Разновидности информационных моделей

Все модели, и информационные и материальные, по временному фактору могут быть разделены на статические и динамические, так как реальный объект всегда находится в пространстве и времени. Материальные статические модели^** -см. схему 2 отражают пространственные характеристики реального объекта (всевозможные макеты), материальные динамические модели передают особенности функционирования объекта (периодическое движение «водолаза» в трубе с водой, имеющей различную температуру на концах, - модель теплового двигателя). Многие материальные модели являются функционально-геометрическими. Информационные модели (и в широком, и в узком смысле) тоже бывают статическими и динамическими.

Статическая и динамическая информационные модели представляют объект различных позиций. Статическая модель отражает строение и параметры объекта, поэтому ее называют также структурной. Когда речь идет о какой-либо предметной области, то говорят о модели знаний этой предметной области. Различают знания декларативные (знания о фактах, данные) и процедурные (знания о способах решения задач).

Данные - это отдельные факты, характеризующие объекты в предметной области, а также их свойства. По способу представления различают иерархические, сетевые и реляционные (табличные) структуры данных (схема 3). Многие школьные учебники подробно рассказывают об этом в связи с изучением процесса создания баз данных.

Схема 3

Структуры данных
Модели знаний
Иерархические
Сетевые
Реляционные
Продукционные модели
Семантические сети
Фреймы
Логические модели
////

Структурные модели

Знания - это выявленные закономерности предметной области (принципы, связи, законы), позволяющие решать задачи в этой области. Существуют десятки моделей представления знаний для различных предметных областей. Большинство из них может быть сведено к следующим классам:

· продукционные модели - основаны на правилах, позволяющих представить знания в виде предложений типа «если <условие>, то <действие>»;

· семантические сети - ориентированные графы, вершины которых - понятия, а дуги - отношения между ними; поиск решения сводится к поиску фрагмента сети, соответствующего поставленному вопросу;

· фреймы - абстрактные образы или ситуации, формализованные модели для отображения образа;

· формальные логические модели - основаны на классическом исчислении предикатов первого порядка, когда предметная область задается в виде набора аксиом.

Структуры данных входят как часть модели знаний предметной области ^** -см. схему 3 и дополнительно ниже о логический моделях..

Динамическая модель отражает процесс изменения и функционирования объекта, представленного набором параметров. Существует еще один родственный термин: алгоритмическая модель - комплекс алгоритмов, описывающих функционирование системы.

Алгоритмическая модель может быть представлена в словесно-пошаговом виде, блок-схемой, программой (раздел операторов) и др. Эти разновидности представления алгоритма отличаются степенью формализации системы команд. Словесно-пошаговые представления могут допускать нестрогие описания действий, условно понятных людям, для которых создавались эти описания. Такие представления чаще употребляются в неформализованных ситуациях. Блок-схемы и структограммы понятны более широкому кругу людей, так как введены определенные условные обозначения, правила их соединений. Алгоритмы, записанные в виде блок-схем, по определению являются формальными системами, но, безусловно, имеют меньшую степень общности, чем запись на языках программирования. Программа как последовательность команд является действительно формальной системой.

Таким образом, алгоритмические модели могут относиться по способу представления к образным - вербальным или иконическим (вспомним алгоритмы из пропедевтического курса информатики), образно-знаковым (блок-схема) и знаковым (программа).

Понятие «динамическая информационная модель» несколько шире понятия «алгоритмическая модель», так как включает и все функции времени, и интуитивное представление человека и каких-либо преобразованиях во времени, например о старении человека.

Информационно-логическая (инфологическая) модель определяется как «модель предметной области, определяющая совокупность информационных объектов, их атрибутов и отношений между объектами, динамику изменений предметной области, а также характер информационных потребностей пользователя. Создается по результатам предпроектного обследования предметной области и служит основанием для составления технико-экономического обоснования банка данных и разработки технического задания на проектирование».

Приведенная формулировка не дает возможности увидеть отличия инфологической модели от информационной. Совокупность информационных объектов, их атрибутов и отношений между объектами можно вполне назвать и информационными структурами. Следовательно, структурная модель есть часть инфологической модели. Динамика изменений предметной области связана с операциями над информационными структурами и представлением процессов циркуляции информации. Значит, вторую часть инфологической модели составляет динамическая модель.

Информационно-логическая модель включает:

1) описания отношений между объектами;

2) описание самих объектов через указание признаков (атрибутов);

3) алгоритмы действий, выполняемых объектами;

4) правила вывода, т.е. получения результата.

В болле поздней работе А.В. Горячева, одного из авторов упомянутой программы, и Н.И. Суворовой «Информационное моделирование: величины, объекты, алгоритмы» термин «инфологическая модель» исчезает совсем, а появляется «информационная модель действия» как алгоритм, оформленный в виде схемы или пронумерованных пунктов.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что информационно-логическая модель есть совокупность структурной и динамической (алгоритмической) моделей. Впрочем, действительно можно обойтись и без термина «инфологическая модель» в рассуждениях о моделировании для компьютера, ограничившись составными частями: структурной и динамической моделями. Но приведем еще цитату: «… реальный объект всегда находится в пространстве и времени одновременно. Это, в свою очередь, приводит к существованию информационных моделей еще одного типа, в которых совмещены свойства динамических и структурных моделей. В простейшем случае это означает, что организованную (структурную) информацию и алгоритм, преобразующий эту информацию, необходимо рассматривать как единое целое. В этом случае информацию, которая подлежит преобразованию, называют данными, а процесс объединения данных и алгоритма - инкапсуляцией. Получившаяся информационная модель называется информационным объектом или просто объектом». Из цитаты видно, что все-таки есть необходимость в понятии модели, объединяющей черты и структурной и динамической модели. Информационный объект является инкапсулированной инфологической моделью, т.е. разновидностью информационной модели в узкоспециальном понимании.

Схема 4

Информационные модели

(по временному фактору)

Физические (подобные)
Формальные (аналоговые)

Понятие «логические модели» официально появилось только в руководящем документе «Программа вступительного экзамена по информатике в высшие учебные заведения Российской Федерации в 2000 году»^** -см.: Информатик и образование. 2000. № 4. Выше уже упоминалось, насколько часто эти слова встречаются в рассуждениях о моделях, причем чаще как синоним мысленной модели. Таким образом, требуется более строгая конкретизация понятия «логическая модель», соотнесение его школьного использования с общенаучными и специальными, если изучение данного понятия предполагается на уровне средней школы.

Определим это понятие так : «Логические модели - модели, в которых на основе анализа различных условий принимается решение». Приведенные ниже примеры логических моделей, позволяют в это понятие в соответствии с вышеприведенной классификацией и формальные логические модели, и продукционные модели, и алгоритмические модели с разветвляющимися конструкциями. Похоже, что такая трактовка соответствует обобщенному понятию «модель знания». Заметим, что у того же автора существует похожий термин «формальная логическая модель» определяет подмножество понятия «логическая модель», что может привести к путанице.

Нам представляется целесообразным предназначать логическую модель для представления процесса принятия решения. Это соответствует традиционному пониманию логики как науки «о законах и формах мышления, методах познания и условиях истинности знаний и суждений». Но описание рассуждений по поводу принятия решения требует рассмотрения и структурных моделей данных, и описания мысленных действий с этими данными. То есть логические модели включают в себя органично сплетенные структурные модели и описывающие последовательность мысленных действий динамические модели.

К сожалению, у нас еще не сформировалось обоснованное мнение о сути понятия «логическая модель» и его месте среди других моделей, которые использует человек в познании и повседневной практике вообще и при решении задач с использованием компьютера в частности.

Представление информационной модели

Текст - наиболее подходящая форма представления информационной модели, которая должна послужить основой для компьютерной модели. Правила образования текста задаются грамматикой используемого языка. Поэтому любой текст можно рассматривать как языковую модель реального объекта. Для описания специальной информационной модели используют формальные языки, например языки программирования. Таким образом, текст программы является информационной моделью. Для описания структуры объекта может быть использован язык математики. Последовательностью математических формул, т.е. упорядоченной математической моделью, можно задать и алгоритм. Следовательно, математическая модель может рассматриваться как способ представления информационной модели, как разновидность информационной модели в узкоспециальном смысле. Популярность понятия «математическая модель» требует его отдельного рассмотрения.

Во многих источниках математическая модель, определяемая как «система математических зависимостей, описывающих структуру или функционирование объекта», фактически отождествляется со знаковой моделью. Но многие образно-знаковые модели, например граф, график, геометрический чертеж и т.п., тоже традиционно относятся к математическим моделям. В специальной литературе по информатике этот термин часто употребляется еще шире. Характерны высказывания типа: «… математическая модель, используемая в вычислительном эксперименте, представляет собой совокупность системы уравнений, описывающих изучаемый процесс (явление), алгоритма ее численного решения на ЭВМ и набора программ, при помощи которых исследователь может получать решение сформулированной задачи». Для наших целей уточним, что математические модели, реализующие математические методы, как простые, так и сложные, используются для работы с компьютером только на определенных этапах решения некоторых задач наряду с другими разновидностями моделей. Таким образом, математические модели не имеют того ореола исключительности, который создается после чтения специальной литературы на эту тему. Излишнее раздувание содержания вполне конкретного понятия приведет к его некорректному употреблению. Остановимся на определении, данном в начале. «… математические модели - математические формулы, отображающие связь различных параметров объекта или процесса». По вышеприведенной классификации математические модели являются разновидностью информационных (и в широком, и в узком смысле) знаковых моделей по способу кодирования.

Компьютерные модели

Термин «компьютерная модель» заявлен в учебниках, создаваемых под руководством А.Г. Гейна и Н.В. Макаровой; в первом случае под данным термином понимается модель задачи, составленная в расчете на исполнителя, имитированного на ЭВМ, где исполнитель - это тот, «кто будет получать результаты из исходных, используя построенную модель»; во втором случае приводится следующее определение «… компьютерная модель - модель, реализованная средствами программной среды». Поскольку компьютерная модель существует уже в электромагнитном представлении в памяти компьютера, т.е. по сути, является математической формальной моделью, ее определение можно дать и так: компьютерная модель - это совокупность данных и программ для обработки этих данных, причем и программы, и данные хранятся в памяти компьютера. В пакет программ включаются и программы преобразования данных из форм, доступных пользователю, в форму, воспринимаемую компьютером, и обратно.

Текст программы (информационная модель), сохраненный в памяти компьютера, вместе с программами редактирования этого текста (обрабатывающими программами) представляет собой компьютерную модель всего лишь этого текста, а не реального объекта, представляемого программой. На загрузочный модуль, полученный в результате трансляции этого текста и редактирования связей, уже будет компьютерной моделью информационного объекта, ради которой создавалась программа. В любой ситуации компьютерная модель является уже материальной моделью, тогда как структурная, алгоритмическая модели или информационный объект, предшествующие компьютерной модели, - информационные (мысленные) модели. Иллюстрацией данных суждений может служить схема 5.

Схема 5

Программы	Алгоритмы	Математические модели	Прочие

Информационные модели (в узкоспециальном смысле) = Языковые модели

Работа с программным обеспечением
Компьютерная модель (материальная)

Изложение вопросов формализации и моделирования является актуальнейшей задачей базового курса информатики. Но эта задача будет оставаться и сложнейшей до тех пор, пока не будет наведен порядок с терминологией и классификацией. Нужна полная классификация моделей, а не только освещение узкоспециальных аспектов.

Знания любой предметной области усваиваются лучше в структурированном виде. Когда существует четко обоснованная связь понятий и подкрепление убедительными примерами, то они легко воспринимаются даже на высоком научном уровне. Стремление упростить материал вряд ли целесообразно.

Глава 3. Методические рекомендации курса «Математические основы моделирования 3D объектов» базового курса «компьютерное моделирование» для студентов педагогических ВУЗов специальности преподаватель информатики

§1. Принципы построения электронного учебника

Прежде чем рассмотреть принципы построения электронного учебника, необходимо дать смысловое определение данного понятия, выявить его сходства и различия с обычным бумажным учебником.

Учебник -- учебное издание, содержащее систем атическое изложение учебной дисциплины или ее раздела, части, соответствующее государственному стандарту и учебной программе и официально утвержденное в качестве данного вида издания [25,66].

Важную роль в процессуальной части компьютерной технологии обучения играет электронный учебник.

Электронный учебник -- основное учебное электронное издание, созданное на высоком научном и методическом уровне, полностью соответствующее федеральной составляющей дисциплины Государственного образовательного стандарта специальностей и направлений, определяемой дидактическими единицами стандарта и программой.

Постепенное наращивание парка вычислительной техники в быту делает перспективной отрасль деятельности, связанной с разработкой и внедрением как электронных учебников, так и технологий обучения без преподавателя.

В отличие от обычного (бумажного) учебника электронный учебник может и должен обладать несколько большим «интеллектом», поскольку компьютер способен имитировать некоторые аспекты деятельности преподавателя (подсказывать в нужном месте в нужное время, дотошно выяснять уровень знаний и т.п.). Электронный учебник должен содержать весь необходимый (и даже более) учебный материал по определенной дисциплине. Наличие же «интеллектуальных аспектов» в электронном учебнике не только компенсирует его недостатки (использование исключительно на компьютере), но и дает ему значительные преимущества перед бумажным вариантом (быстрый поиск необходимой информации, компактность и т.д.).

Каждый учебник, с одной стороны, должен быть в значительной степени автономным, а с другой - должен отвечать некоторым стандартам по своей внутренней структуре и форматам содержащихся в нем информационных данных, что обеспечит возможность легко и быстро связать необходимый комплект учебников в одну обучающую систему (в которой могут иметь место также информационно-поисковая система, экзаменационная система и т.п.), ориентированную, например на дисциплины одного года дистанционного обучения.

В данном дипломном проекте рассматривается построение электронного учебника на основе HTML. Данный электронный учебник не содержит всех элементов, из которых предлагается строить образцовые учебники, но включает большое количество иллюстраций и характеризуется тем, что при его создании было широко использованы средства автоматизации сборки учебника.

По мнению Машбица Е.И. электронный учебник обладает некоторыми преимуществами по сравнению с бумажным (обычным) учебником.

Во-первых, электронный учебник, включает в себя не только текстовую и графическую информацию, но также звуковые и видеофрагменты, что позволяет передать в динамике процессы и явления. При этом восприятие и заинтересованность учащихся повышаются и как следствие, улучшается качество знаний.

Во-вторых, он обладает системой самопроверки обучающегося, общение с которой в некоторой степени заменяет непосредственное общение с преподавателем.

В-третьих, он позволяет индивидуализировать обучение, т.е. обучающийся может выбирать свой темп обучения, возвращаться к уже изученному материалу по своему усмотрению. И в отличие от обычного (печатного) электронный учебник обладает интерактивными возможностями, т.е. может предъявлять необходимую информацию по запросу обучаемого, что также приближает его (электронный учебник) к обучению, проводимому под руководством преподавателя.

Электронный учебник должен удовлетворять основным методологическим требованиями: иметь четкую логическую структуру, содержать базовый объем изучаемого материала, учитывать новые тенденции в науке и технологии на ближайшее будущее. В этой связи отбор материала для электронного учебника должен осуществляться на основе анализа перспективных направлений развития науки техники.

Требования, предъявляемые к электронному учебнику, определили важнейшие принципы, которыми следует руководствоваться при его создании:

1. Принцип квантования: разбиение материала на разделы, состоящие из модулей, минимальных по объему, но замкнутых по содержанию.

2. Принцип полноты: каждый модуль должен иметь следующие компоненты

- теоретическое ядро,

- контрольные вопросы по теории,

- примеры,

- задачи и упражнения для самостоятельного решения,

- контрольные вопросы по всему модулю с ответами,

- контрольная работа,

- контекстная справка (Help),

- исторический комментарий.

3. Принцип наглядности: каждый модуль должен состоять из коллекции кадров с минимумом текста и визуализацией, облегчающей понимание и запоминание новых понятий, утверждений и методов. 

4. Принцип ветвления: каждый модуль должен быть связан гипертекстными ссылками с другими модулями так, чтобы у пользователя был выбор перехода в любой другой модуль. Принцип ветвления не исключает, а даже предполагает наличие рекомендуемых переходов, реализующих последовательное изучение предмета.

5. Принцип регулирования: учащийся самостоятельно управляет сменой кадров, имеет возможность вызвать на экран любое количество примеров (понятие ``пример" имеет широкий смысл: это и примеры, иллюстрирующие изучаемые понятия и утверждения, и примеры решения конкретных задач, а также контрпримеры), решить необходимое ему количество задач, задаваемого им самим или определяемого преподавателем уровня сложности, а также проверить себя, ответив на контрольные вопросы и выполнив контрольную работу, заданного уровня сложности.

6. Принцип адаптивности: электронный учебник должен допускать адаптацию к нуждам конкретного пользователя в процессе учебы, позволять варьировать глубину и сложность изучаемого материала и его прикладную направленность в зависимости от будущей специальности учащегося, применительно к нуждам пользователя генерировать дополнительный иллюстративный материал, предоставлять графические и геометрические интерпретации изучаемых понятий и полученных учащимся решений задач.

7. Принцип компьютерной поддержки: в любой момент работы учащийся может получить компьютерную поддержку, освобождающую его от рутинной работы и позволяющую сосредоточиться на сути изучаемого в данный момент материала, рассмотреть большее количество примеров и решить больше задач. Причем компьютер не только выполняет громоздкие преобразования, разнообразные вычисления и графические построения, но и совершает математические операции любого уровня сложности, если они уже изучены ранее, а также проверяет полученные результаты на любом этапе, а не только на уровне ответа.

8. Принцип собираемости: электронный учебник (и другие учебные пакеты) должны быть выполнены в форматах, позволяющих компоновать их в единые электронные комплексы, расширять и дополнять их новыми разделами и темами, а также формировать электронные библиотеки по отдельным дисциплинам (например, для кафедральных компьютерных классов) или личные электронные библиотеки студента (в соответствии со специальностью и курсом, на котором он учится), преподавателя или исследователя.

Структурные элементы электронного учебника во многом повторяют компоненты обычного учебника.

1. Обложка: Должна быть красочной. Для этого можно оформить ее с помощью графических вставок и фонов. Для выставочных образцов учебника можно оформить обложку с помощью анимации, видеовставок или прокручивающейся аннотации учебника

2. Титульный экран: Содержит название учебника, информацию о вышестоящей организации (например, министерство), об авторских правах, об аттестованности учебника, о дате издания, об организации-разработчике учебника, о местоположении информации об авторах и т.п.

3. Оглавление: Является очень важным структурным элементом электронного учебника. С одной стороны оно должно быть достаточно подробным, чтобы обеспечивать оперативный доступ к сравнительно небольшим содержательным частям учебника, а с другой стороны - максимально обозримым, т. е. находится на одном экране.

Кроме того, оглавление должно обеспечивать доступ:

- к системе самопроверки знаний;

- к системе рубежного контроля;

- к функции поиска части содержания учебника по текстовому фрагменту;

- к словарю терминов и определений;

- к списку дополнительной литературы;

а также иметь органы управления, позволяющие:

- переходить к любой части учебника;

- заканчивать работу с учебником;

- возвращаться к титульному листу.

4. Аннотацию: Аннотация может быть помещена непосредственно на обложке учебника.

5. Полное изложение учебного материала: Необходимое условие создания хорошего электронного учебника - наличие в нем полного учебного материала, а именно: текста, графиков, таблиц, иллюстраций, анимационных и видео вставок, звуковых фрагментов. На каждой странице учебника в явном виде должны быть представлены только текст, небольшие графические элементы, вставленные непосредственно в текст, краткое содержание текущей страницы (возможно в виде блок-схемы), а также элементы управления процессом изучения материала.

Структура страницы учебника может быть такой:

· Область отображения местоположения страницы в содержательной части учебника (номер страницы в учебнике или текущем подразделе, наименование учебной дисциплины, наименование раздела, наименование подраздела);

· Одно или несколько текстовых полей. Желательно, чтобы эти поля не имели линеек прокрутки. Это затрудняет процесс чтения. Текст может включать небольшие графические вставки (формулы, графики, таблицы и т.п.). Текст в текстовых полях может содержать гиперссылки, шрифтовые и цветовые выделения и т.п.;

· Область для краткого изложения учебного материала страницы (лучше в графическом виде - рисунка схемокурса);

· Область для размещения органов управления на странице (кнопки перехода на предыдущую страницу, последующую страницу, в оглавление, вызова подсказки);

· Большие иллюстрации и большие таблицы, относящиеся к тексту страницы хранятся либо в ресурсах учебника (если они вызываются на экран с разных страниц учебника) либо непосредственно на странице, но в скрытом виде и отображаются на экране через гиперссылки в тексте, либо с помощью специальных кнопок на текстовой странице.

6. Краткое изложение учебного материала: Наряду с полным учебным материалом можно представлять краткое содержание учебного материала в виде схемокурса, т.е. в графическо-текстовом виде, а точнее в виде структурных блок-схем.

7. Дополнительная литература: Может присутствовать не только в виде перечня. Предпочтительно иметь вместе с учебником на лазерном диске также и всю дополнительную литературу.

8. Система самопроверки знаний: Системе самопроверке знаний должно быть уделено особое внимание. Система самопроверки учебника должна быть всеохватывающей (конечно в пределах содержания учебника), хорошо контролирующей уровень знаний содержания учебника и одновременно обучающей. Следует отметить, что система самопроверки знаний должна предоставлять обучающемуся все вопросы, имеющиеся в базе данных вопросов учебника, в форме, удобной как для их понимания, так и для ответа. Кроме того, система самопроверки должна оценивать качество каждого ответа, вести учет накопленного общего результата и вести учет времени, затраченного обучающимся в ходе ответов на вопросы

9. Систему рубежного контроля: может занимать несколько страниц учебника. Система рубежного контроля привязана к системе самопроверки знаний, а точнее к результатам этой самопроверки. Если обучающийся получил хороший результат в системе самопроверки знаний по одной из тем, то с помощью системы рубежного контроля он может определенным образом сохранить этот результат и предъявить его преподавателю, либо инструктору-методисту. При сохранении результата в информацию также вносятся регистрационные данные обучающегося и дата получения результата. В системе рубежного контроля сохранение результата должно осуществляться в хорошо закодированном виде. Наличие результата в таком виде является гарантией того, что обучающийся выполнил требования самопроверки. Система рубежного контроля должна содержать средства раскодирования этого результата для просмотра и для преобразования его в обычный текстовый вид. Единственным способом фальсификации такого результата является выполнение самопроверки с помощью посторонних лиц, хорошо знающих учебный материал. Система рубежного контроля настроена таким образом, что неудовлетворительный результат она не сохраняет.

10. Функцию поиска текстовых фрагментов: Наличие такой функции в учебнике совершенно обязательно. Принципы действия и интерфейс такой функции достаточно хорошо известны из множества системных и несистемных программ. Такая функция должна допускать ввод довольно длинной строки символов или целого абзаца текста.

11. Список авторов: Как правило, оформляется на отдельной странице учебника и содержит не только список авторов содержательной части учебника, но и список разработчиков его компьютерного варианта.

12. Словарь терминов: Желательно оформить словарь терминов и определений на отдельной странице (или серии страниц). При этом, однако, необходимо обеспечить пользователю возврат из словаря терминов именно на тот же участок текста, с которого он обратился к словарю терминов. Обращение к словарю терминов необходимо оформить по кнопке, которая должна быть размещена на каждой странице учебного материала. Конечно, лучше дать все определения терминов с помощью гиперссылок в тексте, однако оформление любой гиперссылки связано с тем или иным ее выделением в тексте. Текст может оказаться чрезвычайно перегружен выделениями, поскольку в тексте могут присутствовать также и смысловые выделения и гиперссылки на иллюстрации, таблицы, графики и т.п. Чтение и осмысление такого текста будет весьма затруднено.

13. Справочную систему по работе с управляющими элементами учебника: Может представлять собой текстовое поле с описанием всех экранных кнопок и наиболее общих способов манипулирования информацией с помощью указателя мыши и клавиатуры компьютера при изучении содержания учебника. Справочная система должна вызываться практически с любой страницы учебника и поэтому должна быть представлена на всех страницах учебника управляющей кнопкой на экране. Щелчок по кнопке должен вызывать на экран текстовое поле со справкой. Общепринято, что с экрана это текстовое поле убирается либо вторичным щелчком по вызывающей кнопке, либо щелчком непосредственно по самому текстовому полю.

14. Систему управления работой с учебником: Представляет собой совокупность экранных кнопок и текстовых полей с пояснительными текстами, которые обеспечивают обучающемуся доступ ко всем частям информации учебника, а также выполнение необходимых действий при работе с системой самоконтроля. Основные требования к элементам управления - это привычная понятность, наличие на экране нужных подсказок в нужный момент и главное - минимальное (только необходимое) количество элементов управления на каждой странице. Основными элементами управления в электронном учебнике являются:

- кнопки перехода из оглавления на начало темы;

- кнопки перехода со страницы на страницу вперед и назад;

- кнопка возврата в оглавление;

- кнопка вызова подсказки;

- подсвеченные другим цветом фрагменты текста (так называемые гиперссылки) для вывода на экран иллюстраций, таблиц, графиков и пр.

Элементы управления учебником, имеющие не очевидную и не очень понятную символику, должны обеспечиваться всплывающими подсказками.

Назначение электронного учебника состоит в том, что он должен максимально облегчить понимание и запоминание (причем активное, а не пассивное) наиболее существенных понятий, утверждений и примеров, вовлекая в процесс обучения иные, нежели обычный учебник, возможности человеческого мозга, в частности, слуховую и эмоциональную память, а также используя компьютерные объяснения. Электронный учебник призван существенно повысить эффективность процесса обучения. Его можно рассматривать как дополнительное учебно-методическое средство, позволяющее методически правильно организовать самостоятельную работу учащихся и развить их умения и навыки.

В реальной педагогической практике получили распространение два типа учебников. Электронный учебник может быть построен по принципу разветвленной компьютерной обучающей программы, так называемый многоуровневый электронный учебник. В таком учебнике, рассмотрение учебного материала предусматривает несколько возможных путей: по первому, второму и т.д. уровням. Первый - низший - базовый уровень должен содержать основные понятия, определения предмета и иллюстрации этих понятий и определений. Составляя не более четверти от общего объема учебника, этот уровень, тем не менее, должен давать законченную целостную картину предмета. Второй - основной уровень может составлять примерно половину учебного материала и содержать подробное изложение всех вопросов учебной программы курса. Наконец третий уровень включает углубленное изложение отдельных вопросов для тех студентов, которые желают расширить свои знания в данном вопросе. Обучаемый сам выбирает уровень сложности изложения учебного материала.

Учебники второго типа построены по линейному принципу: информационный блок, контрольный блок, практическое задание.

Основной - информационный блок содержит изложенный в сжатой форме учебный материал (он включает основные понятия, определения, таблицы, графики охватывающие все разделы данного курса). Каждый раздел информационного блока заканчивается контрольными вопросами, которые позволяют обучаемому выяснить, насколько глубоко он усвоил учебный материал. Таким образом, контрольные вопросы фиксируют переход от данного раздела учебного материала к следующему. В результате функционирует постоянная обратная связь обучаемого с компьютером, позволяющая повысить эффективность процесса усвоения знаний. В конце каждого раздела электронного учебника достаточно запланировать 5-6 контрольных вопросов и несколько практических заданий. Результаты самоконтроля нигде не учитываются, они выполняют функцию обучения. На этой стадии студент мог еще недостаточно глубоко изучить учебный материал, поэтому он может ошибаться при ответах на поставленные вопросы, однако он должен знать правильные ответы на все поставленные вопросы, иначе переходя к изучению следующего раздела курса он будет иметь пробелы в знаниях предыдущих разделов.

Блок зачетного задания функционирует в режиме диалога обучаемого с компьютером. Работа в этом режиме позволяет студенту закрепить знания, полученные при работе с информационным блоком. Система навигации, при этом, позволяет при необходимости обратиться к любому разделу учебного материала.

Построение учебника по линейному принципу является наиболее распространенным способом, так как такой вариант является более мобильным, простым и преподаватель может создать такой учебник самостоятельно, учитывая цели изучения конкретной дисциплины, учебный план и, принимая во внимание, все особенности процесса обучения.

§3. Описание технологии изучения курса «Математическое моделирование 3D объектов»

Еще совсем недавно компьютеры являлись лишь объектом изучения. Учащиеся получали элементарные навыки работы на компьютере только на уроках информатики. В последнее время ситуация резко изменилась в связи с быстрым развитием информационных и компьютерных технологий и их распространением во многие сферы жизни человека, особенно в образование. Можно утверждать, что обучение с помощью компьютерных обучающих программ при целесообразном их применении может являться эффективным способом обучения. В современном процессе обучения компьютер - это не только объект, но еще и средство обучения. Сегодня с помощью компьютера можно изучать: иностранные языки, историю, географию, литературу и любую другую науку.

Предлагаемая технология также предусматривает использование компьютера и как объекта и как средства обучения.

При проектировании данной технологии в основу ее легли базовые принципы технологий программированного и компьютерного обучения, так как сама по себе технология компьютерного обучения развивает идеи программированного обучения и открывает совершенно новые, еще не исследованные технологические варианты обучения, связанные с уникальными возможностями компьютеров и телекоммуникаций, а технологии программированного обучения, в свою очередь, нашли широкое применение во многих современных обучающих программах.

Данная технология ориентирована на студентов педагогических специальностей - будущих учителей информатики.

Технология изучения курса «Матемотические основы моделирования 3Dобъектов» представляет педагогическую технологию частнопредметного уровня, которую мы рассматриваем в процессуально-описательном аспекте, то есть описываем цели, содержание, методы, средства и предполагаемые результаты достижения целей после изучения курса.

В основу технологии легли следующие концептуальные положения личностно-ориентированной педагогики:

· Обучение - это общение студента с компьютером.

· Принцип адаптивности: приспособление компьютера к индивидуальным особенностям студента.

· Диалоговый характер обучения.

· Управляемость: возможна коррекция преподавателем процесса обучения.

· Взаимодействие студента с компьютером может осуществляться по всем типам: субъект - объект, субъект - субъект, объект - субъект.

· Оптимальное сочетание индивидуальной и групповой работы.

· Поддержание у студента состояния психологического комфорта при общении с компьютером.

· Неограниченное обучение: содержание, его интерпретации и приложения как угодно велики.

Курс «Математическое моделирование 3D объектов» имеет целью: дать представление о возможностях математического представления трехмерных объектов в среде 3DsMax; сформировать практические навыки работы вданной среде; научить создавать трехмерные объекты с помощью среды программирования 3DsMax 5.

Учебные занятия по курсу организованы в форме лабораторных работ. Большую роль в изучении курса имеет электронный учебник, главной задачей которых является обучение студентов в процессе их самостоятельной работы на компьютерах навыкам применения разнообразного инструментария компьютерных технологий для решения профессиональных задач.

Содержание курса включает следующие темы:

- предположения и соглашения в трехмерной графике;

- основы 3D графики, задание объектов и сцен, проецирование;

- матричные преобразования;

- рисование одноцветного треугольника;

- работа с произвольной камерой;

- удаление невидимых частей, отброс нелицевых граней;

- алгоритм художника;

- Z- буфер, Z- отсечение.

Студент, успешно освоивший курс должен:

- Иметь представление: о способах реализации математических моделей в среде 3DsMax 5 и использовании среды для решения своих профессиональных задач.

- Знать: принципы проецирования в трехмерном пространстве; что из себя представляет сцена, объект моделирования, источник света, текстура и камера, их правила задания; основные методы, свойства и поведение объектов; правила построения в среде 3DsMax 5.

- Уметь: реализовывать знания в среде TurboPaskal, создавать и управлять объектами сцен.

- Иметь навыки: объектно-ориентированного программирования - устанавливать для объектов свойства, события и методы, разрабатывать собственные сцены.

Изучение курса рассчитано на 16 часов, из них 8 часа выделяется на изучение теоретической части, 8 часов на выполнение практических заданий и проверку знаний с помощью теста.

Промежуточный контроль осуществляется с помощью проверки ответов на вопросы контрольного теста к занятиям и выполнения практических заданий. Итоговый контроль проходит в форме зачета.

Предполагается, что учащиеся, которые будут обучаться по данной технологии, освоили основной курс работы на компьютере (работа с клавиатурой и мышью), владеют навыками работы в операционной системе Windows (работа с окнами, с технологией OLE, принцип Drug & Drop), в текстовом и графическом редакторах.

§2. Структура электронного учебника «Математические основы компьютерного моделирования 3D объектов»

Основным средством обучения при изучении курса является электронный учебник, главной задачей которого является обучение студентов в процессе их самостоятельной работы и с учетом индивидуальных психофизических особенностей усвоения навыкам создания приложения в среде 3DsMax 5.

Электронный учебник «Математические основыкомпьютерного моделирования 3D объектов» состоит из следующих блоков: блок учебной информации, блок контрольных вопросов и практических заданий, блок зачетного задания.

Содержание учебной информации разбито на 8 занятий, каждое из которых представлено несколькими страницами, соответствующими конкретной теме.

Электронный учебник «Основы компьтерного моделирования 3D объектов» построен по линейному принципу: содержание каждого следующего информационного блока зависит от того, как студент усвоил содержание предыдущего.

Электронный учебник реализован в среде MS Frontpage, которая поставляется как программный продукт для создания Web-сайтов вместе с программным пакетом MS Office. Мощность Office в создании информационного наполнения в сочетании со средствами управления сайтом и средствами генерации страниц Frontpage дает широкие возможности конструирования Web-сайтов, в том числе предназначенных для обучения. Его клиентское программное обеспечение состоит из Проводника и Редактора. Проводник предоставляет полный и мощный спектр возможностей, необходимых разработчику в управлении электронными страницами.

В арсенале программы есть возможности проверки корректности ссылок на страницах, автоматическая корректировка ссылок при изменении структуры сайта (в нашем случае учебника), стандартные методы управления страницами, возможность автоматической публикации на рабочий web-server или локальный диск. Также есть возможность импорта электронного учебника с локального диска.

К числу положительных сторон редактора можно отнести поддержку всех элементов HTML, очень хорошую поддержку таблиц, мощные возможности по форматированию текста и других объектов, качественное и быстрое отображение HTML при редактировании, поддержку трех режимов просмотра при редактировании. Он может работать практически с любым графическим редактором.

Немаловажным является тот факт, что MS Frontpage не требует от пользователя наличия мощного компьютера и дорогих, труднодоступных программ.

Согласно требованиям наш учебник содержит следующие компоненты:

Рис. 4. Обложка электронного учебника «Основы математического моделирования 3D объектов»

- Обложка включает в себя его название, презентационный логотип системы программирования 3DsMax, сведения об авторах, аннотацию и гиперссылку на страницу содержания (Рис. 2.1).

- Пункты оглавления представляют собой гиперссылки перехода к занятиям. На странице оглавления перечисляются темы занятий и учащийся может самостоятельно выбрать тему, которая ему необходима (Рис. 2.2). Со страницы оглавления можно вернуться на обложку электронного учебника.

Рис. 5. Оглавление электронного учебника «Основы математического моделирования 3D объектов»

- Каждая страница учебника состоит из теоретическикого и практический материал по выбранной теме. Пункты тем представлены в виде ссылок на страницы с теоретическим материалом. Каждая страница также содержит ссылки на теоретические вопросы по данному занятию и практические задания по данной теме, и кнопку, позволяющую вернуться в оглавление.

- После того как учащийся завершил изучение теоретического материала, он переходит к контрольному и практическому блокам.

Вопросы и задания предлагаются в конце каждого занятия, а также в конце учебника в качестве итогового контроля.

Рис. 6. Четвертая страница первого занятия электронного учебника «Основы математического моделирования 3D объектов»

- Система управления работой с учебником:

§ названия занятий выделены полужирным текстом, а название тем, изучаемых в каждом занятии, выделены синим цветом;

§ текст, на который есть гиперссылки, выделен подчеркиванием и написан синим курсивным шрифтом;

§ для навигации между страницами оглавления и занятий на каждой странице учебника содержится гиперссылка, при наведении курсора на такую гиперссылку включается подсветка. Такой прием позволяет привлечь внимание обучающегося, активизировать работу с учебником.

Таким образом, электронный учебник «Основы математического моделирования» построен так, что обучающийся, переходя по гиперссылкам от урока к уроку, может просмотреть содержание всего учебника, вернуться к предыдущему или перейти к последующему урокам, обратиться к контрольным вопросам и заданиям по изучаемой теме. Находясь в любом разделе учебника, по ссылке Оглавление можно вернуться к странице оглавления, которая является в некотором роде упрощенным схемокурсом электронного учебника.

§3. Методика проведения занятий с использованием электронного учебника

Для более подробного описания были выбраны занятия разные по типу проведения, в первом занятии изучается теоретический материал, а в последнем учащимся предлагается выполнить практическое задание, создать объект в среде TurboPaskal.

Занятие №1

Тема: «Предложения и соглашения в трехмерной графике».

Цель: Сформировать представление об стериометрии и линейной алгебре.

Средства: Для проведения занятия необходимо наличие компьютерного класса, компьютеры с микропроцессором не ниже чем Pentium II, операционной системой Windows 98/2000/ME/XP; наличие системы программирования 3DsMax 5, учебник программирования «Основы математического моделирования 3D объектов» и желательно наличие выхода в Internet.

Предполагаемый результат: после изучения данного урока должен иметь представление системе координат в трехмерном пространстве; куда напревлена камера; о спсобах задания координат проекции точки на экран; знать основные формулы проецирования.

Ход урока.

В начале занятия студенты изучают теоретический материал, пользуясь электронным учебником. В теоретическом блоке первого занятия учебника «Основы математического моделирования 3D объектов» рассматриваются следующие вопросы:

· Системы 3D координат;

· Координаты камеры;

· Проецирование на плоскость экрана;

· Рассматриваются координаты текстуры.

На изучение теоретического блока студентам дается 45-50 минут.

После изучения теоретического материала необходимо ответить на вопросы, содержащиеся в тесте, который находится в папке «тест», результаты показать преподавателю. Целью проведения такого опроса является промежуточный контроль освоения теоретического материала занятия, как структурной единицы всего учебника. На проведение зачета отводится не более 10 минут.

Затем студенты приступают к выполнению практических заданий для того, чтобы усвоить на практике изученный материал данного урока. Для выполнения практической части занятия, студентам нужно открыть среду 3DsMax и выполнить предлагаемые задания.

После того, как студенты выполнили практическое задание, они должны сохранить его под своей фамилией и показать преподавателю. В случае, если студенты выполнили практическое задание до конца занятия они могут приступить к изучению следующего урока.

Рис. 7 Тест.

Итоговое занятие по курсу проходит в форме самостоятельной работы студентов по закрашиванию 2D треугольника в любой среде программирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время в педагогику прочно вошло и утвердилось понятие педагогической технологии, которая функционирует и в качестве науки, исследующей особенности и наиболее рациональные пути обучения, и в качестве реального процесса обучения. В педагогической теории определен многоаспектный характер педагогической технологии, выделены ее уровни, определены компоненты, выработаны критерии, установлены источники влияния и развития. На практике происходит взаимопроникновение технологий и методик: часто различные методики входят в состав технологий, а иногда, наоборот, те или иные технологии - в состав методик обучения. Не существует таких технологий, которые использовали бы только один какой-либо единственный принцип, метод или фактор - педагогическая технология всегда комплексна, а акцентируясь на той или иной стороне процесса обучения, становится характерной и получает свое название.

Таким образом, любая современная педагогическая технология представляет собой синтез достижений педагогической науки и практики, сочетание традиционных элементов прошлого опыта и того, что рождено общественным прогрессом, гуманизацией и демократизацией общества.

В последнее десятилетие в связи с широким внедрением компьютеров в учебный процесс идеи и принципы программированного и блочно-модульного обучения подтолкнули к изучению особенностей процесса обучения с использованием компьютеров. Это привело к созданию компьютерных технологий обучения, которые открывают совершенно новые, еще до конца не исследованные технологические варианты обучения, связанные с уникальными возможностями современных компьютеров.

В современном процессе обучения компьютер - это не только объект, но еще и средство обучения. Сегодня с помощью компьютера можно изучать: иностранные языки, историю, географию, литературу и любую другую науку. Важную роль в процессуальной части компьютерной технологии, определении содержания обучения и реализации их единства играет электронный учебник, являющийся важнейшим дидактическим средством. Можно утверждать, что обучение с помощью компьютерных обучающих программ может являться эффективным способом обучения при целесообразном и методически обоснованном их применении.

Многообразие методик и технологий, применяемых в процессе обучения, ставит проблему создания таких электронных учебных программ, которые бы удовлетворяли целям конкретного курса, предмета, учебной дисциплины в рамках государственного образовательного стандарта.

Данная дипломная работа была посвящена изучению особенностей процесса обучения с использованием компьютера, принципов построения электронного учебника как важнейшего компонента педагогической технологии, а также методики его применения в рамках курса «Основы математического моделирования 3D объектов». Практическая значимость дипломной работы заключается в создании электронного учебника «Основы математического моделирования 3D объектов», который может быть использован при изучении основ работы в среде 3DsMax 5..

Дальнейшие перспективы исследования мы видим в дополнении содержания учебника новыми темами, обновлении теоретического материала по мере обновлений версий 3DsMax 5, использовании мультимедийных средств для усиления дидактического влияния на процесс усвоения, усовершенствовании системы контроля.

Библиография

1. Амосов Н.М. "Моделирование мышления и психики" М.: Наука, 1965

2. Бальцук Н.Б., Буняев М.М., Матросов В.Л. Некоторые возможности использования электронно-вычислительной техники в учебном процессе М.: Прометей, 1989, - 135 с.

3. Батаршев А.В. Преемственность в дидактических приемах обучения. Сов. Педагогика №4, 1987,с42.

4. Батороев К.Б. "Кибернетика и метод аналогий" М.: Высшая школа, 1974 год

5. Беспалько В.П. Педагогика и прогрессивные технологии обучения. -М.: Высш. Шк.,1995,261с.

6. Беспалько В.П. Слагаемые педагогической технологии. - М.: Педагогика, 1989, 278с.

7. Бир С. "Кибернетика и управление производством" М.: Наука, 1965