ЭкологияОбразоватДеятельности / МатериалыПрактЗанятий / ЭкОбрДеят_Пр 16 / notv2009_book_1

Новые образовательные технологии в вузе – 2009

образовательных ресурсов, используемых в информационно-образовательной среде вуза, является единство технологических и дидактических требований, предъявляемых к ним. Без правильно построенных ЭОР невозможно проводить эффективное обучение на базе современных образовательных технологий - дистанционного образования, открытого образования. ЭОР должен иметь определенную структуру, позволяющую преподавателю и студенту быстро находить нужные электронные образовательные ресурсы в образовательной среде и правильно ими пользоваться. Для этого необходимо выполнить следующие условия:

1.ЭОР должен иметь метаописание, то есть информацию в электронном формате, аналогичную библиографическому описанию книг. Метаописание содержит ключевую информацию, позволяющую быстро найти нужный ЭОР в сетевом пространстве, предварительно оценить его полезность для обучения, просмотреть информацию, заложенную в ресурс и т.д. Метаописание ЭОР содержит информацию об авторе, краткое описание (аннотацию) ресурса, данные о назначении ресурса и еще много полезной информации.

2.ЭОР должен обладать грамотной внутренней структурой, что очень важно для обеспечения эффективной работы с ним: быстрого поиска нужной информации и эффективной навигации по ЭОР. В ЭОР должны быть организованы удобное оглавление, предметный указатель, необходимо также включить описание ключевых слов и т.д. Все это - элементы правильно организованного образовательного ресурса.

Электронные образовательные ресурсы являются одной из самых ценных составляющих образовательной информационной среды. Именно в образовательных ресурсах концентрируется содержание учебного процесса. Значение электронных ресурсов в учебном процессе существенно большее, чем у обычных бумажных пособий, поскольку новые образовательные технологии предполагают сокращение персональных контактов преподавателя и учащегося с увеличением доли самостоятельной подготовки. Поэтому электронные учебные материалы принимают на себя поддержку многих компонентов обучения, которые в стандартном учебном процессе обеспечиваются очным общением преподавателя и студента[1].

Каждый ресурс в образовательном процессе играет свою определенную роль. Часть из них посвящена последовательному изложению материала, некоторые ресурсы служат для оценки знаний учащихся, другие моделируют практические занятия и т.д.

Основная цель учебного материала, будь он в бумажной или электронной форме, остается неизменной: способствовать освоению новых знаний. Однако средства достижения этой цели у электронного учебного ресурса в значительной степени отличаются от средств бумажного варианта. Электронный ресурс позволяет реализовать такие дидактические схемы и формы представления материала, которые совершенно недоступны традиционным учебным пособиям. При этом успех электронного учебного

Секция 2

ресурса во многом зависит от того, насколько удачно удалось спроецировать методы и приемы обучения на информационные возможности компьютера. Только взвешенное и продуманное привлечение навигационных, мультимедийных и других средств, предоставляемых информационными технологиями, превращает учебный материал в электронном виде в эффективное средство обучения[3]. Моделирование процесса обучения в электронных образовательных средах является, по сути дела, моделированием взаимодействия преподавателя и студента. Работа с электронным ресурсом меняет стиль отношений, это взаимодействие на равных. При полноценном использовании электронных ресурсов ученик и преподаватель общаются и по электронной почте, и через Skype, а это уже область личных отношений.

Можно построить иерархию учебных ресурсов по степеням их соответствия традиционному процессу обучения: от примитивных тестовых программ типа «выбери ответ» до утонченных интеллектуальных систем. Правильный выбор уровня моделирования при реализации того или иного образовательного процесса является важным методологическим моментом, позволяющим обеспечить адекватность и эффективность использования ресурсов, а также оптимизировать соотношение цена/качество при их разработке[4]. Среди Электронных образовательные ресурсов можно выделить синхронное обучение, с использованием спутникового телевидения, аудио-видео конференции, где преподаватель и студенты могут общаться друг с другом, и асинхронное, т.е.как таковых аудиторных занятий не предполагается, студенты обучаются независимо в виртуальных группах и контакт осуществляется посредством компьютерных технологий. Преподаватель может передавать данные из сети Интернет, пользоваться ресурсами библиотеки, форумами, чатами.

Системы электронного обучения

COLTS-средство для создания Web-страниц для работы в аудитории. Преподаватель может вводить данные(например текст),редактировать его, преобразовывать в нужный формат и дальше уже с ним работать. Кроме этого можно создавать и лекционные материалы, и тесты,и викторины, экзаменационные материалы.

Creator-университеты, школы используют для создания курсов обучения в системе on-line, наряду с интерактивными методами :дискуссии, блоки новостей, видео и аудио конференции.

E-education – система, в которой очень много средств для создания целого курса лекционного материала в электронном формате, включая использование форумов, передача сообщений, графического материала, программ для создания тестов.

Madduck tecknologies – система создания персональных Web страничек, архивных файлов, разработка уроков и программы курса.

Virtual-U – система, позволяющая преподавателю спрашивать, получать и комментировать выполнение заданий, которые предоставляют студенты.

151

Новые образовательные технологии в вузе – 2009

Существуют различные виртуальные программы, которые позволяют компьютизировать систему обучения.

Tutor – очень удобная система, созданная на основе доступности, легкости использования, открытого доступа, адаптированности, устанавливается за несколько мин. функционально очень обширна.

Claroline – система обучения в форме сотрудничества, позволяет создавать курсы обучения посредством сети Интернет и Интернет ресурсов.

Cose – система, способствующая активному и совместному обучению, ориентированная на широкий круг обучающихся (традиционное, дистанционное),ориентированное на методы проблемного и когнитивного обучения.

Fedora – обеспечивает базу услуг, и может служить в качестве основы для многих видов информационных систем и управления базой данных.

Global Student Network – идеальная система, которая подходит для общеобразовательных, частных школ и учреждений для осуществления самых простых видов работ.

Mambo – система, которая может быть использована для создания простых Web-сайтов так и сложных прикладных программ.

Moodle – используется в 74 странах, переведен на 34 языка, разработано более 3,5тысячи сайтов.

OLAT – (система обучения в формате on-line)-разработана в Швейцарии,используестя примерно 25000студентов,переведена на 17 языков, является бесплатной.

Worldcircle – совместная система обучения для преподавателей и студентов, тех, кто создает, контролирует и осуществляет курсы обучения также в системе on-line.

Электронные образовательные ресурсы, разработанные на основе вышеперечисленных систем и программ позволяют:

разработка, внедрение,применение курса лекций, семинаров.

использование «доски объявлении», предоставляющей новую информацию в рамках курса

регистрация студентов и отслеживание их результатов, успехов, возможностей

предоставление основных учебных материалов в контексте курса лекций, семинаров, дополнительный материал (включающий Интернет источники),визуальный материал.

система тестирования (подсчет ведется автоматически)

экономия времени, отсутствие системы «Talk and chalk».

Моделирование и автоматизация учебного процесса через разработку электронных образовательных ресурсов сейчас только начинается. Необходимо время и значительные интеллектуальные, трудовые и финансовые инвестиции, чтобы эта область стабилизировалась, обогатилась достаточным количеством идей, опыта, дидактических и технологических достижений.

Секция 2

Электронные образовательные ресурсы играют ключевую роль в моделировании основных этапов учебного процесса в случае дистанционной, самостоятельной работы учащегося в рамках системы не только открытого, но и традиционного образования.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Абросимов А.Г.Развитие информационно-образовательной среды высшего учебного заведения на основе традиционных и телекоммуникационных технологий.- Автореф. дис…док. пед. наук.,

М.,2005.

2.Григорьев С.Г., Гриншкун В.В.Образовательные электронные издания.- М.ИСМО.2006.

3.Моисеев В.Б.Элементы информационно-образовательной среды высшего учебного заведения. Ульяновск:Изд-во Ул.ГТУ,2002.

4.Тихонов А.Н., Иванников А.Д., Гридина Е.Г., Куракина Н.И., Симонов А.В. Комплексный анализ системы федеральных образовательных порталов.// В сб. научн. статей “Интернет-порталы: содержание и технологии”, Вып.2/ ГНИИ ИТТ “Информика”, М.:Просвещение- 2004.С.192-227.

Иваницкий С.В., Дмитриевский В.А., Прахт В.А., Сарапулов Ф.Н.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В ИНДУКЦИОННОЙ ПЕЧИ С ВРАЩАЮЩИМСЯ РАСПЛАВОМ

[e-mail]

ГОУ ВПО "УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина"

г. Нижний Тагил

В работе рассматривается математическая модель течения жидкого металла в индукционной печи с вращающимся расплавом на основе метода конечных элементов. Движение поверхности металла моделируется методом уровней. Применимость этой модели в учебном процессе обусловлена высокой степенью её наглядности.

Simulator of liquid metal flow in induction furnace with rotary melt based on finite elements method is considered. Metal surface movement simulation is based on level set method. Teaching adaptability of the model is due to its high obviousness level.

Не секрет, что применение математических моделей технологических установок в качестве наглядных пособий в учебном процессе позволяет сформировать у студентов более глубокое понимание физических процессов, протекающих в этих установках, методов математического моделирования этих процессов, повысить наглядность изложения учебного материала и облегчить изучение конструкции технологических установок.

153

Новые образовательные технологии в вузе – 2009

Особенностью конструкции тигельной печи с вращающимся расплавом (ТИПсВР) является МГД-устройство, индуктор которого создаёт вращательное усилие. В результате электромагнитного воздействия жидкий металл вращается, и поверхность металла приобретает вогнутость (рис. 1а) [1]. Поэтому представляется актуальным создание модели самосогласованных электромагнитных и гидродинамических процессов, учитывающей движение во времени поверхностей раздела металла и шихты, шихты и воздуха. Авторы осознают, что эта модель является идеализацией, т.к. есть иные не учитываемые в ней процессы, например, химические и тепловые.

При движении границ объекта, сохраняющем его топологию, можно прибегнуть к преобразованию координат, зависящему от времени t, и отображающему границу в начальный момент времени на границу в момент времени t. Такой подход позволяет с высоким уровнем корректности учитывать разрывы физических свойств на границах сред. К сожалению, такой подход недостаточно нагляден и его применение ухудшает педагогические свойства модели.

Другой подход носит название метода уровней (level set method [2]). В этом подходе тем или другим способом задаются границы раздела сред, которые могут проходить сквозь конечные элементы, что позволяет для любой точки расчётной области задать физические свойства в зависимости от среды в этой точке. В демонстрационном примере из руководства к Comsol рассматривается всплывающий в жидкости пузырь газа [там же]. В этом примере границы раздела сред задаются изолиниями решения некоторого уравнения в частных производных. Как видно из этого примера метод уровней позволяет решать задачи с движущимися границами, даже если при этом движении меняется топология. Хочется также отметить наглядность, а значит и педагогическую ценность этого метода.

Недостатком метода уровней является некоторая некорректность на границах сред, и, как следствие, необходимость выбора довольно мелкого масштаба сетки конечных элементов. Однако, поскольку течение жидкости в ТИПсВР в высокой степени турбулентно, на сегодняшний день возможно создание лишь оценочных методик расчёта таких устройств, что оправдывает применение метода уровней.

Вариант математической модели, описывающей электромагнитные и гидродинамические процессы в ТИПсВР на основе метода уровней, создан в Matlab на основе функций Comsol 3.3. Расчётные области ТИПсВР сформированы с учётом аксиальной симметрии устройства и представлены на рис. 1б.

Секция 2

Ось симметрии

Область

Область зубцого-

расплавленного

МГД-устройство

пазового слоя

Расплавленный металл

металла

Области лобовых

Область воздуха

частей катушек

Рисунок 1. К моделированию ТИПсВР: а) схематическое изображение ТИПсВР; б) расчётные области модели ТИПсВР

1. Расчёт поля усилий, действующих на жидкий металл.

Магнитная проницаемость расплавленного металла близка к единице, что позволяет выразить по формуле Ампера объёмное усилие f, действующее на жидкий металл, через плотность тока j и магнитную индукцию B: f j B

и в действующих комплексных значениях:

f Re(J B) . Для расчёта J

и B

решается краевая

задача

в

слабой

формулировке, причём

функционал

Б.Г. Галёркина принят в виде [3]:

A

A

2

r

z

k2

A2

A2

z

r

S

z

r

rdrdz Jr Ar Jz Az rdrdz

2 0

r

2

2 r 0

2 z 0

где Ar и Az – радиальная и осевая физические составляющие векторного магнитного потенциала, азимутальная составляющая A принимается равной нулю; k – число периодов поля (пар полюсов); Jr и Jz радиальная и осевая физические составляющие плотности тока.

Магнитная проницаемость и плотность тока Jr для области зубцово-

пазового слоя вычисляются согласно известным правилам ортотропного моделирования [4]. В областях, соответствующих лобовым частям, Jr

линейно убывает в радиальном направлении от общей границы с индуктором и достигает нуля на краях лобовых частей.

Для области жидкого металла физические составляющие плотности тока вычисляются по формулам:

									k
Jr Er			,	Jz Ez			,	J i		,
	r								r
					z

где Er и Ez – радиальная и осевая физические составляющие

непотенциальной напряжённости электромагнитного поля, причём осевая составляющая E выбрана равной нулю; – скалярный потенциал.

Величины Er и Ez вычисляются по формулам:

E	i( k		/ r)A	A r A		z	Ar		Ar	,
r			r	r r	z	r	r r		z z

155

Новые образовательные технологии в вузе – 2009

E	i( k		/ r)A	A	r A		z	Az	Az .
z			z	r	z	z	z	r r	z z

Уравнение непрерывности div J 0 для области жидкого металла представляется добавлением в функционал Б.Г. Галёркина выражения:

Jr

Jz

k2

r

z

r

2

rdrdz .

Краевая

задача для

переменных A

,

A

и позволяет вычислить

r

z

объёмные усилия в области жидкого металла и напряжение на клеммах индуктора.

2. Расчёт поля скоростей в области жидкого металла Течение жидкого металла в ТИПсВР характеризуется числами

Рейнольдса Re=105 106 и более и имеет выраженный турбулентный характер.

Для оценочного моделирования движения жидкостей в ТИПсВР построен функционал, который приводит к уравнению непрерывности и к уравнению Навье-Стокса, в котором эквивалентная вязкость задаётся известной Прандтлевской формулой:

z

r

r 0.16l2 (

2S)3 / 3 p

r

r

drdz

r

z

F d

r

F

d

z

F

d

r

r

z

z

drdz ,

dt

dt

dt

где S

S 2

S 2 S 2

2(S 2

S 2 S 2

)

– скалярная мера скорости деформации,

rr

zz

r

z

zr

выраженная через физические составляющие тензора скорости деформации:

Srr

r , S

, Szz

z , S z

1

Sr

1

,

r

,

2

r

r

z

2 z

r

r

Szr

1

r

z

,

2

z

r

причем выражение

2S является аналогом модуля производной

;

l

d

r

z

2

d

r ,

r

r

r

r

,

r

z

dt

t

r

z

r

dt

t

r

z

r

d z

z r

z

z

z

– полные производные скоростей по времени; p –

dt

t

r

z

давление; Fr

,

Fz

, F

– физические составляющие объемных усилий, l –

расстояние до ближайшей стенки. r , , z – физические составляющие скоростей.

Для корректного моделирования резкого перепада скорости в тонком пристеночном слое толщиной , этот слой исключается из расчётной области, но ему сопоставляется функционал, выражающийся криволинейным интегралом первого рода:

Секция 2

	(	0.4		)2 1	r 3/ 2d ,
		30
				3
		ln
		k

где – модуль скорости, где k – средняя высота бугорка; l – расстояние до стенки * – динамическая скорость, d – элемент длины стенки.

3. Расчёт поверхности жидкого металла.

Пусть z(r,t) – функция, описывающая границу жидкого металла и шихты или шихты и воздуха в момент времени t. За время dt точка, находящаяся на поверхности жидкого металла в момент времени t t0 и

имеющая координаты ( r0 , z0 ), примет координаты ( r0 r dt , z0 z dt ):

z0 z dt z(r0 r dt,t dt) .

Отсюда:

z z r z .t r

Это соотношение позволяет описать движение поверхности раздела сред. Чтобы это уравнение можно было решить в Comsol в это уравнение необходимо добавить стабилизационный член:

z		z	a	z	a	ke					2 z ,
t				ke r r					r		r2

где ake – характерный размер конечных элементов, – число, равное 0.25.

4.Некоторые особенности предложенной реализации модели ТИПсВР

вComsol

Рассматриваемая модель реализована в среде Matlab 6.5 на основе функций Comsol 3.3.

В предложенной реализации функции z1(r,t) и z2(r,t), описывающие границы жидкого металла и шихты, а также шихты и воздуха, соответственно, задаются одномерными переменными на линии, представляющей дно ванны. Поскольку уравнения для этих функций содержат r и z на соответствующих границах сред, на линии,

представляющей дно ванны, задаются четыре самосогласованных переменных (extrusion coupling variables), равных r и z на границах сред.

Реализация в Comsol нелинейных моделей сопряжена с трудностью обеспечения сходимости итераций. Поэтому, чтобы сделать модель работоспособной, расчётный промежуток времени разбивается на несколько интервалов. Если решение уравнений на каком-то интервале времени оказывается неуспешным, то автоматически уменьшается шаг по времени и решение на этом интервале повторяется заново.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Коршунов Е.А., Тарасов А.Г., Бастриков В.Л., Сарапулов Ф.Н., Лисиенко В.Г., Буркин С.П., Третьяков В.С., Семчев В.А., Шароваров

157

Новые образовательные технологии в вузе – 2009

А.Е. Многофункциональный плавильный агрегат для процесса ПВЖФВ. //Труды всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий». Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006, 492 с.

2.Rising Bubble Modeled with the Level Set Method. //Руководство к Comsol 3.3.

3.Иваницкий С.В., Сарапулов Ф.Н.,. Дмитриевский В.А. К математическому моделированию электромагнитных процессов в тигельных индукционных печах с вращающимся расплавом. //Труды III Международной научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы». Екатеринбург: УГТУ-

УПИ, 2007, 348 с.

4.Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н. Линейные асинхронные двигатели. М.: Энергоатомиздат, 1991. 256 с.

Ижденева И.В.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНТЕКСТНОГО МЕТОДА ОБУЧЕНИЯ В ПРОЕКТИРОВАНИИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

[e-mail]

Новосибирский Госудасртвенный педагогический университет, Куйбышевский филиал г. Куйбышев

Встатье рассмотрены основы контекстного метода обучения и возможность его применения для преподавания математики и информатики студентам-психологам

In article bases of a contextual method of training and possibility of its application for teaching of mathematics and computer science to studentspsychologists are considered

Впоследнее время в связи с присоединением нашей страны к Болонскому процессу происходит смена образовательной парадигмы. Российское высшее образование становится все более ориентированным на реализацию компетентностного подхода. Основной задачей такого подхода к обучению является развитие и оценивание принципиально новых свойств личности – компетенции/компетентности обучающихся, выпускников вузов

ишкол, а не просто формирование знаний, умений и навыков с последующим контролем уровня их усвоения, являющимся традиционным измерителем качества образования.

Процесс образования можно назвать созданием искусственной модели реальной жизни и профессиональной деятельности. Профессиональное образование, особенно высшее, обладает определенной особенностью – овладение профессиональной деятельностью должно быть обеспечено в рамках качественно иной деятельности – учебной. Поэтому для достижения

Секция 2

максимальной эффективности обучения нужно стараться умело трансформировать учебную деятельность в профессиональную.

Как бы ни старались педагоги, но студенты в большей степени занимаются репродуктивной или частично репродуктивной деятельностью, тогда как в профессиональной деятельности от специалиста требуются самостоятельность, активность и инициатива. Характерным свойством большей части учебной информации является ее статичность, в трудовой же деятельности информация используется динамично во времени и пространстве; в обучении часто используется принцип индивидуализации, тогда как большинство профессиональных мероприятий совершается в совместной деятельности специалистов. На разрешение этих проблем в профессиональном образовании и направлено контекстное обучение.

Психолого-педагогическая концепция контекстного обучения была предложена профессором А.А.Вербицким [1, 2, 3] и продолжена в работах других исследователей.

«Такое обучение, в котором с помощью всей системы дидактических форм, методов и средств моделируется предметное и социальное содержание будущей профессиональной деятельности специалиста, а усвоение им абстрактных знаний как знаковых систем наложено на канву этой деятельности» А.А. Вербицкий называет знаково-контекстным, или просто контекстным обучением [1, с.32]. Автор утверждает, что в основе теории и технологий контекстного обучения лежат:

деятельностная теория учения, развитая в отечественной психологии;

теоретическое обобщение многообразного опыта использования, форм и методов «активного обучения»;

осознание студентом смыслообразующего влияния предметного и социального контекстов будущей профессиональной деятельности на процесс и результаты его учебной деятельности.

В современной психологической, педагогической литературе существует много определений понятия «контекст». А.А.Вербицкий [4] определяет его как систему внутренних и внешних условий жизни и деятельности человека, которая влияет на восприятие, понимание и преобразование им конкретной ситуации, придавая смысл и значение этой ситуации как целому и её компонентам.

Важнейшим психологическим фактором, на который опирается концепция контекстного обучения, заключается в том, что усвоенные при обучении знания, умения и навыки в профессиональной деятельности выступают не в качестве предмета, на который направлена активность студента, а в качестве средства решения деятельностных задач специалиста.

Ведущую роль в учебном процессе контекстного типа играет моделирование на языке знаковых средств предметного и профессионального содержания будущей профессиональной деятельности при постепенном переходе от абстрактных моделей, реализуемых в рамках одной учебной дисциплины, к конкретным межпредметным моделям, формирующим

159