Применение T-FLEX CAD для разработки электронных лабораторных работ по астрономии
В современных условиях одним из приоритетных направлений развития высшего профессионального образования является интеграция современных информационных технологий с образовательным процессом. Это касается не только традиционных форм высшего профессионального образования (очная, очнозаочная и пр.), но и новых форм обучения — дистанционного обучения (ДО).
Информатизация образования требует создания виртуальной среды, в которой можно было бы моделировать или воспроизводить все ранее освоенные человечеством формы и способы потребления и обработки информации***. К уникальным особенностям виртуальной информационной среды следует отнести мультимедийность, интеллектуальность, интерактивность, коммуникативность и возможность моделирования процессов и объектов. Для организации деятельности учащегося в виртуальной информационной среде разрабатываются различные виды учебнометодического обеспечения, в частности виртуальные лаборатории, электронные (виртуальные) конструкторы, интерактивные обучающие среды и т.д.
В данной статье рассматривается разработанный с применением современной САПРсистемы комплекс электронных лабораторных работ по астрономии — «Астролаборатория», предназначенный для школ и колледжей. В качестве современной САПРсистемы была выбрана система TFLEX CAD. Именно такой выбор был сделан неслучайно.
Система TFLEX CAD имеет уникальный функционал, позволяющий создавать конструкторскую документацию в соответствии с требованиями ЕСКД, трехмерные твердотельные и поверхностные модели, а также и прикладные программы для решения задач пользователя. Прикладные программы имеют стандартный для Windowsприложений интерфейс, могут быть интегрированы в среду TFLEX CAD и позволяют управлять трехмерной моделью.
Учитывая перечисленные особенности, система идеально подходит для разработки образовательных ресурсов, в частности электронных лабораторных работ по школьному практикуму «Астрономия» (свидетельство о государственной регистрации № 2010620442).
«Астролаборатория» представляет собой комплекс электронных лабораторных (практических) работ, предназначенных для проведения практических занятий по астрономии и астрофизике в школах, колледжах и вузах. Версия 1.0 комплекса «Астролаборатория» является базовым уровнем.
В основе обучения лежит сценарий о последовательном возникновении, развитии и систематизации мира в результате эволюции Вселенной. При знакомстве с основами астрономии и астрофизики основной упор делается на активную деятельность обучаемых, связанную с выполнением различных заданий. Благодаря этому обучаемые представляют Вселенную как сверхсложную систему, состоящую их множества подсистем.
а
б
Рис. 1. Параметрическая 3D-модель камеры-обскуры: а — схема выполнения виртуального опыта; б — камера-обскура: выполнение замеров
а
б
Рис. 2. Интерфейс типовой лабораторной работы: а — страница «Введение»; б — страница «Заход солнца»
Разработанный комплекс электронных лабораторных (практических) работ имеет три отличительные особенности:
- интерактивность — в режиме реального времени пользователь моделирует опыты по наблюдению за небесными телами, явлениями либо физическими эффектами, моделирует работу приборов и выполняет расчеты (рис. 1);
- дружественный и интуитивно понятный интерфейс каждой работы (рис. 2);
- классический подход к построению лабораторной работы: краткие основы теории, постановка задачи для лабораторной работы, алгоритм выполнения и применяемое оборудование, проведение экспериментов, обработка результатов, контрольные вопросы (рис. 3).
Рис. 3. Меню лабораторной работы: а — страница «Введение»; б — страница «Пример»; в — страница «Пятна»; г — страница «График 1»; д — страница «Спил»; е — страница «Таблица № 1»; ж — страница «График 2»; з — страница «Контрольные вопросы»
Рис. 4
а
б
Рис. 5. Параметрическая 3D-модель измерения толщины годового кольца: а — общий вид; б — спил дерева со схемой замера
Комплекс «Астролаборатория» включает в свой состав электронные лабораторные работы по следующим темам:
- наблюдение Солнца (рис. 4);
- солнечная активность (рис. 5);
- орбита Луны (рис. 6);
- орбита кометы Галлея (рис. 7);
- попятное движение Марса (рис. 8);
- эффект Доплера и вращение планет (рис. 9);
- вращение Сатурна и его колец (рис. 10).
Рис. 6. Параметрическая 3D-модель измерения диаметра Луны
Рис. 7. Параметрическая 3D-модель построения орбиты кометы Галлея
Рис. 8. Параметрическая 3D-модель построения траектории попятного движения Марса
а
б
Рис. 9. Отображение на 3D-модели: а — отраженного сигнала частотой 1,089 Гц; б — волн, соответствующих пикам мощности на графике
а
б
Рис. 10. Параметрическая 3D-модель, демонстрирующая замер линий спектра Сатурна и его колец: а — общий вид 3D-модели; б — разложение света в спектр для полоски в синей части спектра
Систематизация данных проведена в рамках каждой лабораторной работы. Структура каждой работы включает:
- краткие основы теории по теме работы, представленные в виде мультимедийного ролика;
- методику (последовательность) выполнения работы;
- инструментарий для проведения виртуального эксперимента: моделирование изучаемого астрономического или астрофизического явления, происходящего в Солнечной системе либо во Вселенной; изучаемого оборудования, применяемого для регистрации этого явления;
- инструментарий для обработки результатов виртуального эксперимента;
- средства контроля знаний, осуществляемого в форме тестов.
«Оживление» пользовательского интерфейса стало возможным за счет наличия в системе TFLEX CAD редактора макросов, редактора баз данных и редактора переменных.
Комплекс электронных лабораторных работ «Астролаборатория» позволяет решить следующие задачи:
- развитие абстрактного мышления;
- постановка практических (лабораторных) занятий;
- изучение конструкции и устройства оборудования, применяемого в лабораторных курсах;
- ознакомление с методиками проведения длительных опытов по наблюдению небесных тел.
Комплекс «Астролаборатория» не заменяет существующего материальнотехнического обеспечения учебного курса по астрономии, а является дополнительным методическим материалом, позволяющим повысить уровень усвоения учащимися школ и колледжей преподаваемого им материала.
Описанный в данной статье подход к построению электронных лабораторных работ ранее был опробован при разработке виртуального конструктора портативных станков для шлифования, фрезерования, сверления, разметки и гравировки (рис. 11).
а
б
Исходное положение маркера
Рисунок воспроизведен на 50%
Конечное положение маркера
Таким образом, TFLEX CAD является универсальной системой САПР, предназначенной как для подготовки производства, так и для применения в системе образования в качестве инструментария для разработки электронных образовательных ресурсов. Комплекс «Астролаборатория» является наглядным тому подтверждением. Текущая версия комплекса «Астролаборатория» адаптирована для школ и колледжей, в которых преподают курс астрономии.
* Оспенникова Е.В. Едидактика мультимедиа: проблемы и направления исследования // Вестник ПГТУ. Серия «ИКТ в образовании». 2005. Вып. 1. С. 1432.
