Лекция 4

Проведение лабораторных работ в ИОС ОО

По ряду дисциплин невозможно построить сколько-нибудь полноценный учебный процесс без создания специального виртуального практикума, наиболее типичным из которых является виртуальный лабораторный практикум. Разумеется, компьютерные средства обучения, моделирующие реальный эксперимент, никогда не вытеснят его из, например,  физического практикума. Однако как часть учебного процесса и сопровождение его основного традиционного курса компьютерные лабораторные работы (КЛР) могут, повысить активность студента, индивидуальность обучения, расширить возможности лабораторного практикума кафедры. Незаменимы КЛР при организации учебного процесса с применением ДОТ. Более подробно с проблематикой и терминологией виртуальных лабораторных практикумов Вы можете познакомиться в Хрестоматии к курсу (см. статью А.Э.Попова и др. )

Виртуальная лаборатория является модулем системы дистанционного обучения. В общем случае, виртуальная лаборатория представляет собой некую информационную среду, позволяющую проводить эксперименты, не имея непосредственного доступа к объекту исследования [20]. При этом эксперименты могут проводиться

• как с использованием математических моделей,
• так и с использованием удаленного доступа к изучаемому объекту.

Таковы два основных типа лабораторных работ в системе дистанционного обучения.

Лабораторная работа должна рассматриваться как часть электронного курса, в который входят также информационные страницы электронного учебника, тесты, практикум. Каждая виртуальная лабораторная работа представляет собой обучающий комплекс, содержащий несколько компонентов:

• краткое описание и анализ теоретических аспектов изучаемого объекта, явления или процесса;
• описание приборов и оборудования, используемых для проведения исследований, их характеристики и порядок применения;
• исследование изучаемого объекта, явления или процесса по индивидуальной программе, обработка результатов и представление отчета.

Собственно виртуальные (или компьютерные) лабораторные работы (математические модели)

КЛР (или ВЛР) является программным обеспечением, имитирующим процессы, протекающие в изучаемых реальных объектах. В виртуальных лабораториях характерно использование программ моделирования процессов в изучаемых или проектируемых объектах, но могут использоваться также математические пакеты, программы оптимизации, базы данных и другие компоненты программного и информационного обеспечения. Типичными примерами программного обеспечения для расчетов и анализа процессов в исследуемых системах могут служить математические пакеты типа MathCAD, программы анализа электронных схем PSpice, механических устройств Adams, систем с механическими, гидравлическими, электрическими и электронными элементами типа ПА9, логических схем на основе языка VHDL, программы моделирования полей физических величин по методу конечных элементов типа Ansys, программы геометрического моделирования и др.

Удаленная лаборатория (лаборатория удаленного доступа) отличается от виртуальной лаборатории наличием реального учебно-исследовательского оборудования, к которому обеспечен дистанционный доступ.

Виртуальный лабораторный практикум в ИОС ОО

Процесс создания виртуального лабораторного практикума (КЛР, ВЛР) для системы дистанционного обучения складывается из нескольких больших взаимоувязанных работ-этапов:

1. Создание (и обоснование) математической модели рассматриваемого явления, программная реализация модели и создание интерфейса программы. Т. е создание самой действующей программы-КЛР.
2. Разработка и апробация методического обеспечения  к КЛР.
3. Разработка и апробация педагогических и технологических сценариев использования КЛР в дистанционном учебном процессе с использованием определенной информационной системы дистанционного обучения.

Мы имеем некоторый опыт в данной области, на основе которого строится дальнейшая часть лекции.

Первые два этапа были осуществлены автором с сотрудниками на кафедре общей физики СибАДИ в 1997-2001 гг. [21], [22]. Последний -  в 2003 г. в рамках выполнения одного из договоров научно-технической программы Минобразования «Создание системы открытого образования».

Было создано более 10 компьютерных моделей - лабораторных работ по курсам общей физики, светотехники и колористике, причем три из них адаптированы к среде дистанционного обучения ИОС ОО.

Программы имеют сходный интерфейс, снабжены справочной информацией по порядку работы с ней, в каждой работе имеется возможность узнать теоретические сведения, относящиеся к данному разделу физики, а также задания к лабораторной работе (см. рис. 1-2).

Интерфейс каждой программы интуитивно понятен, приближен к интерфейсу реальных приборов и установок и не требует специального описания и инструктажа.

Рис. 1. Лабораторная работа "Сложение цветов"

Рис. 2. Лабораторная работа "Дифракция Фраунгофера"

Учебно-методическое обеспечение КЛР складывается из обязательной части:

• Методические указания
• Банки тестовых заданий к допуску и защите.

И необязательной части – элементов УМК дисциплины, полезных для подготовки к проведению лабораторной работы.

Методические указания

Для каждой лабораторной работы готовятся методические указания. Методические указания создаются в соответствии с содержанием и рабочими программами дисциплин и общеметодологическими принципами проведения типовой ЛР дисциплины цикла ЕН. Методические указания содержат:

1. Название КЛР.
2. Введение. Цель лабораторной работы.
3. Основы теории.
4. Задание к лабораторной работе, включающее:
• Алгоритм выполнения лабораторной работы.
• Порядок выполнения лабораторной работы.

Во введении раскрывается главная цель проведения ЛР.

Основы теории приводятся в объеме, достаточном для подготовки к проведению лабораторной работы и прохождения тестов допуска.

Алгоритм выполнения лабораторной работы общий для всех трех работ. Он определяется общеметодологическими принципами проведения ЛР, в соответствии с которыми весь процесс выполнения ЛР разбивается на ряд этапов (учебных действий):

1. Подготовка к проведению ЛР. Самостоятельное изучение студентом теории и порядка проведения ЛР.
2. Подготовка журнала проведения ЛР – будущего отчета.
3. Прохождение допуска к выполнению ЛР, который заключается в оценке преподавателем готовности студента: теоретической (знание теории) и практической (знание порядка выполнения ЛР и подготовленный журнал ЛР).
4.  Получение заданий к выполнению работы у преподавателя (прежде всего, численных параметров проводимого эксперимента).
5. Выполнение лабораторной работы.
6. Обработка результатов.
7. Оформление отчета по ЛР, включая формулирование выводов по проведенным экспериментам, построение графиков и т.п..
8. Защита ЛР, включающая проверку преподавателем отчета по ЛР и беседу по теории, результатам и выводам.

Мы стремились максимально соблюсти данную последовательность учебных действия применительно к  дистанционному процессу в среде ПО РВУ. Для этого оказалось необходимым применение следующих И-технологий и средств ПО РВУ:

1. Система тестирования (допуск к ЛР и защита ЛР).
2. Библиотека ВП (методические указания и теоретический материал).
3. Библиотека двоичных файлов ВП или (в более раннем варианте) ftp-сервер для хранения и доставки неформатных фалов (самих программ-КЛР).
4. e-mail или форум группы для обмена сообщениями и файлами.
5. Доска объявлений для сообщений преподавателя студентам о ходе выполнения ЛР

Далее разрабатываются сценарии действий участников учебного процесса:

1. Сценарий действия слушателя

1. Просмотр в графике курса назначенной ЛР, даты ее прохождения, указания на ее методическое обеспечение.
2. Просмотр «Методических указаний к ЛР и изучение алгоритма выполнения ЛР.
3. Изучение основ теории в «Методических указаниях к ЛР» и дополнительных информационных ресурсов.
4. Доступ к ЛР. «Скачивание» и установка на рабочий компьютер компьютерной ЛР. Доступ к интерфейсу управления автоматизированной лабораторной установки.
5. Изучение порядка выполнения лабораторной работы. Тренаж.
6. Подготовка заготовки журнала выполнения лабораторной работы и отсылка его преподавателю.
7. Прохождение теста допуска.
8. Получение подтверждения допуска и задания к ЛР от преподавателя.
9. Выполнение ЛР.
10. Заполнение журнала, обработка результатов, формулирование выводов.
11. Отсылка отчета о выполненной ЛР преподавателю.
12. Прохождение теста защиты.
13. Получение от преподавателя подтверждения защиты и оценки за выполнение ЛР.

2. Сценарий действий преподавателя (тьютора)

1. Подготовка в учебному процессу. Подготовка заданий на всю группу.
2. Рассылка дополнительных уведомлений (доска объявлений) о начале выполнения ЛР (в том числе о готовности автоматизированной лабораторной установки).
3. Просмотр теста допуска.
4. Просмотр присланной заготовки журнала ЛР.
5. Оценивание допуска к ЛР, занесение (редактирование) оценки в журнал успеваемости.
6. Отсылка журнала ЛР с вставленным заданием к выполнению ЛР. Уведомление о согласованной дате проведения удаленного практикума.
7. Уведомление лаборанта о дате проведения ЛР на АЛУ.
8. Контроль проведения ЛР (АЛУ).
9. Проверка теста защиты, оценивание защиты ЛР.
10. Проверка журнала отчета о выполненной ЛР, оценивание проведения ЛР.
11. Занесение (редактирование) оценок в журнал успеваемости. Оценивание работы в целом.
12. Уведомление слушателя о результатах работы.

3. Сценарий действий лаборанта

1. Поддержание актуальности ftp-сервера, автоматизированной лабораторной установки, управляющего компьютера и его интерфейса.
2.  Согласование с преподавателем даты проведения ЛР на АЛУ.
3. Обеспечение проведения ЛР на АЛУ.
4. Уведомление преподавателя о проведенной ЛР.

И, наконец, вырабатывается инструкция для слушателя:

1. Изучите основы теории. Для этого внимательно прочитайте параграфы теории к выполняемой работе. Рекомендуется также изучить дополнительную литературу по теме, приведенную в рабочей программе курса и методических рекомендациях к его изучению.
2. Войдите на ftp-сервер Омского виртуального университета по адресу (адрес ftp сервера omsk.openet.ru) используйте для входа на сервер пароль: (пароль, единый для всех слушателей курса). Скачайте выложенный здесь архивный файл (название), распакуйте на свой рабочий компьютер исполняемую программу (используя архиватор WinRar версии не ниже 3.0.).
3. Изучите порядок выполнения компьютерной лабораторной работы.
4. Копируя в файл формата .doc на своем компьютере отдельные части методических указаний создайте заготовку журнала выполнения лабораторной работы. Внимание!!! В заготовку журнала в обязательном порядке заносятся все таблицы, представленные в методических указаниях. Заполните пустые поля, для которых у Вас уже есть данные, и отошлите преподавателю-тьютору курса как приложение к письму по e-mail.
5. Войдите в систему тестирования ВП и пройдите входное тестирование по КЛР, в котором Вам будут заданы вопросы по теории и порядку выполнения КЛР.
6. Подождите проверки тестирования и ответного письма преподавателя, к которому будет прикреплен файл журнала КЛР с заполненной таблицей заданий.
7. Приступите к выполнению КЛР сразу же, заполняя данными таблицы журнала. Сформулируйте вывод по результатам КЛР и запишите его в журнал.
8. Отошлите созданный Вами отчет по ЛР преподавателю-тьютору курса как приложение к письму по e-mail.
9. Войдите в систему тестирования ВП и пройдите выходное тестирование, в котором Вам будут заданы вопросы по результатам выполнения и выводам из проделанной работы.
10. Подождите проверки тестирования и посмотрите оценку за КЛР либо в присланном преподавателем письме, либо в сообщении для на форуме группы.

Сформулируйте выводы по лабораторной работе и будьте готовы ответить на следующие вопросы:

1. Какие цели лабораторной работы были Вами достигнуты в ходе ее выполнения?

И т.д. по содержанию ЛР

 Не забудьте вставить в свой журнал табличку, характеризующую исполнителя (то есть Вас):

Также не забывайте, что отчет о проделанной лабораторной работе должен содержать ее название, цель, краткое описание выполненных действий и выводы.

Подробный и верный вывод и ответы на вопросы, приведенные выше, которые совпадают с заданиями зачетного тестирования являются основой защиты данной лабораторной работы.

Прочие элементы учебно-методического обеспечения виртуальной лабораторной работы

Помимо методических указаний для выполнения КЛР подготовлены:

1. Банк тестовых заданий для проведения допуска к лабораторной работе. Поскольку принятая технология проведения КЛР подразумевает автоматическую проверку результатов вводного тестирования, эти тесты не содержат вопросов с ответами на естественном языке. Это вопросы, в основном, с единственным или множественным выбором. Количество вопросов, задаваемых в сценарии допуска от 3 (сложные вопросы, ответы, на которые предполагают проведение вычислений) до 5. Количество заданий в банке вопросов от 8 до 23.
2. Банк тестовых заданий для проведения защиты результатов КЛР. Эти вопросы, напротив, как правило, предусматривают ответ на естественном языке, максимально моделируя процесс беседы преподавателя и студента. Эти вопросы не должны быть тайной для студента, они приводятся также в методических указаниях. Количество вопросов, задаваемых в сценарии допуска от 2 до 5. Количество заданий в банке вопросов от 5 до 7.
3. Дополнительные информационные ресурсы (учебные пособия, хрестоматии, наборы Интернет-ссылок.)