Экономические предпосылки обновления лабораторной базы школ и вузов на основе прорывных технологий
автоматизации учебного эксперимента
, ,
Орловский государственный технический университет, г. Орел
Результаты международных исследований показывают, что в последние годы в России возникли значительные проблемы с формированием естественнонаучной грамотности учащихся, понимаемой в наше время как способность использовать полученные знания в конкретных жизненных ситуациях и выделения в них задач, решения которых могут быть получены путем использования личного опыта и проведения собственных исследований. В значительной степени эти способности формируются на основе развития физических представлений об окружающем мире. Сокращение учебной нагрузки по общему курсу физики, отсутствие в большинстве школ и вузов учебных установок и демонстрационных моделей основных изучаемых явлений и процессов, современных приборов для измерения и регистрации различных физических величин делают эти проблемы фатальными. Альтернатива создавшемуся положению связана с распространением передовых технологий обучения, основанных на применении информационных технологий и более эффективным использованием уже имеющейся в школах и вузах вычислительной техники.
Это совершенно новое направление совершенствования образования, основой которого является коренная модернизация лабораторного оборудования образовательных учреждений с применением компьютерных технологий сбора и обработки данных. Использование специальных программ и недорогих устройств ввода - вывода данных позволяет превратить обыкновенный компьютер в мощную информационно-измерительную систему с метрологическими характеристиками мирового уровня, заменяющую десятки традиционных приборов, таких как цифровые мультиметры и частотомеры, анализаторы спектра шлейфовые и многолучевые электронные осциллографы, XY самописцы, индикаторы интенсивности (рис.1). При затратах порядка 50 тысяч рублей можно для каждой учебной или исследовательской лаборатории получить эквивалент приборного оборудования равный по стоимости 2,5 млн. руб.
Ответственным шагом здесь является выбор программной среды для обработки цифровых данных, поступающих в компьютер. Очевидно, что, прежде всего, он должен производиться с учетом возможности доступа пользователей к мировым информационным ресурсам. Только такой подход позволит вести работы с опережением, исключит дублирование и местечковый приоритет, повысит конкурентоспособность разработок. Большие перспективы здесь связаны с использованием среды графического инженерного программирования NI, которая используется в настоящее время в 110 странах мира, в том числе и России.
Рис.1. Типовая панель с несколькими измерительными приборами
Опыт создания новых автоматизированных комплексов и модернизации существующих лабораторных установок показал, что достигаемый диапазон визуализации различных физических явлений, в том числе и скрытых от непосредственного наблюдения, многофункциональная обработка данных и отображения результатов эксперимента с использованием шкал обычных общеупотребительных контрольно-измерительных приборов, доступность программ на интуитивном уровне делает рассматриваемые информационные технологии незаменимыми помощниками и преподавателей и студентов. При этом учебный эксперимент легко трансформируется в исследовательский. Как пример, можно рассмотреть исследование зависимости электрического сопротивления различных материалов от температуры, где самим студентам предлагается разработать блок-схему информационно-измерительной системы и программу автоматизированной обработки полученных данных (рис. 2). По ходу работы они должны проанализировать функционирование системы в режиме анимации потоков данных, выполнить запланированный эксперимент и самостоятельно выбрать наилучшие математические модели полученных зависимостей по минимуму среднеквадратичного отклонения с учетом их спектра для всего диапазона измерений (рис.3). Это соответствует основным тенденциям совершенствования современного учебного эксперимента - переходу от простых измерений к идентификации моделей изучаемых процессов
Рис.2. Блок-схема автоматизированного сбора и обработки данных.
Аналогичным образом выполняются работы и по другим дисциплинам. Так, при изучении теоретических основ теплотехники алгоритмы критериальной обработки данных могут быть заранее внесены в программу автоматизированного эксперимента. При этом выходные данные получают в форме соотношений между определяющими критериями, как в графическом, так и в аналитическом виде. Легко демонстрируются понятия дифференцирования и интегрирования в высшей математике, законы статистики, интегральных преобразований и т. п. Органично этот подход встраивается в изучение электротехнических дисциплин, электроники, метрологии, информационных технологий, управления различными технологическими процессами.
В Орел ГТУ в г. г. разработана и в настоящее время внедряется концепция минимизации затрат на совершенствования лабораторной базы университета на основе рассматриваемых технологий. Разработанные автоматизированные комплексы поставлены в МГУ им. Огарева, Пятигорский и Иркутский государственные технологические университеты, Воронежский аграрный и Московский государственный университет прикладных биотехнологий. Проводится модернизация лабораторий физики, прикладной математики, теплотехники, процессов и аппаратов пищевых производств, подъемно-транспортного оборудования в самом университете. Наиболее эффективным оказалось использование таких технологий в преподавании естественнонаучных дисциплин, математики и вычислительной техники. Достаточный объем лекционных, лабораторных и практических занятий не создает здесь проблем с перераспределением нагрузки и необходимостью выделения специальных факультативов.
Анализ тенденций создания новой учебной техники ежегодных выставок «Современная образовательная среда» на ВВЦ РФ, показывает, что несмотря на очевидный прогресс, здесь преобладает сугубо рыночный, затратный для образовательных учреждений подход, при котором каждый учебный прибор комплектуется цифровыми измерительными средствами или компьютером с жестко заданной программой работы. Измерительные средства составляют в таком случае 50-80% стоимости учебной техники. Предлагаемый подход к созданию учебной техники нового поколения и модернизации уже существующей безусловно являются наиболее передовыми и не только для нашей страны. Для школ и вузов преимущества предлагаемых новых решений состоят еще и в том, что, приобретая лабораторные установки с универсальной, легко адаптируемой к новым задачам информационно-измерительной системой, они приобщаются к современным способам сбора и обработки экспериментальных данных. Одновременно они обретают доступную среду инженерного программирования, позволяющую вовлечь в активную созидательную работу своих преподавателей, студентов и специалистов. При этом фактическая ценность приобретаемого вновь и модернизированного оборудования многократно возрастает и в настоящее время оно по существу не имеет аналогов и конкурентов.
Рис. 3. Выбор математических моделей.
Предлагаемая концепция отражена в методических материалах по модернизации существующей лабораторной базы общеобразовательных школ и вузов силами самих учреждений с высокой - 1 к 30 экономической эффективностью затрат. Помимо многократного снижения затрат на приобретение лабораторного оборудования она обеспечивает уменьшение сроков переоснащения школьных и университетских лабораторий. За счет пролонгированных на 2-3 года затрат - порядка 600-700 тыс. руб. для одного вуза и 100 тыс. руб. для школ можно модернизировать десятки лабораторий и учебных кабинетов и вывести образовательные учреждения на новый, качественно совсем иной уровень преподавания естественнонаучных и инженерных дисциплин. Поэтому проект обновления и коренной модернизации лабораторной базы школ и вузов на основе использования прорывных технологий автоматизации учебного эксперимента обладает значительным потенциалом внедрения в образовательный процесс российских вузов и общеобразовательных школ, в том числе в сельских районах. Он может выполняться силами самих преподавателей в каждой школе и в каждом университете России. Осуществление его в масштабах страны равносильно вложению в сферу образования 50-70 миллиардов рублей. Поэтому рассматриваемая работа требует маркетинговой поддержки, в том числе со стороны государства, и может стать мощным фактором повышения эффективности федерально-региональной политики в области научно-технической, инновационной и образовательной деятельности.
