может и должна выступить система фундаментального физического образования, имеющая опыт инновационной деятельности по изучению и внедрению электронных методов обучения и объективно заинтересованная в таком внедрении.

Таким образом, общая стратегия развития образования в России, долгосрочные потребности в подготовке специалистов различных профилей с фундаментальным базовым образованием и конкретные интересы сохранения традиций и устойчивого развития Российской школы физико-математического образования делают актуальной настоящую работу, посвященную поиску и апробациям новых вариантов автоматизации разработки электронных образовательных ресурсов, адаптируемых к индивидуальному уровню подготовки и запросам пользователя, созданию соответствующих программных средств, допускающих возможность использования лицами, не являющимися профессионалами в области программирования, и внедрению этой электронной продукции в реальный учебный процесс.

Вопрос о степени разработанности выбранной области исследования весьма неоднозначен. С одной стороны, практика активных попыток разработки электронных образовательных ресурсов (ЭОР) в России и за рубежом имеет уже почти тридцатилетнюю историю, что позволяет ставить вопрос о систематизации сделанного. С другой стороны, в настоящее время весьма настойчиво звучит мнение о том, что надежды на быстрый и экономически привлекательный эффект от внедрения информационных и цифровых технологий в образование себя не оправдали. Последнее привело к заметному снижению массового увлечения этой сферой. Одной из причин низкой результативности завершающегося этапа компьютеризации предметного обучения оказалась попытка дублирования электронными средствами традиционных форм учебного процесса и автоматизации самого процесса обучения. При этом без должного внимания осталась проблема поиска и внедрения таких вариантов использования новых технологий, которые дополняют традиционный процесс обучения новыми, ранее недоступными формами.

Автоматизация и компьютеризация традиционных форм учебной деятельности у ее субъектов (и учащихся, и преподавателей) часто ассоциировались с попытками стандартизации и деиндивндуалиэации учебного процесса. Отличительной чертой выбранной области исследования является поиск вариантов автоматизации не самого образовательного процесса, а работ по созданию его информационного обеспечения, которые, в случае перехода к массовому индивидуализированному обучению, неизбежно становятся весьма ресурсоемкими. Степень разработанности указанной области весьма низкая. Имеющиеся немногочисленные программные среды и оболочки, ориентированные на создание интерактивных электронных образовательных ресурсов по естественнонаучным дисциплинам, весьма ресурсоемки и, как правило, требуют для своего использования серьезной . предварительной подготовки разработчиков-предметников. Отличительной чертой развиваемого в настоящей работе подхода является поиск вариантов создания достаточно универсальных средств автоматизации, допускающих возможность их удаленного использования непрофессионалами на работающих в удаленном on-line режиме не обладающих высокой производительностью широкодоступных компьютерах. Указанная область в настоящее время разработана недостаточно.

Цели и задачи настоящего исследования вытекают из анализа инициировавших его причин. Целью исследования является поиск и развитие путей информационного обеспечения углубленного физического образования путем создания и развития методов и средств автоматизации разработки электронных образовательных ресурсов для сопровождения вариативного изучения физики.

Основная цель исследования достигалась в результате решения следующих задач:

• выявление общих тенденций развития электронных образовательных ресурсов и их использования для сопровождения учебного процесса в конкретной предметной области;

• анализ имеющихся классификаций электронных образовательных ресурсов и дополнение или совершенствование классификаций в случае необходимости;

• выделение наиболее перспективных и востребованных в обучении физике типов электронных образовательных ресурсов, анализ их наиболее важных с точки зрения использования в обучении свойств; разработка вариантов развития этих ресурсов;

• изучение системы требований, предъявляемых к электронным образовательным ресурсам; анализ ее применимости для выделенных перспективных типов; модификация и дополнение системы требований с учетом практики использования рассматриваемых ресурсов;

• формулировка концепции использования образовательных ресурсов и разработка конкретных алгоритмов их построения;

• анализ возможностей автоматизации создания предложенных типов электронных образовательных ресурсов и разработка алгоритмов функционирования средств автоматизации;

• создание новых электронных образовательных ресурсов с целью апробации реализованных алгоритмов и методов их автоматизированной разработки, оценки универсальности этих методов, качества создаваемых с их помощью ресурсов и проверки возможности эффективного использования последних в реальном учебном процессе;

• осуществление тестового внедрения средств автоматизированной разработки электронных образовательных ресурсов и созданной с их помощью продукции в реальный учебно-научный процесс на его различных уровнях; выработка рекомендации по использованию новой учебной продукции;

• анализ путей дальнейшего развития выполненного исследования и совершенствования разработанной продукции.

Научная новизна исследования заключается в том, что в ходе его проведения сформулированы отличающиеся от традиционных и опубликованных в литературе концептуальные положения и получены следующие результаты:

• предложен новый вариант 3D - микроклассификации электронных образовательных ресурсов, включающей в себя неинвариантные по предметной принадлежности признаки, необходимые для однозначного позиционирования ресурса внутри соответствующей области знаний;

• предложены количественные критерии целесообразности использования различных типов электронных образовательных ресурсов в обучении физике, построенные на количественных оценках их значимости как для традиционной образовательной деятельности, так и для обеспечения развития активных форм обучения, и критерии значимости типов электронных ресурсов с точки зрения принятия решения о создании средств автоматизации их разработки;

• предложена концепция трансформации компьютерного моделирования, как одного из наиболее эффективных видов интерактивной электронной поддержки обучения физике, в близкую к предельному уровню интерактивности качественно новую форму электронных конструкторов виртуальных физических моделей, сочетающих в себе функции обеспечения активных форм изучения физики и автоматизации разработки ЭОР для обеспечения массового индивидуализированного предметного обучения;

• предложен новый подход к автоматизированному созданию интерактивных моделирующих программ, основанный на адаптирующихся к специфике виртуальных физических систем алгоритмах, использующих методы объектно-ориентированного программирования, самонастраиваемые процедуры итерационного интегрирования уравнений движения элементов этих систем и автоматическую генерацию новых поколений объектов;

• продемонстрирована возможность использования адаптирующихся алгоритмов для автоматической генерации интерактивных апплетов, осуществляющих численные симуляции широкой номенклатуры физических систем и явлений, соответствующей всем основным разделам программ курсов классической физики;

• продемонстрирована возможность эффективного использования интерактивных средств численного моделирования физических систем для организации междисциплинарных форм непрерывного, углубленного и сбалансированного обучения физике, математике и Computer Science на трех уровнях обучения: довузовского, бакалавриата и магистратуры;

• предложены варианты использования стереоскопических технологий для 3D-внзуализаций результатов работы электронных конструкторов и порождаемых ими трехмерных и многомерных виртуальных систем, включая четырехмерное пространство-время;

• предложен вариант использования электронных конструкторов и численного моделирования для организации новых видов гибридных лабораторных и компьютерных практикумов, включающих в себя наряду с учебной составляющей элементы научных исследований;

• предложен механизм раннего привлечения учащихся к научным исследованиям, основанный на сочетании экспериментальной работы на автоматизированных лабораторных установках и элементов теоретического анализа изучаемого явления, осуществляемого с помощью интерактивных средств численного моделирования физических систем;

• на основе анализа и сопоставления с экспериментальными и теоретическими данными результатов объектно-ориентированного моделирования получены результаты, представляющие интерес для фундаментальной физики газового разряда: предложен новый механизм интеркомбинационных электронных столкновительных переходов и продемонстрировано возникновения нового эффекта нарушения приближения амбиполярности в нелокальной двумерной плазме;

• на основе результатов выполненного комплексного численного моделирования нелокальной плазмы микроразряда в гелии обоснована возможность реализации и получены условия применимости нового метода детектирования газовых примесей, основанного на предложенных принципах электронной столкновительной спектроскопии.

Теоретическая и практическая значимость работы Теоретическая значимость выполненного исследования состоит:

• в разработке концепции использования интерактивных электронных образовательных ресурсов в индивидуализированном обучении физике в целях обеспечения увеличения доли активной исследовательской деятельности обучаемых;

• в обоснования на ее базе необходимости развития электронных конструкторов виртуальных физических систем как программных сред двойного назначения: многофункциональных ресурсов для сопровождения поисковой компоненты учебного процесса и, одновременно, средств автоматизации разработок интерактивных численных моделей изучаемых физических систем и явлений;

• в разработке принципов объектно-ориентированного моделирования применительно к сложным физическим системам для построения адаптируемых алгоритмов, обеспечивающих автоматическую (не требующую корректировки программного кода) генерацию самонастраиваемых процедур.

Результаты исследования были доведены до практической реализации, к основным итогам которой следует отнести:

• создание трех базовых программ-конструкторов, обеспечивающих автоматизацию разработки интерактивных демонстраций по всем изучаемых в рамках программ среднего образования и блоков общих дисциплин высших учебных заведений (университетов) разделам курсов классической физики;

• создание коллекций электронных интерактивных демонстраций и задач для мини-исследований в курсах физики средних и высших учебных заведений;

• разработку алгоритма создания интеллектуальной оболочки обучающего тестирования, обеспечивающей автоматизированную генерацию заданий и организацию проверки их выполнения тестируемым в форме, максимально приближенной к диалогу между экзаменатором и учащимся;

• создание двух серий электронных сборников авторских мультимедийных обучающих ресурсов для средних и высших учебных заведений, содержащих, помимо интерактивных электронных образовательных ресурсов, новые типы электронного контента: гибридного видео, стереоскопических ЭИ-визуализаций и мультимедийных описаний физического практикума;

• внедрение и массовая апробация созданных ЭОР в рамках авторской образовательной программы «Физика и компьютер» для организации интенсивного обучения школьников по междисциплинарному курсу сбалансированного изучения физики, математики и компьютерных технологий;

• внедрение и массовая апробация созданных ЭОР в рамках подготовки бакалавров по образовательному направлению «Прикладные математика и физика».

базирующемуся на инновационных методиках обучения, закрепление в Федеральном Государственном образовательном стандарте;

• результаты применения средств автоматизированной генерации объектно-ориентированных моделей физических систем для трансформации активной познавательной деятельности в самостоятельные научные исследования:

• доказана возможность эффективного использования электронных конструкторов и сборников мультимедийных ресурсов для сопровождения дистанционного обучения, реализуемых по МООС-технологиям.

Методология и методы исследования

В качестве методологической основы исследования на общенаучном уровне был использован системный подход, позволивший позиционировать выбранную цель выполняемого цикла работ в общей системе проблем и задач, решаемых в области технического и информационного сопровождения подготовки специалистов, и в ее конкретных реализациях, касающихся использования компьютерных технологий для повышения эффективности естественнонаучного образования.

На конкретном уровне разработки подходов к созданию обладающих большой универсальностью алгоритмов конструирования и численного моделирования виртуальных систем использован естественный для выбранного направления исследований подход, основанный на современной физической картине мира, допускающей возможность сведения всего многообразия систем и явлений классической физики к совокупностям большого, но ограниченного числа элементарных объектов («частиц») и переносчиков взаимодействий между ними. Наличие весьма ограниченных наборов типов таких объектов и взаимодействий между ними обеспечило возможность реализации идеи автоматизированного конструирования виртуальных систем - аналогов простейших реальных физических объектов и явлений, представляющих собой интерактивные компьютерные симуляции. Для расширения возможностей создаваемых конструкторов моделей классической физики и при моделировании низкотемпературной плазмы частично использовались идеи и методы релятивистской физики и квантовой механики.

В ходе создания алгоритмов электронных конструкторов и осуществления их программной реализации использованная идеология конструирования сложных систем из их простых элементов естественным образом потребовала использования методов объектно-ориентированного программирования. Знакомство с этими методами на начальных этапах исследования привела к формированию реализованного в работе подхода, общая методология которого весьма близка к формирующимся в настоящее время концепциям объектно-ориентированного моделирования.

При разработке вопросов, связанных с наполнением разработанных электронных средств конкретным информационно-учебным содержанием, ориентированным на различающихся по уровням подготовки и мотивации учащихся, использовались развитые в педагогических науках деятельностный, компетснтностный и личностный подходы. На основе этих подходов был осуществлен синтез целостной концепции методической разработки и содержательного наполнения созданных электронных сборников. При выполнении теоретической части исследования были использованы:

• концептуальный и сравнительный анализ имеющихся в монографиях, учебниках и периодических изданиях материалов по методам численного моделирования сложных систем, использованию идеологии и методов объектно-ориентированного программирования и содержащиеся в педагогической и методической литературе данные по вопросам использования электронных обучающих ресурсов в образовании;

• анализ нормативно-законодательных документов, государственных образовательных стандартов, учебных программ и учебных пособий по проблемам внедрения и использования электронных ресурсов в образовании;

• изучение методов решения задач подготовки интерактивных образовательных

ресурсов по физике с использованием доступных электронных средств разработки.

На эмпирическом уровне использовалась:

• апробация создаваемых электронных ресурсов в реальном учебном процессе и в

практике привлечения учащихся к научным исследованиям;

• верификация правильности работы разрабатываемых алгоритмов на специальных

тестовых задачах.

Положения, выносимые на защиту

1. Основанное на предложенной классификационной схеме типов ЭОР утверждение о перспективности автоматизации разработок гибридных (интегрированных) электронных образовательных ресурсов, обязательной частью которых должны быть построенные на принципах объектно-ориентированного моделирования программы («компьютерные симуляции») с максимально-высоким уровнем интерактивности.

2. Положенная в основу разработки конкретной учебной электронной продукции и средств ее автоматизированного создания система дополнительных (специфических для предметной области) требований к ЭОР по физике, вытекающих из общих (частично противоречивых) требований к учебным ресурсам, специализированных микроклассификаций и практики учебного процесса.

3. Вывод о целесообразности разработки автоматизированных универсальных средств создания интерактивных компьютерных моделей по физике (электронных конструкторов виртуальных физических систем), представляющих дополнительный интерес с точки зрения их использования в качестве учебных ресурсов, обладающих высоким уровнем интерактивности.

4. Разработанная с учетом современных потребностей системы образования и практики создания учебных демонстраций по физике концепция простых в использовании и допускающих коллективный удаленный доступ программ-конструкторов интерактивных численных моделей физических систем.

5. Подтверждаемый созданием используемой на практике программной продукции вывод о возможности автоматизированной генерации интерактивных компьютерных демонстраций (численных моделей физических систем и процессов), основанных на адаптирующихся к их специфике алгоритмах, базирующихся на методах объектно-ориентированного программирования и использующих самонастраиваемые процедуры итерационного интегрирования уравнений движения и автоматического создания новых поколений объектов.

6. Разработанные адаптируемые алгоритмы моделирования временной эволюции виртуальных физических систем, представимых совокупностями взаимодействующих частиц, движущихся во внешних силовых полях; семействами непараксиальных лучей, распространяющихся в трехмерных оптических системах, составленных из поверхностей второго порядка, однородных и неоднородных сред и объектов-визуализаторов; совокупностями графических примитивов источников электрических и магнитных полей и создаваемых ими силовых линий и потенциальных поверхностей.

7. Модель и алгоритм универсального электронного конструктора виртуальных физических систем, объединяющего предшествующие разработки и допускающего организацию взаимодействий между создаваемыми подсистемами и открытого для расширения на смежные области знаний.

8. Вывод о возникновении кумулятивного эффекта повышения качества освоения учебного материала учащимися за счет использования различных каналов восприятия учебной информации и подключения активных форм индивидуализированного обучения, подкрепленный результатами освоения

образовательных программ студентами направления «Прикладные математика и физика».

9. Вывод об эффективности использования электронных конструкторов как средств автоматизированной разработки объектно-ориентированных моделей физических систем и явлений для трансформации активной познавательной деятельности учащихся в самостоятельные научные исследования.

10. Демонстрация возможности эффективного использования электронных конструкторов и сборников мультимедийных ресурсов для сопровождения дистанционного обучения, реализуемых по МООС-технологиям.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов проведенного исследования обеспечиваются: всесторонним анализом проблемы исследования; опорой на методологию современной физики и физического образования; использованием методов исследования, адекватных поставленным задачам.

Правильность работы созданных алгоритмов и их программных реализаций обеспечивается:

• использованием обоснованных и апробированных численных методов решения дифференциальных уравнений и организации самонастраивающихся итерационных процедур;

• сопоставлением результатов численного моделирования, осуществляемого генерируемыми электронными конструкторами интерактивными апплетами, с аналитическими расчетами поведения моделируемых систем, в тех случаях, когда расчеты оказываются возможными;

• сопоставлением результатов численного моделирования, осуществляемого генерируемыми электронными конструкторами интерактивными апплетами, с результатами численных экспериментов других авторов и реальных физических экспериментов в случаях, когда системы не допускают аналитического описания;

• постановкой специальных «тестовых численных экспериментов» по изучению поведения виртуальных систем в случаях, представляющих наибольшую сложность с точки зрения корректности выполнения процедур численного моделирования;

• длительностью использования созданной электронной продукции в очных и дистанционных учебных процессах, реализуемых в различных учебных заведениях, и подразумевающих независимую работу с ней большого числа пользователей;

• использованием результатов численного моделирования в качестве иллюстративного материала в двух учебных пособиях, ежегодно используемых более чем 200 студентами на протяжении последних 5 лет.

Апробация диссертации заключается в том, что теоретические положения, материалы и результаты исследования опубликованы в 19 статьях журналов из списка ВАК, в 4 статьях в международных высокорейтинговых журналах, 6 учебных и учебно-методических пособиях, доложены на 68 научных и научно-методических конференциях международного и всероссийского уровней:

• VIII - XX Международные конференции «Физика в системе современного образования» (г. Сочи, 1993; г. Петрозаводск, 1995, 2013; г. Волгоград, 1997, 2011, г. Санкт-Петербург, 1999, 2003, 2007, 2009 ; г. Ярославль, 2001);

• II, IX, XI, XXI Всероссийских научно-методических конференциях «Телематика» (1996, 2002, 2004,1914 гг.);

• XX Всероссийской конф. «Преподавание информационных технологий в Российской Федерации» 16-18 мая, 2012г. Москва.

• IX Международной научно-практическая конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 22-23 апреля 2010 года, г. Санкт-Петербург, т.1, с.277-278, 2010

• XXXVII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы.

г.Звенигород,

• Engineering Conferences International "Fundamentals and Applications of

Microplasmas" March 1-6, 2009, San Diego, California, USA.

• International Symposium on Topical Problems of Nonlinear Wave Physics. NWP-2.

Physics of Extreme Light, Nizhny Novgorod, 2008

• XIII University Fundamental Course Forum. China, Uhun„2007

и включены в текст Федерального государственного образовательного стандарта по направлению «Прикладные математика и физика».

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность выполненного исследования и поиска вариантов решения задач автоматизации подготовки интерактивных ЭОР для обеспечения перехода к массовому индивидуализированному обучению, основанному на усилении творческой компоненты участия субъектов в образовательном процессе, и использования результатов в конкретной области вариативного изучения физики. Сформулированы цель и задачи исследования; определены методологические и теоретические основы и методы исследования, раскрыты новизна, теоретическая и практическая значимость работы; представлены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации и внедрении результатов исследования.

Первая глава диссертации посвящена анализу этапов развития ЭОР, типам их классификации и требованиям к современным методам автоматизации учебного процесса. В рамках ретроспективного анализа этапов компьютеризации образования в России дается обзор развития различных электронных и информационных технологий и вариантов их использования в обучении [58, 59]. На протяжении всей истории внедрения компьютеров в обучение область преподавания физики выступала в виде своеобразного полигона для апробации и внедрения новых идей и инноваций в этой области.

При анализе первого этапа информатизации, главной задачей которого была организация массового обучения основам компьютерной грамотности, рассмотрены первые эксперименты по использованию компьютеров в обучении в предметных областях, не связанных с информатикой и Computer Science. На примере цепи развития текстовых ЭОР по схеме «электронные тексты - электронные библиотеки - гипертексты -электронные тесты» [51 ] проиллюстрирована основная тенденция эволюции электронного учебного контента: от простых электронных аналогов традиционной учебной продукции в направлении повышения интерактивности [59].

Другая ветвь развития ЭОР в первый период компьютеризации берет начало с пионерских работ С.М.Козела и Е.И.Бутикова в области численного моделирования изучаемых физических процессов. Первые удачные учебные электронные демонстрации продемонстрировали принципиально новые возможности компьютерных моделей (симуляций) [31, 33]. Начались попытки создания простейших электронных учебников, объединяющих гипертекстовые описания теории и иллюстрации к ним в виде интерактивных компьютерных симуляций [32].

В середине 90х годов в ходе превращения персональных компьютеров в общедоступные атрибуты повседневной жизни начался второй этап - компьютеризация предметного обучения. Параллельно с созданием оригинальных электронных ресурсов начали формироваться первые концепции использования компьютерного моделирования в обучении [34, 37, 39], закрепившие возникшие варианты его использования: создание анимированных аналогов традиционных иллюстраций к материалам учебников; разработка трудно демонстрируемых в реальном эксперименте симуляций явлений

природы, создание численных моделей для решения физических задач, разработка виртуальных лабораторий-практикумов. Увеличение интерактивности симуляций обусловило переход разработчиков на объектно-ориентированные языки программирования.

Технические возможности сравнительно простой оцифровки видеофрагментов и их демонстрации на персональных компьютерах обусловили возможности создания электронных библиотек учебных видеоресурсов. Создание первых локальных сетей отрыло возможности апробации интерактивного образовательного контента и реальном обучении: начался этап практического освоения сетевых технологий школами и вузами.

Третий этап внедрения автоматизированных технологий в естественнонаучное образования начался на рубеже XX и XXI веков. Переход к нему был обусловлен очередным блоком новых предложений на рынке компьютерного оборудования и информационных услуг. К последним следует отнести возрастание ценовой доступности ПК и технологий обеспечения коллективного просмотра компьютерных изображений. Однако, наиболее значимым не только для образования, но и для будущего всей цивилизации оказался прогресс в области сетевых технологий, приведший к возникновению мировой компьютерной сети. Интеграция сетевых технологий в систему образования начиналась с создания учебных сайтов по предметным областям [52, 54].

К настоящему времени практика создания образовательных Интернет-ресурсов завоевала популярность: количество ЭОР, содержащих только каталоги и ссылки на удачные образовательные порталы и сайты по физики весьма велико. Одна из наиболее полных коллекций ЭОР, ориентированных на российские образовательные стандарты по дисциплинам, размещена на федеральном портале «Российское образование».

До сегодняшнего дня подавляющее большинство размещаемых в Интернет учебных ресурсов представляет собой электронные тексты. Второе место занимают различные системы тестирования. Переход к использованию сетевых технологий для автоматизации учебного процесса потребовал изменения платформы для разработки моделирующих программ. Большинство разработчиков моделирующих обучающих программ перешло на создание интерактивных Дауа-апплетов.

Естественным развитием идеи компьютерных симуляций, допускающих возможность изменения начального состояния моделируемой системы, явился переход к «электронным конструкторам» - интерактивным моделирующим программам следующего поколения. Их отличительной чертой является возможность изменять не только количественные параметры моделируемой системы, но и ее качественный состав, а при необходимости - создавать новые модели без использования программирования.

По-видимому, одно из первых утверждений о целесообразности перехода к следующему поколению интерактивных моделирующих программ (электронным конструкторам) было сделано автором еще в начале 90-х годов, в эпоху создания первых учебных компьютерных моделей [34-36]. Тогда же был создан действующий макет интерактивной программы, позволяющий создавать на компьютере разнообразные виртуальные системы, демонстрирующие различные типы движений заряженных частиц в электрических и магнитных полях. По мере развития электронного моделирования требования к уровню интерактивности постоянно повышались, а увеличивающийся спрос на электронные демонстрации сделал актуальной задачу автоматизации их разработки. Э10 предопределило значимость электронных конструкторов, которые оказались симбиозом учебных моделирующих программ с наиболее высоким уровнем интерактивности и средств автоматизации создания электронного интерактивного контента. Использование программ-конструкторов виртуальных физических моделей открывает дополнительные возможности развития междисциплинарных форм обучения, а заложенные в них возможности объектно-ориентированного моделирования допускают поэтапное усложнение систем, что позволяет осуществлять переход от учебной к научно-поисковой деятельности.

Перечисленные преимущества нового типа электронного контента, его потенциальные возможности и весьма ограниченное число примеров удачных реализаций делает актуальной задачу исследования возможностей создания эффективных алгоритмов работы конструкторов, их программных решений и методик использования в реальном учебно-научном процессе. Весьма важной оказывается возможность автоматизация процесса разработки качественных ЭОР путем внедрения общедоступных программ-конструкторов виртуальных физических систем, ориентированных на сопровождение изучения физики на всех этапах, начиная с ознакомительных курсов и заканчивая привлечением учащихся к самостоятельным научным исследованиям.

Компьютеризация лабораторных ■ практикумов традиционно ассоциируется с автоматизированными лабораторными установками, компьютерным управлением экспериментом, сбором экспериментальных данных и их обработкой. Естественным развитием этих идей стали примеры перехода к удаленным учебным практикумам, использующим дистанционное управление установками [8, 60]. Следующим шагом развития логической цепочки автоматизации учебного лабораторного эксперимента является переход к виртуальным лабораторным работам и электронным тренажерам -компьютерным симуляциям самих лабораторных установок или технических устройств. По своей идеологии электронные конструкторы виртуальных физических систем и виртуальные лабораторные работы весьма близки, но выполняют различные методические функции: первый тип ресурсов представляет электронный аналог теоретической деятельности, второй - экспериментальной.

Четвертый (современный) этап информатизации образования в первую очередь связан с появлением технологий мультимедиа и телекоммуникаций. Система образования, настороженно отнесшаяся к сразу признанному индустрией развлечений новому блоку цифровых технологий, к настоящему времени пришла к выводу о целесообразности их использования для подключения чувственно-эмоциональных каналов восприятия, дополняющих абстрактно-логические, традиционно используемые в обучении [12, 52, 57, 71, 76, 81]. Разработчики образовательного контента получили программы качественного редактирования и монтажа аудио- и видеоресурсов, а также - средства создания трехмерной графики и анимации.

Использование телекоммуникационных технологий в обучении получило новый импульс после начала систематических Интернет-публикаций лекционных видеозаписей, положенного в 2007 году университетом Беркли. Примерно в это же время большинство ведущих университетов России начало аналогичную деятельность. Положительным оказался опыт автора по созданию цикла из 16 лекций углубленного курса элементарной физики, ставший сегодня одним из наиболее востребованных учебных видеоресурсов (1Шр:/Лу\у\у.тиш.гиЛ'1(1ео/102).

Прогресс указанных технологий ведет к постепенному исчезновению границ между реальным и удаленным общением преподавателя с аудиторией, между реальной демонстрацией и ее записью или симуляцией. Последнее требует взвешенного анализа и разработки концепции эффективного использования возможностей становящихся общедоступными технологий в интересах учебно-научного процесса.

Возникающие в результате объединения различных типов ЭОР интегрированные ресурсы получили естественное название электронных учебников и неизбежно стал сравниваться с традиционными учебниками и пособиями. Уже первые опыты создания электронных учебников [3,40] указывают на перспективность этого направления развития ЭОР: объединение на их базе традиционных видов учебной и методической продукции с принципиально новыми типами электронного контента позволяет возникновения ожидать кумулятивного эффекта в области интенсификации учебного процесса.

Обзор истории развития ЭОР завершается анализом особенностей и перспектив развития новой завоевавшей популярность технологии дистанционного образования -массовых образовательных онлайн курсов (англ. аббревиатура - МООС). Помимо

становящейся массовой популярности у МООС-технологии имеется еще одно, весьма важное преимущество - потенциальная возможность тесного интегрирования с электронными учебниками, результатом которого может стать появление технологии, объединяющей традиционные и новые подходы к обучению с возможностями мультимедиа и телекоммуникаций [97].

Наряду с актуальными задачами демократизации и индивидуализации образования, решение которых должно осуществляться на базе компьютеризации, частичной автоматизации и информатизации учебного процесса, в настоящее время повышенное внимание уделяется увеличению доли самостоятельной работы учащихся. Одним из наиболее эффективных подходов к решению этой задачи является интеграция учебной деятельности в научные исследования и инженерно-конструкторскую работу [17]. Решение комплекса проблем, возникающих в этом направлении деятельности, может быть существенно упрощено в результате использования компьютерного моделирования и частичной автоматизации поисково-исследовательского процесса.

Возникшее за рассмотренный тридцатилетний период разнообразие ЭОР и вариантов их использования требует их классификации. Определения основных типов и перечисление особенностей электронных образовательных ресурсов приведены на сайте Федерального центра электронных образовательных ресурсов (http://fcior.edu.ru). В качестве наиболее перспективных для образования ЭОР выделяются электронные учебники, к наиболее мощным по воздействию на обучаемых отнесены мультимедийные средства.

Варианты классификаций электронных обучающих ресурсов весьма разнообразны. Единого однозначного и общепринятого варианта классификации пока не существует. В зависимости от характера решаемых с их помощью задач авторы используют те или иные варианты классификации электронных цифровых обучающих ресурсов. В Главе -1 рассматриваются различные варианты классификационных систем, большинство из которых строится на базе «инвариантных» относительно предметной принадлежности ресурсов подходов. По-видимому, один из наиболее полных подходов к классификации ЭОР содержится в серии работ А. И. Башмакова, где рассматриваются проблемы систематизации информационных ресурсов для сферы образования и подходы к их решению, связанные с разработкой схемы метаданных. Описанная информационная модель метаданных формулируется как расширение концептуальной схемы Learning Object Metadata., приводятся примеры описаний реальных информационных ресурсов.

Глобальные классификации неизбежно носят несколько формализованный характер и ориентированы в первую очередь на описание учебного контента как такового, а не на процедуры поиска конкретного предметного содержания или решение задач автоматизации образовательного процесса. Очевидно, что практическое удобство использования глобальных систем классификации снижается по мере перехода к поискам конкретных ресурсов по сопровождению индивидуализированного обучения «на микроуровне». В связи с этим предлагается дополнение глобальной классификации «микроклассификациями» на предметном уровне, учитывающими специфику конкретной области. Для физики предложено два варианта дополнительной классификации: по разделам образовательных программ и по разделам физики, как развивающейся науки. Любой из таких вариантов должен учитывать основные подходы, используемые в современных инвариантных глобальных классификациях. В результате была предложена 3D- схема, классификационные контейнеры которой помимо предметной координаты характеризуются типом ЭОР и вариантами их использования в учебном процессе. Разметка каждой из трех координатных осей осуществляется с помощью деревьев, построенных на основе имеющихся в литературе данных. Очевидно, что при необходимости «размерность» схемы может быть увеличена, а в качестве любой из «координатных осей» структуры могут использоваться порождаемые онтологиями (в соответствии с запросом пользователя) деревья.

На основе полученной классификации предложен вариант количественной оцснкн относительной привлекательности различных типов ЭОР для образования (рисунок 1) с точки зрения возможности их использования в разных видах традиционной учебной деятельности (первый ряд), с точки зрения универсальности и интерактивности (второй ряд) и с точки зрения оправданности работ по созданию средств автоматизации их создания (последний ряд).

Рисунок 1 - Сопоставление типов ЭОР по их востребованности в образовательном процессе (I и II ряды) и их привлекательности для организации работ по автоматизации процессов их создания (последний ряд).

В связи с тем, что выбранные координатные оси 30 структуры, строго говоря, не являются полностью независимыми, в Приложении -1 приведены таблицы возможных типов использования различных типов электронных ресурсов в наиболее используемых формах учебной работы.

Литературный обзор в Главе -1 завершается анализом требований, предъявляемых к ЭОР. На основе анализа литературы делается вывод о независимом от предметной области характере существующих сегодня требований к различным типам ресурсов и необходимости дополнения последних специфическими «предметными требованиями». Обращают на себя внимание указания на возможность изменения системы требований в будущем. Вскрыто определенное противоречие между требованиями, предъявляемыми к ЭОР как к учебным ресурсам и как к элементами нарождающейся Интернет-культуры. В качестве варианта подхода к разработки ЭОР, удовлетворяющих не полностью согласованной и не устоявшейся системе требований предложено максимальное использование присущих электронной продукции свойств интерактивности и вариативности, подразумевающих возможность принятия пользователем самостоятельного решения об уровнях глубины и подробности изложения или его краткости, броскости или лаконичности. Кроме того, разработка средств автоматизированног о создания и редактирования ЭОР должна обеспечить возможность быстрой адаптации продукции под формулируемые требования.

Во второй главе диссертации изложена концепция автоматизации процесса создания электронных образовательных ресурсов и приведены примеры авторских программ-конструкторов виртуальных физических систем. Разработку средств автоматизированного создания образовательного контента предлагается вести на принципах объектно-ориентированного моделирования (ООМ), перенесенных из области 1Т на ресурсы физического образования, отличительной чертой которых является высокий уровень интерактивности.

Концепция использования ООМ в обучении физике и вытекающая из нее идея перехода к программам электронных конструкторов была сформирована автором в ходе

первых раэработок виртуальных компьютерных учебных демонстраций по разделам физики, связанным с движением заряженных частиц в электромагнитных полях, еще в начале 90х годов [3, 33-36. 48]. По мере создания электронной обучающей продукции и ее апробации в учебно-научном процессе первоначальный вариант концепции уточнялся и расширялся. Окончательный современный вариант опубликован в [11]. По существу, компьютерное моделирование в физике должно рассматриваться как некоторая альтернатива не физическому эксперименту, а аналитическому описанию систем и явлений.

Сформулированы концепции построения и использования интерактивных моделирующих программ и электронных конструкторов, которые содержат специфические требования к этим ресурсам по физике, дополняющие общие требования к ЭОР. В частности, электронные конструкторы должны обеспечивать следующие режимы работы: автоматический запуск готовых моделей из гипертекстов, доступ пользователя к структуре виртуальной модели и ко всем параметрам объектов-примитивов, редактирование готовой модели, сохранение результатов редактирования для последующего использования, конструирование новых моделей, клонирование готовых моделей с целью построения новых, автоматическую запись результатов редактирования или создания новой модели. Представляется важным и требование полной открытости разработанных виртуальных моделей для их редактирования и дальнейшего развития вплоть до создания принципиально новых систем как разработчиками конструкторов, так и пользователями (и преподавателями, и учащимися).

Отдельного обсуждения потребовал вопрос о соответствии результатов численного моделирования, осуществляемого в рамках создаваемых пользователем виртуальных систем, свойствам и характеристикам реальных физических объектов. Сформулированная проблема распадается на две: обеспечение корректности и необходимой точности вычислений в ходе численного моделирования (достигается использованием известных и апробированных численных методов решения задач математической физики и самонастраивающихся итерационных процедур выбора шага интегрирования для достижения заданной точности вычислений) и проблема принятия решения о физической правильности и соответствии реальной физической системе самой, построенной пользователем (разработчиков, преподавателем или учащимся), виртуальной модели. Контроль соответствия создаваемой системы реальности не был автоматизирован, поскольку подобная идея контроля подразумевает наличие знания модели, наилучшим образом соответствующей реальности.

В случае развития индивидуализированных подходов к обучению возникает необходимость создания целых серий step-by-stcp усложняющихся моделей изучаемых систем, ориентируемых на различные микрогруппы обучаемых, и представляющих собой естественное поле для автоматизации разработок. Важным обобщением концепции автоматизации разработки моделирующих программ является анализ критерия сходства задач моделирования физических систем, позволяющего относить их к одному классу, для автоматизации разработок внутри которого может быть создан один электронный инструмент.

Весьма плодотворным подходом к автоматизации создания внешне различных моделей классической физики явилось представление тел в виде совокупностей материальных точек, поведение которых описывается классическими уравнениями динамики или их релятивистскими аналогами. Взаимодействия между материальными точками в рамках такого подхода могут описываться при помощи силовых полей, рассматриваемых в классической физике: гравитационных, электромагнитных и диссипативных.

При реализации этой идеи при создании первой версии конструктора [3] виртуальных систем классической физики, было признано целесообразным построение двух основных базовых классов - «частиц» и «полей» ( _particle, field), обеспечивающих

Рисунок 2 - Иерархия классов объектов первой версии программы- конструктора

Рисунок 3 - Упрощенный алгоритм работы электронного конструктора первого поколения.

возможности формирования виртуальной системы и воздействия на ее элементы. Третьим типом базовых элементов программы являлись окна, обеспечивающие отображение результатов численного моделирования и диалоги с пользователем. Структура классов первого созданного конструктора, явившегося прототипом всех последующих разработок, приведена на рисунке 2.

Три основные класса объектов конструктора строились на общем базовом классе something, представлявшем собой подвижную область рабочего поля экрана, содержащего определенный графический образ и сохраняющий информацию об изображении на закрываемой объектом части экрана. На базе класса _window построены многочисленные дочерние классы текстовых и диалоговых окон, выполняющие весьма разнообразные сервисные функции. Класс _particle имел дочерние классы, описывающие объекты-частицы, подчиняющиеся законам классической или релятивистской механики, и «нефизический» объект, движущийся по определяемым пользователем законам. Объекты типа _field обеспечивали возможность добавления в систему гравитационных, электрических и магнитных полей, определяемых пользователем пространственных конфигураций и сил трения.

В разделе дано описание физических принципов, положенных в основу построения алгоритмов моделирования эволюции системы и их реализации (Рисунок 3). Моделирующая программа была организована как цикл, в ходе выполнения, которого все объекты класса _particle поочередно вычисляли свои новые положения и скорости, в моменты времени, задаваемые в соответствии с общим для всей системы шагом интегрирования. Внутри указанного интервала времени каждый из объектов типа _particle осуществлял интегрирование собственного уравнения движения

= »Jg(r,/)+i/E(r,/)+[v/t,B(r,/)]-/;(r, v,/)v + Fro(/; v = p(m" +pJ/c3)"' :

по методу Рунге-Кутта, шаг для которого выбирался автоматически входе сравнения с конечными результатами, получаемыми на общем для всей системы шаге. Корректировка последнего осуществлялась на основании сравнения найденных оптимальных для каждого из объектов величин шагов. Использование самонастраивасмого итерационного алгоритма моделирования движения системы позволило обеспечить получение задаваемой точности вычислений при минимизации затрачиваемого на них времени.

Класс field имел методы, обеспечивающие передачу частицам по их запросам значения полей в окрестности точек их нахождения. Действие сил радиационного трения

учитывалось после выполнения алгоритма Рунге-Кутта в виде поправки к полученному результату. Такой алгоритм был выбран не из стремления понизить порядок системы дифференциальных уравнений, а вследствие более веских причин не технического, а фундаментального физического характера, связанных с остающейся до сих пор не полностью разработанной теорией радиационного торможения. В первой (тестовой) версии взаимодействия между основными элементами системы - частицами реализованы не были.

После завершения каждого глобального шага интегрирования окна визуализации результатов численного моделирования (3D- анимаций и 20-графики) осуществляли опросы текущих состояний указанных сценарием (или пользователем) объектов системы и отображали полученную информацию в соответствии со своей настройкой.

Интерактивные электронные демонстрации были объединены в единый комплекс, являвшийся прототипом электронного учебника. Он был реализован из дочерних объектов классов, разработанных для генерации моделирующих программ. Поддержка электронным учебником традиционных функций, реализуемых в печатных учебных изданиях, осуществлялась с помощью окон навигации, контекстно зависимой помощи по физике и по работе с системой, окна вывода гипертекстов и рисунков к ним.

Построенная на базе описанной разработки современная версия базовой программы-конструктора численных моделей движения частиц в силовых полях [5], осуществляет автоматическую интерактивных Java - апплетов, обеспечивающих демонстрации систем неквантовых частиц (материальных точек), взаимодействующих между собой и с окружающим миром с помощью силовых полей. При разработке алгоритмов нового конструктора использовались основные идеи, реализованные в программе первого поколения.

Введение в программу возможности учета взаимодействий между частицами потребовала усложнения протоколов обмена информацией между объектами классов «частицы» и «поле». Более естественный с точки зрения физики вариант учета взаимодействий между частицами осуществлялся с помощью полевых объектов, запрашивающих у частиц информацию о состояниях .

«Физический» вариант обеспечивал автоматическое (без описания в сценарии) включение взаимодействий между частицами, но требовал введения специальных процедур для корректного исключения эффектов самовоздействия частиц.

Второй вариант учета взаимодействий между частицами в меньшей степени соответствует традициям физического описания, но весьма удобен для создания наглядных последовательностей моделей, поэтапно усложняющихся и приближающихся к реальной системе. В ходе его реализации у каждой частицы создается список объектов, во взаимодействиях с которыми она принимает участие. В этот список для каждого объекта -партнера заносится тип взаимодействий и их количественные характеристики. Диалог между частицами и полем дополняется обменом информацией между взаимодействующими частицами о их состояниях, в результате чего вычисляются поправки к значениям действующих на частицы сил. Описанный «нефизический» вариант учета взаимодействий оказался весьма полезным при создании каркасных моделей для задач динамики твердого тела («частицы», соединенные «пружинами» большой жесткости) [57], учете в виртуальных системах внешних воздействий. Механизм потенциально полезен в случае учета эффектов запаздывания взаимодействий.

Среди дополнительных возможностей, реализованных в базовой программе конструкторе, следует выделить сервисы, допускающие задание свойств объектов с помощью аналитических выражений; механизмы задания составных объектов, представляющих собой группы из частиц и взаимодействий между ними (например, газов или твердых тел), обеспечение трехмерных вращений сцены. Последнее потребовало включения в алгоритм программы процедур порождения объектами типа «частица» дочерних точечных объектов, формирующих трехмерные траектории.

В двух разделах Главы-2 также описана серия из трех поколений электронных конструкторов виртуальных моделей оптических систем, обеспечивающих визуализацию процессов распространения в них световых пучков в рамках геометрической оптики без использования параксиального приближения [4,7,65-67]. Оптический конструктор первого поколения был реализован в виде исполняемого файла для среды Windows. Оболочка электронного учебника-контейнера интерактивных демонстраций была выполнена в фирме HTML- текста. Для обеспечения связи последнего с генератором моделей использовался специально написанный браузер. На первой версии конструктора были отработаны основные идеи моделирования оптических систем, в частности алгоритм трассировки прохождения лучей по системе, состоящий в генерации новых лучевых отрезков в результате взаимодействия лучей с оптическими поверхностями. Последующие две версии программы-конструктора «Лучепостроитель» были реализованы на языке Java. Интерактивные модели генерировались программой в виде апплетов.

Архитектура программ предусматривала отсутствие жесткого ограничения на набор используемых объектов. Была реализована возможность add-on добавления новых библиотек объектов к уже установленной программе, без изменения структуры программы и без перекомпиляции. Это открывало возможность адаптации установленной программы к конкретной тематике путем подключения к ней новых библиотек без изменения самой программы.

Модульности структуры программы удалось добиться благодаря использованию объектно-ориентированного программирования и технологии динамического связывания (DLL). Для источников света и оптических поверхностей была разработана весьма разветвленная структура дочерних классов, обеспечивающая достаточную гибкость программы при построении виртуальных систем и комфорт работы пользователя в режиме конструирования. Например, источники света подразделялись на источники плоскопараллельных, цилиндрических и гомоцентрических пучков лучей. При этом могли варьироваться геометрические параметры пучков (их ширина, диаметр, телесных угол) и плотность лучей в них.

Первая версия программы позволяла создавать традиционные для учебного моделирования двумерные модели оптических систем, состоящих из источников света, отражающих и преломляющих поверхностей второго порядка, и отслеживать ход существенно непараксиальных световых лучей в оптических системах любой сложности, описываемых с помощью доступного набора объектов. Результаты эксперимента можно было наблюдать непосредственно на экране, в том числе с многократным увеличением, измерять, с большой точностью, и фиксировать с помощью вывода на печать или сохранив на диске в графическом формате WMF. Следующие Java- версии конструктора позволяли создавать существенно трехмерные виртуальные оптические системы, допускали возможность группировки объектов, трехмерных вращений сцены и объектов на ней. В последней версии световые лучи несли информацию о собственной фазе в каждой точке своего распространения, что открывало возможность моделирования процессов возникновения интерференционных картин при попадании на детектор пучков света от одного источника, распространяющихся по различным траекториям. Была реализована возможность моделирования распространения света в средах с непрерывно меняющимся показателем преломления путем численного решения уравнения:

Основные идеи, использованные при разработке алгоритмов работы программы оптического конструктора, проиллюстрированы на Рисунке 4. При переходе к режиму моделирования организуется работа глобального цикла, в ходе которого каждый из световых лучей текущего поколения до собственной визуализации определяет точки своего пересечения с каждой из оптических поверхностей, перечень которых содержится в

соответствующих сиисках. Из найденных таким образом точек луч выбирает ближайшую к точке старта и превращается в отображаемый на экране конечный отрезок текущего поколения. Оптическая поверхность, на которой обрывается отрезок луча, получает от последнего информацию о его текущем состоянии и рассчитывает стартовые параметры лучей следующего поколения, порождаемых падающим (в простейшем случае -отраженного и преломленного). Трассировка лучей сопровождается анимацией распространения вдоль лучевых траекторий точек с заданным значением фазы, совокупность которых дает представление о временной эволюции поверхностей ф = const.

VV4irkiOplics.class.

Heanis* dusses.

Shapes*.classe!

Конструктор

Кон.'тр>

Load-class

5 ^ Jill in lb.I ф.Ш

|Ц I le М1ДИМС

ЧЦСЧН lillllie IHIHCpXHOCTVfl ^

I, j~vt i,t:> ■

—pt I Списки y ОГГЬСКК

Коиетрукгор

Surface*, classe;

■I lepçt-счсния iiowypxi

Iк-рсеечсн* с лучами I

И'рЧИИ I ||

фа1М

M:ip.i ч.-1 pu ivu-ll

нощно поколения

Savc.classcs

деструктор

Пользователь_

С Г'УСК I II'ела к11ГрГТ |\^щслирощщ

Ннтушшшшш

Рисунок 4 - Упрощенный алгоритм функционирования программы «Оптический конструктор».

Синхронизация трассировки независимых друг от друга лучей осуществляется с помощью единых для всей системы часов, реализованных методами объектов из семейства класса ШогЫОрис.Ыавв. Такая синхронизация оказывается наиболее важной в том случае, когда часть лучей распространяется в среде с переменным показателем преломления. На этом участке задача о распространении света решается с помощью алгоритма Рунге-Кутта, шаг которого выбирается автоматически в зависимости от скорости изменения свойств среды. По этой причине на каждом временном шаге, задаваемом едиными для всей системы часами, трассировка хода лучей в среде с переменным показателем преломления осуществляется как решение отдельной независимой задачи моделирования, результаты которой передаются в общую модель оптической системы в качестве готового решения.

Помимо описаний двух базовых конструкторов в Главе-2 содержатся сведения о дополнительно разработанных конструкторах-визуализаторах конфшураций электрических и магннтных полей, создаваемых редактируемыми распределениями источников (зарядов и токов) [6, 62, 64], и распределений интенсивности света, возникающих в результате дифракции на произвольных экранах [40]. Алгоритм электронного конструктора картин линий поля во многом аналогичен использованному в «Лучспостоителе»: при трассировке силовых линий отрезки текущего поколения порождают новое поколение отрезков хорд силовых линий, рассчитываемых, исходя из известных соотношений для напряженностей или их аналогов для распределенных источников. Что же касается визуализатора дифракционных картин, то для него идея объектно-ориентированной программы-конструктора оказалась полезной лишь на этапе формирования функции пропускания первичного экрана, обеспечивающего дифракцию. Расчеты наблюдаемой картины

реализованы по алгоритмам двумерного Фурье-преобразования (в случае приближения Фраунгофера) или интегрирования по зонам Френеля (для приближения Гюйгенса-Френеля).

Последний раздел Главы-2 содержит концепцию использования компьютерного моделирования для решения актуальной задачи раннего привлечения учащихся к научным исследованиям [18] и алгоритмы используемых для научных исследований в области атомно-молекулярной физики и физики плазмы программ, объединяемых в электронный конструктор. Численное on-line моделирование атомно-молекулярных систем и происходящих с ними процессов доказало свою полезность при чтении курсов «Квантовая теория атомно-молекулярных спектров» и «Атомная спектроскопия».

В основу построения алгоритмов были положены физические принципы построения полуэмпирических одноэлектронных волновых функций многоэлектронных атомов, развитые Л. А. Вайнштейном и И. И. Собельманом и основанные на численном решении радиального уравнения Шредингера с известным из экспериментальных измерений значением энергии и варьируемым масштабом ш для потенциала атомного остатка У(г):

л>->0)~Л *„('•->«>)->О-

На базе полученных решений очевидным образом строится комплекс программ-конструкторов [1, 2] для расчетов вероятностных характеристик элементарных радиационных и столкновительных процессов (Рисунок 5). В свою очередь, полученные вероятности и сечения переходов используются в качестве исходных данных для численного моделирования кинетики нелокальной плазмы, осуществляемой блоком программ, центральную роль в котором играет профессиональная среда для гидродинамического моделирования плазмы COMCOL.

Общая структура разработанных программ-конструкторов (ближний план) и их использования для автоматизации разработок ЭОР для серий мульмедийных сборников приведена на Рисунке 6.

Третья глава диссертации посвящена описанию интерактивных образовательных ресурсов, созданных с помощью электронных конструкторов, и других мультимедийных ЭОР, созданных автором в целях частичной автоматизации и интенсификации самого процесса вариативного обучения физике. Своеобразным предисловием к материалам главы служит описание инновационных вариантов использования мультимедийных технологий в обучении физике, таких как: гибридное видео (сочетание видеозаписей реальных экспериментов и установок с их упрощенными 3D- моделями), анимированные аудио лекции (выполненные с использованием Flash- технологий записи кратких лекций, сопровождаемых видеорядом анимаций), интерактивные обучающие самонастраиваемые тесты, имитирующие диалог учащегося с экзаменатором, мультимедийные описания к лабораторным работам [12]. Например, программа обучающих тестов [73] подразумевает полуавтоматическое формирование тестового задания, осуществляемое путем кваэислучайной (учитывающей коэффициенты сложности и ранее показанные тестируемым результаты) выборки наборов правильных и ошибочных ответов, и осуществляемый в порядке убывания значимости анализ всех выбранных испытуемым утверждений, инициирующий автоматическое формирование подсказки или наводящего вопроса в текстовой или голосовой форме.

создаваемого электронного конструктора блок разработанных программ-конструкторов и алгоритмов численного моделирования их использование,

элементарных процессов в плазме.

Созданные интерактивные и мультимедийные ресурсы объединены в две серии электронных сборников, ориентированных на использование в средних учебных заведениях («Физика: модель- эксперимент - реальность» [6, 7, 62, 66, 67, 69, 71]) и на сопровождение чтения курсов по общей физике в бакалавриатах университетов [74-78].

Раздел, посвященные серии «Физика: модель-экснеримент-реальность» содержит сведения об общей для всех трех сборников (посвященных гравитации, электромагнитным взаимодействиям и оптике) архитектуре электронной оболочки. Разработанная структура сборников отражает их ориентированность на использование преподавателями, желающими проиллюстрировать свои авторские курсы или уроки уже подготовленными или самостоятельно разработанными электронными симуляциями и видеоресурсами. Другим рекомендуемым вариантом использования ЭОР сборника является организация для учащихся мини-исследований в рамках факультативных занятий.

Для каждого из сборников дана краткая харакгеристика включенных в него материалов, созданных с использованием средств автоматизации. При этом примеры интерактивные .1ауа-апплетов приведены вместе с автоматически порожденными конструкторами и существенно более простыми по сравнению с общими алгоритмами, приведенными на Рисунке 3 и Рисунке 5, «адаптированными» схемами взаимодействия между объектами виртуальной системы.

В качестве примера работы базового конструктора виртуальных систем, состоящих из взаимодействующих частиц, на Рисунке 7 приведена серия апплетов, демонстрирующих особенности движения тел в поле притягивающего центра для различных зависимостей п силы притяжения от расстояния и схема общего алгоритма взаимодействия объектов во всех апплетах [5, 27].

На схеме адаптированного алгоритма синими стрелками обозначены информационные потоки, передаваемые от файла сценария конструкторам создаваемых объектов, желтыми стрелками - управление и синхронизация работы объектов виртуальной системы со стороны управляющей программы, красными стрелками - обмен информацией между объектами, приводящий к эффектам взаимодействия между ними, зелеными - данные, посылаемые в окна ЗЭ-анимаций и двумерной графики для отображения результатов моделирования.

На схеме алгоритма помимо названий этих объектов указаны классы, к которым они принадлежат. После загрузки данных о системе в целом осуществляется считывание из файла описаний свойств и начальных состояний элементов системы и запускаются конструкторы этих объектов. Сразу после завершения генерации системы запускается моделирующий цикл. Синхронизация работы взаимодействующих друг с другом объектов и очередность диалогов между ними устанавливается управляющей программой. В ходе

выполнения цикла звезда остается неподвижной в точке нахождения силового центра и не испытывает воздействий со стороны других объектов системы. Объект «Поле» взаимодействует с планетами лишь в одном направлении, передавая им информацию, необходимую для расчетов величин сил, действующих на спутники. Пренебрежение в рамках модели взаимодействиями между спутниками позволяет исключить встречную передачу данных от «Спутников» к «Гравитации».

Роль пользователя сводится к редактированию одного поля (признака) объекта «Гравитация», содержащего описание (в аналитическом виде) зависимости величины центральной силы от расстояния между частицей и притягивающим центром. При значительных изменениях закона притяжения спутников изначально заданные в описании модели начальные условия могут оказаться соответствующими инфинитному движению. В этом случае пользователь должен скорректировать начальные условия для движения спутников. В данной серии симуляций объект «гравитационное поле» создан независимо от объекта «звезда», функции которого ограничиваются формированием визуального образа притягивающего тела.

В случае нестабильных систем, возникающих при отклонениях сил притяжения от закона обратных квадратов, интересными и зрелищными оказываются демонстрации разрушения планетных систем. Для перехода к таким демонстрациям достаточно включения режима обработки столкновений между частицами. В этом случае все движущиеся «Спутники» и звезда начинают обмениваться друг с другом данными о их положении и размерах. Соответствующие взаимодействия внутри группы объектов изображены на Рисунке 7 в виде скошенных красных стрелок. В случае соприкосновения границ автоматически включается алгоритм обработки столкновений. Приведенный пример демонстрирует возможности автоматизации разработки моделей, позволяющей из одной «заготовки» создавать серии различных с точки зрения физики демонстраций.

Описание серии сборников, разработанных для сопровождения курсов физики бакалавриатов университетов, построено по аналогичной схеме. Общая структура сборников ориентирована на обеспечение их использования как преподавателями, так и студентами (в режиме самостоятельной работы и самообразования), что позволяет классифицировать разработку как электронный учебник.

Разработанные для курсов общей физики интерактивные демонстрации оказываются существенно более сложными, что неизбежно отражается на их автоматически порожденных алгоритмах. На Рисунке 8 приведен адаптированный алгоритм и примеры апплетов, иллюстрирующих поведение газа из двухатомных полярных молекул, помещенного во внешнее электрическое поле. Каждая молекула представлена диполем с упругой связью между зарядами. Учитываются все взаимодействия между частицами. Внешнее электрическое поле может быть изменено пользователем. Для упрощения сценария при создании демонстрации использованы составные объекты типа «газ» и «сосуд», порождающие в ходе загрузки демонстрации всю совокупность элементарных объектов («частицы» и «стенки»).

В последнем разделе Главы-3 обсуждаются новые варианты использования электронных конструкторов, возникшие в ходе работы с ними. К ним относится возможность создания стереоскопических ЗБ- изображений виртуальных систем, обусловленная заложенными в методы визуализации сервисами трехмерных вращений. К перспективным направлениям использования описанной технологии отнесены визуализации существенно трехмерных сложных систем и создание 30 проекций моделей релятивистских систем, подразумевающих отображение в четырехмерном пространстве-времени [14].

---

Полыонатель

Управляющая программа

Рисунок 7 - Адаптированный алгоритм серии компьютерных демонстраций гипотетических планетных систем, удерживаемых центральными силами, изменяющимися с расстоянием по задаваемому пользователем закону.

Л|> Spui-i'. mr.ruph

I lojib шватсль

World Moehnn

Рисунок 8 - Алгоритм для серии компьютерных симуляций, возникающий в результате работы объединенного конструктора и примеры созданных на его базе апплетов, иллюстрирующих основные механизмы поляризации диэлектриков.

Продемонстрирована перспективность создания мультимедийных лабораторных работ, включающих видеоописания и компьютерные тренажеры, позволяющие частично автоматизировать и вынести на самостоятельную подготовку процесс овладения учащимися навыками работы с дорогостоящим и уязвимым оборудованием [15, 80, 81].

В заключительной части главы, на основе анализа алгоритмов функционирования всех разработанных электронных конструкторов, формулируется единый обобщенный алгоритм, позволяющий объединить все имеющиеся разработки в один универсальный конструктор, допускающий создание не только гибридных моделей, использующих объекты уже разработанных классов, но и практически неограниченно развивать описанный тип интерактивных программ, не изменяя их идеологии. В рамках такого обобщенного алгоритма моделирующая программа превращается в простой цикл, в ходе которого всем объектам моделируемой системы поочередно предоставляется фокус активности. Активный объект осуществляет опрос состояний других, потенциально способных повлиять на его поведение объектов, после чего, в соответствии с собственными внутренними алгоритмами, изменяет свое состояние, что включает в себя возможность запуск конструкторов и деструкторов других объектов, включая его самого.

Универсальность разработанных электронных конструкторов иллюстрируется на Рисунке 9, показывающим, что с их помощью удалось создать наборы демонстраций по практически всем основным разделам программ общих курсов физики макромира. О эффективности автоматизации разработок свидетельствует количество созданных электронных демонстраций.

Рисунок 9 - Интерактивные и мультимедийные ЭОР, вошедшие в серии электронных сборников материалов по общим курсам физики для средних и высших учебных заведений.

Предусмотренный в последних версиях конструкторов механизм переопределения взаимодействий между элементами системы позволяет существенно расширить область применения конструкторов. Например, оказывается возможным создание виртуальных систем, иллюстрирующих особенности движения нуклонов в потенциале Юкавы или электрических зарядов в поле магнитного монополя, что заведомо выходит за рамки курсов классической физики.

Четвертая глава диссертации посвящена апробации созданных электронных обучающих ресурсов в реальном учебном процессе, организуемом на различных уровнях обучения: довузовском, в бакалавриатах и в магистратуре различных учебных заведений, для которых физика является как профильной, так и общей дисциплиной.

На первых этапах разработки электронных интерактивных программ автором была создана экспериментальная образовательная программа «Физика и компьютер» [37, 42, 61]. развиваемая на базе Физико-математического лицея №30 (СПб), Физического факультета СПбГУ и Северо-западного центра новых информационных технологий (ГУАП). Целью этой существенно междисциплинарной программы была организация сбалансированного обучения физике, математике и информационным технологиям. В качестве связующего звена между дисциплинами выступали интерактивные компьютерные модели, используемые автором при преподавании углубленного курса

физики в специализированном классе ФМЛ №30 и для организации студийных факультативных занятий в демонстрационном зале ГУАП. В рамках проекта обучение программированию и Computer Science осуществлялось на примерах задач из физики; предварительное знакомство с идеями высшей математики - на наглядных численных моделях, создаваемых самими учащимися. В результате участники проекта были привлечены к разработке компьютерных демонстраций, двое из них продолжили работу в проекте вплоть до окончания обучения в СПбГУ, 14 человек из класса стали призерами городских олимпиад по физике и математике, все выпускники программы успешно поступили в престижные вузы: на Физический .Математико-механический факультеты СПбГУ и ПГУ.

Созданные ЭОР и моделирующие программы были использованы в учебно-просветительской и профориентационной работе: при чтении ежегодных циклов научно-популярных лекций «Школьникам о современной физике» (для учащихся старших классов и абитуриентов), при организации дистанционного обучения на базе Центра подготовки одаренных школьников Ленинградской области, Удаленной вечерней школе по физике на базе СПбГУ, в проекте распределенного сетевого обучения в системе Гимназического Союза России, в Открытой очно-заочной физической школе на базе Псковского государственного университета, в рамках постоянной научно-популярной телевизионной программы «Практик-Ум». По всем перечисленным видам деятельности, сопровождаемым электронными демонстрациями материалов созданных сборников получены исключительно положительные отзывы [56, 78, 79].

Проблема обеспечения возможности продолжения интенсивного междисциплинарного образования на стыке физики информационных технологий инициировали организацию второго этапа проекта «Физика и компьютер» на базе бакалавриата Физического факультета СПбГУ [63]. Для организационного обеспечения новой формы обучения на Физическом факультете был создан бакалавриат по направлению «Прикладные математика и физика», обучение на котором сопровождалось усиленной формой контроля качества приобретаемых знаний и компетенций и обязательным привлечением студентов к выполнению самостоятельных исследовательских проектов и с использованием возможностей компьютерных технологий, начиная с I семестра обучения [15, 70, 72]. Результаты исследовательской работы студентов представлялись на внутренних конкурсах- конференциях, лауреаты которых получали право представления докладов на общероссийских и международных конференциях. Усиление контроля студентов сопровождалось предоставлением им удобных для использования ЭОР. Помимо описанных интерактивных ресурсов студенты имели доступ к постоянно обновляемым электронным конспектам читаемых им лекций, рабочим тетрадям и учебным пособиям по курсу, содержащим, помимо иллюстрируемой с помощью электронных конструкторов теории, подборки авторских задач для решения как аналитическими, так и численными методами [30]. Успеваемость студентов на первом курсе направления ПМФ оказывалась заметно ниже средней по факультету, что объяснялось повышенными требованиями, предъявляемыми к ним на аттестациях. Однако, к концу второго года обучения группы ПМФ начинали лидировать.

Удачные решения и инновации, реализованные на новом направлении были закреплены в Государственном образовательном стандарте по направлению «Прикладные математика и физика», в разработке которого автор принимал участие в рамках работы в Учебном - методическом объединении по направлению ПМФ, функционирующем на базе МФТИ.

Наряду с обучением студентов физико-математических и технических специализаций внедрение разработанных ЭОР осуществлялось и в преподавании курсов «Концепции современного естествознания» [28] для студентов гуманитарных, экономических и медицинских специализаций. Накопленный опыт свидетельствует о безальтернативной необходимости использования мультимедийного и моделирующего

электронного контента [39, 43, 50] в целях подключения образных каналов восприятия, частично компенсирующего ограниченные возможности использования математического аппарата как языка изложения материала для указанной аудитории.

Новым вариантом использования ресурсов мультимедийных сборников явилось создание по технологии МООС интерактивного мультимедийного курса «Небесная механика». Электронные конструкторы оказались весьма удобными для оперативной адаптации разработанных симуляций к требованиям новой технологии и осуществляющих подготовку ресурса дизайнеров. Первый опыт чтения МООС-курса, с использованием электронных конструкторов следует признать удачным: число слушателей составило 2 210 человек, из которых по итогам аттестации более 5% было представлено к насаждению., что примерно в 2 раза превышает среднее по МООС курсам отношение [95-97].

Последняя, пятая глава диссертации посвящена вариантам использования интерактивных моделирующих программ в целях усиления активной компоненты деятельности обучаемых вплоть до привлечения их к научным исследованиям.

Описан накопленный положительный опыт использования электронного контента и средств его автоматизированной разработки для привлечения учащихся к самостоятельной поисковой деятельности по нескольким направлениям: разработки новой программной продукции в рамках проектов по созданию и развитию средств автоматизации создания учебного контента; организация мини-исследований в области изучаемых разделов физики; создание нового типа лабораторных работ физического практикума, включающих в себя элементы научных исследований; привлечение учащихся к выполнению плановых НИР, выполняемых в вузе, с использованием электронных средств для их эффективной подготовки к полноправному участию и обеспечения этого участия. В ряде случаев создавались новые модули электронного контента.

Существуют примеры получения студентами оригинальных физических результатов, представляющих определенный интерес для преподавания соответствующих разделов. Практика использования электронных конструкторов указывает на возможность инициации ими теоретических мини-исследований.

Пример 1. Изучение особенностей движения частиц в логарифмическом потенциале. Результат численного эксперимента, полученный в ходе работы с созданной при помощи программы-конструктора симуляцией физической системы инициировал поиск причин возникновения замеченного эффекта и получение учащимся нового знания в изучаемом разделе физики. Ситуация возникла при выполнении студентом первого курса мини-проекта по созданию компьютерной демонстрации движения частиц с одинаковыми удельными зарядами qlm по различающимся радиусами г круговым траекториям вокруг бесконечной заряженной нити с линейным зарядом А. в случае сообщения им одинаковых начальных скоростей V, удовлетворяющих очевидному уравнению движения. Из-за допущенной арифметической ошибки частицам были заданы скорости, не соответствующие базовому уравнению, в результате чего было получено семейство самопересекающихся (в общем случае незамкнутых) траекторий. Темой курсовой работы стало обоснование не самоочевидного факта подобия траекторий. Было предложено два независимых варианта [98]. Первый основывался на стандартном для теоретической механике подходе, используемом при анализе движения в поле сил, обеспечивающем сохранение во времени момента импульса /. Второй был основан на анализе уравнений движения, записанных в проекциях на декартовых координат, для двух одинаковых частиц, запускаемых из разных начальных точек. Выполненная подстановка перемасштабированного решения для первой частицы в уравнение движения второй, превращающая его в тождество, с учетом теоремы единственности решения задач механики, может рассматриваться как аналитическое обоснование обнаруженного свойства.

Пример 2. Расчет дифракции света на оси круглого отверстия. Использование соответствующего электронного конструктора в задаче о дифракции на круглом отверстии параллельно с пакетом численного моделирования привело учащегося к идее точного (в рамках приближений, принятых при выводе стандартных соотношений для дифракции Гюйгенса-Френеля) метод аналитического вычисления интегралов, не требующего разбивания отверстия на зоны Френеля. Полученный результат составил материал курсовой работы и постоянно цитируется при чтении курса волновой оптики на физическом факультете СПбГУ.

Другими примерами выполненных студентами младших курсов мини-исследований, результаты которых включены в электронные сборники и используются в преподавании курсов физики, является сравнение результатов решения задач электростатики проводников методом изображений и численного интегрирования уравнения Пуассона [64, 67, 87, 89] и анализ собственных мод колебаний и резонансных частот в цепочках связанных маятников [80].

Исследования в области алгоритмизации электронных сборников и средств автоматизированного создания ЭОР. Группа старшеклассников и студентов младших курсов НИУ ИТМО приняли реальное участие в создании программ-конструкторов. В результате они превратились в полноправных участников проекта, представлявших результаты на научных конференциях и в рейтинговых публикациях. В настоящее время все перечисленные участники проекта закончили ВУЗы и успешно работают в области компьютерных технологий и/или их использования в физике.

Объединение реального и модельного эксперимента. Представляется перспективным непрерывный переход от лабораторных работ учебных практикумов к сочетающим учебную и исследовательскую составляющие работам, организуемым на базе учебных лабораторий. Он подразумевает использование компьютерных технологий, облегчающих включение учащихся в новый для них вид исследовательской работы. Таким образом, в качестве практически реализуемого варианта подхода к систематическому раннему привлечению студентов и школьников к исследовательской работе в области экспериментальной физики могут выступать гибридные практикумы, объединяющие традиционные компьютерные классы и лаборатории физического эксперимента.

Частичная автоматизация обучения экспериментальной физике подразумевает использование компьютерных технологий не только для автоматизации самого эксперимента, но и для эффективной подготовки обучаемого к участию в поведении эксперимента и поддержки его работы по осмыслению получаемых результатов и их сопоставлению с теорией.

В ходе работ по развитию электронных сборников мультимедийных материалов был апробирован новый подход к созданию мультимедийных описаний к учебным лабораторным работам и сложным приборным комплексам [12, 15]. Их использование позволяет существенно сократить время на выполнение ее обязательной «стандартной учебной» части. Последнее позволило поставить принципиально новую задачу приближения стандартных лабораторных работ к самостоятельным исследованиям.

Для апробации сформулированных идей модификации имеющихся лабораторных работ с целью придания им научно-исследовательского характера были выбраны две стандартные установки фирмы LD DIDACTIC: «Изучение газового разряда» и «Аэродинамическая труба». Критерием выбора этих работ была сложность подлежащих экспериментальному изучению систем, уязвимость оборудования и недостаточно полное освещение тематики данных работ в учебных программах для младших курсов. Выполнение гибридных работ подразумевает выполнение экспериментальных измерений с последующим численным моделированием изучаемого процесса с целью выбора теоретических моделей, наиболее адекватно описывающих изучаемое явление.

Идея постановки объединенной работы «Изучение гистерезиса в системах с высокотемпературными сверхпроводниками» возникла в ходе подготовки посвященного эффекту Мейсиера фрагмента гибридного видео для модуля «Сверхпроводники» электронного сборника ресурсов для курсов общей физики. В качестве сверхпроводящего образца использовалась охлаждаемая жидким азотом шайба из высокотемпературной керамики УВазСизО-х (далее ВТСП). В ходе компьютерной обработки полученного при сильном увеличении видеоизображения демонстрирующей наиболее сильное отталкивание пары «магнит + ВТСП» было замечено существование области квазибезразличного равновесия. При внешнем силовом воздействии на устойчиво парящий над ВТСП магнит последний изменял высоту своего устойчивого парения.

Для изучения обнаруженного эффекта были выполнены систематические измерения зависимости высоты паремия постоянного магнита над поверхностью от величины приложенной вертикальной силы. Изменение положения магнита записывалось на видеокамеру, изображение с которой подвергалось численной обработке [82]. Высота парения постоянного магнита оказалась зависящей не только от величины прикладываемой силы, но и от предыстории эксперимента (Рисунок 10а).

Для описания гистерезисов рассматривались две модели, использующие известный эффект разрушения сверхпроводимости в ВТСП при протекании по образцу тока, плотность которого превосходит критическое значение. В простейшей модели («жесткого срыва сверхпроводимости») предполагалось, что при превышении критического значения /сг, в соответствующих областях образца полностью разрушается сверхпроводимость, т.е. индуцированный ток обращается в ноль. Модель критического состояния Бина при аналогичных условиях предполагает лишь ограничение тока критическим значением. Вторая модель весьма популярна при описании гистерезисных эффектов в сверхпроводниках второго рода и в ВТСП. Указанные модели сравнивались в ходе моделирования эффектов гистерезиса сил отталкивания, обусловленного частичным разрушением сверхпроводящего состояния в образце в виде шайбы [18].

Рисунок 10 - Экспериментальное исследование и численное моделирование гистерезиса в системе «ВТСП + постоянный магнит»

Для моделирования использовался релаксационный алгоритм решения уравнения Лапласа со смешанными граничными условиями, первоначально разработанный для расширения возможностей конструктора-визуализатора конфигураций электрических и магнитных полей.

Для каждого найденного из эксперимента значения расстояния между испытывающего действие внешней силы магнита и ВТСП осуществлялся многоитерационный расчет поверхностных токов с учетом эффектов частичного срыва сверхпроводимости наведенными токами и предыстории аналогичных срывов в ходе всего эксперимента. Рисунок 10Ь иллюстрирует основную идею такого расчета [86]. По вертикальной оси отложена плотность поверхностного тока ВТСП; по горизонтальной оси («0 - 100») - расстояние от центра шайбы из ВТСП, выраженное в числе ячеек сетки

пространственного разбиения; точки оси «0-15» соответствует числу тысяч итераций, в результате которых получается текущее приближение для радиального распределения поверхностного тока). Характерные «зубцы» на «гребне» максимальной плотности тока у границы внутреннего отверстия шайбы возникают в момент превышения критического значения, сопровождающегося сокращением области сверхпроводимости. Критерием для прерывания итерационного цикла является выход зависимости ¡(г) на стационарное распределение.

Расчеты подъемной силы производились для каждой из экспериментальных точек в рамках вышеперечисленных приближений для различных значений критических токов. В случае правильности модели для каждого значения приложенной к магниту внешней силы рассчитанные по экспериментальным данным верхней и нижней ветвей гистерезиса величины подъемной силы должны совпадать, поскольку при измерениях образец находился в состояниях равновесия (Рисунок Юс).

В результате из двух рассматриваемых механизмов возникновения гистерезиса подъемной силы модель «жесткого срыва» сверхпроводимости дала существенно лучшие результаты по сравнению с моделью Бина. Проделанные работы и полученные тестовые результаты указывают на возможность создания соответствующей гибридной лабораторной работы, сочетающей физический эксперимент и компьютерное моделирование. Использованный макет экспериментальной установки явился прототипом проекта создания соответствующего экспериментального стенда, который изготавливается путем усовершенствования промышленно выпускаемого комплекта оборудования для лабораторной работы «Сверхпроводимость».

Принципиально новым является блок заданий по созданию теоретической модели изучаемого явления и проверке ее соответствия результатам выполненного эксперимента. Обдуманное и оправданное использование компьютерного моделирования и численных методов на этом этапе работы позволяет в значительной степени скомпенсировать вполне возможный дефицит знаний учащихся младших курсов в области математики и физики и предоставить им возможность приобретения навыков поисковой научной работы.

В последней главе приводятся и другие примеры использования современных компьютерных технологий для поддержки работ по привлечению обучающихся к научным исследованиям: исследования столкновнтельных переходов между различающимися по спину высоковозбужденными уровнями гелия [1,2, 20] численное моделирование нелокальной неравновесной плазмы [9, 10, 13, 21-23, 83, 85], анализ составов газовых смесей на основе электронной столкновительной спектроскопии [16, 84] и численное моделирование газового разряда в воздухоподобных смесях [17, 19].

Заключение

Итоги выполненного исследования

В ходе выполнения исследования были решены все поставленные задачи

• На основе анализа тенденций развития электронных образовательных ресурсов и их использования для сопровождения фундаментального обучения физике было показано, что на протяжении всей истории компьютеризации образования отчетливо проявляется тенденция поэтапного усложнения структуры ЭОР, постепенного перехода к сложным электронным ресурсам, объединяющим в себе элементы, ориентированные на различные медийные среды; однако главной тенденцией является непрерывное увеличение степени интерактивности электронных ресурсов, параметра, выделяющего этот класс учебной продукции на фоне традиционных.

• Анализ имеющихся классификаций электронных образовательных ресурсов и дополнение/совершенствование классификаций в случае необходимости. В ходе анализа используемых в настоящее время классификаций ЭОР была отмечена тенденция к разработке инвариантных, предметно независимых подходов. Такие классификации, несомненно, удобны для организации глобальных хранилищ

ресурсов, но существенно затрудняют поиск необходимой информации участниками образовательного процесса. В этой связи было предложено дополнить глобальные классификации предметными «микроклассификациями», ориентированными на интересы пользователей; в качестве простого примера приведена трехмерная классификация.

В качестве наиболее перспективных для использования в ориентированном на активные формы работы учащихся преподавании физики выделены компьютерные симуляции физических систем и происходящих с ними явлений, как класс высокоинтерактивных ресурсов, допускающих использование практически во всех видах образовательной деятельности.

В результате изучения требований, предъявляемых к ЭОР в настоящее время и носящих независимый от предметной области использования характер, сделан вывод о необходимости их дополнения специфическими требованиями, отражающими особенности обучения физике; было вскрыто внутреннее противоречие между общими требованиями краткости и лаконичности, предъявляемыми к ЭОР, как продуктам формирующейся ШеЬ-культуры, и полноты и фундаментальности -традиционным характеристикам образовательного контента. В качестве варианта решения возникшего противоречия предложено использовать присущие электронной продукции свойства многовариантности и интерактивности.

На основе проведенного анализа и опыта практического преподавания физики в средних и высших учебных заведениях сформулирована концепция использования ЭОР в данной предметной области и выделены основные перспективные направления их разработки, подразумевающие широкое использование мультимедийных и телекоммуникационных технологий в сочетании с обязательным учетом требований интерактивности. В качестве наиболее перспективной продукции предложены допускающие удаленное использование электронные сборники мультимедийных ресурсов, основным наполнением которых должны быть гибридные видеоматериалы, обучающие тесты и интерактивные модели-демонстрации. В качестве наиболее универсальной и адаптируемой к специфике обучения формы таких компьютерных симуляций предложены электронные конструкторы, одновременно являющиеся средством автоматизации ресурсоемких разработок интерактивных моделей. Анализ возможностей автоматизации создания разработанных типов электронных образовательных ресурсов и разработка алгоритмов функционирования средств автоматизации. Анализ путей создания простых в эксплуатации и допускающих удаленный доступ электронных конструкторов показал возможность использования принципов объектно-ориентированного программирования, позволяющего создавать гибкие, настраиваемые электронные симуляции на базе адаптирующихся алгоритмов, использующих самонастраивающиеся процедуры решения дифференциальных уравнений и порождения объектов следующих поколений.

На базе разработанных алгоритмов создано семейство программ - электронных конструкторов, позволивших осуществить наполнение двух серий электронных сборников для поддержки многовариантного интенсивного обучения физике в выпускных классах средних учебных заведений и в бакалавриатах вузов. Практика внедрения созданных электронных учебно-информационных ресурсов показала их высокую эффективность не только в традиционном учебном процессе, но и при решении задач развития активных форм овладения материалом учащимися и вовлечения их в творческую поисковую работу, вплоть до раннего привлечения к научным исследованиям.

Созданная электронная учебная продукция использовалась при организации интенсивного обучения в специализированных классах физико-математических школ, в бакалавриатах Физического факультета СПбГУ, НИУ ИТМО и ПсковГУ, в

бакалавриатах гуманитарных факультетов СПбГУ при чтении курсов «Концепции современного естествознания», в профориентационной и научно-просветительской работе.

Перспективы дальнейшей разработки темы

К основным направлениям дальнейшего развития работ следует отнести:

• Создание окончательного варианта универсального интегрированного конструктора моделей классической физики, допускающего создание гибридных демонстраций с участием объектов из любых классов, разработанных к настоящему времени и открытого для дальнейшего развития путем расширения библиотек моделей физических объектов и процедур из взаимодействия. Естественным развитием технических возможностей в новой версии должно стать использование параллельных вычислений и технологий стереоскопических визуализаций вплоть до «виртуальной реальности».

• Дополнение электронных сборников онтологиями содержащихся в них учебно-информационных ресурсов с целью превращения их в постоянно наполняемые базы знаний с мультимедийным интерактивным наполнением.

• Объединение разработанных ресурсов с доказавшими свою жизнеспособность МООС-технологиями дистанционного обучения с целью создания максимально интегрированной среды сопровождения индивидуализированного учебного процесса, ориентированного на множественное использование каналов восприятия информации и сочетание традиционных академических и практико-ориентированных форм обучения.

• Создание пригодной для использования в открытом доступе и допускающей работу неподготовленных пользователей завершенной версии электронного конструктора по атомно-молекулярной физике, ориентированного на использование его как в учебном процессе, так и в научных исследованиях. Организация на его базе систематической работы по привлечению учащихся к научным исследованиям в области физики нелокальной плазмы, носящим как фундаментальный, так и прикладной характер.

• Создание пятого сборника мультимедийных ресурсов, посвященного атомно-молекулярной и субатомной физике и ориентированного на поддержку учебного и учебно-научного процессов.

Список публикаций в журналах ВАК

1. Гордеев C.B., Чирцов A.C. Столкновительные переходы между различающимися по спину высоковозбужденными уровнями атомов второй группы. // Вестник С. Петербургского ун-та, сер. физ., вып.1,С. 146- 149, 1991г. - 0.25 п.л./0,15 п.л.

2. Гордеев C.B., Чирцов A.C. Исследование переходов между 4'D и 43D уровнями гелия при электронном ударе в условиях газоразрядной плазмы. // Вестник С.-Петербургского университета, сер.4, 1992, вып.2, (N11), С. 35-38. - 0.25 п.л./0.2 п.л.

3. Чирцов A.C. Многоцелевой компьютерный учебник по фундаментальному курсу физики. Раздел: "Движение частиц в однородных силовых полях". // Вестник С.-Петербургского ун-та, сер. 4 (физ., хим.), вып.1 (N4), 1997г., С. 103-106. - 0.25 п.л.

4. Князев М.В., Колинько К.П., Чирцов A.C. Информационные технологии в обучении физике. // Компьютерные инструменты в образовании" N2, 1999г., СПб, С. 3-22 - 1,25 п.л./ 1,0 п.л.

5. Абутин М.В., Колинько К.П., Никольский Д.Ю., Чирцов A.C. Использование возможностей мультимедиа и Интернет для компьютерной поддержки преподавания физики. Мультимедиа конспект лекций "Гравитация: развитие взглядов от И.Ньютона до А.Эйнштейна"//Вестн. СПбГУ, сер.4, 2002г., вып. 3. N20, С. 40-50. - 0.62 п.л./ 0,3 п.л.

6. Абутин М.В., Колинько К.П., Никольский Д.Ю., Чирцов A.C. Серия электронных сборников «Физика: модель, эксперимент, реальность». Использование возможностей мультимедиа и информационных технологий для поддержки преподавания электродинамики. // Вестник СПбГУ. Сер. 4, 2005, вып. 2., С. 123-133. - 0,68 п.л./ 0,4 пл.

7. Абутин М.В., Колинько К.П., Чирцов A.C. Серия электронных сборников «Физика: модель, эксперимент, реальность». Использование возможностей мультимедиа и информационных технологий для поддержки преподавания курса оптики. // Вестник СПбГУ. Сер. 4, 2006, вып. 2., С. 104-110. - 0,37 п.л./ 0,2 п.л.

8. Белоглазов И.Н., Мустафаев A.C., Цыганов А.Б., Чирцов A.C. Технологи производства Ni - Ti - электродов для извлечения обломков эндодонтических инструментов из корневого канала зуба. // Цветные металлы (ISSN 0373-2929), 2009, N3, С. 42-45. -0.25 п.л./0.1 п.л.

9. Богданов Е.А., Капустин К.Д., Кудрявцев A.A., Чирцов A.C. Сопоставление различных вариантов гидродинамического (fluid) моделирования продольной структуры микроразряда атмосферного давления в гелии II ЖТФ. 2010, т.80, вып. 10, С. 41-53.-0,5 п.л./0,2 п.л.

10. Богданов Е.А., Кудрявцев A.A., Чирцов A.C. Переход к затрудненному разряду и резкому изменению вольт-амперной характеристики при нагреве газа в коротком (без положительного столба) тлеющем разряде высокого давления. // ЖТФ, 2011, т.81, вып. 1, С. 59-64. - 0,37 п.л. / 0,1 п.л.

11. Чирцов A.C. Серия электронных сборников мультимедийных материалов по курсу общей физики: новые подходы к созданию электронных конструкторов виртуальных физических моделей с простым удаленным доступом. // Компьютерные инструменты в образовании/ СПб. 2010. N 6, С. 42 - 56. - 0,94 п.л.

12. Марек В.П., Чирцов A.C. Серия электронных сборников мультимедийных материалов по курсу общей физики: оригинальные подходы к созданию мультимедийных ресурсов и их использованию // Компьютерные инструменты в образовании №1, 2012, С. 58 -72. - 0,88 п.л./ 0.6 п.л.

13. Гуцев С.А., Косых Н.Б., Чирцов A.C.. Влияние ионного тока на определение температуры и концентрации электронов зондовым методом.// Письма ЖТФ, 2012, том 38, выпуск 3, С. 54-59.- 0,37п.л./0.15 п.л.

14. Марек В. П. Микушев С. В. Смирнов А. Г. Чирцов А. С. Возможности использования технологий стереоскопических ЗО-визуализаций в компьютерных моделях для сопровождения преподавания курсов физики // Компьютерные инструменты в образовании. Вып. 2, 2011г, С. 39 - 57. - 1,2п.л./0.5п.л.

15. Марек В.П. Микушев С.В. Чирцов A.C. Новые варианты использования информационных и мультимедийных технологий для реализации непрерывного высшего профессионального образования// Физическое образование в ВУЗах т. 18. №1, 2012г., С. 109- 126.-1,1 п.л./0.5 п.л.

16. Кудрявцев A.A., Мустафаев A.C., Цыганов А.Б., Чирцов A.C., Яковлева В.И.. Спектры энергии электронов в гелии, наблюдаемые в микроплазменном детекторе CES // ЖТФ, том 82, вып. 10, С. 1-6, 2012. - 0,4 п.л./0,1 п.л.

17. Марек В.П., Чирцов A.C. Использование компьютерных технологий и моделирования для приближения лабораторных работ к научным исследованиям. // Компьютерные инструменты в образовании, №1, 2014, С. 44 -59. - 1 п.л./0,8 п.л.

18. Марек В.П., Чирцов A.C. Варианты использования компьютерных технологий для интенсификации практикумов и приближения учебных работ к научным исследованиям. // Информатика и образование. №9, 2013.. С. 22 -35. - 0.85 п.л./О.б п.л.

19. Чернышева М.В., Чирцов A.C., Марек В.П., Швагер Д.А. Компьютерное моделирования при изучении физических процессов в тлевшем разряде в воздушных

смесях при низких давлениях. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 20)4, №3 (91), С. 140 - 148,- 0,56 п.л./0,3п.л.

Список публикаций в международных журналах

20. Гордеев C.B., Чирцов A.C., Источники оптической накачки на основе импульсных плазменных лазеров на парах атомов металлов второй группы. И Phys. Rev. А: 1995, п.: 12, Р. 61-62,01 January 1995, RU. -0,25 п.л./0,1п.л.

21. Chirtsov A.,Kudryavtsev A., Bogdanov Е. Fluxes of Charged Particles in Two-Chamber ICP Discharge in Oxygen. Accepted to EEE Transactions on Plasma Science Special Issue//-Images in Plasma Science, v.39, N8, 2011, P. 2562-2563. - 0.12 n.c./ 0.04 n.c.

22. Chirtsov, A., Kapustin K.,Kudryavtsev A., Bogdanov E. Non-local behavior of electron fluxes and excitation rates for "local" EEDF in moderate and high pressures DC positive column plasmas. Accepted to IEEE Transactions on Plasma Science Special Issue // Images in Plasma Science, v.39, N8, 2011,- 0,19 п.л./0.06 п.л.

23. Bogdanov E.A., Chirtsov A.S., Kudryavtsev A.A. Fundamental non-ambipolarity of electron fluxes in 2D plasmas. // Phys. Rev. Lett., 106.195001, 2011. - 0,5 п.л./0,2 п.л.

Учебные пособия

24. Чирцов A.C. Готовимся к экзамену по физике. Электричество. // Изд-во СПбГУ, изд. Учебн. книга. 1998г., 64 с.

25. Манида С.Н., Чирцов A.C. Готовимся к экзамену по физике. Физика колебаний. Оптика.. // Изд-во СПбГУ, изд. Учебная книга. 1998г., 64 с.

26. Чирцов A.C. "Классическое естествознание" - интерактивный задачник по естествознанию. //. Сер. "Компьютерные инструменты в школьном образовании"// СПб.: Изд-во Центра Профессионального обновления "Информатизация образования", 2000 г., 32 с.

27. Чирцов A.C. Физика: модель, эксперимент, реальность: в 8т. Т.1: Гравитация: развитие взглядов от И. Ньютона до А. Эйнштейна. // СПб.: Из-во С.-Петерб. Ун-та, 2001 г. Ф50, ББК 22.3 я 721.6, ISBN 5-288-02895-8 (Т. 1 ) ISBN 5-288-02896-6.

28. Чирцов A.C. Концепции современного естествознания.// СПб.: "Бельведер", 2002., 280 е., ISBN 5-9259-0028-6

29. Чирцов A.C. Задачи Санкт-Петербургской городской олимпиады школьников по физике 1999-2003 годов. Условия, пояснения, решения. // Методическое пособие. РГПУ им. Герцена, СПбГУ, Санкт-Петербург, 2003 г., 129 е., ISBN: 5-88494-063-7, отпечатано в РИЦ ГОУ "СПб ГДТЮ", тир. 500 экз., 26.03.2003

30. Чирцов A.C. Электромагнитные взаимодействия: Классическая электродинамика // СПб.: Издательство С.-Петербургского университета, 2005, 370 е.,ISBN 5-288-04090-7

Труды конференций по теме диссертации

31. Бутиков Е.И., Чирцов A.C. Законы движения макроскопических тел. - Пакет обучающих и демонстрационных программ по курсу общей физики. // В сб. Тр. III Международной конф. Model - oriented Data Analysis. Секц. Моделирование, оптимизация и обработка данных. 28-30 мая 1992г., С. Петербург, ч.2, С.27.

32. Чирцов A.C. Макет многоцелевого компьютерного учебника по физике: программная оболочка и обучающий модуль по теме "Движение частиц в электромагнитных полях"// В сб. Тр. Межд. Конф. Физика в система современного образования (ФССО), г. Сочи, ЗОсент - 4 окт., 1993г., С. 158-159.

33. Чирцов A.C. Движение заряженных частиц в электромагнитных полях (демонстрационные эксперименты, лабораторные работы и задачи на персональном компьютере) // В сб. Тр. III Межд. конф. Региональная информатика. Т.2, С. 254, 1993 г.

34. Чирцов A.C. Макет многоцелевого компьютерного учебника по физике: варианты программных оболочек и обучающий модуль по теме "Движения заряженных частиц в электромагнитных полях" // В сб. Тр. Всероссийской конф. "Компьютерные технологии в высшем образовании", СПб, 14-18 марта 1994, С. 35-36.

35. Чирцов A.C. Пакет обучающих программ по теме: "Движение заряженных частиц в силовых полях": конструирование физических систем и моделирование процессов на компьютере. // В сб.: Труды Международной конференции "Физика в системе современного образования". Петрозаводск, 20-25 июня 1995г., С.244.

36. Чирцов A.C. "Движение заряженных частиц в силовых полях" - пакет обучающих программ и физический конструктор. // В сб.: Тр. Междунар. конф. "Современные технологии обучения", 16-17 мая, 1995, СПб, С.56.

37. Бобович А,В., Космачев В.М., Чирцов A.C. Физика и компьютер" - трехуровневая программа сбалансированного обучения физике и современным компьютерным технологиям. // В сб. "Телематика-96" - Всероссийская научно - методическая конф. 13-17 мая 1996г., СПб, С. 150.

38. Бобович A.B., Космачев В.М., Чирцов A.C. Программа сбалансированного обучения физике и современным компьютерным технологиям.// В сб. "Телематика-96" -Всероссийская научно - методическая конф. 13-17 мая 1996г., СПб, С. 150.

39. Поздняков С.Н., Чирцов A.C. Новые компьютерные технологии в курсе "Современные концепции естествознания" для гуманитарных факультетов. И В сб. "Компьютерные технологии в СПбГУ", изд-во СПбГУ, 1997г., С.5.

40. Кобленц А.Б., Колинько К.П., Никольский Д.Ю., Чирцов A.C. Многофункциональный электронный учебник по фундаментальному курсу физики, разделы: "Движение частиц в силовых полях", "Релятивистская динамика", "Геометрическая оптика" // В сб. Тр. Межд. Конф. "Современные технологии обучения" 20 мая 1997г., С. 147-148.

41. Никольский Д.Ю., Колинько К.П., Чирцов A.C. Многофункциональный компьютерный учебник по фундаментальному курсу физики. Разделы: "Движение частиц в силовых полях", "Релятивистская динамика". "Геометрическая оптика" // В сб. Tp.IV Межд. Конф. "Физика в системе современного образования". Волгоград, 1519 сент. 1997г.

42. Чирцов A.C. "Физика и компьютер" - экспериментальная образовательная программа обучения физике и новым информационным технологиям. // В сб. "Компьютерные технологии в СПбГУ", изд-во СПбГУ, 1997г., С.4.

43. Колинько К.П., Никольский Д.Ю., Чирцов A.C. Компьютерные модели в курсе "Современные концепции естествознания"// В сб. Тр. Межд. Конф. "Современные технологии обучения" 16 апр. 1998г., т.1, С. 138-139.

44. Бобович А.В„ Григорьев И.М,. Колинько К.П, Космачев В.М., Манида С.Н., Чирцов A.C. Использование информационных технологий в довузовском обучении физике. // В сб. V Межд. конф. "Физика в системе современного образования (ФССО 1999). 2124 июня 1999, СПб". Т. 3, С. 75-76.

45. Бобович A.B., Григорьев И.М., Колинько К.П., Космачев В.М., Чирцов A.C. ИНТЕРНЕТ - новые возможности реального обучения физике// В сб. Тр. межд. конф. Интернет, общество, личность (ИОЛ-99), СПб, 1-5февраля 1999г.

46. Бобович A.B., Чирцов A.C. и др. Использование современных компьютерных технологий для информационной поддержки квалифицированного преподавания физики. // Компьютерные учебные программы. М. 1999. Т. 3. № 18. С. 8 -16.

47. Поздняков С.Н., Чирцов A.C. Использование компьютерных и сетевых технологий при чтении курса "Современные концепции естествознания" для студентов

гуманитарных специальностей. // В сб. Тр. V Межд. конф. "Физика в системе современного образования (ФССО 1999)". СПб. 1999. Т. 3. С. 140-141.

48. A. Chirtsov. Computer support in professional education in physics: virtual physical laboratories and real experiments in multimedia. // В сб. "International Conference CoLoS'99: New ideas in computer based education" Sept/ 16-18, 1999, St. Petersburg, Russia.

49. Чирцов. A.C. Тестирующая программа по факультативному курсу "Современные концепции естествознания" для учащихся старших классов. // В сб. "Информационные технологии в образовании" (по материалам Межд. конф. "Школьная информатика и проблемы устойчивого развития" (EISP'98), СПб, 1999, С.49-51.

50. Чирцов A.C., Колинько К.П. Опыт создания мультимедиа компакт-дисков с материалами научных конференций и семинаров в реальном времени их проведения.// В сб. тр. Всероссийской объединенной конф. "Интернет технологии и современное информационное общество", СПб, 20-24 ноября 2000г., С. 128-129.

51. Чирцов A.C. Тесты в естествознании. // Компьютерные инструменты в образовании. СПб. 2000. № 2. С. 9- 12.

52. Колинько К.П., Никольский Д.Ю., Чирцов A.C. Образовательный сервер "Физика для школ через ИНТЕРНЕТ" - мультимедиа демонстрации и JAVA-апплеты по курсу физики. // Интернет и современное общество: материалы Всероссийской объединенной конференции. Санкт-Петербург, 20—24 ноября 2000 г. — СПб., 2000.

— С. 208—209.

53. Василькова A.B. Иванов С.Г., Сухачев Д.С., Чирцов A.C.. Использование современных компьютерных технологий для информационной поддержки чтения курса "Концепции современного естествознания" для студентов гуманитарных специализаций// В сб. "Современные технологии обучения" - (материалы 6-й межд. конф.), 4.1, С. 182-183, 2000г.

54. Колинько К.П., Никольский Д.Ю., Чирцов A.C. Образовательный сервер «Физика для школ через Интернет» — мультимедиа демонстрации и Java-апплеты по курсу физики. // В сб. Технологии информационного общества. — Интернет и современное общество: материалы Всероссийской объединенной конференции. Санкт-Петербург, 20—24 ноября 2000 г. СПб. 2000. С. 208—209.

55. Абутин М.В., Чирцов A.C. и др. Мультимедиа сборник "Увлекательная физика": электронный конспект лекции "Гравитация: развитие взглядов от И. Ньютона до А. Эйнштейна" // В сб. Материалы 6-й Межд. Конф. "Современные технологии обучения". СПб. 2000. Т. 1. С. 184—185.

56. Григорьев И.М., Колинько К.П., Никольский Д.Ю., Чирцов A.C. Информационная поддержка высококвалифицированного преподавания физики для учащихся северозападного региона России. // В сб. Интернет. Общество. Личность. (ИОЛ-2000) (новые информационно-педагогические технологии): Тезисы межд. конф. — СПб, 28 февраля

— 3 марта 2000 г. — С. 169.

57. Золотухин Ю.А., Филоненко Ф.И., Чирцов A.C. Электронный мультимедиа сборник «Увлекательная физика». Ядро моделирующей программы к разделу «Механические системы со связями». // В сб. Тр. Всероссийской объединенной конф. «Интернет технологии и современное информационное общество», СПб, 20-24 ноября, 2000 г., С. 67-69.

58. Бобович A.B., Космачев В.М., Чирцов A.C. Использование компьютерных технологий в интересах образования - нерешенная проблема 2000-ых // Компьютерные учебные программы и инновации. N1, 2001, Москва, С.33-51.

59. Бобович A.B., Космачев В.М., Чирцов А.С Интеграция информационных технологий в образование. // Компьютерные учебные программы и инновации. N3, 2001, Москва, С.39-56.

60. Архипов М.В., Григорьев И.М., Толмачев Ю.А., Чирцов A.C.. Учебная лаборатория дистанционных физических экспериментов. Ч Всерос. Научно-метод. Конф."Телематика 2002" секц. D, СПб, 3-6 июня 2002г

61. Чирцов A.C., Юргенсон Ю.Р. "Физика сложных систем и Интернет" - второй этап экспериментальной образовательной программы творческого педагогического сотрудничества школы и ВУЗа в области элитарной подготовки специалистов -физиков // В сб. "Материалы VIH Межд. Конф. Современные технологии обучения "СТО-2002" 24 апреля 2002г., СПБ, T.I, С. 183-185.

62. Абутин М.В, Чирцов A.C. и др. Мультимедиа сборник "Физика: модель, эксперимент, реальность": электронный конспект лекции "Электрические и магнитные поля: удобная теоретическая модель или физическая реальность?" // В сб. "Физика в системе современного образования (ФССО-ОЗ)" -Тр. 7 межд. конф. 14-18окт.2003г. СПб. 2003. Т. 3. С. 218—219.

63. Григорьев И.М., Чирцов A.C. Бакалавриат «Прикладные математика и физика» -второй этап реализации экспериментальной образовательной программы «Физика и компьютер». //В сб. «Мат. X межд. Конф. «Современный технологии обучения (СТО-2004)» СПб. 2004. Т. 2. С. 85-86.

64. Никольский Д.Ю., Павлейно О.М., Чирцов A.C. Мультимедиа сборник «Физика: модель, эксперимент, реальность»: использование компьютерного моделирования электростатических и магнитостатических полей. // В сб. «Мат. X межд. Конф. «Современный технологии обучения (СТО-2004)» 21 апр. 2004г., СПб, 2004, Т.2, С. 94-96.

65. Абутин М.В., Колинько К.П., Лазута В.А., Чирцов A.C. .Серия мультимедиа сборников «Физика: модель, эксперимент, реальность»: мультимедиа ресурсы для сопровождения преподавания курса оптики. // В сб. «Мат. X межд. Конф. «Современный технологии обучения (СТО-2004)» 21 апр. 2004г., СПб, 2004, Т.2, С. 100-102.

66. Колинько К.П, Чирцов А.С и др. Серия мультимедиа сборников «Физика: модель, эксперимент, реальность»: новые образовательные ресурсы для поддержки преподавания механики, электродинамики и оптики. // В сб. «Тр. XI Всероссийской научно-методической конф. Телематика'2004». СПб. 2004. Т. 1. С. 328—330.

67. Колинько К.П.. Никольский Д.Ю., Павлейно О.М., Чирцов A.C. Серия мультимедиа сборников «Физика: модель, эксперимент, реальность»: новые образовательные ресурсы для поддержки преподавания механики, электродинамики и оптики». // В сб. «Тр. ХШсероссийской научно-методической конф. Телематика'2004» 7-10 июня 2004г., СПб, 2004, T.I, С.328-330, ISBN 5-7577-0148-Х.

68. Чирцов A.C. Прикладные математика и физика - опыт организации элитарного направления интенсивного обучения на физическом факультете СПбГУ // В сб. «Физика в системе современного образования» (ФССО-05) - матер. VIII межд. конф. 29мая - Зиюня 2005. СПб // Изд. РГПУ им. Герцена, С. 142-144

69. Абутин М.В, Колинько К.П., Чирцов A.C. Мультимедийные ресурсы к электронному сборнику «Развитие взглядов на природу света» (Серия «Физика: модель-эксперимент- реальность») // В сб. Матер. XI межд. конф. «Совр. технологии обучения: междунар. опыт и российские традиции СТО-2005». СПб. 2005. Т. 2. С. 134—136.

70. Чирцов A.C. Прикладные математика и физика - опыт организации нового направления сбалансированного обучения физике и новым информационным технологиям на физическом факультете СПбГУ. // В сб. Матер. XI межд. конф. «Совр. технологии обучения: межд. опыт и российские традиции СТО-2005».СПб. 2005. Т. 2, С. 96—97.

71. Абутин M.B, Колинько К.П., Чирцов A.C.. Мультимедиа сборник «Физика: модель, эксперимент, реальность»: т.З «Развитие взглядов на природу света» // В сб. «Физика в системе современного образования» (ФССО-05)- матер. VIII межд. конф. 29мая -Зиюня 2005. СПб И СПб. Изд. РГПУ им. Герцена. 2005. С. 500-501.

72. Чирцов A.C. Концепция реализации национального проекта «Инновационная образовательная среда в классическом университете» на физическом факультете СПбГУ. // В сб. Матер, межд. конф. «Современное образование: содержание, технологии, качество». СПб. 2007. Т. 1. С. 25-27.

73. Елкин Д.И., Цветов А.А, Чирцов A.C. Интерактивные тесты для мультимедийного курса общей физики. // В сб. Матер. Межд. конф. «Современное образование: содержание, технологии, качество». СПб. 2007. Т. 1. С. 261 - 263. 491 Чирцов A.C. Инновационный мультимедийный курс общей физики. Раздел «Классическая электродинамика» // В сб. «Физика в системе современного образования (ФССО-07)» - Матер. IX Межд. конф. СПб, 4 -8 июня, 2007г., Т.2, С. 345-347.

74. Чирцов A.C. Информационная поддержка преподавания курсов общей физики для студентов бакалавриата «Прикладные математика и физика» физического факультета СПбГУ.// Межд. конф. «Современное образование: содержание, технологии, качество», 23 апр. 2008г., СПб.2008, С.23-25.

75. Марек В.П., Микушев В.М., Чирцов A.C. Использование информационных технологий при создании инновационной образовательной среды на физическом факультете классического университета. // Международный журнал экспериментального образования,, N6, 2009, С. 23-26. ISSN 1996-3947.

76. Марек В.П., Чирцов А. С. Использование мультимедийных ресурсов для организации самостоятельной работы студентов при реализации на Физическом факультете СПбГУ новых образовательных стандартов. // В сб. «Материалы XVMeжд. Конф. «Современное образование: содержание, технологии, качество» 22 апреля 2009г.», Т.1,СПб, 2009, С.219-221.

77. Венедиктов В.Ю., Микушев В.М., Надолинский A.A., Чирцов A.C. Опыт организации интенсивного обучения и эффективного контроля качества в бакалавриате по направлению «Прикладные математика и физика». // В сб. Материалы X Межд. Конф. «Физика в системе современного образования» (ФССО-09)», СПб, 31 мая- 4 июня 2009г., Т.1, СПб, 2009, С. 42-44.

78. Чирцов A.C. Использование электронного сборника мультимедийных ресурсов для инновационного курса общей физики при организации циклов удаленных лекций для учащихся Гимназического Союза России. //В сб. Материалы XV Межд. Конф. «Современное образование: содержание, технологии, качество». 22 апреля 2009г.», Т.1, СПб, 2009, С. 138-140.

79. Лебедева Е.В., Чирцов A.C. и др. Турнир Юных физиков Гимназического Союза России // В сб. Материалы X Межд. Конф. «Физика в системе современного образования» (ФССО-09)». СПб. 2009. Т. 2. С. 92—95.

80. Марек В.П., Чирцов A.C. Исследование возможностей мультимедиа и компьютерного моделирования для организации самостоятельной работы студентов и их подготовки к работам физпрактикумов // В сб. Материалы X Межд. Конф. «Физика в системе современного образования» (ФССО-09)». СПб. 2009. Т. 2. С. 193 - 195.

81. Чирцов A.C., Марек В.П. Использование возможностей мультимедиа для эффективной подготовки учащихся к лабораторным практикумам на современных дорогостоящих приборных комплексах. // В сб. «Материалы межд. Форума «Современное образование: содержание, технологии, качество» 21-22апр. 2010г.» , СПб, 2010, Т.2, С.80-82.

82. Абутин М.В, Марек В.П., Чирцов A.C. Мультимедийное описание и макет лабораторной работы по изучению сил взаимодействия между постоянным магнитом и высокотемпературным сверхпроводником // В сб. «Материалы XVII Межд. научн.-

метод, конф. «Современное образование: содержание, технологии, качество» 20 апреля 2011г.». СПб, 2011, Т.2, С. 110-112.

83. A.Kudryavtsev. E.Bogdanov, A.Chirtsov. S.Emelin. Sludy of shorl almospheric pressure dc glow microdischarge in air. 64th Annual Gaseous Electronics Conference, November 14-18, 2011; Salk Lake Cily, Utah, USA. Abslrae! FTP).2. Bulletin, of American Physics Sosiety, v.56, N15, p.29, 2011.

84. A.Chirtsov, A. Kudryavtsev, A. Mustafaev and A. Tsyganov. "Micro-plasma detector based on Collisional Electron Spectroscopy (CES) method for gas mixtures diagnostics" 30-th 1CP1G, August 28-th-Septeinber 2-nd, 2011, Belfast, Northern Ireland, UK, B6-I74, 4 p.

85. Chirtsov. A., Kudryavtsev A., Bogdanov E. Nonambipolarily of electron riiixcs in 2D unmagnetized plasma. 30"' ICPIG, August 28lh - September 2nJ201l, Belfast, Northern Ireland, UK, A2-272, 4 p.

86. Марек В.П., Чирцов A.C. Использование пакета МАТЕМАТИКА п технологий облачных вычислений для изучения особенностей взаимодействия постоянного магнита с высокотемпературным сверхпроводником. // В сб. «XVIII Межд. научно-методическая копф. «Современное образование: содержание, технологии, качество» 18 аир. 2012г.» СПб. 2012г„ T. I., С. 149-151.

87. Якушев С.И.. Чирцов A.C. Использование возможностей среды профессионального моделирования АНСИС и пакета Математика для сопровождения практикума решения задач по магнитостатике. // В сб. «XVIII Мсжд. научно-мстоднчсская ко59иф. «Современное образование: содержание, технологии, качество» 18 апр. 2012г.» СПб. 2012г., T.I., С. 174-176.

88. Буркова З.С., Чирцов A.C. Расширение возможностей программного пакета COMSOL для численного моделирования нестационарной нелокальной плазмы. // В сб. «XVIII Межд. научно-методическая конф. «Современное образование: содержание, технологии, качество» 18 апр. 2012г.» СПб, 2012г., T.I., С. 148-149.

89. Чирцов A.C. Якушев С.И. Использование возможностей среды профессионального моделирования ANSYS и пакета Математика для сопровождения практикума решения задач по магнитостатике. //Межд. научно-методическая конф. «Современное образование: содержание, технологии, качество» 18 апр. 2012г.» СПб, 2012г., T.I., С. 174-176.

90. Михеев К.Д., Чирцов A.C. Новые интерактивные ресурсы для мультимедийного курса электродинамики: профамма-конструктор для моделирования цепей постоянного тока. /// В сб. «XVIII Межд. научно-методическая конф. «Современное образование: содержание, технологии, качество» 18 апр. 2012г.» СПб, 2012г., Т.1., С. 171-174.

91. Марек В.П., Чирцов A.C. Электронные образовательные ресурсы по физике плазмы для нового тома «Атомная и субатомная физика» мультимедийного сборника «Физика: модель, эксперимент, реальность». // В сб. «Физика в системе современного образования» ФССО-13). Материалы XII Межд. Конф. «Физика в системе современного образования» (ФССО-13), Петрозаводск, 3-7 июня. 2013г., T.I. С.34-38 (ISBN 978-5-8021-1655-5, нз-во Петр ГУ, 2013.

92. Марек В.П., Чирцов A.C. Разработка мультимедийных описаний для нового лабораторного практикума по физике. // В сб. «Физика в системе современного образования» ФССО-13). Материалы XII Межд. Конф. «Физика в системе современного образования» (ФССО-13), Петрозаводск, 3-7 нюня. 2013г., Т.2, C.2I7-220 (ISBN 978-5-8021-1655-2, из-во Петр ГУ, 2013.

93. Чирцов A.C., Марек В.П. Электронные образовательные ресурсы по физике плазмы для нового тома «Атомная и субатомная физика» мультимедийного сборника «Физика: модель, эксперимент, реальность» // В сб. «Физика в системе современного образования» ФССО-13). Материалы XII Межд. Конф. «Физика в системе

4(1

современного обратонанни» (ФССО-13). Петрозаводж, 1-7 и мая. 10WJC'. 34-38 (ISBN У7К-5-8021 -1655-5. нз-но Петр ГУ, 2013. | Ц" I Ч / L U

94. Чнрцон. A.C. Комплекс учебных и методических материалом для информационном по.тдержкн преподавания курса «Концепции современного естествознания» " В сб. «Маг. IX межд. Копф. «Современный технологии обучении (СТО-2003)» 23 аир. 200.1 г.. СПб, 2003. Г.2. С. 87-К9

45. Чнрцон A.C. CS-Г Небесная механика. [Электронный ресурс] / Лекгарпум |Сайт]. [2013]. URL: hup:/'mooc.leklomnn.ls/courses/ITMO/CS 1/2014Д 1/аЫнИ/ (дата обращении: 01.016.2014).

96. С омоп Я.М.. Чирцон A.C. МООС эффективное применение нрнвычпы.х компонентов образовательного процесса. /V И со. «XX Международная иаучмо-меюдическаи конференция «Современное обратование: содержание, rexuojioi ни. качество» 23 аир. 2014г.». СПб, 2014 I., Т. I. С. 151-152

97. С'тафеев С .К., Сомой Я.М.. Чирцон A.C., Олынанскаи A.B., Жогипа H.A. МООС эффективное применение привычных комноненiов обра юва тельного процесса. .'/ В сб. Труди XXIJ1 Всероссииск. Научи.-метод, конф. «Телематика 2014» 23-26 нюни 2(ll4i.. СПб». СПб, Ум-1 1ITMO, 2014 С. 79-К 1.

98. Моклен В.В.. Чнрион A.C. Вариант использования компьютерного моделирования физических систем для организации самостоятельной исследовательской работы студентов младших курсов. // В сб. «XX Международная паучпо-меюднческая конференция «Современное образование: содержание, технологии, качество» 23 аир. 20141.». СПб, 2014 г., Т. I.C.I53-154. '

Формаi: 60xS4 1/16 Печать офсс!пая.

Бумага офсешая. Гарнитура Times. Тираж: 100 iki. Закат: 421 Отпечатано: Учреждение « Университет скис телекоммуникации» 107101, Саню-Петербург, Саблииекая ул., д. 14 +7(812) 9151454, zakazfelibir.ru, www.libir.ru

2014158684