НИМ_Использование моделирования и графического сжатия
advertisement
Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов» Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный индустриальный университет ГОУ ВПО МГИУ Научно-информационный материал «Использование моделирования и графического сжатия информации для развития инженерного мышления» Состав научно-образовательного коллектива: Демин В.А., д.т.н., профессор Гришин М.П., к.т.н., доцент Москва 2010 г. Использование моделирования и графического сжатия информации для развития инженерного мышления Введение. В сентябре 2009 года в австрийском городе Грац состоялся 38й ежегодный симпозиум международного общества по инженерной педагогике IGIP. Симпозиум прошел под девизом «Качество и количество в инженерном образовании». Этот девиз отражает потребность Европейских стран в высокой эффективности инженерного образования – высокое качество подготовки инженера должно обеспечиваться при минимальном количестве трудозатрат. Работа Симпозиума-2009 осуществлялась в соответствии с замечательной традицией IGIP – представлять к обсуждению международного академического сообщества результаты, как новейших исследований в области инженерного образования, так и инновационной практики. В процессе обсуждений актуальных вопросов современного инженерно-технического образования серьезное внимание уделялось проблеме качества профессиональной подготовки. Требования к качеству профессиональной подготовки выпускников технических вузов становятся особенно высокими в период глобального экономического кризиса. Для преодоления его последствий в сфере современной индустрии необходим приток молодого поколения инженеров, способных к инновационному творчеству, обладающих высоким потенциалом профессионального становления и непрерывного развития в условиях интеграции образования с наукой и производством [1]. Актуальной задачей современного инженерно-технического образования является разработка и внедрение в учебный процесс инновационных педагогических технологий и методов обучения, направленных на приведение качества профессиональной подготовки будущих инженеров в соответствие с современными требованиями и гарантирующих выпускникам технических вузов сформированность систем личностных и профессиональных компетенций, обеспечивающих им востребованность на современном рынке интеллектуального труда [2]. Любой метод развития интеллекта студентов технических учебных заведений является эффективным только в том случае, если у них есть определенный начальный уровень наглядно-действенного, наглядно- образного и словесно-логического (понятийного) мышления. К числу факторов, влияющих на уровень мышления студентов технических вузов, относятся их психологические и социальные характеристики. Учет этих факторов при отборе и структурировании содержания учебного материала, а также при выборе адекватных целям обучения педагогических методов существенно влияет на качество профессиональной подготовки студентов по техническим дисциплинам [3]. Анализ квалификационных характеристик [4] инженеров, специализирующихся в сфере решения эксплуатационных проблем, позволил сделать следующий вывод. В первую очередь будущим инженерам необходимо усвоить «азбуку» профессиональной деятельности – глубокие знания технических и технологических дисциплин, актуализирующиеся при решении реальных технических задач и проблем. Именно техникотехнологические компетенции специалистов обеспечивают им эффективную работу в области эксплуатации сложных технических объектов и систем, а также в сферах выполнения инженерных проектов и управления ими. Моделирование технических объектов как учебное средство их изучения. В современных условиях проблема творческого восприятия учебного материала студентами, изучающими сложные технические системы и технологии, имеет высокую актуальность. В данной статье излагаются результаты выполненных авторами педагогических исследований активизации мышления студентов технических вузов, достигаемой за счет использования приемов мнемоники, графического сжатия информации и моделирования технических систем. Разработанные авторами настоящей статьи методики были успешно апробированы в течение десяти лет преподавания технических дисциплин. В вузах изучение конструкций сложных технических машин в большинстве случаев базируется на описательных методах преподавания, при этом в качестве «наглядных пособий», как правило, используются габаритные натуральные демонстрационные объекты, занимающие немалые площади учебных учреждений. Опыт многолетней преподавательской работы показал, что эффект усвоения учебного материала при таком методе его представления «оставляет желать лучшего». Результаты наших наблюдений подтвердили вывод Т.В. Кудрявцева о том, что наглядность конкретной ситуации восприятия и излишние подробности сложного технического объекта создают «мешающий фон», затрудняя процессы понимания сущности [5]. Кроме того, объяснение преподавателем принципа действия натурального объекта, представленного студентам «на обозрение», не способствует активизации их мышления. В работах В.С. Леднева, И.Я. Лернера, П.Ф. Кубрушко содержание образования рассматривается как система, в которую, помимо знаний, умений и навыков, включается на правах равноправных элементов совокупный опыт деятельности студентов и их эмоционально-чувственное отношение к действительности [6-8]. Тем самым авторами отмеченных работ констатируется наличие определенных связей, благодаря которым знания приобретают новые свойства по мере усвоения дополнительных элементов содержания образования. Принимая во внимание полноту знаний как интегральный критерий их качества, И.Я. Лернер показал, что знания студентов нельзя считать полноценными, если они усваиваются «в отрыве» хотя бы от одного из элементов системного содержания образования. Осознание этого обстоятельства мотивировало нас к проведению исследования, ориентированного на разработку такой методики изучения сложных технических объектов, которая позволила бы интегрировать все элементы усваиваемого содержания в целостную систему. Известно, что теоретическое мышление – это оперирование обобщенными субъективными представлениями (понятиями, абстрактными схемами, символами), сформированными в ранее приобретенном опыте. Установлено, что активность мышления студента, изучающего новый учебный материал, возникает при наличии предварительной подготовки, индивидуального интеллектуального опыта, мотивирующего развитие. Вместе с тем, В.А. Штоф отмечает, что образы недоступных для прямого наблюдения явлений можно конструировать (моделировать) из элементов чувственных образов, хранящихся в информационном «банке» собственного опыта; модели изучаемых процессов могут быть представлены в наглядной форме в виде рисунка, чертежа, схемы [9]. Следовательно, «мысленное» представление недоступных для прямого наблюдения явлений и процессов, в том числе, и осознание студентами принципов работы машин и механизмов, которые непосредственно не находятся в поле их зрения, вполне реально за счет активизации хранящихся в подсознании чувственных образов, сформированных в прошлом неосознанном опыте. Еще несколько веков назад И.Ф. Гербарт подчеркивал: «…Всякое новое представление осознается и истолковывается при условии его связи с родственными представлениями прошлого опыта». Любая техническая система является материально-предметной системой, которой присущи как системные характеристики (функция, функциональная структура, принципы и способы обеспечения функционирования отдельных подсистем), так и материально-предметные характеристики (масса, размеры, взаиморасположение частей и т.д.). Практически все технические объекты имеют описания, схемы, чертежи, графики и т.д., которые постоянно используются в образовательном процессе. Но, по утверждению А.М. Зальцмана, этого недостаточно для полного понимания сущности функционирования технического объекта и мотива деятельности человека при создании и эксплуатации объекта, т.к. «…центральным механизмом процесса, приводящего к пониманию, выступает динамический образ объекта как системы определенного назначения. В этом образе знания об объекте и мотивация деятельности неразделимы, т.к. достижение назначения совпадает с общей целью деятельности»[10]. Многие исследователи – А.М. Зальцман, В.В. Алехин, Д.А. Ошанин, Р.Н. Шербаков, В.А. Штофф, Л.М.Фридман (и др.) – отмечают большие возможности моделирования в познавательной деятельности. Результат моделирования – мысленная модель, способна сделать не только наглядными недоступные прямому наблюдению изучаемые явления, но и динамику в структуре, определяемую условиями существования модели во времени. Изучив работы многих исследователей, Р.Н. Щербаков пришел к выводу, что понимание – это умение сопоставлять данному явлению природы определенный наглядный образ с построением простой и очевидной концептуальной модели [11]. При помощи знаков можно воспроизвести в чувственно-доступной, наглядной форме известные отношения, свойственные объекту. Для этого используются правила изо- и гомоморфизма, с помощью которых можно выразить истинные отношения в виде знаковой системы, наглядно выражающей не доступные чувственному созерцанию отношения. Применение таких знаковых моделей закономерно особенно в тех науках, которые изучают предельно общие связи, отношения и структуры [12]. Модель представляет собой некий объект – заменитель реальности, который при определенных условиях сможет заменить собой объект – оригинал, воспроизводя интересующие нас свойства и характеристики оригинала, причем модель имеет существенные преимущества (наглядность, обозримость, доступность испытаний, легкость оперирования с ним и т.д.). Иначе говоря, модель – это некоторое упрощенное подобие реального объекта. При информационном моделировании можно замедлять или ускорять ход времени, сжимать или расширять пространство, выполнять действия, опасные, дорогостоящие или просто невозможные в реальном мире. Информационные модели являются мощным средством, которое расширяет возможности активного обучения. Моделирование как учебное средство может использоваться в обучении для многих целей: 1. для фиксации и наглядного представления ориентировочной основы действия (ООД). Модель ООД является незаменимым средством для поэтапного формирования умственных действий; 2. для фиксации и наглядного представления изучаемых абстрактных понятий. Осознание учащимся сущности изучаемых абстрактных понятий весьма облегчается, когда эти понятия представлены в виде графических или знаковых моделей, в которых отражены основные особенности этих понятий. Такие модели служат хорошим средством для организации познавательной деятельности учащихся; 3. для фиксации и наглядного представления общих действий по решению широкого класса задач. Очень важно, чтобы студенты владели общими способами решения разных задач. Во всех перечисленных выше целях моделирование используется не только как средство фиксации, но и как средство наглядности. Действительно, любая модель наглядна как для ее создателя, так и для тех, кто понимает ее, видит в ней моделируемый объект. Наглядность моделей объясняется следующим образом. Во-первых, они чувственно воспринимаемы: их можно видеть, во многих случаях – осязать и наблюдать в движении; во-вторых, субъект, конструирующий модель некоторого объекта, предварительно формирует в своем сознании его наглядный образ – мысленное представление реальности, и только затем он воплощает этот образ в некоторой материальной или идеальной (образной или знаковой) модели. Поэтому, работая с созданной моделью, он воспринимает ее как тот наглядный образ, который уже существовал в сознании до момента рождения модели. Любой человек, усвоивший сущность конкретной модели, ощущает себя как бы ее создателем, поэтому для него модель также приобретает свойства наглядности. Модель дает возможность создать наглядный образ какого-то объекта, но главное состоит в том, что модель воспроизводит образ наиболее существенных свойств этого объекта, абстрагируясь от остальных, несущественных в рассматриваемом случае свойств. Несущественные для исследователя характеристики объекта не мешают восприятию нужных и существенных свойств. Модели позволяют создавать у студентов наглядные образы таких объектов изучения, как абстрактные понятия и отношения, что обычными средствами предметной наглядности не достигается. Следует заметить, что при знаковом моделировании деятельность из внутреннего плана материальную, деятельность, предметом, с преобразуется легко успешно вызывает во осязаемыми направленная мотивацию к внешнюю, превращается результатами. на ее овладение Поэтому в сама определенным осуществлению, вызывает удовлетворение. Опыт работы со студентами разных курсов показал, что эмоциональное состояние учащегося в значительной степени определяет его умственную и физическую работоспособность. Наибольшая эффективность познавательного процесса достигается в эмоционально-нравственной среде, в доверительной атмосфере содружества. Формирование графодинамических образов технических объектов. Состав понятий, которыми оперирует мышление конкретных людей, определяется условиями их усвоения, условиями деятельности и жизни, особенностями культуры. Работая со студентами младших курсов в течение многих лет, мы установили, что системы осваиваемых ими технических понятий, как инструментов словесно-логического мышления, формируются постепенно. В процессе выполнения анализа сложных технических объектов студенты устанавливают, что сложный технический агрегат со всеми его удивительными конструктором элементов, функциональными оригинальная свойства которых возможностями комбинация познаваемы из – это отдельных на созданная технических чувственном уровне. Чувственно воспринимаемые свойства отдельных технических элементов могут быть обобщены и формализованы в виде наглядных абстрактных образных схем, – оперативных образов технических образов. В процессе выполненного исследования установлено, что наглядность непосредственно не наблюдаемых сложных технических объектов обеспечивается в том случае, если студенты поэтапно осознают свойства технических элементов, составляющих «технологическую линию» изучаемого объекта, и обобщают их в соответствующие оперативные образы. Этот экспериментально полученный результат стал основой для разработки методики формирования графодинамических образов технических систем и процессов [13-14]. Под технической системой мы подразумеваем любой технический объект, выполняющий определенную полезную функцию, имеющий источник энергии, устройство для трансформации энергии и рабочий орган. Студенты технических вузов изучают электрические, гидравлические, теплотехнические, механические и комбинированные технические системы, сочетающие подсистемы разных типов. Опыт нашей личной работы и наших коллег, использующих разработанную нами методику, убедительно доказал, что понимание сути функционирования технической системы, заложенной в памяти в виде динамического образа, повышает мотивацию к учебнопознавательной деятельности, формирует интерес к деятельности и потребность в самостоятельной творческой работе, что существенно влияет на формирование модуля компетентности будущего специалиста. Обучаясь по новой методике, студенты убедились в том, что при изучении технологий и принципов действия сложных технических систем (машин и аппаратов), а также закономерностей протекания физических явлений и т.д. удобно пользоваться знаково-символическим моделированием в инвариантных структурных таблицах (матрицах), используя приемы мнемоники и графического сжатия учебной информации. Следует подчеркнуть, «коллективного что формирования данный элемент графической моделирования модели» в организации познавательной деятельности специально введен нами, во-первых, для активизации деятельности, вводя эмоциональную окраску, во-вторых, в обсуждении появляется саморефлексия, корректирующая самопарадигму. Для того чтобы придать динамизм в статичной графической модели, применяем матрицирование, где условными обозначениями фиксируется в определенных ячейках (таблицы) каждый элемент действия, совершаемый устройствами функциональной системы. В результате процессы, происходящие в системе, фиксируются в замедленном режиме, удобном для восприятия, потому что предыдущим учебным взаимосогласованное свойства элементов системы действием, действие остается для логическая получения известны по увязка их, определенного функционального результата. В итоге таких управляющих воздействий создается графодинамический образ технической формирования которого представлена на рис.1. системы, схема Рис. 1. Схема формирования графодинамического образа изучаемого технического объекта Заключение. Резюмируя вышесказанное, можем прийти к следующему умозаключению: рассматривающий моделирование структурно – все это познавательный актуальные свойства процесс, объекта, участвующие в нем, протекающий в удобном при восприятии и фиксации их режиме, с выводом нового знания в виде сформированной образной модели. Графодинамический образ сложного технического устройства является «продуктом» усвоения учебной информации и одновременно служит основой развития мышления и практической деятельности студентов, определяет способ видения каждой конкретной ситуации и зону поиска решений и действий, способствует формированию важного модуля профессиональной компетентности будущих инженеров. Разработанная методика, учитывая уровень восприятия студентов первого года обучения, обеспечивает наглядность изучаемого системно- технического объекта не только в статике, но и в динамике. Методология познавательной деятельности, включающая методику формирования графодинамических образов технических объектов, ориентирует студентов к активной самостоятельной работе. Использование разработанной методики исключает необходимость приобретения габаритных и сложных дорогостоящих технических объектов, способствуя оптимизации материально-технической базы вузов. ЛИТЕРАТУРА 1. Сазонова З.С. интеграция образования, науки и производства как методологическое основание подготовки современного инженера.- М: МАДИ (ГТУ), 2007.-487с. 2. Сазонова З.С., Соловьев А.Н. Инженерное образование – приоритет глобального симпозиум по развития. инженерной (35-й педагогике Международный JGJP) // Высшее образование в России. – 2006. – №12 3. Мелецинек А. Инженерная педагогика. – М: МАДИ (ТУ), 1998. – 185с. 4. Государственный образовательный профессионального образования. Направление дипломированного специалиста 660300. Квалификация инженер. Москва, 2000. стандарт высшего подготовки Агроинженерия. 5. Кудрявцев Т.В. Психология технического мышления. М.: «Педагогика», 1975. – 303с. 6. Леднев В.С. Содержание образования: сущность, структура, перспективы. 2-е изд., перераб. – М.: Высш. шк., 1991. – 224с. 7. Леднев В.С., Кубрушко П.Ф. Методика профессионального обучения: производственное обучение: учебно-практическое пособие. – М.: TACIS, 2001. – 99 с. 8. Лернер И.Я. Дидактические основы методов обучения. – М: Педагогика, 1981.– 183 с. 9. Штофф В.А. Моделирование в философии. М. – Л., «Наука», 1966 – 301c. 10. Зальцман А.М. Психологические профессионально-технической условия формирования деятельности.// Вопросы психологии. № 2. – 1988. с. 105 – 112. 11. Щербаков Р.Н. Процесс обучения: от объяснения – к пониманию. // Педагогика. №5., 2007.- С.48-55. 12. Гастев Ю.А. Гомоморфизмы и модели. – М.: Наука, 1975. – 149с. 13. Иванов М.С., Сазонова З.С. Формирование графодинамических образов сложных сельскохозяйственных машин //Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Серия «Теория и методика профессионального образования». – 2009. – 5(36). – С. 133-138. 14. Иванов М.С. Опорно-знаковое моделирование при изучении принципа работы доильного аппарата «Волга». // Среднепрофессиональное образование. 2004 №9. С. 7-10.
