автореферат и диссертация по педагогике 13.00.08 для написания научной статьи или работы на тему: Оптимизация процесса профессионального обучения на примере изучения системы автоматизированного проектирования

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация процесса профессионального обучения на примере изучения системы автоматизированного проектирования"

На правах рукописи

ВИНОГРАДОВА Галина Вадимовна

РГ6 ОД 1 2 ФЕи-

ШТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБУЧЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ ИЗУЧЕНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1ециальность: 13.00.08 «Теория и методика профессионального образо*

вания (агропромышленное образование^

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Москва — 2000

Работа выполнена в Московском техническом колледже.

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор В. В. КУЗНЕЦОВ; доктор педагогических наук, доцент О. А.-КОЗЛОВ.

Официальные оппоненты: доктор педагогических наук, профессор

Д. В. ЧЕРНИЛЕВСКИЙ; доктор технических наук, профессор Б. Ф. БЕЗРОДНЫЙ.

Ведущая организация: Нижегородская государственная архитектур]

строительная академия.

Защита состоится « » ^¿усг^/ л__________ 2000 Г. в. час

на заседании специализированного совета К 120.12.04 по присужден! ученой степени кандидата педагогических наук по специальное 13.00.08 — теория и методика профессионального образования п Московском государственном агроиижеиерном университете имс В. П. Горячкина (МГАУ) по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязе екая, д. 58, ауд. 342.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАУ.

Автореферат разослан «2/ »_____________________ ноября 2000 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА кандидат педагогических наук, доцен

/0 X. Ш. ТЕНЧУРИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время профессиональная подготовка специалистов не в полной мере отвечает требованиям технического прогресса. В частности, при обучении решению проектных задач не достаточно используются современные компьютерные технологии.

Развитие методических основ изучения систем автоматизированного проектирования (САПР) и других автоматизированных систем столкнулось со специфической проблемой,, имеющей место, пожалуй, только в области вычислительной техники - стремительные темпы развития технических средств и программного обеспечения потребовали не менее стремительных темпов модернизации всех компонентов системы обучения, причем, по возможности, с упреждением этого развития. Об этом, в частности, свидетельствует появление новых версий пакетов прикладных программ таких как: MathCAD (В.П. Дьяконов, В.Ф. Очков), MICRO - CAP, ACCEL EDA (В.Д. Разевиг) и др.

Проблема исследования. Традиционно, освоение навыков и умений проектирования, фактически сводится к изучению методов использования компьютеров и имеющегося программного обеспечения для выполнения таких частных проектных операций как реализация: вычислений, графики, других составляющих технического проекта. В этой ситуации обучение навыкам принятия решений не реализуется и выбор оптимального проекта осуществляется самим учащимся без использования компьютеров и программного обеспечения, т.е. эффективность и оптимальность принятия решения, как правило, остается вне САПР.

Оптимизация процесса профессионального обучения опирается, с одной стороны, на математические основы теории оптимального управления, теории массового обслуживания и другие разделы математики, а с другой стороны, на основы теории оптимизации учебного процесса (Ю.К. Бабанского) и выбор критериев оптимизации, задаваемых "извне" и позволяющих обеспечить необходимое качество управления процессом.

В педагогике проблеме выбора критериев оптимизации учебного процесса посвящены работы:

- В.П. Беспалько, который в качестве критерия оптимизации предложил использовать отношение числа правильно решенных задач к числу решений;

- И.Т. Огородникова, предлагавшего использовать в качестве критерия объем, системность и осмысленность знаний;

- А.Т. Молибога, предполагавшего в качестве критерия использовать уровень успеваемости;

- A.A. Овчинникова, В.В. Пумского, предлагавших в качестве критериев взять качество и прочность усвоения материала;

- BJI. Мезинцева и В.Н. Блинова, предлагавших использовать время как основной критерий оптимизации учебного процесса и другие.

Однако, проблема оптимизации учебною процесса так и остается далекой от своего разрешения, о чем свидетельствует, в частности, планирование учебною процесса, реализуемое вне аппарата оптимального управления, практически во всех учебных заведениях.

Возможность решения этой проблемы ограничена противоречиями, состоящими в том, что:

- имеет место несоответствие между морально устаревшим техническим и методическим обеспечением учебного процесса и современными информационными технологиями;

- имеет место несоответствие между традиционной организацией учебного процесса и требованиями оптимального управления учебным процессом, обуславливающими необходимость оптимизировать процесс профессиональной подготовки студентов технических колледжей в соответствии с новейшими информационными технологиями и достижениями в области научно-методического обеспечения учебного процесса;

- имеет место несоответствие между наличием биологической закономерности функционирования нейронной системы в процессе обучения человека и традиционной методикой формирования учебного процесса, не учитывающей адаптационные процессы,

- имеет место несоответствие между традиционным содержанием обучения САПР, и необходимостью обучения навыкам принятия оптимального технического решения.

Объект исследования - система профессиональной подготовки студентов Технического колледжа в области решения проектных задач.

Предмет исследования - аспекты оптимизации процесса обучения решению проектных задачх использованием САПР.

Цель исследования - совершенствование методической системы профессиональной подготовки студентов технического колледжа на основе использования САШ'.

Гипотеза исследования - эффективность профессиональной подготовки студенте мо,ко! быть обеспечена, если:

- реализуется оптимальное управление учебным процессом, обеспечивающее полное соответствие ортанизанионных форм и методов профессиональной подготовки с техническими возможностями учебного заведения и выполненное на основе сеченого планирования, причем важнейшей составляющей такого планирования является научно исследовательская работа (НИР) студентов, способ. ствуюшая реализации развивающего обучения, индивидуальному подходу и

развитию творческой личности,

- структура методической системы обучения САПР и взаимодействие между элементми эюй системы, формируются на основе оптимального маршрута проектирования, получаемого из множества маршрутов, за счет использования компьютерною моделирования физических свойств проектируемого объекта;

- оценка уровня обучаемости разделам САПР как отдельных студентов, так и группы в целом, осуществляв 1ся на основе экспоненциальной временной зависимости, параметры которой - латешный период и константа экспоненциального роста, являю тся параметрами обучения, обусловленными биологической закономерностью лсвоения повою материала.

2 •

Проблема, цель и гипотеза исследования определили необходимость решения следующих задач.

Задачи исследования:

1 .Проанализировать тенденции развития методической системы профессиональной подготовки студентов и средств, ее реализующих, в системе среднего профессионального образования на примере изучения САПР в техническом колледже, а также методов преподавания дисциплин, входящих в сферу изучения САПР и других информационных технологий.

2.0пределить структуру методической системы обучения САПР и особенности оптимального управления процессом обучения навыкам проектирования.

3.Провести педагогические эксперименты с целью проверки эффективности разработанных методов, а.также исследовать обучаемость студентов в процессе работы с САПР.

4.Разработать методику обучения навыкам формирования выбора оптимального технического решения и проиллюстрировать ее на примере обучения компьютерному моделированию распределенных и дискретных физико-технических систем.

Методы исследования: анализ литературных источников по философским, социальным, психолого-педагогическим и биофизическим проблемам, связанных с информатизацией общества и педагогическими процессами; анализ литературы по вопросам математического описания процессов управления, вариационных методов, сетевого планирования; анализ литературы по вычислительной технике, инженерному проектированию, информационным технологиям, программированию, а также методике преподавания в технических колледжах и других учебных заведениях; анализ учебных программ, учебников и учебных пособий; изучение и обобщение отечественного и зарубежного опыта информатизации образования; методы решения проблем в рамках системно-структурного подхода; методы моделирования и обработки результатов исследований, осноТванные на теории вероятностей и математической статистики; методы проведения педагогических экспериментов.

Этапы исследования. Исследования проводились на базе Московского технического колледжа в течение 1996 - 2000 гг. и включало в себя четыре этапа.

На пе( :30м этапе было выявлено состояние рассматриваемой проблемы, проводились наблюдения за учебным процессом, анализировалась работа преподавателей; формулировались цель, задачи, гипотеза исследований.

На втором этапе проводились теоретические исследования, создавался концептуальный аппарат оптимизации процесса формирования профессиональной подготовки студентов, разрабатывались научные подходы в области оптимального управления учебным процессом, создавались автоматизированные системы обучения.

На третьем этапе проводились педагогические эксперименты, оценивалась эффективность методов обучения и результативности управления и планирования, сопоставлялись различные формы организации учебного процесса.

Па четвертом этапе обобщались полученные результаты, формулировались основные выводы, осуществлялось внедрение полученных результатов.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- разработана методика оптимального управления процессом обучения САПР;

- показано, что количественная оценка результативности учебного процесса, по дисциплине в целом и по ее разделам в отдельности, осуществляется в соответствии с экспоненциальной временной зависимостью;

- выполнено научное обоснование методики формирования навыков выбора оптимальною технического решения на основе моделирования проектируемых систем и определения системы проектно-гехнических ограничений.

Теоретическая значимость результатов исследования состоит в:

- исследовании возможности оптимального управления профессиональной подготовкой студентов технических колледжей посредствам применения сетевого планирования в учебном процессе;

- экспериментальном подтверждении гипотезы о применимости адаптационной закономерности обучаемости студентов в процессе освоения САПР;

- обосновании методической системы формирования профессиональных навыков студентов технических колледжей;

- обосновании методики обучения навыкам моделирования как распределен^ ных, так и дискретных физико-технических систем.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты исследований могут быть использованы как в средних, так и в высших профессиональных учебных заведениях. Апробация результатов исследование.

Материалы диссертационной работы и основные выводы выполненных исследований докладывались и обсуждались на:

г заседании кафедры информатики и информационных технологий в системах управления Серпуховского военного института Ракетных войск (ноябрь,1999г.);

- IX Международной конференции "Информационные технологии в образовании" (ноябрь, 1999г.);

- научных семинарах Московского технического колледжа (октябрь, 1999 г.; январь, 2000г);

- научном семинаре физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова (февраль, 2000г.);

- XIX Межведомственной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных технических систем», Серпуховской военный институт Ракетных войск (июнь 2000г.).

Основные положении, выносимые па защиту:

1 .Методическая система обучения САПР, включающая в себя классические составляющие системы: цель, содержание, организационные формы и методы обучения, отличающиеся тем, что для получения оптимального проектного решения структура методической системы, т. е взаимодействие между элементами методической системы, формируется на основе оптимального маршрута проектирования, получаемого из множества маршрутов, за счет использования компьютерного моделирования физических свойств проектируемою оСллктя.

1 2 Методика обучения САПР построенная на основе сетевого планирования учебного процесса и НИР студентов 4

3.Закономерность изменения уровня обучаемости разделам САПР, представляющая собой экспоненциальную временную зависимость, параметры которой - латентный период и константа экспоненциального роста, являются параметрами обучения, обусловленными биологической закономерностью усвоения нового материала и используемой методики обучения.

4.Методика формирования навыков выбора оптимального технического решения и компьютерного моделирования распределенных систем на примере волновых процессов.

Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается комплексной методикой исследования, соответствием использованных методов задачам исследования, использованием математических методов обработки результатов исследования, апробацией полученных результатов в учебном процессе.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка литературы, включающего 149 наименований. Общий объем работы составляет 132 страницы Машинописного текста, 13 рисунков, 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении представлена общая характеристика работы и соответствующая ей структура диссертации, мотивируется актуальность данного исследования, сформулированы основные положения, которые выносятся на защиту.

Первый раздел диссертации посвящен аналитическому исследованию состояния проблемы по литературным источникам.

Отмечается, что решение вопросов автоматизированного проектирования является не только важнейшей сферой инженерной деятельности, но и главным направлением научно-технического прогресса, что связанно с интенсивным развитием вычислительной техники и прикладного программного обеспечения.

Объединение персональных компьютеров в сети означает создание интегрированных автоматизированных систем, что позволит решить крупные народнохозяйственные задачи. Проблемы, связанные с организацией и проведением. эффективного учебного процесса, в последнее десятилетие-наиболее остро отразились на процессе совершенствования высшей и средней школы. Именно в этот период имело место широкое оснащение школ и вузов современным компьютерным оборудованием, и, как следствие, именно в этот период стал осуществляться переход в учебном.процессе от изучения компьютера, как объекта изучения, к использованию компьютеров, как средства обучения, на занятиях различной направленности. Более того, в последние годы в . ряде учебных заведений как у нас в стране, так и за границей традиционные формы аудиторного обучения стали заменяться на различные формы "самостоятельного" обучения, осуществляемого в рамках диалога "учащегося с компьютером. При этом лазерные дисководы и значительная оперативная памятЬ позволяют проводить разнообразные диалоги широкой вариативности, появление последних разработок в области рукописного и звукового "общения" с компьютером, а также возможность доступа к любым источникам информации делают такой учебный процесс весьма перспективным. Анализ научно-методической литера-

туры выявил ряд проблем, без решения которых невозможно эффективное построение курса:

1.Отсутствует анализ тенденций развития методической системы профессиональной подготовки студентов и средств ее реализующих в системе среднего профессионального образования.

2.Не разработаны методы преподавания в техническом колледже дисциплин, входящих в сферу изучения САПР и других информационных технологий.

3.Не разработаны концептуальные основы оптимального управления формированием профессиональной подготовки студентов технического колледжа.

4.Не проведены исследования адаптационных процессов, имеющих место при реализации профессиональной подготовки студентов технического колледжа, и не разработаны методы практического использования результатов иссле-дованийв учебном процессе.

5.Не построена методика обучения компьютерному моделированию физико-технических систем.

Во втором разделе рассмотрены концептуальные основы профессиональной подготовки в студентов технического колледжа.

Важным положением данного раздела является го, что педагогика рассматривается как практическая реализация философских воззрений на развитие человека, человеческого общества и научно - технического прогресса. В этом случае концептуальное положение формируется в соответствии с философскими взглядами, а формирование учебного процесса может быть представлено, как проектирование учебного процесса с последующей реализацией построенного проекта. В этом случае имеет место три типа логической структуры:

- изменение последовательности элементов с сохранением исходной системы связей;

- изменение системы связей при условии сохранения последовательности элементов;

- изменение одновременно и системы связей, и последовательности элементов.

Формирование профессиональной подготовки в учебных заведениях осуществляется на основе представлений о единстве профессионального обра-ювания в системе среднего и высшего профессионального и деятельностного подхода (В.П. Беспалько, A.A. Вербицкий, ПЛ. Гальперин, Н.Ф. Талызина и др.), в соответствии с которым общей методологической задачей становится разработка концептуальной модели деятельности специалиста. Такая модель строится на основе анализа основных видов деятельности специалиста.

Необходимость применения тех или иных принципов существенно зависит от глубины использования системно-структурного подхода к описанию педагогического процесса.

Учитывая, что понятие структуры неразрывно связано с заданием некоторых отношений, в которых находятся между собой элементы системы, а также системы условий, которым удовлетворяют данные отношения (Ф.К. Агашин, Д.В. Алексеевскнй), что неразрывно связано с понятием взаимодействия (Ю.И. Кулаков,1968г.), формирование учебного процесса может быть выполнено с позиций системы взглядов ш> информационные взаимодействия человека с окружающей средой. 6

При этом любой педагогический процесс, обладая своей информационной структурой, ограничивается общим законом адаптации учащихся к информационным воздействиям, что обеспечивает измеримость педагогического процесса и его управляемость, т.е. мы можем говорить об оп^мальном управлении педагогическим процессом, понимая под этим термином не только достижение поставленных целей обучения, но и - минимизацию (максимизацию) некоторой целевой функции, отражающей количественную сторону эффективности процесса в целом, что может быть реализовано только на основе создания качественных моделей учебного процесса с использованием теории оптимального управления.

Следует отметить, что далеко не для всех управляемых процессов удается построить алгоритм оптимального управления. В качестве примера такого положения дел можно привести управляемые процессы, для которых безусловное достижение целей управления обеспечивается единственно возможной последовательностью управляемых воздействий, т.е. все другие последовательности не обеспечивают безусловного достижения поставленных целей. В этом случае говорят о синтезе управления.

Обычно оптимизация учебного процесса осуществляется на самом "нижнем" уровне, где каждый преподаватель решает эту задачу при составлении ка-лендарно-тематических планов читаемых им дисцйгмин, в виде построения сетевого графика.

В третьем разделе рассмотрены вопросы построения методической системы обучения САПР студентов колледжа.

Несмотря на то, что история созданий САПР весьма коротка (с начала 50-х годов), трудно найти другую область человеческой деятельности, которая развивалась бы столь быстро. В историй разбития САПР условно можно выделить три этапа:

1) 1950-1960 гг. - теоретические Исследования возможности решения электротехнических и конструкторских задач на ЭВМ и создание первых программ для решения этих задач;

2) 1960-1970 гг. - разработка методов, алгоритмов и программ решвкия отдельных задач из различных этапов проектирования;

■ 3) с 1970 г. - разработка САПР, продолжение работ первых двух этапов.

Существующие системы автоматизированного проектирования можно условно разделить по областям применения и по уровню их возможностей на несколько категорий.

По уровню сложности САПР делятся примерно на три категории. Самый простейший уровень - это хороший графический редактор, облегчающий чертежную конструкторскую работу. При этом конструктор сам решает все вопросы компоновки, размещения и сопряжений элементов, на ЭВМ возлагается только изображение конструируемого объекта на листе бумаги.

Второй уровень сложности - это полуавтоматические системы. Такие САПР оснащены специальными базами данных стандартных графических изображений деталей или электронных компонентов. Проектировщик может проводить процедуры автоматической трассировки, генерировать технические спе-» цификдции.

Третьи, наиболее сложные и развитые САПР, включают в себя процедуры

моделирования и расчета характеристик разрабатываемого объекта (например, расчет элементов детали на прочность, логическое моделирование работы электронной схемы, построение печатной платы исходя из принципиальной схемы).

По областям применений примерно половина прикладных САПР посвящена автоматизации конструкторских работ общего назначения, т.е. интерактивной разработке чертежей различных деталей и конструкций; другая половина систем ориентирована на проектирование и разводку плат и принципиальных схем. Важнейшим элементом САПР этой категории является блок автоматического принятия технического решения. Все эти особенности САПР создают главную канву при формировании методической системы обучения, т.е. на первый план выступают отличительные особенности учебного процесса.

На рис. 1 представлена модель подготовки специалиста-проектировщика в техническом колледже.

В зависимости от технической направленности колледжа, может быть выбран для изучения один из трех уровней САПР, в рамках которого и формируется методическая система обучения, которая, если следовать А.М.Пышкало, включает в себя пять составляющих: цель, содержание, методы, организационное формы и средства обучения.

Образование, как и любая другая осознанная деятельность человека, обладает свойством целенаправленности. В настоящее время цели, в соответствии с которыми формируется учебный процесс в колледжах, определяются как государством - в виде государственных стандартов на специальность, так и потребностями населения, которые во многом отражают рыночную систему трудоустройства.

Формирование целей обучения в техническом колледже как в том, так и в другом случае осуществляется в соответствии с деятельностным подходом, в соответствии с которым задать цели обучения - значит выявить и сформировать систему знаний и умений, которыми должны овладеть выпускники колледжа, т.е. общей методологической задачей становится разработка концептуальной модели деятельности специалиста.

Экспертный анализ информационной деятельности выпускников колледжа дал возможность построить инвариантную компоненту модели специалиста.

Построение моделей деятельности специалиста связано с такими понятиями, как:

- специалист, осуществляющий деятельность;

- предмет, на который направлена или с которым сопряжена деятельность;

- среда (или среды), в которой протекает деятельность.

Объединение перечисленных компонентов в одном исследовании возможно только при условии использования общей теории систем, в рамках математических основ которой на первый план выступает применение теоретико-множественных структур.

Отметим, что информационная среда является неотъемлемой составной частью общей среды обитания человека. Информационная среда, являясь частью общей среды, обладает всеми атрибутами, присущими общей среде обитания человека, и поэтому правомерны такие понятия как: загрязнение

I ОБУЧЕНИЕ НАВЫКАМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В ТЕХНИЧЕСКОМ КОЛЛЕДЖЕ 1

Результаты обучения : готовность к выполнению проектных задач

Рис.1 Модель подготовки специалиста-проектировщика в

техническом колледже' д

информационной среды, информационный шум, экология информационной среды и т.д.

Современное состояние развития общества выдвигает в качестве одной из основных задач, стоящих перед системой образования, задачу формирования информационной культуры, в рамках которой могли бы быть объединены все стороны взаимодействия человека с информационной средой обитания.

' Казалось бы, решение проблемы формирования информационной культуры специалиста лежит в области разработки такого содержания информационной подготовки, при котором все её составляющие нашли бы своё отражение. Однако, трудно себе представить, что в рамках программы среднего специального заведения удалось бы охватить хотя бы большую часть перечисленных выше составляющих информационной культуры, т.е. и в данном случае проблема.выбора содержания приводит к задаче оптимального управления учебным процессом.

При выборе методов обучения решающим фактором является их сравнительная эффективность, которая может быть определена вероятностью достижения целей обучения и затратами времени, материальных средств и усилий преподавателей и обучаемых. Естественно, что в такой области как САПР набор возможных методов обучения и их эффективность существенно зависят от наличия современных средств вычислительной техники и программного обеспечения учебного процесса. При этом большей вариативности возможных методов обучения соответствуют и более благоприятные возможности формирования оптимальной структуры учебного процесса в целом. Легко заметить, что в условиях существенной нехватки компьютерных классов "оптимальность" учебного процесса в основном обеспечивается максимальной загрузкой имеющихся в распоряжении учебного заведения средств вычислительной техники, причем в этом случае практически исключаются возможности применения компьютерных-обучающих программ.

Из теории.оптимального управления известно (например, Л. Янг, 1969), что об управлении каким-либо процессом (в данном случае - познавательной деятельностью) имеет смысл говорить только, если это управление, во-первых, обеспечивает достижение поставленных целей и, во-вторых, является оптимальным. В противном-случае термин управление теряет смысл, т. е. управление учебным процессом имеет смысл, если практические занятия, лабораторная работа, курсовое проектирование, научно-исследовательская работа представляют собой систему мероприятий, обеспечивающих реализацию познаватель-• ной деятельности при освоении навыков проектирования с использованием компьютеров. Построенная в виде сетевой структуры система этих мероприятий называется сетевым графиком учебного процесса, позволяющим определить оптимальный путь реализации учебного процесса.

На рис. 2 представлен сетевой график процесса обучения САПР для двух групп, обеспечивающий оптимизацию учебного процесса не только за счет обучающих компьютерных программ, но и за счет проведения общих лекционных занятий, Взаимосвязь деятельности преподавателя и обучающихся осуществляется с помощью средств обучения • носителей учебной информации, к

ОП1

ОП2

\ л X

ОП 5

ЛР 1 ЛР2 ЛРЗ

г

? ЛР6

КЕХЕИ

ЛР2 1 ЛРЗ ЛР 6

ХГу^Х

ОП1

ОП2

Рпс. 2 Сетевой гр^фги курса «Проектирование радиоаппаратуры»

-Л и

1 I ) «удцицшпчгдшяяугжшивяш» ' I

да

габпртоадирааам

грушювгя лекция

ОПб

^ /

-1 ЛР / -5> ЛР«

л

ОП обучающе программы

СЕ>.

'денческис научно-ясследовзтельскне работы курсовое проектирование

которым в общем случае относятся: слово, слайд, запись на меловой доске, видео- и кинофильм, учебник, компьютерные и другие средства, в которых сосредоточено педагогически обработанное содержание обучения. Появление информационных технологий обучения, ориентированных на использование персональных компьютеров, существенно усилило возможность управления учебным процессом, создало предпосылки для адаптивного обучения.

Развитие информационных технологий позволяет использовать компьютер как средство активизации учебного процесса, современный источник учебной и научной информации при освоении современных методов моделирования физико-технических систем и разработке технического проекта.

Поскольку профессиональные программные средства и информационные технологии меняются очень быстро, научить конкретному программному средству с перспективой его использования в профессиональной деятельности невозможно из-за непродолжительности жизненного цикла программного средства. При этом, в связи с необходимостью построения оптимальной структуры ¿педагогического процесса далеко не все программные средства пригодны для объединения в единую структуру программных средств, отвечающих требованиям оптимальности. В этом случае учебным заведениям приходится самим разрабатывать программные продукты, отвечающие всем требованиям планируемого учебного процесса.

В четвертом разделе представлены основы формирования оптимальной обучаемости студентов.

Следует подчеркнуть, что все результаты разделов 2 и 3 опирались на одно, но достаточно существенное допущение, фактически сводящемуся к утверждениям, что:

- все предложенные преподавателями и администрацией учебного заведения методы будут наилучшим образом восприняты обучающимися;

- требования государственного стандарта полностью соответствуют запросам интеллектуального развития личности;

- оптимальный, в смысле социально-экономических критериев, учебный процесс оказывается таковым и с позиций биологических законов развития человека.

Эти утверждения представляются достаточно дискуссионными, поскольку обучаемость тесно связана с функционированием Нейронной системы, происходящим э полном соответствии с биологическими законами природы. Попытки их использования в учебном процессе делались с переменным успехом неоднократно. В качестве примера можно привести построение теории и практики развивающего обучения (РО) (Н.П. Трифонов, В.И. Громыко, М.В.Колядко;), в рамках которой на первый план выходит принцип, основанный на "генетическом" свойстве - адаптивности, утверждающий, что у каждого человека имеет место врожденное умение приобщаться к новому знанию и добывать такое знание, а педагогика РО оказывается нацеленной на использование предмета для развития способности созидания, характерной для творческой личности, т.е. здесь был использован весьма дискуссионный тезис об адаптивности, как генетическом свойстве интеллекта. Многие экспериментальные и теоретические исследования (например, Р.Буш, Ф.Мостеллер; Р.Аткинсон, Г.Бауэр, Э.Кротерс; В.В.Кузиецов, О.В.Кузнецова; ) даю г основа-12

ние утверждать, что адаптивность интеллекта скорее отражает аналогичное свойство нейронной системы, т.е. является следствием адаптационных механизмов функционирования нейронной системы человека. Данное замечание, казалось бы академического характера, имеет весьма практические следствия, поскольку касается природы интеллекта - генной (или врожденной природы), или приобретенной в процессе интеллектуальной деятельности нейронной . системы. В зависимости от ответа на этот вопрос формируются и пути реализации учебного процесса.

Изучение САПР как нельзя лучше подходит к методам РО, а адаптационные механизмы позволяют формировать систему тестирования умений и навыков в процессе обучения.

Естественно, что решение поставленной задачи может быть получено только на основе использования свойств и закономерностей функционирования нейронной системы, на основе которых реализуются свойства интеллекта, и намечается путь приобщения к логике открытия.

При этом количественная оценка результативности учебного процесса также может быть выполнена на основе Закономерности функционирования нейронной системы.

Наиболее четкое проявление закономерности имеет место в тех случаях, когда прослеживается связь между воздействием и "обучаемостью" биологического объекта, связанного с этим воздействием.

В большинстве случаев эта связь прослеживается в вИде зависимости "обучаемости" (или вероятности обучения) от времени обучения, или числа попыток освоения соответствующего элемента обучения, что является эквивалентным, поскольку связь между числом попыток обучения и и временем обучения { может быть осуществлена при помощи соотношения: (=пт, где т- среднее время реализации попытки обучения.

у(п)=1-ехр[-ц(п-По)]=1-ехр[-(и-ио)]=Р(и), где |Л, по- постоянные величины, и = ц*п; и0=ц*По

В качестве примера использования такой зависимости можно представить результаты педагогических экспериментов, выполненных в МТК по курсу "Изучение ППП (пакета прикладных программ МатЬСас)", включающего в себя 10 разделов (см.таблицу 1), с целью проверки эффективности учебного процесса, осуществляемого с реализацией принципов развивающего обучения. Во время этого эксперимента каждый студент группы осуществлял "самостоятельное" изучение курса, при котором он мог перейти к изучению каждого следующего раздела только после успешного освоения предыдущих разделов, т.е. только после успешного прохождения соответствующих контрольных работ .

Результаты обработки данных этого эксперимента (полученные по методу наименьших квадратов) представлены на рис.3.

В пятом разделе освещены вопросы обучения моделированию как распределительных систем (на примере моделирования волновых процессов) в рамках которого решаются задача компьютерного моделирования эащнгных сооружений (ЗС), обеспечивающих защиту судов от воздействия крупных воли

в акватории порта, так и для моделирования дискретных систем использовался пакет прикладных программ Electronics Workbench, позволяющий моделировать, в зависимости от режимов колебательных процессов на входе и конструкторских особенностей проектируемой электронной системы, выходные процессы.

Для реализации обучения методам моделирования распределенных систем, было использовано обучение моделированию на основе принципа Гюйгенса-Френеля, в рамках которого каждый элемент фронта представляет собой независимый элементарный «генератор» волнового процесса. При этом волновое поле в рамках решения общей дифракционной задачи, рассчитывалась, как сумма вкладов энергии от каждого элементарного «генератора» волнового фронта в рассчитываемой точке акватории порта. Процесс обучения сводится к последовательности следующих этапов:

I. Задание конфигурации ограничения акватории, с дальнейшим ее графическим представлением.

' 2. Выбор характерных направлений волн к заданной акватории.

3. Освоение метода Гюйгенса-Френеля, как методы моделирования волнового процесса.

4. Выполнение моделирования волнового процесса заданной акватории при заданных защитных сооружениях, с выводом результатов моделирования в виде результатов таблиц и графиков.

5. Выбор оптимального технического решения защитных сооружений на основе исходных данных и результатов моделирования волнового процесса.

Выбор оптимальной для эксплуатации флота конструкции гидротехнических сооружений требует в качестве одного из важнейших условий умения воссоздать реальное поле волн на акватории порта, что в решающей степени определяется такими процессами как дифракция, отражение волн, рефракция и гашение волн около портовых оградительных сооружений. Важнейшими из этих факторов являются дифракция и отражение волн.

Разработка универсального метода расчёта дифракции и отражения волн в порту сложной конфигурации позволяет создать подсистему САПР защитных сооружений акватории морского порта от Ветрового волнения. Существует двб основных теоретических метода выбора рациональных проектных решений в САПР- метод сжатия интервала допустимых проектных решений и метод введения систему дополнительных ограничений.

Рассматриваются вопросы технологии обучения работы с САПР, посвященной разработке оптимальной конфигурации защитных сооружений акватории порта от ветрового волнения^ в рамках которой рассматривается функциональная схема разрабатываемой САПР и разрабатываются математическая модель проектирования ЗС и алгоритм получения рационального проектного решения, а также формируются условия защищённости от ветрового волнения.

В этом случае использование САПР в учебном процессе решает задачи обучения технологии проектирования и углубление знаний физических процессов, связанных с моделированием.

Таб.1 Оценка параметров обучения студентов по курсу «Изучение пакета прикладных программ МаШСас!»

№ раздела 1 2 3 4 5

Т„,(мин) 58.39 70.98 83.9 78.6 81.52

ц,(1/мин) 0.0788 0.109 .0.104 0.107 • 0.21

о 0.06 0.05 0.089 0.11 0.063

№ раздела 6 7 8 9 10

Т0,(мин) 83.7 68.49 ■73.84 82.7 75.45

ц,(1/мин) 0.06 0.28 0.06 0.075 0.26

о 0.075 0.037 0.031 0.069 0.04

Р(и» 1

0.9 08 0.1 0.9 0.1 0.4 0.) 0,1 0.1 О

О .0,1 1 1.» I ' 1Л «

и«яЧ»-«>)

Рнс.З Результаты экспериментальных исследований обучаемости студентов. (Ось ОХ-безразмерное время «и»,ось ОУ- вероятность выполнения задания «Р(Ц)»----- закономерность^);-10% интервал.

,..■•"'(> О Л

,.••'' аз,-''' А-.............

, еЬ

/' о. '" /а/' .

' О.-'

.'о,Л ,-■' / о'

• - -1 .....2

3

& 4 О б

а

Для иллюстрации математической модели процесса проектирования представлен условный морской порт (рис.4а), вход в который ограничивается двумя перекрывающими молами и зависимость показателя защищенности от длинны молов (рис.4б). Система координатХОУ ориентирована таким образом, что ось ОХ совпадает с направлением движения волн, а ось ОУ совпадает с фронтом проходящей к входу в порт волны. В этих допущениях находится вектор проектных параметров х =

где - соответственно координаты оголовков первого и второго молов

в системе координат ХОУ и б1, - углы наклона молов к оси ОХ.

Волновое поле на акватории порта определится суперпозицией трех физических явлений: дифракцией, рефракцией, и отражением, т.е. итоговое волновое поле можно охарактеризовать сеточной функцией коэффициентов дифракции в расчетных узлах.

Задача проектирования состоит в проектирование конфигурации ЗС таким образом, чтобы результирующее волновое поле не препятствовало стоянке и обработке судов, т.е. данное требование может быть представлено в виде, во-первых, функционального ограничения, интерпретируемого как требование ограничения некоторой площадки акватории, ограниченной изолинией с коэффициентом дифракции АО, .у) = 0,2 и линией, соединяющей головы Молов, а во-вторых, ограничения, связанного с тем, что ширина входа в порт была бы не менее заданного значения.

При этом критерием оптимальности является требование минимальности суммарной длины молов, что, в свою очередь минимизирует массу необходимого строительного материала.

Технологию обучения проектированию ЗС в условиях САПР проиллюстрируем в виде технологической схемы, представленной на рис.5.

Первый этап проектирования не связан с вычислительной машиной и является- подготовительным, т.е. производится кодирование первоначальной конфигурации акватории порта (блок I), и вся исходная информация записывается на магнитный диск в файл под именем СООТ1 (блок 2). Таким образом реализуется единая информационная база САПР ЗС.

Следующий этап является расчетным. Блок - 3 расчет волнового поля на' акватории порта произвольной конфигурации. Блок 4 - проверка обеспечения защиты сооружениями необходимой безопасности. Как уже отмечалось, за показатель безопасности была взята площадь акватории порта, ограниченная изолинией с коэффициентом дифракции Ш,у)=0,2. Блок 5 - в случае невыполнения условия необходимой безопасности осуществляется корректировка ориентации защитных сооружений (возможны два варианта корректировки: автоматический и ручной).

Третий этап - выработка рационального проектного решения. На этом этапе решается задача оптимизации, заключающаяся в минимизации длины защитных сооружений при соблюдении условий необходимой безопасности -блок 6.

Рис.4а Схема условного порта.

Бо,(%)

1000

1200

1400

1600

Цгп)

Рис.4б Зависимость параметра 8о (отношение энергии воли в порту к энергии волн в открытом море) от суммарной длины молов Ь.

Техническое /' \. задание /

Определение волнового поля ■

А ' Х

Л / \ Входная / ___-информации'

.'Г* " ' \

/ . \

СОЫГ 1

Ручной 2 ввод

• 4 . . Есть ' ч. необходимая . , защипа -

Корректура ориентации ЗС

Оптимизация

(Формирование рационального проектного решения) |

Эскиз

■ Эскиз

СО№ 1

Рис.5 Технология проектирования защитных сооружений в условиях САПР.

Результат работы 6-го блока представляется эскизом окончательной конфигурации акватории порта на экране дисплея и на бумаге. В дальнейшем может быть продолжено «уточнение» технического решения за счет ввода дополнительных условий и ограничений.

Таким образом, представление структуры проектирования в виде составляющих ее элементов позволит сформулировать улучшенную логическую структуру учебного процесса. При этом оптимизация достигнута за счет изменения исходной логической структуры посредством различного типа преобразований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.Анализ тенденций развития методической системы профессиональной подготовки студентов и средств ее реализации в системе среднего специального образования показал, что интенсивное развитие вычислительной техники и программных. средств привели к пересмотру взглядов на учебный процесс при реализации профессионального обучения, обусловленное переходом от изучения аналитических форм проектирования, к изучению вычислительного проектирования физико-технических объектов, что позволило упростить процесс обучения выработки оптимального технического решения за счет применения компьютерного моделирования проектируемого объекта.

2. Разработана методическая система обучения САПР, включающая в себя классические составляющие системы: цель, содержание, методы, организационные формы и средства обучения, отличающиеся тем, что структура методической системы, т. е. взаимодействие между элементами методической системы, формируется на основе оптимального маршрута проектирования, получаемого из множества маршрутов за счет использования компьютерного моделирования физических свойств проектируемого объекта.

3.Разработана методическая система обучения САПР, включающая в себя элементы системы, описанные в п.2, отличающуюся тем, что оптимизация обучения САПР обеспечивается за счет сетевого планирования учебного процесса. При этом учебный процесс оптимизируется на основе, во-первых, увязывания с оптимальной структурой обучения в учебном заведении, а во-вторых, использования творческой деятельности студентов, обеспечивающей широкие формы реализации развивающего обучения, индивидуальный подход и-развитие творческой личности.

4.Проведенные педагогические эксперименты показали, что критический ■ путь сетевого планирования обучения обеспечивает сокращение времени обучения до 20% от времени обучения, затрачиваемого по классической схеме ау-диторно-лабараторных занятий.

5.Показано, то» изменение уровня обучаемости разделам САПР как отдельных студентов, так и группы в целом, описываются экспоненциальной временной зависимостью, параметры которой - патентный период и консгаита экспоненциального роста, являются параметрами обучения, обусловленными биологической закономерностью усвоения нового материала и используемой' методикой обучения.

6.Разработана методическая система обучения САПР, включающая в себя элементы системы, описанные в м.2.,3, отличающаяся тем, что (¡кэширование выбора оптимального »ечннчесмно решения н формнропашш шшшально!о

19

маршрута проектирования физико-технических систем осуществляется на основе обучения навыкам как моделирования этих систем, так и определения системы ограничений, обеспечивающих принятие рационального проектного решения. Методика такого обучения апробирована при проектировании распределенных физико-технических систем, реализуемых на основе моделирования волновых процессов в соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля в рамках решения рефракционно-дифракционных задач в условиях максимального приближения к инженерно-практическим требованиям.

Проведенные исследования охватывают сравнительно ограниченный круг вопросов профессионального обучения, связанных с. изучением САПР. Представляется логичным продолжение аналогичных исследований, имея в виду создание в будущем методики обучения САПР в рамках сетевой структуры. Предполагается, что такая методика будет включать в себя в качестве составляющих особенности как сетевого проектирования, так н биологических закономерностей обучаемости студентов.

По теме диссертации опубликованы следующие основные работы:

1.Обучение навыкам компьютерного моделирования стохастических волновых систем/Сб. трудов IX Международной конференции-выставки «Информационные технологии в образовании»- ИТО 99, ч.2, М., МИФИ, 1999.-с.321 (в соавторстве).

2. Оптимизация управления учебно-воспитательным процессом на примере изучения САПР в техническом колледже/ XIX Межведомственная научно-техническая конференция «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных технических систем», Серпуховской военный институт Ракетных войск, сборник статей, часть 2 (июнь 2000г.).-с.300-302 (в Соавторстве), •

■ 3. Принципы изучения элементов САПР в рамках информационной подготовки специалистов/Х1Х Межведомственная научно-техническая конференция «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных технических систем», Серпуховской военный институт Ракетных войск, сборник статей, часть 3 (июнь 2000г.).- с. 419-424 (в соав> торстве).

4. Использование компьютерных обучающих программ в учебном процессе технического колледжа//Компьютерные.-обучающие программы №4, М., 2000. - с. 125-128 (в соавторстве).

,5. Оценка результативности учебного процесса с использованием компьютерных 1 обучающих программ//Компьютерные обучающие программы №4, М., 2000. - с. 129-136 (в соавторстве),'.