Использование моделей при обучении черчению

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Основные сведения о моделях

1.1 Назначение моделей

1.2 Классификация моделей

1.3 Демонстрационные возможности моделей

2. Дидактический потенциал использования моделей в процессе обучения

2.1 Модель как наглядность

2.2 Технология моделирования

2.3 Моделирование и конструирование на уроках черчения и геометрии

3. Методика применения моделей на уроках черчения

3.1 Модели в черчении

3.2 Урок с применением моделей в черчении

3.3 Практическая работа ученика с моделью на уроке черчения

3.4 Экспериментальная апробация компьютерных методов обучения на уроках черчения

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Черчение является таким предметом, при изучении которого учащиеся знакомятся с широким кругом технических понятий. Знание черчения облегчает изучение многих других общетехнических предметов.

Условиями успешного овладения техническими знаниями являются умение читать чертежи и знание правил выполнения и оформления чертежей. Чертеж является одним из главных носителей технической информации, без которой не обходится ни одно производство.

Потребность изображать предметы появились у людей очень давно. Еще в древности люди изображали на камнях диких зверей, охоту и др. Позднее подобные изображения появились на предметах домашнего обихода - сосудах, вазах и на другой утвари. Так возникли первые изображения предметов и явлений, которые человек наблюдал в окружающей его жизни.

В процессе трудовой деятельности человека возникла необходимость изображать еще не существующие предметы и строения. Такая задача стала, например, перед зодчими при сооружении храмов, театров и дворцов.

Чертежи планов и фасадов зданий были известны еще в Древнем Египте, о чем свидетельствуют дошедшие до нас изображения построек на папирусах. Однако потребовался большой период времени, прежде чем отдельные изображения плана и фасада предмета были объедены в систему двух видов, т.е. чертеж предмета в современном понимании этого слова.

Способы изображения предметов на плоскости развивались своими путями от примитивных и условных зарисовок, до более совершенных, приближающихся к современным проекционным чертежам.

Индустриализация нашей страны, создание отечественного машиностроения и других производств, сооружение новых фабрик, заводов и городов привели к более широкому использованию чертежей, к разработке конструкторских.

Актуальность работы обусловлена вышеизложенными сведениями.

Цель данной дипломной работы заключается в том, чтобы описать возможности использования моделей пери обучении черчению.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи:

- Изучить основные вопросы моделирования и описать основные сведения о моделях.

- Проанализировать дидактический потенциал использования моделей в процессе обучения.

- Рассмотреть возможности и методики применения моделирования на уроках черчения.

В работе применялись теоретические и практические методы исследования. Теоретические: анализ литературы по теме дипломной работы - педагогической и психологической, научно-педагогической, методической, ресурсов интернет. Практические: проведение эксперимента, математическая обработка его результатов.

1. Основные сведения о моделях

1.1 Назначение моделей

Модель в общем смысле (обобщенная модель) есть создаваемый с целью получения и (или) хранения информации специфический объект (в форме мысленного образа, описания знаковыми средствами либо материальной системы), отражающий свойства, характеристики и связи объекта-оригинала произвольной природы, существенные для задачи, решаемой субъектом [1]. Для теории принятия решений наиболее полезны модели, которые выражаются словами или формулами, алгоритмами и иными математическими средствами.

Потребность в моделировании возникает в таких областях как:

1) познание;

2) общение (в широком смысле слова);

3) практическая деятельность.

Аспектами моделирования могут быть внешний вид, структура, поведение объекта моделирования, а также все их возможные комбинации.

Структурой объекта называют совокупность его элементов, а также существующих между ними связей.

Поведением объекта назовём изменение его внешнего вида и структуры с течением времени в результате взаимодействия с другими объектами.

Моделирование внешнего вида используется для:

1) идентификации (узнавания) объекта;

2) долговременного хранения образа.

Моделирование структуры объекта используется для:

1) её наглядного представления;

2) изучения свойств объекта;

3) выявления значимых связей;

4) изучения стабильности объекта.

Моделирование поведения применяется при:

1) планировании, прогнозировании;

2) установления связей с другими объектами;

3) выявления причинно - следственных связей;

4) управлении;

5) конструировании технических устройств и так далее.

В процессе моделирования каждый аспект моделирования раскрывается через совокупность свойств.

В моделях отражаются не все свойства, а только существенные с точки зрения целей моделирования.

Каждый аспект моделирования характеризуется своим набором свойств:

1) внешний вид - набором признаков;

2) структура - перечнем элементов и указанием отношений между ними;

3) поведение - изменением внешнего вида и структуры с течением времени.

Некоторые свойства объекта моделирования могут быть выражены величинами, принимающими числовые значения. Такие величины носят название параметров модели[2].

Информационную модель можно рассматривать как некоторый новый информационный объект, который тоже, в свою очередь, может быть объектом моделирования.

Определение понятия "модель".

Модель - это:

1) некоторое упрощенное подобие реального объекта;

2) воспроизведение предмета в уменьшенном или увеличенном виде (макет);

3) схема, изображение или описание какого - либо явления или процесса в природе и обществе;

4) физический или информационный аналог объекта, функционирование которого по определённым параметрам подобно функционированию реального объекта;

5) некий объект - заменительый, который в определённых условиях может заменять объект - оригинал, воспроизводя интересующие нас его свойства и характеристики, причем имеет существенные преимущества и удобства (наглядность, обозримость, доступность испытаний, лёгкость оперирования с ним и так далее);

6) новый объект, который отражает некоторые стороны изучаемого объекта или явления, существенные с точки зрения целей моделирования;

7) новый объект (реальный, информационный или воображаемый), отличный от исходного, который обладает существенными для целей моделирования свойствами и в рамках этих целей полностью заменяет исходный объект.

Модель представляет собой способ существования знаний.

Цели моделирования

Решение любой практической задачи всегда связано с исследованием, преобразованием некоторого объекта (материального или информационного) или управления им.

Цель моделирования возникает, когда субъект моделирования решает поставленную перед ним задачу, и зависит как от решаемой задачи, так и от субъекта моделирования. То есть цель моделирования имеет двойственную природу: с одной стороны, она объективна, так как вытекает из задачи исследования, с другой - субъективна, поскольку исследователь всегда корректирует её в зависимости от опыта, интересов, мотивов деятельности.

Для одного объекта один субъект может построить несколько моделей, если он решает разные задачи, приводящие к разным целям моделирования.

Для одного объекта разные субъекты могут построить разные модели, даже если задача моделирования у них одна. Выбор вида модели и её построение зависят от знаний, опыта, предпочтений, личных интересов субъекта.

Разные объект могут иметь одинаковые по виду модели, даже ели их строили разные субъекты, исходя из разных целей моделирования.

Основные этапы построения моделей

Этапы моделирования:

1. Постановка цели моделирования

2. Анализ моделирования объекта и выделение всех его известных свойств

3. Анализ его выделенных свойств с точки зрения цели моделирования и определение, какие из них следует считать существенными

4. Выбор формы представления модели

5. Формализация

6. Анализ полученной модели на непротиворечивость

7. Анализ адекватности полученной модели объекты и цели моделирования

Не существует универсальных правил определения, какие из известных свойств объекта являются существенными для конкретного случая.

Если условия моделирования позволяют, то рекомендуется построить несколько моделей с разными наборами "существенных" свойств и затем оценить их на адекватность объекту и цели моделирования.

Виды моделей:

1.По характеристике объекта моделирования:

1.1.Модель внешнего вида.

1.2.Модель структуры.

1.3Модель поведения

2.По сферам деятельности субъекта моделирования:

2.1.Познавательные.

2.2.Коммуникативные.

2.3.Модели, возникающие в сфере практической деятельности.

3.По сущности:

3.1.Вещественно-энергетические(натуральные).

3.2.Идеальные(воображаемые).

3.3.Информационные.

4.По роли управления объектом моделирования:

4.1.Регистрирующие.

4.2.Эталонные.

4.3.Прогностические.

4.4.Имитационные.

4.5.Оптимизационные.

5.По степени формализации:

5.1.Неформализованные.

5.2.Частично формализованные.

5.3.Формализованные.

6.По счету фактора времени:

6.1.Статические.

6.2.Динамические.

6.2.1.Детерминированные.

6.2.2.Стохастические(вероятностные).

Виды информационных моделей:

1.Дискриптивные(выражены на языке описания):

1.1.На естественном языке.

1.1.1.Словесное описание.

1.2.На специальном языке.

1.2.1.Научные:

1.2.1.1 математические формулы;

1.2.1.2 алгоритмы.

1.2.2.Технические:

1.2.2.1 техкарты;

1.2.2.2 программы.

2.Смешанные.

2.1.Таблицы.

2.2.Графы.

2.2.1.Деревья.

2.2.2.Сети.

2.2.3.Блок-схемы.

2.3.Схемы.

2.4.Карты.

2.5.Видеофильмы.

3.Наглядные(выраженные на языке представления).

3.1.Рисунки.

3.2.Чертежи.

3.3.Графики.

3.4.Фотографии.

Формализация. В процессе познания и общения мы сталкиваемся с формализацией практически на каждом шагу: формулируем мысли, оформляем отчёты, заполняем всевозможные формуляры, преобразуем формулы.

В общем виде формализация понимается как сведение некоторого содержания (содержания текста, смысла научной теории, воспринимаемых сигналов и так далее) к выбранной форме.

Пример:

Оглавление книги - это формализация её содержательных частей, а сам текст книги можно рассматривать как формализацию по средством языковых конструкций мыслей, идей, размышлений автора. Итогом формализации научной теории является, как правило, совокупность формул, графиков, схем, таблиц и так далее. План действий в результате формализации переводится в алгоритм.

1.2 Классификация моделей

Для моделей можно составить различные виды классификаций в зависимости от одного или нескольких признаков, общих для той или иной группы моделей[3].

Наиболее распространенные виды классификации моделей определяются следующими признаками:

1. Область использования.

2. Учет в модели временного фактора (динамики).

3. Отрасль знаний.

4. Способ представления моделей.

1. Классификация по области использования.

Учебные модели используются при обучении. Это могут быть наглядные пособия, различные тренажеры, обучающие программы.

Опытные модели используются для исследования объекта и прогнозирования его будущих характеристик. На, модель крыла самолета «продувается» в аэродинамической трубе, с целью исследования его обтекаемости; модель здания используется для привязки его к конкретной местности. Такие модели представляют собой уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта.

Научно-технические модели создаются для исследования процессов и явлений. К таким моделям можно отнести прибор для получения грозового электрического разряда, модель движения планет Солнечной системы, модель работы двигателя внутреннего сгорания.

Игровые модели - это различного рода игры: деловые, экономические, военные. С помощью таких моделей можно разрешать конфликтные ситуации, оказывать психологическую помощь, проигрывать поведение объекта в различных ситуациях[4].

Имитационные модели не просто отражают реальность с той или иной степенью точности, а имитируют ее. Эксперимент с моделью либо многократно повторяется при разных исходных данных, чтобы изучить и оценить последствия каких-либо действий на реальную обстановку, либо проводится одновременно со многими другими похожими объектами, но поставленными в разные условия. По результатам исследования делаются выводы.

Любая экономическая реформа, проводимая в стране, затрагивает интересы всех слоев общества. Поэтому она должна быть тщательно продумана, а ее результаты предсказуемы. Но проводить реальные эксперименты в этой области практически невозможно, поэтому прибегают к имитационному моделированию.

Еще одним ом области, где нельзя исследовать реальные модели, является медицина. Так прежде чем хирурги приступили к операциям по пересадке органов человеку, было сделано огромное количество подобных операций разным животным.

2. Классификация с учетом временного фактора (динамики).

Статические модели отражают объект в определенный момент времени, без учета происходящих с ним изменений. В этих моделях отсутствует временной фактор.

Примером статической модели может служить макет или рисунок молекулы воды, состоящей из атомов водорода и кислорода (рисунок1).

Рисунок 1. Молекула воды

Динамические модели отражают процесс изменения объекта во времени.

Химический опыт, проводимый в лаборатории, является примером динамической модели. Известно, что кислород реагирует с водородом с выделением энергии. Поэтому даже при малых количествах исходных веществ реакция сопровождается громким хлопком. Таким образом, модель, позволяет предсказать возможные последствия соединения этих распространенных в природе и жизненно необходимых человеку веществ[5].

3. Классификация по отрасли знаний

Здесь можно выделить следующие виды моделей:

1. Физические.

2. Химические.

3. Географические.

4. Исторические.

5. Социологические.

6. Экономические.

7. Математические.

В биологии, на, с помощью моделей исследуется развитие биосистем.

Широкое распространение получили интерактивные географические карты.

Примером исторической модели может служить генеалогическое дерево.

Существуют также различные модели общества, на пример конфликтная модель общества- теория социального конфликта Р. Дарендорфа, согласно которой наличие конфликтов в социальных процессах:

1) естественно и неизбежно;

2) присуще любому типу общества;

3) является источником изменений общества.

Экономико-математические модели используются как инструмент прогноза, планирования и управления хозяйством.

4. Классификация по способу представления

В соответствии с этой классификацией модели делятся на две большие группы: материальные (иначе их называют предметные или натурные) и информационные (абстрактные).

Материальная модель воспроизводит геометрические, физические и другие свойства оригинала в материальной форме.

В школе при изучении наук вам помогают такие материальные модели, как чучело птицы и скелет человека (на уроках биологии), наклонная плоскость и макет многоступенчатой ракеты (на уроках физики и астрономии), различные химические опыты и т. п.

Информационная модель - это описание объекта [6].

Типы информационных моделей

Примером словесной модели может служить такой литературный жанр, как басня, поскольку в ней реальные отношения между людьми переносятся на отношения между животными или вымышленными персонажами. На самом деле любое литературное произведение можно рассматривать как модель. Так в романе Л. Н. Толстого «Война и мир» можно найти словесное описание Бородинского сражения. Причем автор описывает как динамику событий, так и костюмы действующих лиц.

А картина, написанная художником, и схема из учебника истории являются графическими моделями того же объекта.

Решая задачи по физике, вы составляете математические модели различных явлений и процессов.

Математические модели - это модели, построенные с использованием математических понятий и формул[7].

На, модель равноускоренного прямолинейного движения:

(1)

где: S - путь, пройденный телом за время t;

a - ускорение;

v0 - начальная скорость.

Существуют и другие подходы к классификации информационных моделей.

Так в зависимости от строгости описания различают образно-знаковые и знаковые модели. Из рассмотренных выше моделей к первой группе относятся словесные и графические. Математические модели относятся к знаковым.

В зависимости от структуры информационные модели делятся на

1) табличные;

2) иерархические;

3) сетевые.

В табличной информационной модели объекты или их свойства представлены в виде списка, а их значения размещаются в ячейках таблицы.

Примером химической табличной модели служит хорошо вам известная Периодическая система элементов Менделеева.

В иерархической информационной модели объекты распределены по уровням, причем элементы нижнего уровня входят в состав одного из элементов более высокого уровня[8].

Такие модели строятся в процессе классификации объектов. примером может служить модель классификации современных компьютеров.



Рисунок 2. Классификация современных компьютеров

Сетевые информационные модели применяются для описания таких систем, в кото-рых связь между элементами имеет сложную структуру.

В информатике рассматриваются модели, которые можно создавать и исследовать с помощью компьютера. В этом случае модели делят на компьютерные и некомпьютерные[9].

В настоящее время выделяют два вида компьютерных моделей:

1) структурно-функциональные, которые представляют собой условный образ объекта, описанный с помощью компьютерных технологий;

2) имитационные, представляющие собой программу или комплекс программ, позволяющий воспроизводить процессы функционирования объекта в разных условиях.

Значение компьютерного моделирования сложно переоценить. К нему прибегают при исследовании сложных систем в различных областях науки, при создании образов исчезнувших животных, растений, зданий и т. п. Редкий кинорежиссер сегодня обходится без компьютерных эффектов.

Кроме того, современное компьютерное моделирование является мощным инструментом развития науки.

1.3 Демонстрационные возможности моделей

Демонстрационные динамические модели нередко называют анимационными моделями или просто анимациями. Это так называемые «живые» рисунки, таблицы, графики, диаграммы и пр. Параметры работы таких моделей изначально заданы в алгоритме программы и не могут изменяться пользователем.

Демонстрационные динамические модели относятся к наиболее распространенному в электронных учебных изданиях виду. Демонстрационные динамические модели расширяют спектр возможностей представлении информации[10].

Более интересными являются манипулятивные динамические модели. Это модели, в которых пользователю открыт в той или иной мере доступ к управлению их работой. Чаще всего пользователь имеет возможность изменения исходных данных, определяющих характер поведения модели, что позволяет учащимся детально исследовать особенности физических процессов.

Одним из специфических для виртуальной информационной среды способов представления информации являются модели физических объектов и процессов.

Снабжённые динамическими рисунками и графиками, они позволяют учащимся рассматривать изучаемые явления с разных сторон, изучать особенности их протекания посредством изменения соответствующих параметров и осваивать метод моделирования объектов и процессов в виртуальной среде как способ познания окружающего мира.

Компьютерное моделирование становится самым распространенным методом исследования окружающего нас мира и необходимым элементом технологии разработки новых технических, экономических и других систем.

Применение компьютерной техники и компьютерного моделирования позволяет существенно сократить затраты времени при одновременном увеличении дидактического эффекта, поскольку в компьютерном эксперименте можно выделить самое существенное.

Компьютерное моделирование - метод решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе использования ее компьютерной модели.

Фактически все упоминаемые в этом параграфе прикладные программы имеют в своей основе компьютерные модели.

Визуальное моделирование предполагает использование графической формы описания модели и зримого представления результатов исследования. Основным элементом графического представления моделируемой системы в современных средах является структурная схема, построенная из образов отдельных компонентов, соединенных функциональными связями. Для представления результатов используется математическая графика, а также двух- и трехмерная анимация[11].

В настоящее время под компьютерной моделью понимают:

1) условный образ объекта (системы объектов), описанный компьютерными средствами (таблицами, диаграммами, гипертекстами и др.) и отображающий структуру элементов объекта и взаимосвязи между ними (структурно - функциональные модели);

2) программный комплекс, позволяющий с помощью последовательности вычислений воспроизводить процессы функционирования объекта (системы объектов) при воздействии на него различных, как правило случайных, факторов (имитационные модели).

Построение компьютерной модели так или иначе связано с построением математической модели: для описания структурно-функциональных моделей используется в основном аппарат дифференциальных уравнений; для описания имитационных моделей -аппарат логико-математических моделей.

Наиболее важное значение для познавательной деятельности учащихся имеют средства представления учебной информации.

Современные компьютерные технологии представляют широкий набор таких средств.

Это и традиционная статическая текстовая и графическая информация и возможность включения в текст разнообразной динамической информации - звук (речь, музыка, звуки изучаемых явлений, процессов, объектов), «живое» видео, анимация.

Статическая информация не меняется при её просмотре. Классический пример - обычный бумажный учебник. Именно в таком виде учебная информация в большинстве случаев представлена и сегодня в многочисленных электронных ресурсах. Это привычно, информативно и, самое главное, дешево.

Одним из существенных достоинств применения компьютеров в обучении является возможность непосредственного включения в обучающий курс динамической информации. Аудиоинформация позволяет не только расширить канал воздействия на ученика за счет привлечения слухового канала восприятия, но и во многих случаях совершенно незаменимо [12].

В обучении звук может использовать в нескольких целях: демонстрация образцов звука, создаваемого изучаемыми объектами; в качестве аудиолекций для сообщения подлежащего усвоению учебного материала; в обучении иностранным языкам в качестве материала для аудирования, обучения произношению и т.д.

Видео в обучении может использоваться в разной форме: иллюстративный материал в мультимедиа учебниках; иллюстративный материал на групповых аудиторных занятиях; видеолекции для группового просмотра на видеокассетах, CD-видеодисках и DVD, видеолекции, транслируемые по каналам связи и компьютерным сетям; видеолекции для индивидуального просмотра на видеокассетах и т.д.

Анимация представляет собой последовательность искусственно созданных изображений при демонстрации которых с определенной скоростью (обычно от 5 до 30 кадров в секунду) создается эффект реалистичного движения представленных на них объектов (самый яркий пример - мультфильмы). В настоящее время анимация создается в основном с помощью специальных компьютерных программ. Эта технология заменила использовавшуюся ранее покадровую съемку на кинопленку.

Гипертекст очень широко используется в электронных публикациях, компьютерных приложениях и позволяет разнообразить подачу информации. Если Вы хоть раз имели дело с графическим интерфейсом пользователя любой операционной системы, то уже знакомы с гипертекстом, гипертекст - это щелкнул и перешел.

Появление вычислительных машин с развитыми системами графики, когда пользователь имеет возможность не только видеть графические образы, но и строить изображение на дисплее, оказалось явлением намного более серьезным, чем это представлялось.

Стало возможным использовать графические образы не только в качестве иллюстраций, но и изменять их по своему усмотрению, исследовать поведение объектов[13].

Мы рассмотрим следующие аспекты понятия «когнитивная графика»:

1. Психологические предпосылки.

2. Интерактивная компьютерная графика.

3. Когнитивная графика и искусственный интеллект.

4. Когнитивная графика в обучении.

5. Психологические предпосылки.

Человеческое познание пользуется как бы двумя механизмами мышления. Один из них - возможность работать с абстрактными цепочками символов, с которыми связаны некоторые семантические и прагматические представления, а именно: умение работать с текстами в самом широком смысле этого слова. Такое мышление можно было бы назвать символическим или алгебраическим. Форму семантической репрезентации этого вида (алгебраическую) часто называют вербальной.

Другой механизм мышления - способность работать с чувственными образами и представлениями об этих образах.

Такие образы обладают куда большей конкретностью и интегрированностью, чем символические представления. Но они и значительно более расплывчаты, менее логичны, чем то, что скрывается за элементами, с которыми оперирует алгебраическое мышление. Но без них мы не могли бы отображать в нашем сознании окружающий мир в той полноте, которая для нас характерна. Способность работать с чувственными образами (со зрительными образами) определяет то, что можно назвать геометрическим, образным мышлением. Образная репрезентация - это форма хранения информации в памяти о наглядных образах в пространстве и времени или форма хранения сенсорных компонентов, сенсорного опыта, приобретенного в прошлом.

Физиологически логическое мышление связано с левым полушарием человеческого мозга, а образное мышление - с правым полушарием.

Каждое из полушарий человеческого мозга является самостоятельной системой восприятия внешнего мира, переработки информации о нем и планирования поведения в этом мире. Левое полушарие представляет собой как бы большую и мощную ЭВМ, имеющую дело со знаками и процедурами их обработки. Естественно-языковая речь, мышление словами, рационально-логические процедуры переработки информации и т.п. - все это реализуется именно в левом полушарии. В правом же полушарии реализуется мышление на уровне чувственных образов: эстетическое восприятие мира, музыка, живопись, ассоциативное узнавание, рождение принципиально новых идей и открытий и т.п. Весь тот сложный механизм образного мышления, который нередко определяют одним термином «интуиция», и является правополушарной областью деятельности мозга[14].

Нередко правополушарное мышление связывают с деятельностью в искусстве. Иногда это мышление даже называют художественным. Однако и более формализованные виды деятельности в существенной мере используют интуитивный механизм мышления.

Человеческое мышление и человеческое поведение обусловлено совместной работой обоих полушарий человеческого мозга. В одних ситуациях преобладает логический компонент мышления, в других - интуитивный. По мнению психологов, все люди делятся на три группы: с преобладающим «левополушарным» мышлением, с «правополушарным», со смешанным мышлением. Это разделение генетически предопределено, и существуют специальные тесты для определения склонности к тому или иному типу мышления.

Эксперименты показывают, что способность к переходу от одной формы репрезентации к другой представляет собой важный источник творческих возможностей человека. Связи и трансформации, которые при одной форме репрезентации могут быть замаскированы, после смены репрезентации становятся вдруг очевидными, что может привести к быстрому решению проблемы.

Многие специалисты в области психологии мышления убеждены, что именно наличие двух способов представления информации, а именно в виде последовательности символов и в виде картин-образов, включая умение работать с ними и соотносить оба способа представления друг с другом, обеспечивают сам феномен человеческого мышления[15].

Описанные выше фундаментальные различия между лево- и правополушарной стратегией переработки информации имеют прямое отношение к формированию различных способностей. Так, для научного творчества, т.е. для преодоления традиционных представлений, необходимо восприятие мира во всей его целостности, что предполагает развитие способностей к организации многозначного контекста (образного мышления). И действительно, существуют многочисленные наблюдения, что для людей, сохраняющих способности к образному мышлению, творческая деятельность менее утомительна, чем рутинная, монотонная работа. Люди же, не выработавшие способности к образному мышлению, нередко предпочитают выполнять механическую работу, причем она им не кажется скучной, поскольку они как бы «закрепощены» собственным формально-логическим мышлением. Отсюда ясно, как важно с ранних пор правильно строить воспитание и обучение, чтобы оба нужных человеку типа мышления развивались гармонично, чтобы образное мышление не оказалось скованным рассудочностью, чтобы не иссякал творческий потенциал человека.

Интерактивная компьютерная графика.

Появление и развитие средств интерактивной компьютерной графики (ИКГ) открывает для сферы обучения принципиально новые графические возможности, благодаря которым учащиеся могут в процессе анализа изображений динамически управлять их содержанием, формой, размерами и цветом, добиваясь наибольшей наглядности. Применение графики в учебных компьютерных системах не только увеличивает скорость передачи информации учащимся и повышает уровень ее понимания, но и способствует развитию таких важных для специалиста любой отрасли качеств, как интуиция, профессиональное «чутье», образное мышление.

Воздействие ИКГ на интуитивное, образное мышление привело к возникновению нового направления в проблематике искусственного интеллекта, названного когнитивной (т.е. способствующей познанию) компьютерной графикой.

В настоящее время интерактивная компьютерная графика - это одно из наиболее бурно развивающихся направлений новых информационных технологий. В связи с этим начинают четко различать две функции компьютерной графики: иллюстративную и когнитивную.

Иллюстративная функция позволяет воплотить в более или менее адекватном визуальном оформлении лишь то, что уже известно, т.е. уже существует либо в окружающем нас мире, либо как идея в голове исследователя. Когнитивная же функция ИКГ состоит в том, чтобы с помощью некоего изображения получить новое, т.е. еще не существующее даже в голове пользователя знание или, по крайней мере, способствовать интеллектуальному процессу получения этого знания[16].

Иллюстративные функции графики реализуются в учебных системах при передаче учащимся артикулируемой части знания, представленной в виде заранее подготовленной информации с графическими, анимационными, аудио - и видеоиллюстрациями. Когнитивная же функция проявляется, когда учащиеся «добывают» знания с помощью исследований на математических моделях изучаемых объектов и процессов, причем, поскольку этот процесс формирования знаний опирается на интуитивный правополушарный механизм мышления, сами эти знания в существенной мере носят личностный характер. Каждый человек формирует приемы подсознательной умственной деятельности по-своему.

Современная психологическая наука не располагает строго обоснованными способами формирования творческого потенциала человека, пусть даже профессионального. Одним из известных эвристических подходов к развитию интуитивного профессионально-ориентированного мышления является решение задач исследовательского характера. Применение учебных компьютерных систем позволяет в существенной мере интенсифицировать этот процесс, устранив из него рутинные операции, сделать возможным проведение различных экспериментов на математических моделях.

Роль компьютерной графики в этих учебных исследованиях трудно переоценить. Именно графические изображения хода и результатов экспериментов на математических моделях позволяют каждому учащемуся сформировать свой образ изучаемого объекта или явления во всей его целостности и многообразии связей. Несомненно, также, что изображения выполняют при этом прежде всего когнитивную, а не иллюстративную функцию, поскольку в процессе учебной работы с компьютерными системами процедурного типа у учащихся формируются сугубо личностные, т.е. не существующие в таком виде ни у кого, компоненты знаний.

Конечно, различия между иллюстративной и когнитивной функциями компьютерной графики достаточно условны. Нередко обычная графическая иллюстрация может натолкнуть каких-то учащихся на новую мысль, позволит увидеть некоторые элементы знания, которые не «вкладывались» преподавателем-разработчиком учебной компьютерной системы декларативного типа. Таким образом, иллюстративная по замыслу функция графического изображения превращается в функцию когнитивную. С другой стороны, когнитивная функция ИКГ - изображения при первых экспериментах с учебными системами процедурного типа в дальнейших экспериментах превращается в функцию иллюстративную для уже «открытого» и, следовательно, уже не нового свойства изучаемого объекта. Тем не менее, принципиальные отличия в логическом и интуитивном механизмах мышления человека, вытекающие из этих различий формы представления знаний и способы их освоения, делают полезным в методологическом плане различение иллюстративной и когнитивной функции компьютерной графики и позволяют более четко формулировать дидактические задачи ИКГ - изображений при разработке компьютерных систем учебного назначения.

Когнитивная графика и искусственный интеллект

В искусственном интеллекте термин «когнитивная графика» трактуется как совокупность методов и средств представления знаний и работы с ними на уровне графических (статических и/или динамических) образов. Такие системы предполагают единообразное описание не только графических примитивов, но и сложных графических представлений. Созданные компьютером образы могут рассматриваться как декларативные структуры, трансформирующиеся во внутреннее представление компьютера с помощью процедур, отражающих знания о законах преобразования сформированных образов, и позволяют активизировать представления об объектах, недоступных прямому наблюдению или вообще не имеющих образного представления в обычной реальности.

Установление связи между текстами, описывающими сцены, и соответствующими изображениями потребовало наличия в базах знаний специальных представлений для зрительных образов и процедур соотнесения их с традиционными формами представления знаний.

Графическая информация стала трактоваться с позиций знаний, содержащихся в ней. Если до этого её функция сводилась к иллюстрации тех или иных знаний и решений, то теперь она стала включаться равноправным образом в те когнитивные процессы, которые моделируются в базах знаний и на основе их содержимого. Термин «когнитивная графика» отражает этот принципиальный переход от иллюстрирующих изображений к видеообразам, способствующим решению задач и активно используемых для этого.

Когнитивная функция изображений использовалась в науке и до появления компьютеров. Образные представления, связанные с понятиями граф, дерево, сеть и т.п. помогли доказать немало новых теорем, круги Эйлера позволили визуализировать абстрактное отношение силлогистики Аристотеля, диаграммы Венна сделали наглядными процедуры анализа функций алгебры логики. Систематическое использование когнитивной графики в компьютерах в составе человеко-машинных систем сулит многое.

Когнитивная графика в обучении[17].

Образное мышление в решении математических задач, особенно на эвристическом этапе решения задачи, имеет весьма существенное значение. Также невозможно представить себе решение задач из курса геометрии без наличия у человека способностей к пространственному воображению.

Основой принципа визуализации служит когнитивная графика, цель которой состоит в создании комбинированных когнитивных моделей представления знания, которые сочетают в себе символический и геометрический способы мышления и способствуют активизации процессов познания.

Во всей познавательной деятельности человека, и в частности в деятельности, связанной с решением практических задач, все время присутствуют две возможности. Одна из них состоит в использовании разного рода символьных систем, в которых реальные объекты и явления заменены абстрактными символами. Вторая возможность позволяет использовать для решения задач наглядные образные представления объектов и явлений.

Сравним две эти возможности, решая системы двух линейных алгебраических уравнений с двумя неизвестными. Пусть надо решить систему: x + 2y = 8, Зх - 2y = 32. Существуют два пути. Можно выразить х из первого уравнения, подставить второе, найти из него у, а затем вычислить х. Полученный ответ: х = 10, у = -1.

Но можно воспользоваться общим алгебраическим выражением, дающим для системы ax + by = с, dx + ey = f решение в виде: x = (ce - bf)/(ae - bd) y = (af - cd)/(ae - bd). В любом случае, решая задачу, надо осуществлять подстановки и другие алгебраические преобразования, а также выполнять арифметические операции. Можно, однако, поступить иначе. Ввести систему координат и построить два графика, уравнениями которых являются выражения, входящие в систему. Решение системы задается точкой пересечения прямых. Эти два подхода иллюстрируют достоинства и недостатки алгебраического и геометрического подходов.

Алгебраический подход дает возможность найти решение в общем виде, пригодном для любой конкретной системы уравнений. Геометрический подход не обладает такой степенью общности. Нельзя нарисовать в системе координат прямые «в общем виде», а значит, для каждой конкретной системы уравнений соответствующие прямые должны быть построены. Однако если нас интересуют не конкретные значения х и у, а лишь вопрос о наличии или отсутствии решения, то при алгебраическом подходе надо и в этом случае провести те же самые выкладки, что и при решении системы. При геометрическом же подходе, взглянув на изображение, можно дать мгновенный ответ. Если прямые пересекаются, то решение существует.

Наглядность - одна из основных особенностей когнитивной графики как совокупности приемов и методов образного представления условий задачи, которые позволяют либо сразу увидеть решение, либо получить подсказку для его нахождения.

Другим примером использования когнитивной графики в учебном процессе является применение современных математических пакетов при проведении учебно-исследовательских работ.

Существует множество интегрированных математических программных систем для научно-технических расчетов: Eureka, Derive, Mercury, MathLab, MathCad, Maple, Mathematica. Системы MathCad традиционно занимают особое место среди этого множества программных продуктов и по праву могут называться самыми современными, универсальными и массовыми математическими системами. Новые версии системыпросты в использовании и обучении. MathCad обладает широкими графическими возможностями. Это позволяет создавать математические графики практически всех типов (в том числе анимационные), а также фрагменты видеофильмов, что значительно облегчает визуализацию и анализ данных[18].

Облегчая решение сложных математических задач, система снимает психологический барьер при изучении математики, делая процесс изучения интересным и достаточно простым. Грамотное применение системы в учебном процессе способствует повышению фундаментальности математического и технического образования, содействует подлинной интеграции процесса познания.

2. Дидактический потенциал использования моделей в процессе обучения

2.1 Модель как наглядность

Одной из важнейших задач, стоящих перед средней общеобразовательной школой является совершенствование содержания и методов обучения и подготовка учащихся к самостоятельной трудовой деятельности.

Реформа школы имеет своей целью поднять ее работу на новый качественный уровень, соответствующий условиям и потребностям общества развитого социализма". Особое внимание необходимо уделять повышению эффективности общеобразовательной, трудовой и профессиональной подготовке учащихся молодежи. "Школа должна растить, обучать и воспитывать молодые поколения с максимальным учетом тех общественных условий, в которых они будут жить и работать.

Трудно представить себе работу на производстве без применения чертежей. Графические навыки и умения необходимы человеку и в повседневной жизни. Учащихся важно готовить в школе к работе на производстве, к пониманию языка техники, формировать и развивать у них практические навыки и умения. Огромное значение в трудовой подготовке принадлежит развитию графической грамотности у учащихся.

Умение читать различные графические изображения /чертежи, схемы, диаграммы, технические рисунки и т.п./ и умение их строить /выполнять/ с помощью различных чертежных инструментов, а также от руки, на глаз. "Умение составлять и читать/понимать/рисунки и чертежи или хотя бы только понимать их требуется лицам самых разнообразных профессий, не говоря уже о лицах технических профессий, вся деятельность которых неразрывно связана с составлением или чтением чертежей"*,- подчеркивая Н.Ф. Летверухин[19].

Особую роль графической грамотности в подготовке учащихся к трудовой деятельности отмечал А.Д. Ботвинников: ".использование и создание современных технических средств предъявляют повышенные требования к научно-технической подготовке лиц, связанных с автоматизацией многих сфер деятельности человека, и в частности, к развитию уровня пространственных представлений и р общей графической грамотности трудящихся .

Графические изображения широко использовал В.И. Ленин в своей деятельности. В.И. Ленин писал: "я решил попытаться изобразить все основные типы "разделений" нашего съезда в виде диаграммы. Такой прием покажется, наверное, странным очень и очень многим, но я сомневаюсь, можно ж найти другой способ изложения, действительно обобщающего и подводящего итоги, возможно более полного и наиболее точного . Умение понимать рисунок и чертеж, указывал М.И. Калинин, в огромной степени облегчает изучение инструмента, станка, машины и разных сложных агрегатов [20].

Важность обучения графической грамотности диктуется огромной ее ролью в развитии мышления, познавательных способностей, пространственных представлений и пространственного воображения учащихся, формировании практических умений и навыков. Развитие графической грамотности имеет особое значения для осознанного усвоения учащимися геометрии, решения геометрических задач, а также осознанного усвоения других учебных предметов /черчения, алгебры, физики, географии и др.

И.Ф. Тесленко считает, что графические схемы в обучении математике необходимо использовать как можно шире, так как они являются оперативными образами для введения новых понятий в наглядной форме, помогают выделить ведущую мысль дедуктивных доказательств, записывать и обнаруживать структуры рассуждений и в каждом звене решения задачи наглядно разделить предпосылки и заключения [21].

В современных условиях графический язык выступает важным средством общения между людьми разных национальностей, являясь международным языком техники. Для овладения этим языком необходима целенаправленная систематическая работа на уроках геометрии, черчения, рисования и других учебных предметов на протяжении всего периода обучения учащихся в общеобразовательной школе.

Как известно, успешное восприятие тех или иных сведений во многом зависит от их наглядности. Конечно, никакая техника не может заменить живое слово преподавателя, от умения и таланта которого прежде всего зависит результат учебного процесса. Тем не менее современные технические средства значительно расширяют возможности преподавателя по изложению, а аудитории по восприятию учебного материала.

Средства обучения - это источник получения знаний, формирования умений. К ним относятся наглядные пособия, учебники, дидактические материалы, технические средства (ТСО), оборудование, станки, учебные кабинеты, лаборатории, ЭВМ, ТВ и другие средства массовой коммуникации. В качестве средств обучения могут выступать реальные объекты, производство, сооружения. Дидактические средства, как и методы, являются частью педагогической системы и выполняют в ней свое назначение. Выбор средств обучения зависит от дидактической концепции, целей, содержания, методов и условий учебного процесса. Основные функции средств обучения - это информационная, дидактическая, контрольная.

В науке нет строгой классификации дидактических средств. Можно воспользоваться классификацией польского дидакта В. Оконя, в которой средства расположены по нарастанию возможности заменять действия учителя и автоматизировать действия ученика.

Простые средства:

1. Словесные: учебники и другие тексты.

2. Простые визуальные средства: реальные предметы, модели, картины и пр.

Сложные средства:

1. Механические визуальные приборы: диаскоп, микроскоп, кодоскоп и пр.

2. Аудиальные средства: проигрыватель, магнитофон, радио.

3. Аудиовизуальные: звуковой фильм, ТВ, видео.

4. Средства, автоматизирующие процесс обучения: лингвистические кабинеты, компьютеры, информационные системы, телекоммуникационные сети.

Простые словесные и визуальные (наглядные) средства обучения имеют древнюю историю. Главные среди них - учебники. Следует напомнить, что функция учебника не только предъявить информацию, но и управлять познавательной деятельностью, работой с ней. Среди словесных средств большое значение имеют раздаточные материалы. Они имеются по всем основным предметам и представляют набор заданий, упражнений, схем.

Основная функция визуальных средств - демонстрация явлений, процессов. Демонстрировать можно реальные объекты. Так, в Лондоне учебный отдел на знаменитом лондонском мосту знакомит с ним школьников. Любое производство, объект, где возможна экскурсия, является средством обучения. Но подавляющее большинство наглядных средств - это модели, макеты, рисунки, карты. Их главная задача - обеспечить восприятие информации и стимулировать учебную деятельность.

Среди сложных средств (ТСО) группы 3,4,5 представляют механические и электротехнические устройства. От учителя требуется знать их возможности и методику их применения в изучении своего предмета. ТВ и видеотехника как дидактические средства имеют большие возможности не только в демонстрации материала, но и в организации учения. Однако дидактические аспекты применения сложных электронных систем еще недостаточно изучены.

Сложные средства обучения можно, исходя из их классификации, по сути можно отнести к техническим средствам обучения (в дальнейшем ТСО)

К техническим средствам обучения относится как сама аппаратура (диапроекторы, графопроекторы, эпипроекторы, кинопроекторы, телеприемники, магнитофоны, электропроигрыватели, электрофоны), так и специально созданные дидактические материалы и пособия: диафильмы, диапозитивные серии, грампластинки, магнитные записи, видеозаписи, кинофильмы, т. е. экранно-звуковые средства.

По функциональному назначению ТСО обычно делят на три основных класса: информационные, контролирующие и обучающие.

К информационным относятся в основном аудиовизуальные ТСО: радиовещание, учебное кино и учебное телевидение, статическая диапроекция (см. Диаскоп, Эпидиаскоп), лингафонное оборудование (см. Лингафонный кабинет). Эти средства используются как для предъявления учебной информации в пределах заданного этапа обучения (лекция, цикл лекций), так и для усиления наглядности изучаемой информации при различных формах учебной деятельности. Аудиовизуальные ТСО могут быть успешно использованы также и при самостоятельном обучении. В качестве информационных ТСО могут применяться электронные вычислительные устройства.

Контролирующие ТСО предназначены для определения степени и качества усвоения учебного материала. Такие устройства используются во всех фазах учебного цикла. Контроль - неотъемлемая часть процесса обучения, он выполняет функции обратной связи между обучаемым и преподавателем. Основные формы контроля, реализуемые с помощью контролирующих ТСО, - текущий контроль усвоения учащимися некоторого объёма учебного материала и итоговый контроль на определённой стадии учебного процесса. Контролирующие ТСО бывают индивидуальные и групповые и различаются по типу обучающих программ и методам ввода ответа обучаемого. Такие ТСО бывают различной сложности: от простейших карт, кассет и билетов автоматизированного контроля до специальных электронных контролирующих автоматов и ЭВМ включительно. В наиболее совершенных контролирующих устройствах используются разветвленные обучающие программы с конструируемым ответом. При автоматизированном контроле качества усвоения материала преподаватель в значит. степени освобождается от трудоёмких операций, присущих обычным методам опроса, что даёт ему возможность уделять больше внимания творческим аспектам обучения и индивидуальной работе с учащимися. Контроль становится более регулярным, достоверным, экономным (с точки зрения затрат времени). В высших и средних учебных заведениях используются классы или аудитории, оснащенные контролирующими устройствами (см. Автоматизированного обучения класс), с помощью которых преподаватель имеет возможность управлять процессом контроля и получать необходимые статистические данные о качестве усвоения учебного материала[22].

Дидактические возможности обучающих, так же как и контролирующих ТСО, определяются степенью совершенства программ, которые в них реализуются. Программа и ТСО органически взаимосвязаны и дополняют друг друга. Какими бы совершенными ни были ТСО, без соответствующей программы, разработанной на основе принципов теории обучения и с учётом достижений в области изучаемого предмета, они утрачивают свою ценность в дидактическом плане и становятся малоэффективными при контроле знаний. В то же время любая совершенная обучающая программа требует для своей реализации устройства с высокими техническими данными. Наиболее полно требованиям, предъявляемым к ТСО, удовлетворяют автоматизированные обучающие системы (АОС). АОС - функционально взаимосвязанный набор подсистем учебно-методического, информационного, математического и инженерно-технического обеспечения на базе средств вычислительной техники, предназначенный для оптимизации процессов обучения в различных его формах и работающий в диалоговом режиме коллективного пользования. АОС дают возможность использовать быстродействие ЭВМ, её способность хранить большое количество информации, логической возможности, дистанционный доступ к информационным массивам, возможность накапливать и обрабатывать статистический материал об учебном процессе с требуемым уровнем обобщения. Применение АОС в учебном процессе позволяет решить ряд фундаментальных проблем педагогики, основные из которых - индивидуализация обучения в условиях массовости образования; развитие творческой активности и способностей учащихся к познавательной деятельности; унификация учебно-методического материала в связи с открывшейся возможностью «тиражирования» опыта лучших преподавателей. Оснащение учебного рабочего места устройством отображения информации (см. Отображения информации устройство) на электроннолучевой трубке (дисплеем) позволяет организовать диалог с ЭВМ, близкий к естественной форме общения учащихся с преподавателем .