Педагогические науки/ 5. Современные методы преподавания

Метод пространственного моделирования при преподавании курсов связанных с изучением сельскохозяйственных машин

зав.кафедрой СХМ Зеленин А.Н., декан факультета ТТМС Юсупов М.Л.

Уральский государственный аграрный университет

Для решения огромного количества задач из тех, что ставит перед студентами технических профилей Высшая школа, необходим особый вид мыслительной деятельности – пространственное мышление.

Особенно это отмечается при изучении курсов связанных с сельскохозяйственными машинами, так как в данных конструкциях применяется большое количество сложных пространственных механизмов, которые даже при наличии реальных агрегатов трудно поддаются изучению. Так как по ряду объективных причин невозможно визуальное наблюдение из-за:

- высоких скоростей перемещения (режущий аппарат),

- техники безопасности (камера прессования пресс-подборщиков)

- трудности наблюдения (работа форсунки опрыскивателей)

- сроков применения (обучение в зимний период не дает возможности наблюдать полевые механизированные работы)

При помощи пространственного мышления необходимо проводить манипулирование с пространственными механизмами и конструкциями – настоящими или воображаемыми, анализировать пространственные перемещения и взаиморасположение, трансформировать исходные структуры и создавать новые.

Таким образом, пространственное мышление это такой вид умственной деятельности, который обеспечивает создание пространственных образов и оперирование ими в процессе решения практических и теоретических задач.

Одно из предназначений дисциплин связанных с сельскохозяйственными машинами в высшем техническом учебном заведении – это не только развить пространственное мышление у студентов, но и формирование системно-пространственное мышления у студентов, которое послужит надежной базой для изучения последующих дисциплин по программам специалитета или бакалавриата.

При этом необходимо отметить следующее. В психологии восприятия давно уже известно, что изначально зачатками пространственного мышления обладает всего несколько процентов населения [1]. Целенаправленный отбор, по признаку наличия пространственного мышления у абитуриентов основных технических специальностей и направлений, не ведется. Следовательно, у значительной части студентов просто отсутствует то, что предполагается развивать.

Попытка же развить пространственное мышление с неподготовленным человеком, вкупе с отсутствием четкого представления (у студента и преподавателя) о том, зачем это все нужно и приводит к такому положению, когда дисциплины связанные с изучение конструкции сельскохозяйственных машин попадает в разряд ”трудно-изучаемых” дисциплин.

Поэтому, эти дисциплины считаются непростым предметом для изучения не только для студентов технических специальностей, но и остальных, пусть и косвенно, с ними связанных.

Нередко эта проблема стоит как перед студентов, так и перед преподавателем. В итоге, попытка развить пространственное мышление у абсолютно всех студентов, ни к чему не приводит.

Одной из целей при изучении такого рода дисциплин становиться - научить воспринимать форму и положение тел, их взаимодействие, а также развивать пространственное мышление, развивать творческие способности, формировать геометрические представления [2].

Для выпускников школы и далее абитуриентов это становиться проблемой, так как черчение в средней школе престает быть обязательным курсом среди преподаваемых дисциплин. Они должны быть готовы к изучению таких дисциплин как машиностроительное черчение, теория машин и механизмов, поэтому принято считать, что на стартовом этапе обучения необходимо прививать знания о геометрических телах и фигурах; обучению анализу геометрической формы объекта как основы понимания его конструкции и умения читать пространственные механизмы.

Студент, приступающий к систематическому изучению сложного пространственного моделирования, нуждается в развитии его пространственных представлений, пространственного воображения и особенно системно-пространственного мышления.

Термин пространственное воображение, обозначает человеческую способность четко представлять трехмерные объекты в деталях и цветовом исполнении.

Пространственное мышление – это специфический вид мыслительной деятельности, которая имеет место в решении задач, требующих ориентации в практическом и теоретическом пространстве (как видимом, так и воображаемом) [3].

В своих наиболее развитых формах это мышление образцами, в которых фиксируются пространственные свойства и отношения. Оперируя исходными образами, созданными на различной наглядной основе, мышление обеспечивает их видоизменение, трансформацию и создание новых образов, отличных от исходных [3].

Системное мышление это выстраивания объектов и их взаимоотношений в сетевую (частный случай – иерархическую) модель, а далее уже перемещения фокуса внимания по уровням и связям данной модели.

Исходный принцип системного мышления – искусство абстрагироваться от частностей того или иного предмета рассмотрения, от тех его характеристик, которые кажутся разрозненными частностями, выявляя глубинные между ними связи и закономерности. Такой подход дает возможность обнаруживать связи между отдельными событиями, и, уясняя их подлинную природу и соответствующие закономерности, тем самым оказывать влияние на их ход.

Системное мышление дает студенту технических ВУЗов инструмент для решения сложных инженерно-технических задач прикладного характера появляющихся при изучении, используя точные графические методы

Процесс пространственного мышления должен включать в себя несколько операций: сравнение, анализ, синтез, абстракция, обобщение, конкретизация.

Анализ – мысленное расчленение объекта, например задачи на составляющие ее этапы решений с последующим их сравнением.

Синтез – объединение отдельных этапов решений в целое. Обычно соседствует с анализом.

Абстрагирование – выделение некоторых этапов решений задач, которые в этом типе задач должны быть. В результате абстракции формируются понятия.

Обобщение – выделение общих существенных этапов решений задач, которые необходимо сравнить.

Конкретизация – операция, обратная обобщению, выделение в решении задач характерных именно для нее этапов, не связанных с этапами решений, общими для класса задач (проекционные задачи, метрические и др.)

Применение вышеизложенной теории при развитии пространственного мышления при преподавании дисциплин, изучающих конструкцию сельскохозяйственных машин может быть осуществлено на занятиях четырьмя способами:

– словами (вербальное);

– графически (чертежи);

– наглядное изображение (объемное);

– плоскостное (комплексный чертеж).

Умение переводить информацию с одного способа на другой способствует развитию пространственного мышления, т.е. с вербального в наглядное (объемное), а затем в плоскостное, и наоборот.

Пространственное мышление развивает логическое мышление, пространственное представление, которое приобретается не сразу, а вырабатывается в процессе основательного изучения теоретического материала, самостоятельного решения задач и анализа уже решенных задач, при этом необходимо все построения мысленно представлять в пространстве.

Начиная преподавание конструкции сельскохозяйственных машин в вузе необходимо помнить и знать о тех целях, к которым нужно стремиться в привитии согласно требований ГОСов современных компетенций [2]:

Цели при преподавании дисциплин, изучающих конструкцию сельскохозяйственных машин

Адаптационная – обеспечивает максимальную психологическую разгрузку студентов и слушателей при переходе из ВУЗа к профессиональной деятельности и опирающуюся на идеологию непрерывного образования, в том числе послевузовского. В процессе обучения студенты изучают материал, исключенный в программах для общеобразовательных школ, но необходимый будущему техническому специалисту; систематизируют и углубляют знания, получаемые в общеобразовательных учреждениях, а также приобретают навыки правильного понимания пространственных схем и механизмов, работы с учебной и справочной литературой;

Развивающая – эти дисциплины развивают у студентов пространственное мышление, без которого немыслимо никакое инженерное творчество; тематический подбор пространственных чертежей и схем развивает логическое мышление, склонность к анализу и т.п. (общие методы решения задач способствуют усвоению алгоритмов, помогая решать сложные пространственные механические перемещения);

Воспитательная – формирующая самостоятельность в принятии технических решений и способность довести это решение до результата в конкретной конструкции;

Подготовительная – обеспечивает усвоение агротехнических знаний по изучаемым дисциплинам, готовит будущих инженеров к успешному применению полученных знаний в практической работе и к техническому творчеству – проектированию.

В процессе изучения достигаются и другие цели

- расширяется общетехнический и научный кругозор студентов,

- развиваются навыки технического логического мышления,

- внимательность,

- наблюдательность,

- аккуратность

- и другие качества, развитие которых является одной из задач обучения и воспитания в Высшей технической школе.

Не так давно образовательные учреждения Высшей школы осваивали компьютерные технологии, основанные на использовании простейших контролирующих, обучающих и расчетно-графических программ, сегодня же они активно применяют в обучении и мультимедийные технологии. Эти технологии, несущие с собой новые комплексные способы представления, структурирования, хранения, передачи и обработки образовательной информации, позволяют перейти к более эффективным формам организации учебной деятельности студентов и могут сыграть большую, а может, и определяющую роль в изменении господствующих сегодня педагогических технологий.

Ведущая концептуальность педагогической идеи заключается в том, что использование интерактивного пространственного мультимедийного плаката как мультимедийного образовательного ресурса, который позволяет, с одной стороны, наглядно демонстрировать студенту процесс формирования ключевых понятий, как при индивидуальной, так и при коллективной работе, а с другой стороны, позволяет ему самому активно участвовать в этом генезисе.

Актуальность, социальная значимость проблемы состоит в том, что сознавая, что в обозримом будущем основой занятий в Высшей школе по-прежнему остается аудиторное занятие, необходимо рассматривать перспективы повышения эффективности этой системы с оснащением аудиторий дидактическими и мультимедийными системами обучения, с совершенствованием типов педагогических занятий и их модулей. Мультимедийные технологии, как ничто другое, позволяют интегрировать эти два направления методических поисков. Учреждения Высшей школы интенсивно оснащаются достаточно мощной компьютерной техникой, что создает реальную перспективу увеличения интенсивности использования мультимедийных образовательных возможностей. Таким образом, тема развития мультимедийных технологий еще долгое время будет оставаться актуальной.

Реальный процесс внедрения мультимедийных методик образования в традиционной Высшей школе носит сегодня, скорее, стихийный и спонтанный характер. Нередко новые информационные методики втискиваются в учебные технологии ради самого их использования. Применяемые компьютерные разработки зачастую создаются программистами, имеющими эмпирические (зачастую индивидуально специфические) представления о закономерностях и принципах методик обучения. Далеко не все, даже достаточно известные в широкой образовательной среде интернетные и мультимедийные разработки учебного назначения, соответствуют современному состоянию педагогической и методической науки. Практически во всех мультимедийных приложениях отсутствуют методические материалы по их использованию: пользователь вместе с продуктом в лучшем случае получает инструкцию, как этот продукт инсталлировать. Еще более сложной задачей является извлечение из целостной электронной разработки необходимого фрагмента и подготовка его к использованию на конкретном занятии.

Тактически более целесообразно дать преподавателю такие мультимедийные инструменты, которые он мог бы сам без значительных временных затрат встраивать в занятие, проводимый в условиях существующей аудиторной образовательной системы. В Высшей школе, назревает противоречие между объективной потребностью в использовании новых мультимедийных возможностей для организации образовательного процесса в рамках традиционной аудиторной системы и невозможностью применять для этого мультимедийные системы, предлагаемые разработчиками.

Мультимедийность неизмеримо расширяет возможности в организации и управлении учебной деятельности и тем самым позволяет практически реализовать огромный потенциал перспективных методических разработок, найденных в рамках традиционного обучения, которые оставались невостребованными или в силу определенных объективных причин не могли дать там должного эффекта.

Таким образом, возникают противоречия между стратегическими вопросами применения информационных технологий и мультимедийных систем в обучении и конкретными тактическими решениями по разработке и применению методических разработок. Разрешение перечисленных противоречий обусловило разработку темы использования интерактивного пространственного мультимедийного плаката как мультимедийной методики образовательного процесса.

Новизна опыта использования интерактивного пространственного мультимедийного плаката заключается в том, что пространственный мультимедийный интерактивный плакат – цифровой информационный ресурс нового типа, которое обеспечивает высокий уровень применения образовательных каналов управлении учебным процессом. В цифровых образовательных ресурсах этого типа информация предъявляется сразу в объемной форме с демонстрацией сложных механических систем и их функционированием. Информация преподносится в зависимости от управляющих воздействий пользователя. Пространственный мультимедийный интерактивный плакат как никакое другое средство позволяет варьировать уровень погружения в тему.

Новизна опыта использования пространственного мультимедийного интерактивного плаката заключается в комплексном подходе к применению мультимедийных систем образования при изучении некоторой относительно замкнутой темы программы. Например, при преподавании дисциплин, изучающих конструкцию сельскохозяйственных машин.

Рассмотрим обоснованность отбора методов и средств для решения проблемы эффективности занятия. Повышение эффективности современного урока, по нашему мнению, связано с повышением информационной плотности аудиторного занятия, что требует использования новых носителей учебного материала.

Исходя из этого, предполагается конкретная модель обучения, в которой информационные системы обучения и мультимедийные разработки органично интегрируются в традиционное аудиторное обучение. В основе этой модели лежит метод пространственного представления и специализированного тематического погружения, позволяющий обогатить традиционные формы, способы и приемы обучения за счет всестороннего применения мультимедийных систем. Именно такое, а не эпизодическое, использование цифровых технологий и мультимедийных систем позволяет студентам, продемонстрировать, что в руках инженера и научного специалиста компьютер становится одним из основных средством получения технического знания, что одновременно изменяет мотивацию индивидуально-личностного смысла учения студентов и слушателей. При использовании интерактивного пространственного мультимедийного плаката преподаватель перестает быть для студента неоспоримым передатчиком знаний, а становится сотрудником в изучении новых представлений о мире агротехники.

Расширяется возможность использования дополнительного цифрового технического средства в образовательных системах

Интерактивный пространственный мультимедийный плакат, выступая средством реализации прикладных методик, действительно может сыграть определенную роль в изменении доминирующих в Высшей школе педагогических приемов, так как несет с собой не только новые способы представления образовательной информации, но и позволяет перейти к более эффективным способам учебной деятельности студентов и формам ее организации.

Таким образом, интерактивный пространственный мультимедийный плакат как средство мультимедийного обучение может эффективно применяться в различных образовательных системах Высшей школы в полном спектре учебных курсов и дисциплин.

Предметом исследования является применение интерактивного пространственного мультимедийного плаката при изучении отдельной относительно замкнутой системы технической дисциплины путем погружения в мультимедийную среду обучения.

Цель исследования – возможность разработки интерактивных пространственных мультимедийных систем обучения в условиях применения стандартного базового пакета программного обеспечения для высших образовательных учреждений при организации тематического погружения на основе комплексного подхода к использованию мультимедийных разработок на базе комплекта Компас. АСКОН предоставляет самые широкие возможности для обучения и проведения научных исследований на основе мощных современных САПР. Учебные заведения получают профессиональное программное обеспечение на специальных льготных условиях. Имеется возможность получения САПР КОМПАС по университетской лицензии.

Гипотеза исследования заключается в следующем, что метод пространственного представления и специализированного тематического погружения на основе разностороннего применения цифровых устройств и компьютерных программ и трехмерных пространственных мультимедийных интерактивных плакатов учебного назначения позволит

- достичь студентами требуемого современного уровня знаний,

- снабжает преподавателя возможностью разносторонних методов обучения для студентов, имеющих склонность к исследовательской деятельности по техническим дисциплинам

- и повысить мотивацию отношения к процессу учения.

Для достижения поставленной цели и проверки выдвинутой гипотезы исследования в работе решаются следующие основные задачи:

1. Анализ психолого-педагогических концепций обучения и обоснование выбранных организационных форм, методов и приемов обучения на основе использования интерактивных трехмерных пространственных мультимедийных плакатов.

2. Разработка теоретических основ пространственного представления и специализированного тематического погружения на основе комплексного подхода к использованию мультимедийных технологий в обучении.

Интерактивный трехмерный пространственный мультимедийный плакат в первую очередь призван обеспечить высокий уровень наглядности учебного процесса.

Любые интерактивные плакаты для студентов должны создаваться с учетом не только предметной области, но и психо-физиологических особенностей. При этом следует учитывать доступность информации для прочтения, использование яркие и красивые текстуры, создавать простую и удобную навигацию.

В ходе разработки интерактивных трехмерных пространственных мультимедийных плакатов следует помнить, он должен реагировать на действия пользователя, предоставляя ему тот или другой фрагмент информации. Интерактивный трехмерный пространственный мультимедийный плакат можно реализовать в различных компьютерных средах, но наиболее приемлемой является система трехмерного моделирования КОМПАС-3D.

Существенным моментом являются программные критерии. На сегодняшний день ошибочно интерактивным плакатом часто называется обычная презентация, сохранённая в режиме демонстрации, но использующая стандартные средства настройки анимации, гиперссылки, и элементы мультимедиа. Основное отличие интерактивного плаката от презентации сводится к возможности нелинейного использования цифрового ресурса. Кроме того презентации лишь в малой степени соответствуют понятию интерактивности. Другим аспектом проблемы презентации является то, что различные формы работы пытаются реализовать на базе оного программного средства. А именно, в презентации реализуют и вопросы наглядного сопровождения процесса обучения и вопросы диагностического контроля знаний учеников. Результат – низкая педагогическая эффективность.

Поэтому в отличие от презентации, интерактивный трехмерный пространственный мультимедийный плакат должен удовлетворять следующим педагогическим и программным критериям:

- Тема плаката должна соответствовать календарно-тематическому плану, а также обязательно типу занятия (лекция, лабораторно-практическое занятие).

- Основу занятия должно составлять небольшое количество плакатов.

Первый – общая сборка для наглядности мультимедийных возможностей, позволяющих сопровождать изучение нового материала в соответствие с принципами интерактивности.

Второй и если необходимо третий плакат предназначены для размещения элементов более простого уровня (Например, отдельные узлы и детали из общей сборки – рама, навеска и т.д.).

Программные возможности плаката должны быть обусловлены в первую очередь дидактическими целями и задачами. По этому, с программно-педагогической точки зрения плакат должен реализовывать следующие возможности:

- наличие одного достаточно большого (основного) блока с которым работа проводится на протяжении всего изучения нового материала;

- наличие дополнительной наглядности, которая имеется в виде активных зон имеющих мультимедийные возможности, а так же возврат к исходному состоянию;

- наличие интерактивных инструментов, для выделения позволяющих отмечать различными цветами объекты интерактивного трехмерного пространственного мультимедийного плаката (подчёркивания, обведение, исправления, надписи);

- наличие областей, которые имеют возможность появляться и исчезать по команде.

- наличие элементов позволяющих автоматизировать действия.

Таким образом, можно сформулировать определение интерактивного трехмерного пространственного мультимедийного плаката:

Это педагогическое программное средство представления дидактического материала с помощью интерактивных элементов.

При этом среда разработки плаката может быть различной. Указанные возможности реализуются в презентации Power Point с помощью простейших команд VBA и элементарной работы с макросами.

Однако для таких пространственных разработок необходимо затратить большое количество временных и интеллектуальных ресурсов.

Возможно применение средства Microsoft Office (офисный пакет приложений, созданных корпорацией Microsoft для операционных систем Microsoft Windows) и другие программные средства типа новейшей версии учебного программного комплекса SolidWorks 2013-2014. Компания SolidWorks Russia начала поставок в учебные заведения новейшей версии учебного программного комплекса SolidWorks Education Edition 2013-2014. В соответствии с политикой обновлений версий SolidWorks для российских пользователей учебные заведения Российской Федерации могут совершить переход на SolidWorks Education Edition 2013/2014 с любой старой версии без дополнительных сборов. ВУЗы и школы могут выбрать одну из опций: получение обновлений в течение одного года или трех лет.

Так же нами рассматривалась возможность изучения конструкций сельскохозяйственных машин при помощи мультиедийных симуляторов. Например - Farming Simulator 2013 разработчиком которого является Giants Software(Германия), а издательством: Focus Home Interactive.

Однако на наш взгляд наиболее приемлемым инструментом является система трехмерного моделирования КОМПАС-3D

Интерактивный трехмерный пространственный мультимедийный плакат для изучения темы «Рабочий орган плуга» в модуле «Почвообработка» дисциплины «Сельскохозяйственные машины»

Система КОМПАС-3D предназначена для создания трехмерных ассоциативных моделей отдельных деталей и сборочных единиц, содержащих как оригинальные, так и стандартизованные конструктивные элементы. Параметрическая технология позволяет быстро получать модели типовых изделий на основе однажды спроектированного прототипа. Многочисленные сервисные функции облегчают решение вспомогательных задач проектирования и обслуживания производства

Так как приоритетным объектом все таки является информация, заключенная в мультимедийном средстве, то необходимо пристальнее рассмотреть ее психологический аспект.

Психологическую структуру информации можно представить в виде трехзвенной иерархии: знак - значение - смысл.

Роль знака заключается в том, чтобы репрезентировать, замещать какой-либо объект, выступая «подмененной» сущностью этого объекта для сознания. В наиболее общем виде знак можно определить как средство коммуникационного взаимодействия и мышления.

Основываясь на определениях понятия «система», под знаковой системой следует понимать организованное множество знаков с отношениями и связями между ними, образующее определенную целостность. Примеры знаковых систем: крепежный элемент, рабочий орган, служебный орган и т.д.

Согласно современным представлениям информация в центральной нервной системе оценивается по двум основным признакам: физическим свойствам сигналов и значимости содержащихся в них сообщений. Оба вида оценки связаны с деятельностью разных мозговых структур.

Идентификация объекта восприятия – это опознание стимула как данного. Опознание объекта предполагает формирование его перцептивного образа и сличение его с ранее сформированными и хранящимися в памяти «эталонными» (в памяти хранится не один эталонный, а некоторое организованное в систему множество образов).

Возможности человека при идентификации объекта довольно ограничены. Так, согласно данных ряда исследований при опознании разнообразных объектов число эталонных образов, с которыми сличается воспринимаемый, не превышает семи-восьми в случае наличия одного различительного признака. Эта величина соответствует объему оперативной памяти. Увеличение числа различных признаков увеличивает информационную емкость объекта. Поэтому при создании однотипных информационных объектов необходимо усиливать их многомерность.

Система КОМПАС-3D предназначена для создания трехмерных ассоциативных моделей позволяет не только иметь возможность изучения конструкций сельскохозяйственных машин, но и производить исследования на уровне студенческих научных работ для дисциплины «Сельскохозяйственные машины»

Моделирование изделий в КОМПАС-3D можно вести различными способами: "снизу вверх" (используя готовые компоненты), "сверху вниз" (проектируя компоненты в контексте конструкции), опираясь на компоновочный эскиз (например, кинематическую схему) либо смешанным способом. Такая идеология обеспечивает получение легко модифицируемых ассоциативных моделей.

В Уральском государственном аграрном университете на факультете транспортно-технологических машин и сервиса кафедра сельскохозяйственных машин под руководством заведующего кафедрой Зеленина А.Н. ведет активное внедрение в учебный процесс интерактивных трехмерных пространственных мультимедийных плакатов при преподавании курсов связанных с изучением конструкции и расчета сельскохозяйственных машин.

Преподаватель Огнев И.И., имеющий степень магистра, демонстрирует дополнительные возможности интерактивных трехмерных пространственных мультимедийных плакатов.

Источники информации:

1. Брыкова Л.В. О прикладной направленности геометро-графического образования / Л.В.Брыкова // Сборник международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Губкин: Губкинский (филиал) ГОУВПО БГТУ, 2011.

2.Русинова Л. П. Развитие пространственного мышления у студентов в начале изучения курса "Начертательная геометрия" [Текст] / Л. П. Русинова // Молодой ученый. — 2012. — №3. — С. 391-394.

3. Шубртова, С. Об интеллектуальном развитии. Пространственное мышление и воображение / С. Шубртова, 2010 – Режим доступа: http://itsidea.ru/page/prostranstvennoe-myshlenie-i-voobrazhenie/

4. Артем Соловейчик. Школа Щетинина. Три дня в новом измерении педагогики // «Первое сентября». – 2000, № 28.

5. Зеленин А.Н., В.Б.Дроздов, Алиев И.О. Технология разработки мультимедийных плакатов для изучения дисциплины «Сельскохозяйственные машины» . – 2011 – Режим доступа: http://www.rusnauka.com/14_ENXXI_2012/Pedagogica/5_110135.doc.htm