Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ВИКОРИСТАННЯ ГРАФІЧНИХ МОДЕЛЕЙ В ОРГАНІЗАЦІЇ ОБЧИСЛЮВАЛЬНОГО ЕКСПЕРИМЕНТУ
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Херсонський державний університет
Інститут:
Не вказано
Факультет:
РТ
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2011
Тип роботи:
Магістерська робота
Предмет:
Інформатика та обчислювальна техніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ,
МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
ХЕРСОНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ФІЗИКИ, МАТЕМАТИКИ ТА ІНФОРМАТИКИ
ЗАТВЕРДЖУЮ
до захисту в ДЕК
ПЕРШИЙ ПРОРЕКТОР УНІВЕРСИТЕТУ
__________ професор О.В. Мішуков
ДУБОВИК МАКСИМ ОЛЕГОВИЧ
____________
ВИКОРИСТАННЯ ГРАФІЧНИХ МОДЕЛЕЙ В ОРГАНІЗАЦІЇ ОБЧИСЛЮВАЛЬНОГО ЕКСПЕРИМЕНТУ
8.080201 Інформатика
Випускна робота освітньо-кваліфікаційного рівня «Магістр»
ПОГОДЖЕНО
Декан факультету Науковий керівник
_________ доцент В.І. Кузьмич _____ проф. О.В. Співаковський
_________ 2011 р. ________ 2011 р.
Завідувач кафедри інформатики Рецензент
________ проф. О.В. Співаковський _________ доцент М.С. Львов ________ 2011 р. _________ 2011 р.
Херсон – 2011
ЗМІСТ
Вступ 4
Розділ 1. Графічне моделювання та його застосування 7
1.1. Визначення поняття «Графічне моделювання» 7
1.2. Функції графічних моделей 7
1.3. Застосування графічних моделей 8
1.4. Види графічного моделювання та їх застосування до відповідної задачі 10
1.4.1. Статичні графічні моделі 10
1.4.2. Динамічні графічні моделі 14
1.5. Моделювання як метод пізнання та навчання 16
1.6. Визначення поняття «Обчислювальний експеримент» 26
1.7. Основні етапи обчислювального експерименту 29
1.8. Сфери застосування обчислювального експерименту 31
Розділ 2. Застосування графічних моделей в організації обчислювального експерименту 34
2.1. Приклади застосування графічних моделей в організації обчислювального експерименту 34
2.2. Застосування графічного моделювання в проекті «WEBОАП» 42
2.2.1. Проект «WEBОАП» 42
2.2.2. Технології, використані під час розробки 45
2.2.3. Вибір технології розробки додатка 45
2.2.4. MonoDevelop 48
2.2.5. Apache Subversion 53
2.2.6. Expression Blend та XAML 57
2.2.7. Використання середовища WEBОАП 58
Висновки 60
Список використаних джерел 62
ВСТУП
У наш час інформатизація сфери освіти підіймається на якісно новий рівень: вирішується завдання масового використання комп’ютерних технологій у загальній і професійній освіті. За таких умов необхідно чітко уявляти роль інформаційних комп’ютерних технологій в освітньому процесі [1]. Інформатизація освіти – це процес зміни змісту, методів і організаційних форм навчання в умовах становлення школи, яка вирішує завдання підготовки молоді до життя в умовах інформаційного суспільства [2].
Однією з головних цілей інформатизації є підвищення якості освіти, створення умов для поетапного переходу до нового рівня освіти на основі інформаційних технологій, доступ учнів і викладачів до високоякісних локальних та мережевих освітніх інформаційних ресурсів, в тому числі до системи сучасних електронних навчальних матеріалів з основних предметів, що вивчаються.
Інформатизація призводить ще до одного беззаперечного факту – потреби у наочній візуалізації процесів та явищ, що вивчаються. Стає очевидним, що графічне моделювання, як метод донесення інформації до слухачів, у нашому випадку – учнів та студентів ВНЗ, є дуже важливою складовою навчального процесу. Таким чином, разом із інформатизацією освіти з’являється потреба в якісному та зрозумілому звичайній людині поданні інформації [3].
Навчальний експеримент, як один з видів дослідження певного явища чи процесу, є водночас найцікавішою та найскладнішою частиною навчання. Тому застосування графічного моделювання саме в цій галузі навчального процесу, мабуть, і є найактуальнішим [4].
У зв’язку з активним розвитком дистанційних форм навчання, набуває все більшого значення дослідження комп’ютерних графічних моделей, як засобів для пом’якшення відсутності особистого спілкування учня з викладачем [5]. У дистанційному навчанні важливим засобом, що дозволяє найбільш повно передати інформацію людині, що навчається є комп’ютерні лекції на основі мультимедіа. З огляду на особливості дистанційного навчання, найбільш раціональним стає використання двовимірної анімації, зокрема, векторної анімації як найбільш компактної і яка надає широкі можливості по створенню автоматичної анімації.
Векторна графіка – це об’єкти, які визначаються математичними рівняннями, або векторами, які містять інформацію про розмір, форму, колір, кордони та їх місцезнаходження. Це ефектний спосіб поводження з графікою, в результаті якого виходять об’єкти відносно невеликих розмірів, навіть при роботі зі складними малюнками. Більш того, векторна графіка не залежить від дозволу екрану, при якому переглядається об’єкт [6]. Як інструмент для створення таких моделей можна використовувати Adobe Flash (раніше Macromedia Flash) або Silverlight [7].
Актуальність теми полягає саме в компактності та легкості роботи з такими об’єктами, як векторний малюнок [8], а також у наочності та зрозумілості матеріалу, що пропонується для розгляду аудиторії. До того ж, метод графічного моделювання є дуже важливою складовою навчального процесу студента спеціальності «Інформатика», адже він допомагає зрозуміти, що саме приховано за, на перший погляд, незрозумілими рядками програмного коду.
Об’єктом даної роботи є графічні засоби візуалізації алгоритмів.
Предметом дослідження даної роботи є модуль візуалізації інтегрованого дослідницького середовища. Це один зі складових компонентів загального проекту під назвою «WEBОАП».
Мета роботи – покращити функціонал модуля візуалізації алгоритмів програмування середовища WEBОАП, який би наочно відтворював послідовність дій алгоритму посилюючи ефективність навчання програмуванню.
Задачі, поставлені для досягнення поставленої мети:
аналіз літератури за темою;
аналіз інструментів для створення 2D анімації;
вивчення технології Silverlight;
реалізація компонент візуалізації алгоритмів для середовища WEBОАП за допомогою обраної технології.
Проект «WEBОАП» покликаний допомогти студентам початкових курсів зрозуміти суть алгоритмізації, оптимізації коду та підвищення ефективності алгоритмів. Це середовище наочної демонстрації алгоритму користувача або алгоритму з колекції системи. Проект складається з декількох компонентів, таких як: редактор коду, синтаксичний аналізатор-парсер вихідного коду, система оцінювання та аналізування ефективності алгоритму, електронний підручник та, авжеж, візуалізатор алгоритмів.
Робоча система буде виконана у вигляді web та desktop додатка та незалежною від платформи комп’ютера (кросплатформеність передбачає такі операційні системи як: Microsoft Windows, Mac OS та GNU/Linux системи). Під час розгляду технологій програмування, зважаючи на те, що технологія Silverlight є потужною, гнучкою та простою в використанні технологією, було вирішено писати проект, використовуючи саме цю технологію, яка є кросплатформеною та дає можливість створювати як web, так і desktop додатки.
Структура роботи. Робота складається зі вступу, двох розділів, висновків та списку використаних джерел.
ГРАФІЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ЙОГО ЗАСТОСУВАННЯ
Доведено, що розум людини легше та ефективніше сприймає інформацію, яка представлена в зоровому, графічному та об’ємному вигляді. Адже, майже 90% інформації про оточуюче нас середовище люди отримують за допомогою органів зору.
Жодні якісні музикальні програвачі ніколи не стануть конкурентами графіці в розумінні ефективного сприйняття інформації. Усі знають таку приказку: «Краще один раз побачити, ніж сто раз почути». Тому багато людей, купуючи собі новий комп’ютер не економлять і не жалкують грошей на купівлю хорошого монітора.
Визначення поняття «Графічне моделювання»
Моделювання – непрямий метод дослідження об’єктів на їх моделях, що застосовуються в тих випадках, коли безпосереднє вивчення самих об’єктів неможливе, складне або недоцільне.
Графічне моделювання – метод дослідження об’єктів, явищ, властивостей, який використовує графіку (одновимірну або багатовимірну) для здійснення їх опису. Графічне моделювання використовує графічні об’єкти – прототипи реальних, але такі, які є лише наближеними до дійсних [9]. Цей метод пізнання дає можливість вивчати явища природи або інші об’єкти, які існують лише у єдиному екземплярі, без нанесення шкоди або втручання у реальний процес. Таким чином, у більшості випадків, графічне моделювання є безпечним відтворенням можливих впливів на реально існуючі явища: вибух атомної бомби, глобальні катаклізми, посилена активність Сонця та таке інше [10].
Функції графічних моделей
Графічне моделювання глибоко проникає в теоретичне мислення. Більш того, розвиток будь-якої науки в цілому можна трактувати в вельми загальному, але цілком розумному сенсі, як «теоретичне моделювання». Важлива пізнавальна функція моделювання взагалі, полягає в тому, щоб служити імпульсом, джерелом нових теорій. Нерідко буває так, що теорія спочатку виникає у вигляді моделі, в тому числі графічної або комп’ютерної, що дає наближене, спрощене пояснення явища, і виступає як первинна робоча гіпотеза, яка може перерости в «попередню теорію» – попередницю розвиненою теорії. При цьому в процесі графічного моделювання виникають нові ідеї та форми експерименту, відбувається відкриття раніше невідомих фактів. Таке «переплетення» графічного, теоретичного та експериментального моделювання особливо характерне для розвитку фізичних теорій.
Графічне моделювання – це не тільки один із засобів відображення явищ і процесів реального світу у графічному вигляді, але й, незважаючи на його відносність, об’єктивний практичний критерій перевірки істинності наших знань. Застосовуючи в органічній єдності з іншими методами пізнання, графічне моделювання виступає як процес поглиблення пізнання, його руху від відносно збіднених моделей до моделей більш змістовних, повніше розкриває сутність досліджуваних явищ дійсності.
Застосування графічних моделей
Ось що пише у самоаналізі до уроку з математики Н.В. Чернишова: «Більшість дітей освоїли алгоритм розв’язання задач. Цього року майже всі задачі вирішуємо використовуючи графічні моделі. Діти із задоволенням прийняли це.»
Так, графічне моделювання, як метод пізнання та навчання використовують досить давно та активно. Це й мапи, й плакати, й стенди, й гербарії та таке інше. Насамперед це свідчить про ефективність, логічність та наочність цього методу [11].
Отже однією з галузей застосування графічного моделювання є навчальний процес з використанням наочних засобів демонстрації. По-друге, це всілякі фізичні, хімічні, географічні, економічні, біологічні, астрономічні та інші явища та процеси, які складно представити в іншому вигляді, які занадто масштабні (занадто малі) для дослідження або такі, безпосередня робота з якими може призвести до певної кризи або катаклізму [12].
Графічні моделі знайшли настільки широке застосування в побуті, у службових стосунках, у дипломатичних переговорах, що вже цілком зрозумілими стають методики, засновані на підміні текстових фрагментів малюнками. На рис. 1.1 показана спроба подання частини біографії вченого малюнком, у якому, як можна впевнитися, немає незрозумілих моментів.
Рис. 1.1. Біографія людини
У педагогічному процесі графічні моделі займали провідні позиції завжди. Ще за часів Піфагора й Архімеда відоме графічне представлення математичних рівнянь і функцій. Теорію графічного моделювання реального світу на основі аксіом геометрії розробив і вперше показав французький інженер Гаспар Монж, німецькі інженери пішли ще далі – вони запровадили перші стандарти на креслення штучних виробів, а Отто Мор запропонував деякі «діючі графічні моделі» процесів, описуваних математичними рівняннями. Взагалі, у навчальному процесі саме графічне представлення математичних функцій і рівнянь знайшло найбільше застосування в силу складності за математичними символами представити реальність, про що дуже чітко сказав великий математик ХХ століття Гілберт, довідавшись про відхід одного зі своїх учнів у поезію: «Я завжди знав, що в нього недостатньо уяви для математика!» На жаль, та наукова дисципліна, яка була родоначальницею застосування графічних моделей спочатку для спілкування, як засіб комунікації з «рівними», а потім і в навчальному процесі, зараз, у своїх сучасних розділах майже втратила практику застосування графічних моделей, що кардинально знизило ефективність її викладання й чисельність науковців-математиків. Тривогу на цей рахунок виражав ще в 1976 році на I з’їзді механіків СРСР академік Л. Сєдов [13].
Види графічного моделювання та їх застосування до відповідної задачі
Однією з ознак, за якою можна класифікувати графічні моделі є облік в моделі часового фактора (динаміки). За цією ознакою моделі можна розділити на статичні та динамічні за тим, як відображається в них динаміка процесів, що відбуваються.
Статичні графічні моделі
Статична графічна модель – це як би одномоментний зріз інформації по об’єкту. Наприклад, обстеження учнів в стоматологічній поліклініці дає картину стану їх ротової порожнини на даний момент часу: число молочних і постійних зубів, пломб, дефектів і т.п. [14].
Двовимірні графічні моделі
До статичних двовимірних графічних моделей відносять карти, знімки, плани, фото-мапи, ЕОМ-мапи, креслення, синтезовані зображення та ін.
Існує багато задач різних типів пропедевтичного характеру, що сприяють формуванню навичок зображення плоских фігур як елементів просторових. Серед них виділяються такі:
завдання на ідентифікацію різних зображень того ж плоского об’єкта, включеного до зображення реального просторового об’єкта (стільниці, бруска і т.д.);
завдання на пошук зображення з декількох даних для пред’явленого плоского об’єкта;
завдання на оцінювання форми і розмірів плоскої фігури;
завдання з використанням зображень перетину заданих плоских фігур [15].
Доречним буде навести приклад декількох завдань даної категорії.
Завдання 1. На поверхні стільниці, розбитою на рівні квадрати, зображені трикутники і чотирикутники. Знайдіть рівнобедрені і прямокутні трикутники. Знайдіть чотирикутники, що мають дві паралельні протилежні сторони (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Завдання на пошук рівнобедрених, прямокутних трикутників і паралелограмів
Завдання 2. Серед фігур, розташованих у площині стільниці, знайти рівнобедрені трикутники, прямокутні рівнобедрені трикутники. Спробуйте обґрунтувати, які властивості рівнобедрених трикутників при зображенні в просторі зберігаються, а які ні (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Завдання на пошук рівнобедрених, прямокутних рівнобедрених трикутників
Трьохвимірні графічні моделі
Тривимірне моделювання (3D графіка) сьогодні застосовується в дуже багатьох сферах. Звичайно, у першу чергу, це будівництво. Це може бути модель майбутнього будинку, як приватного, так і багатоквартирного або ж офісного будинку, та й взагалі будь-якого промислового об’єкта. Крім того, візуалізація активно застосовується в дизайн-проектах інтер’єрів [16].
3D моделі дуже популярні в сайтобудівництві. Для створення особливого ефекту, деякі творці сайтів додають у дизайн не просто графічні елементи, а тривимірні моделі, іноді навіть і анімовані. Програми й технології тривимірного моделювання широко застосовуються й у виробництві, наприклад, у виробництві корпусних меблів, і в будівництві, наприклад, для створення фото реалістичного дизайн-проекту майбутнього приміщення. Багато конструкторів уже давно перейшли від використання лінійки й олівця до сучасних тривимірних комп’ютерних програм. Поступово нові технології освоюють і інші компанії, насамперед, виробничі та торгівельні [17].
Звичайно, в основному, тривимірні моделі використовуються в демонстраційних цілях. Вони незамінні для презентацій, виставок, а також використовуються в роботі з клієнтами, коли необхідно наочно показати, яким буде підсумковий результат. Крім того, методи тривимірного моделювання потрібні там, де потрібно показати в об’ємі вже готові об’єкти або ті об’єкти, які існували колись давно. Тривимірне моделювання це не тільки майбутнє, але й минуле й сьогодення.
Переваг у тривимірного моделювання перед іншими способами візуалізації досить багато. Тривимірне моделювання дає дуже точну модель, максимально наближену до реальності. Сучасні програми допомагають досягти високої деталізації. При цьому значно збільшується наочність проекту. Виразити тривимірний об’єкт у двомірній площині не просто, тоді як 3D візуалізація дає можливість ретельно проробити, й що найголовніше, переглянути всі деталі. Це більш природний спосіб візуалізації [18].
У тривимірну модель дуже легко вносити практично будь-які зміни. Ви можете змінювати проект, видаляти одні деталі й додавати інші. Ваша фантазія практично ні в чому не обмежена, і ви зможете швидко вибрати саме той варіант, який підійде вам щонайкраще.
Однак тривимірне моделювання зручне не тільки для клієнта. Професійні програми дають безліч переваг і виготовлювачу. Із тривимірної моделі легко можна виділити креслення яких-небудь компонентів або конструкції цілком. Незважаючи на те, що створення тривимірної моделі досить трудомісткий процес, працювати з ним надалі набагато простіше й зручніше ніж із традиційними кресленнями. У результаті значно скорочуються тимчасові витрати на проектування, знижуються витрати [19].
Спеціальні програми дають можливість інтеграції з будь-яким іншим професійним програмним забезпеченням, наприклад, з додатками для інженерних розрахунків, програмами для верстатів або бухгалтерськими програмами. Впровадження подібних рішень на виробництві дає істотну економію ресурсів, значно розширює можливості підприємства, спрощує роботу й підвищує її якість [20].
Динамічні графічні моделі
Статичні графічні моделі є дуже важливою складовою частиною навчального процесу, але серед багатьох переваг цієї техніки є й недоліки. Наприклад, фото-мапа, знята вчора, сьогодні вже не є актуальною. Карта, намальована деякий час назад вже не є правдивою, тому що за цей час у структурі досліджуваного об’єкту могли змінитися покажчики, отже ми можемо описати графічно лише один стан об’єкту, хоча він може змінюватися [21].
Динамічні графічні моделі можуть вирішити цю проблему. Вони змінюють свій стан одночасно або майже одночасно зі зміною стану досліджуваного об’єкту. Таким чином, у кожний довільний момент часу графічна модель буде представляти достовірний образ реального явища або процесу.
Трьохвимірні графічні моделі
Основним джерелом трьохвимірної динамічної інформації, мабуть, є відео. Вже не для кого не є чимось надзвичайним екран телевізора, монітор комп’ютера або, навіть, дисплей мобільного пристрою. Але все це є засобом передачі динамічної трьохвимірної графіки [22].
Одним з головних достоїнств відеофільму є сила враження й емоційного впливу на учнів. Тому головна увага повинна бути спрямована на формування учнями особистісного ставлення до побаченого. Успішне досягнення такої мети можливе лише, по-перше, при систематичному показі відеофільмів, а по-друге, при методично організованій демонстрації.
Слід зазначити, що застосування на уроці відеофільму – це не тільки використання ще одного джерела інформації.
Використання відеофільму сприяє розвитку різних сторін психічної діяльності учнів і, насамперед, уваги й пам’яті. Під час перегляду в класі виникає атмосфера спільної пізнавальної діяльності. У цих умовах навіть неуважний учень стає уважним. Для того щоб зрозуміти зміст фільму, учням необхідно прикласти певні зусилля. Так мимовільна увага переходить у довільну. А інтенсивність уваги впливає на процес запам’ятовування. Використання різних каналів надходження інформації (слуховий, зоровий, моторне сприйняття) позитивно впливає на міцність запам’ятовування навчального матеріалу [23].
Таким чином, психологічні особливості впливу навчальних відеофільмів на учнів (здатність управляти увагою кожного учня й групової аудиторії, впливати на об’єм довгочасної пам’яті й збільшувати міцність запам’ятовування, впливати на учнів і підвищувати мотивацію навчання) сприяють інтенсифікації навчального процесу й створюють сприятливі умови для запам’ятовування навчального матеріалу [24].
Чотиривимірні графічні моделі
До чотиривимірних графічних моделей слід віднести 4D кіно та голографію. 4D кіно – маркетинговий термін, що описує комбінацію 3D кіно й фізичних ефектів, синхронізованих з фільмом. Глядачі можуть відчувати рух і вібрацію крісел, вітер, дим, бризи води або запахи.
Голографія – набір технологій для точного запису, відтворення і переформатування хвильових полів. Це – спосіб одержання об’ємних зображень предметів на фотопластинці (голограмі) за допомогою когерентного випромінювання лазера. Голограма фіксує не саме зображення предмета, а структуру відбитої від нього світлової хвилі (її амплітуду та фазу). Для отримання голограми необхідно, щоб на фотографічну пластинку одночасно потрапили два когерентних світлових пучки: предметний, відбитий від об’єкта та опорний – що приходить безпосередньо від лазера. Світло обох пучків інтерферує, створюючи на пластинці чергування дуже вузьких темних і світлих смуг – інтерференційну картину. На рис. 1.5 можна побачити один з прикладів використання голограм – візуальне відтворення майбутньої моделі автомобіля.
Рис. 1.4. Голограма – приклад застосування 4D графіки
В наш час такий пізнавальний метод не є дуже поширеним у зв’язку з його складністю та дорогим обладнанням, але такий метод наукового та навчального пізнання теж має право існувати.
Моделювання як метод пізнання та навчання
Моделювання у філософській і психологічній літературі розглядається по-різному. У гранично загальному вигляді сучасне трактування поняття «моделювання» зводиться до визначення його як методу пізнання, при якому досліджується штучна система – модель. Так, І.Б. Новік під моделюванням розуміє метод опосередкованого практичного або теоретичного оперування об’єктом з використанням допоміжної проміжної моделі, яка здатна заміщати його в певних межах і давати при її вивченні інформацію про сам об’єкт, що моделюється. На думку А.І. Уємова, модель – це система, дослідження якої служить засобом для одержання нової інформації про іншу систему. За визначенням В.А. Штоффа, модель – «це система, що подумки представляється або матеріально реалізована, яка відображаючи або відтворюючи об’єкт дослідження, здатна заміщати його так, що її вивчення дає нам нову інформацію про цей об’єкт». У більшості психолого-дидактичних досліджень за основу береться філософське визначення моделі й моделювання, тому що по своїм суттєвим характеристикам навчальне й наукове моделювання схожі. Досліджуючи нове поняття, вирішуючи завдання методом моделювання, школяр міркує як дослідник, і саме в цьому полягає найважливіше методологічне значення застосування моделювання в навчанні [25].
Однак навчальна діяльність школяра не тотожна дослідницькій діяльності вченого. Особливостями навчального пізнання пояснюються й особливості застосування моделювання в навчанні. У науці моделювання є засобом одержання об’єктивно нової інформації, тоді як у навчальному пізнанні за допомогою моделювання передається й виходить нова для учня, тобто суб’єктивно нова, інформація. Крім того, учні часто не усвідомлюють, що користуються саме методом моделювання, а в науці модельний характер завдань є зрозумілим кожному досліднику. Відрізняється й характер досліджуваних у навчальному й науковому пізнанні понять і явищ. Школярі повинні опанувати поняттями, які самі по собі вже є моделями (наприклад: число, функція, пряма). Щоб полегшити засвоєння останніх, вони застосовують спеціально створені для цього навчальні моделі, які специфічні в порівнянні з науковими моделями й застосовуються переважно в навчальному пізнанні.
Таким чином, відзначаючи в цілому певну аналогію між науковим і навчальним моделюванням, дослідники звертають увагу на специфічні риси, властиві навчальному моделюванню. У широкому смислі слова моделюванням можна вважати кожний з видів діяльності зі знаково-символічними засобами [26]. У вузькому смислі моделювання розглядають як компонент навчальної діяльності школяра, що означає його використання на рівні дії. Як показують результати досліджень, виконаних під керівництвом Н.Г. Салминої, моделювання може являти собою самостійну діяльність, отже, вимагає спеціального формування, має ставати об’єктом навчання. Стихійно повноцінний зміст діяльності моделювання не формується ні в дітей, ні в дорослих [27].
В.В. Давидов і Д.Б. Ельконін розглядають моделювання як навчальну дію, без якої неможливе повноцінне навчання. У рамках створеної ними теорії навчальної діяльності моделювання визнається як найважливіший етап при розв’язанні навчального завдання, оскільки саме моделювання виділеного суттєвого відношення в предметній, графічній або знаковій формі дозволяє перейти до дослідження цієї властивості в «чистому» вигляді [28].
У педагогіці й психології моделювання розглядається й з погляду мети навчання, виступаючи як той зміст, який повинен бути засвоєним школярами, як той метод пізнання, яким потрібно опанувати. Так, Л.М. Фрідман указує на необхідність знайомства учнів з модельним характером науки, з поняттями «модель» і «моделювання». Усвідомлення того, що властивості явищ осягаються саме за допомогою моделей, сприяє, на його думку, оволодінню моделюванням як методом наукового пізнання.
У дослідженнях Н.Г. Салминої моделювання трактується як вид знаково-символічної діяльності поряд із заміщенням, кодуванням і схематизацією. Н.Г. Салміна вважає, що саме моделювання є найбільш складним і розвиненим видом знаково-символічної діяльності. В «широкому» смислі кодування, схематизація й заміщення містяться в діяльності моделювання, але в «вузькому» смислі мають свої специфічні особливості, які визначаються завданням діяльності. Якщо сформульовано завдання розпізнавання реальності, то застосовується кодування й декодування. Якщо поставлено завдання відкриття нового, то – моделювання. Якщо необхідний аналіз реальності із застосуванням схем, то вживається схематизація [26].
Багато дослідників розглядають моделювання як активний метод навчання. Так, дослідження А.В. Бєлошистої присвячені формуванню геометричних представлень засобами моделювання.
У публікації М.А. Урбан представлена методика використання моделей при вивченні прийомів усних обчислень для обґрунтування їх теоретичних основ – так званих правил (правила додавання числа до суми й суми до числа, правила віднімання числа з суми й суми з числа) [29].
Отже, під моделюванням розуміють як метод дослідження об’єктів на їхніх моделях, так і сам процес побудови й вивчення моделей. При цьому моделювання в навчанні має два аспекти – моделювання як зміст, який учні повинні засвоїти і як засіб, без якого неможливе навчання. Суттю моделювання як методу навчання є здійснення вчителями й учнями окремих етапів навчального пізнання в діяльності моделювання з активним і цілеспрямованим використанням моделей [30].
В.В. Давидов і А.У. Варданян відзначають наступні особливості навчальних моделей:
навчальні моделі мають знаковий і образний характер;
навчальні моделі оперативні, тобто містять певні елементи (риски, квадратики, стрілки), які вказують на спосіб роботи з матеріалом;
вони евристичні, тобто робота з ними дозволяє одержати нове знання, яке важко набути при дослідженні реального об’єкта.
Л.М. Фрідман, порівнюючи навчальні й наукові моделі, відзначає, що:
навчальні моделі найчастіше спеціально сконструйовані для розв’язанню навчальних завдань;
навчальні моделі, як правило, знакові, при їхній побудові використовуються спеціальні позначення й символи, що не збігаються із загальноприйнятим алфавітом наукових позначень;
навчальні моделі, на відміну від наукових, повинні не тільки відповідати прототипу й цілям дослідження, але й бути зовні наочними, доступними й простими для побудови і оперування в процесі навчання;
навчальні моделі є лише засобом засвоєння досліджуваних об’єктів, тоді як наукові моделі самі є об’єктами навчального пізнання (незалежно від прототипу) і повинні бути засвоєні учнями як основний елемент змісту навчання [31].
Навчальні моделі виконують у процесі навчання різні функції залежно від мети й місця застосування моделі в навчальній діяльності. Виділяються наступні функції моделей у навчальній діяльності школярів. По-перше, функція моделі полягає у фіксації виділених поза чуттєвих відношень між реальними об’єктами світу й діями із цими об’єктами. По-друге, модель виступає як засіб для постановки нових навчальних завдань, для освоєння «усередині» побудованих понять (загального способу дій) і для виділення невідомого, що вимагає вивчення. По-третє, модель справляє «зворотний вплив» на реальність, виконуючи керуючу функцію. Виділяють також такі функції моделі, як ілюстративна, евристична, виховуюча, інтегративна, узагальнююча та ін. [32].
Л.М. Фрідман виділяє наступні функції моделей у навчанні:
вивчення наукових моделей;
побудова й вивчення моделей понять, для яких у відповідних науках немає моделей або вони незручні для школи;
побудова моделі орієнтовної основи дії (алгоритм виконання даної дії, формула);
використання моделі (часто однієї й тієї ж) і як засобу узагальнення знань, і як засобу дослідження досліджуваного поняття, і як засобу планування роботи з вивчення поняття;
моделювання для кращого запам’ятовування матеріалу, у якому можна виділити логічне й мнемонічне упорядковування.
Основною функцією навчальних моделей, на думку Н.Г. Салминої, є функція одержання нових знань при оперуванні моделями, яка реалізується за допомогою зазначених нижче конкретних функцій:
функція побудови так званої «ідеалізованої предметності» – особливої реальності, у якій виражені й відтворені істотні риси досліджуваного явища, що створює додаткову можливість їх дослідження;
функція абстрагування властивостей, що є предметом вивчення, їх фіксація в моделі, що дозволяє досліджувати властивості в чистому, відділеному від несуттєвих рис вигляді. Саме завдяки цій функції модель є дуже ефективним засобом навчання, що прискорюють засвоєння знань [33].
По-різному підходять дослідники й до проблеми класифікації навчальних моделей. Підставою більшості наявних класифікацій навчальних моделей є спосіб відтворення реальних об’єктів, тобто ознака форми.
Класифікація ж моделей за змістом, тобто за характером тих об’єктів, сторін реальності, які відтворюються в моделі, знаходиться, на думку В.А. Штоффа, у процесі становлення [34].
У загальному вигляді більшість класифікацій моделей за формою виділяють матеріальні (тобто існуючі реально) і ідеальні (тобто уявні) моделі. У виділенні підвидів цих двох груп моделей спостерігаються відмінності в підходах. Так, знаково-символічні записи, які в класифікації Л.М. Фрідмана, В.А. Штоффа належать до ідеальних моделей, у класифікації І.С. Якиманської належать до символічних моделей, а в класифікації Н.Г. Салминої – до буквено-цифрових.
За класифікацією Н.Г. Салминої всі моделі підрозділяються на дві групи:
моделі графічні, що відображають структуру досліджуваних об’єктів і відношень (макети, креслення, діаграми й т.п.);
моделі, у буквено-цифровому вигляді, що виражають математичні вирази, рівності, рівняння, формули й т.п.
Структура досліджуваного явища, зв’язки його елементів часто не видні школярам у вихідному емпіричному матеріалі. Досліджувана структура може не проглядатися дитиною й за записами, вираженими в буквено-цифровій формі. Цим викликається формалізм у навчанні: оперування знаннями, сприйнятими учнями, досить поверхове. Виявлення сутності досліджуваного матеріалу продуктивніше здійснюється при роботі із просторово-графічними моделями. Застосування графічних побудов у навчанні не завжди результативне з ряду причин:
немає чіткого, фіксованого алфавіту графічної мови;
його елементи не визначені й часто будуються довільно;
немає фіксованих правил з’єднання елементів між собою (синтаксису);
часто вони створюються в даному педагогічному контексті для певного, специфічного матеріалу;
немає загального принципу вибору графічних засобів (діаграми, креслення, ілюстрації, графіки) для конкретних ситуацій;
немає єдиних правил перетворення графічних моделей, при яких зберігався б інваріант;
крім того, оперування графічними моделями вимагає певного рівня розвитку просторового мислення.
Тому побудова й декодування графічних моделей без спеціального навчання може виявитися важким для учнів [35].
Просторово-графічні моделі, у свою чергу, підрозділяються на рухомі й нерухомі. Рухомі моделі являють собою символи (у вигляді геометричних фігур, паличок, смужок і т.п.), якими дитина може маніпулювати, тобто вільно «пересувати рукою»: наприклад, будувати моделі з паличок або кружків.
Нерухомі просторово-графічні моделі являють собою зображення символів (відрізків, геометричних фігур, стрілок і т.п.) на аркуші паперу.
Буквено-цифрові моделі мають фіксований алфавіт, правила поводження з алфавітом (синтаксис), правила переведення й оперування. Проте, у них свої труднощі, на які вказується в роботі:
потрібно тримати в розумі весь алфавіт, значення кожного символу, і з кожної новою темою цей алфавіт розширюється;
оперування буквено-цифровими моделями може привести до формалізму в придбанні нових знань або до нерозуміння суті зроблених перетворень [36].
Л.М. Фрідман виділяє наступні групи аналізуючих моделей (таких, які використовуються для розв’язання сюжетних (текстових) завдань:
Матеріальні або предметні моделі, побудовані або обрані з якихось матеріальних предметів і призначені або для відтворення в наочному виді сутності сюжету текстового завдання, або для побудови предметної моделі завдання, з яким можна шляхом маніпуляції цих предметів відтворити процес її розв’язку. У свою чергу матеріальні моделі діляться на статичні (нерухомі) і динамічні, що відтворюють у русі процес, розглянутий у завданні.
Знаково-символічні моделі, що представляють собою сконструйовані на якійсь мові моделі-уявлення про сутність сюжетного завдання або процес її розв’язання. Ці моделі, у свою чергу, діляться на наступні види:
іконічні (репрезентативні, представницькі), побудовані на основі наочних символів, що мають якусь зовнішню подібність із об’єктом, що моделюється;
знакові моделі, побудовані за допомогою якоїсь мови, відмінної від мови, на якій викладене саме сюжетне завдання [37];
ідеальні (уявні, розумові, уявлювані) моделі, створювані суб’єктом у своїй уяві у вигляді образа уявлення.
Долучення учня до моделювання означає оволодіння їм наступних дій:
попередній аналіз емпіричного матеріалу з метою виявлення суттєвих сторін, що підлягають дослідженню;
вибір моделі, адекватної даному емпіричному матеріалу й цілям дослідження;
представлення вихідного емпіричного матеріалу засобами обраної моделі (переведення словесної інформації в модель);
перетворення отриманої моделі й представлення її засобами іншої мови з метою даного дослідження;
співвіднесення підсумкової моделі з вихідним емпіричним матеріалом (співвіднесення результатів, отриманих на моделі, з реальністю).
Навчальна діяльність школяра не завжди дозволяє здійснити всі перераховані дії. Так, вибір моделі (друга дія) найчастіше є прерогативою вчителя або визначається специфікою матеріалу, перетворення моделі (четверта дія) іноді не виконується через очевидність розв’язку з опорою на дану модель, співвіднесення підсумкової моделі з вихідним матеріалом (п’ята дія) часом ігнорується вчителем з метою економії часу уроку [38].
Розглянемо характеристику моделюючих дій, взявши за основу чотири із представлених дій:
попередній аналіз матеріалу;
переведення словесної інформації в модель;
перетворення моделі;
співвіднесення результатів з реальністю (текстом).
Метою дії аналізу є виявлення загального змісту тексту, що описує реальність, яку потрібно представити у вигляді моделі, виділення в ньому значеннєвих частин, переформулювання їх таким чином, щоб став можливий переклад на мову графічних засобів. Завдяки використанню графічних засобів для фіксації окремих величин (відомих і невідомих), аналіз приводить до виділення в завданні елементів, суттєвих для її розв’язку. У рамках діяльності моделювання аналіз є підготовчим етапом, але має більш широке значення в дії перетворення й співвіднесення результатів з реальністю. Метою дії переведення є представлення словесної інформації в графічній формі: виділення в завданні або тексті відрізків, зміст яких може бути формалізований або переданий мовою графіки й формул, і запис мовою графіки або формул виділеної інформації [39].
Іноді виконання дії переведення й побудови моделі стає достатнім засобом розв’язку завдання. Однак у більшості випадків, щоб перетворити модель у засіб розв’язку або аналізу, необхідно її перетворити, переструктурувати модель, доповнивши її відсутніми елементами. Учні після розв’язку завдання перевіряють свої відповіді для доказу того, що отримані результати задовольняють вимогам, умові завдання. Особливу роль при перевірці відповідей розв’язку завдання виконує моделювання, яке не стільки виявляє правильність відповіді, скільки співвіднесення даних, отриманих на моделі з дійсністю або її описом у тексті.
А.Ф. Фрідман виділяє наступні етапи, що характеризують процес пізнання за допомогою моделювання:
спочатку об’єкт пізнання вивчається звичайними безпосередніми способами;
для розв’язку виниклих на першому етапі пізнання завдань, не розв’язуваних безпосередньо, вибирається або будується модель розглянутого об’єкта, причому така, за допомогою якої можна було б розв’язати завдання, яке не могло бути вирішено на першому етапі;
вибравши або побудувавши модель оригіналу, роблять дослідження цієї моделі специфічними для неї методами. Завдання, що виникли на першому етапі пізнання, формулюють мовою моделі й, користуючись результатами її дослідження, знаходять розв’язок цих завдань;
розв’язки завдань, знайдені на попередньому етапі й сформульовані мовою моделі, переводять на мову оригіналу.
Таким чином, розглянуте питання наводить на висновок, що:
необхідність використання моделювання в навчальному процесі обумовлена тим, що сама по собі діяльність по побудові й застосуванню моделей не
14.06.2013 15:06-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора