Назад


УЧЕБНЫЙ МУЛЬТИМЕДИА КОМПЛЕКС ПО ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ ДЛЯ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ

А.В. Соловов, Г.И. Дерябина


(Самара, Самарский государственный аэрокосмический университет, Самарский государственный университет, dgi@ssu.samara.ru, http://cnit.ssau.ru)

(Статья опубликована в сборнике статей "Индустрия образования". Выпуск 1. - М.: МГИУ, 2001. С-244-257)

Введение. Органическая химия дает научное обоснование строения и функционирования живых организмов, производства и грамотного применения различных материалов и изделий. Поэтому знание ее основ является важным элементом общей культуры современного человека.
Как учебная дисциплина органическая химия относится к одной из наиболее сложных естественнонаучных дисциплин, и ее изучение нередко вызывает у учащихся определенные трудности. Они связаны, как правило, с формированием образных представлений о химическом, электронном и пространственном строении органических молекул, которое оказывает большое влияние на свойства веществ. Отсутствие таких образных представлений приводит к необходимости механического заучивания большого объема фактического материала. Именно эта особенность органической химии в существенной мере предопределяет потребность и целесообразность использования электронных мультимедиа средств для ее изучения в средней школе.
Комплекс разработан на основе технологии системы КАДИС (системы Комплексов Автоматизированных ДИдактических Средств) в центре новых информационных технологий Самарского государственного аэрокосмического университета (ЦНИТ СГАУ) сотрудниками центра совместно с преподавателями Самарского государственного университета (СамГУ) и школы 124 г. Самары при участии студентов СГАУ и СамГУ.
Работа по созданию комплекса велась на протяжении нескольких лет, но ее основная часть была выполнена в 2000 году по заданию межвузовской программы "Научное и научно-методическое обеспечение индустрии образования", (раздел 12.9 "Методика создания электронных библиотек и средств обучения", код проекта - 3644).

Психолого-педагогическая основа комплекса. Концептуальная модель системы КАДИС предполагает комплексный подход к поддержке учебного процесса на всех этапах освоения Знаний-Умений-Навыков (ЗУН) - от первого знакомства с учебным материалом до решения нетиповых задач (рис. 1). При этом уяснение (восприятие, осмысление, фиксация) артикулируемой части ЗУН, представленной в виде информации, осуществляется с помощью автоматизированных дидактических средств декларативного типа, реализующих, преимущественно, репродуктивные методы обучения. Овладение неартикулируемой частью ЗУН (формирование и развитие различных форм личностного опыта) производится при поддержке компьютерных систем процедурного типа, использующих математические модели изучаемых объектов или процессов и реализующих продуктивно-поисковые методы познавательной деятельности, основанные на решении профессионально-ориентированных задач [1].


Рис. 1. Концептуальная модель системы КАДИС

В состав типового комплекса методических и программно-информационных средств системы КАДИС по учебной дисциплине могут входить:

  • учебные пособия (в печатном или компьютерном виде), аудио- и видеокассеты для первоначального знакомства с учебным материалом;
  • электронные мультимедийные учебники для осмысления, закрепления и контроля знаний;
  • тренажеры и автоматизированные лабораторные практикумы для развития практических умений;
  • пакеты прикладных программ для автоматизации расчетов, проектирования, учебных исследований изучаемых объектов или процессов.

Анализируя рассмотренные группы компонентов учебного комплекса с позиций одного из ведущих дидактических принципов - принципа активности и самостоятельности обучающихся, можно выделить ряд следующих интерактивных элементов:

  • в первой группе - это самостоятельный выбор обучающимися учебного материала;
  • во второй группе - выбор учебного материала и режимов учебной работы, ответы на вопросы и выполнение упражнений, управление иллюстрациями (flash, vrml);
  • в третьей группе - выбор заданий из сборника, генерация эвристических решений, выбор алгоритмов и настройка их параметров, анализ результатов и корректировка решений и т.п.;
  • в четвертой группе - формулировка задач и планирование этапов их решения, построение математических моделей, выбор и настройка алгоритмов, анализ результатов, корректировка математических моделей, переформулировка исходных условий и формулировок задач и т.п.

Таким образом, роль и значимость интерактивных элементов возрастает от первой группы к четвертой как в количественном, так и в качественном отношении. При этом фунциональное назначение классифицированных групп учебно-методического обеспечения четко соответствует психологически обоснованной последовательности этапов познавательной деятельности:

  • восприятие;
  • осмысление и фиксация знаний;
  • формирование личностного опыта (умений, навыков, профессионально-ориентированной интуиции);
  • проектно-исследовательская, поисковая учебная деятельность.

Важно также подчеркнуть, что в рассмотренной классификации реализуются и другие основополагающие дидактические принципы: доступность, систематичность и последовательность, преемственность, связь теории с практикой, профессиональная направленность обучения.
Методика дидактического проектирования учебных комплексов системы КАДИС включает следующие основные этапы [2]:

  • построение модели содержания учебного материала, определяющей его структуру и целевые показатели процесса обучения;
  • формирование модели освоения учебного материала, определяющей навигацию по нему;
  • формирование состава комплекса;
  • подготовку текстов и эскизов иллюстраций учебного пособия;
  • подготовку текстов, эскизов графических иллюстраций, контрольных вопросов, сценариев анимаций и видеоклипов для электронного учебника;
  • построение сценариев дидактических интерфейсов тренажеров, автоматизированных лабораторных практикумов и учебных пакетов прикладных программ.

Технологические средства. Компьютерная подготовка различных компонентов учебных комплексов системы КАДИС (учебных текстов, контрольных вопросов, графических иллюстраций, анимаций, аудио- и видеоклипов, компьютерных программ и других видов учебных материалов) ведется с помощью типовых программных средств общего назначения, входящих в состав операционных систем MS DOS или Windows 9X/2000. Объединение этих компонентов в мультимедийные учебные комплексы осуществляется с помощью специальной педагогической инструментальной программной среды (оболочки) системы КАДИС, имеющей свободно тиражируемые в Интернет версии для MS DOS и Windows 9X/2000 [3]. Отличительными особенностями этой оболочки являются ее четкая дидактическая основа, простота и доступность в использовании, возможность создавать системы поддержки обучения различного уровня от простейших компьютерных тестов для контроля знаний до многокомпонентных мультимедийных комплексов, обеспечивающих поддержку обучения от первого знакомства с учебным материалом до решения учебных задач исследовательского характера.

Содержание учебного материала. Учебный материал комплекса размещен в шести частях.
Часть I "Теоретические основы" содержит основные теоретические положения, усвоение которых способствует более осознанному восприятию учебного материала последующих частей комплекса. В эту часть включены необходимые опорные сведения из предшествующих курсов химии и физики.
В части II "Углеводороды" рассматриваются строение и свойства простейших по элементному составу органических соединений, их роль как исходного сырья в органическом синтезе. Этот материал служит основой для изучения соединений других классов, так как молекулы любых органических веществ содержат углеводородные фрагменты.
Часть III "Как решать задачи" предназначена для освоения алгоритмов решения задач различных типов. Кроме типовых задач здесь содержатся задачи повышенной трудности, которые обычно предлагаются на конкурсах и олимпиадах.
В частях IV и V рассматриваются строение, свойства и роль в природе важнейших кислород- и азотсодержащих соединений соответственно.
Часть VI "Высокомолекулярные соединения" содержит основные данные о строении и особых свойствах полимеров (в частности, гибкости макромолекул), способах их получения и сведения о важнейших синтетических и природных высокомолекулярных соединениях. Изучение этой темы опирается на весь предшествующий материал комплекса.
Структура и последовательность изложения учебного материала комплекса в ряде случаев отличаются от принятых в типовых учебниках (части I, VI). Это обусловлено необходимостью реализации принципа "от общего - к частному", позволяющего более продуктивно использовать общность теории при освоении фактического материала.
Так, в части I дано обобщение теоретических основ органической химии в виде единой логической последовательности: теория химического строения (Бутлеров А.М.) и электронные представления в органической химии; влияние электроотрицательности элементов на тип химической связи; природа ковалентной связи; основные типы органических реакций и их особенности; взаимное влияние атомов (электронные и пространственные эффекты) и реакционная способность органических соединений. Освоение этих ключевых понятий органической химии помогает более осознанному изучению учебного материала последующих разделов и не вынуждает учащихся прибегать к механическому заучиванию.
В части VI "Высокомолекулярные соединения", в отличие от школьных учебников, раздел о строении природных полимеров излагается после освоения общих для всех полимеров понятий о строении макромолекул, их свойствах и способах образования, а не перед этой темой. Кроме того, рассмотрены отличительные особенности полимеров, обусловленные гибкостью их молекул. Понятие о гибкости макромолекул как высшей форме движения среди объектов неживой природы имеет принципиальное значение для понимания особых механических свойств, характерных только для полимеров и определяющих их исключительно многостороннее практическое использование. Формирование представлений о влиянии строения полимерных молекул на их гибкость позволяет понять, почему, например, одни полимеры используются как каучуки, а другие - служат основой в производстве пластмасс или волокон.
В целом содержание комплекса соответствует образовательным стандартам средней школы, а по глубине и обоснованности основных положений несколько выходит за его рамки.

Структура и состав комплекса. В состав комплекса входят следующие компоненты.
1. Путеводитель по комплексу (методические рекомендации для учащихся и преподавателей по применению различных компонентов комплекса) [4].
2. Печатные пособия по каждой из 6-ти частей комплекса для первоначального знакомства с учебным материалом [5].
3. Мультимедийный электронный учебник на CD ROM для осмысления и закрепления теории (рис. 2) [6]. Учебник работает под управлением Windows 9X/2000. Содержит структурированные учебные тексты, задания для компьютерного тренинга и самоконтроля, большое количество иллюстраций (графика, анимация, аудио- и видеофрагменты). В структуру учебника интегрирован ряд дополнительных электронных компонентов учебного назначения:

  • автоматизированные учебные курсы с тестами для компьютерного тренинга и самоконтроля (см. ниже п. 5);
  • компьютерные игры-тренажеры для активизации учебной деятельности по осмыслению и закреплению учебного материала;
  • прикладные программы для формирования практических умений, автоматизации расчетов и проведения учебных исследований на математических моделях.


Рис. 2. Титул электронного учебника на CD ROM

4. Электронный учебник в Интернет с более кратким изложением учебного материала, меньшим количеством графических иллюстраций, анимаций и ограниченным набором упражнений для компьютерного тренинга и самоконтроля знаний [7].
5. Автоматизированные учебные курсы (АУК), содержащие большое число тестов различного уровня усвоения знаний (знакомство, воспроизведение, применение) для тренажа и контроля как по теме АУК в целом, так и по отдельным терминам и понятиям. АУК работают под управлением MS DOS и интегрированы в структуру электронного учебника на CD ROM. Могут использоваться локально, например для компьютеров, работающих только под MS DOS. В соответствии с тематикой комплекса в его состав включено 15 АУК:

  • входной контроль (для проверки предшествующей подготовки по общей и неорганической химии);
  • теоретические основы органической химии;
  • углеводороды. Алканы;
  • циклоалканы;
  • алкены. Алкадиены;
  • алкины;
  • арены;
  • итоговый контроль по теме "Углеводороды";
  • гидроксисоединения (спирты и фенолы);
  • альдегиды и кетоны;
  • карбоновые кислоты;
  • углеводы;
  • азотсодержащие органические соединения;
  • высокомолекулярные соединения;
  • итоговый контроль по учебному материалу комплекса.

6. Педагогические инструментальные средства системы КАДИС для настройки электронных компонентов комплекса под конкретные условия их применения.

Общие характеристики комплекса. Объем печатных материалов - 450 страниц, статических рисунков - 630, двух и трехмерных анимаций - 40, VRML-моделей - 47, озвученных Flash-анимаций - 18, озвученных видеоклипов - 25, расчетных задач - 105, контрольных вопросов - более 500. Общий объем электронного учебника на CD ROM - порядка 600 Мбайт, в Интернет - 9,5 Мбайт.

Типовые сценарные схемы электронного учебника. Выбор основных частей электронного учебника (ЭУ) на CD ROM осуществляется на его титуле (см. рис. 2). Каждая часть ЭУ содержит теоретический материал и набор контрольных вопросов для освоения и закрепления теории. Теоретический материал декомпозирован на информационные блоки, в состав которых входят текстовые, графические, анимационные, аудио- и видеофрагменты.
При работе с ЭУ экран компьютера делится на два основных окна (рис. 3).


Рис. 3. Фрагмент работы с ЭУ при просмотре теоретического материала

В левом (более узком по вертикали) окне размещается оглавление ЭУ, в правом - тексты его разделов. Навигация по ЭУ осуществляется перемещением курсора "мыши" по оглавлению. При активизации пункта оглавления щелчком "мыши" в правое окно загружается текст соответствующего раздела. В тексте могут быть определены гиперссылки (обычно выделяют цветом и подчеркивают) на различные объекты (поясняющие тексты, графические иллюстрации, анимации, аудио- и видеоклипы, подключаемые программы и т.п.). При активизации ссылки соответствующий объект загружается в дополнительное окно. Число таких окон практически не ограничено. Окна можно перемещать по экрану, уменьшать-увеличивать, сворачивать-разворачивать, запускать-останавливать (например, проигрывание видеоклипов) и выполнять ряд других манипуляций, типовых для Windows 9Х/2000 и его приложений.
Для закрепления изученного материала используют разделы ЭУ с контрольными вопросами. При неправильном ответе можно ознакомиться с правильным ответом, теоретическим материалом по данному вопросу и кратким комментарием (рис. 4).
При работе с учебником отдельно можно просмотреть графические иллюстрации, анимации, видеоклипы, поработать с какими-либо подключенными программами, не отыскивая ссылки на них внутри учебника. В этом случае можно вывести списки ссылок для каждой части учебника, пользуясь пунктами главного меню Программы и Иллюстрации (см. рис. 3, 4).
АУК для MS DOS имеют четыре основных режима работы: просмотр теории, тренаж по теории, контроль, работа со словарем. Режим просмотра теории заключается в "перелистывании" информационных кадров, содержащих краткое изложение материала по теме. В ходе тренажа по теории учащиеся выполняют задания, предназначенные для осмысления и запоминания теоретического материала. Это основной режим работы с АУК. После выполнения каждого задания студент получает сообщение о результатах его выполнения и ему предоставляется возможность посмотреть правильный ответ, комментарий и теоретический материал по данному вопросу. Режим контроля предназначен для текущего или итогового контроля уровня усвоения теоретического материала по теме. Словарь терминов и понятий позволяет проводить выборочно (по термину) просмотр теории, тренаж или контроль.


Рис. 4. Фрагмент работы с ЭУ в режиме тренажа по теории

Информация о результатах тренажа и контроля (Ф.И.О., номера групп обучаемых и полученные ими оценки) автоматически записываются в журнальный файл. Программы управления журналом позволяют осуществлять сортировку информации по различным признакам, проводить статистический анализ для выявления "трудного" и "легкого" учебного материала (рис. 5).


Рис. 5. Фрагмент работы с журналом ЭУ

Он-лайновая версия ЭУ в Интернет схожа по интерфейсу с ЭУ на CD ROM. Но в состав этой версии не включены видеоклипы, поскольку скорости каналов большинства потенциальных пользователей не позволяют просматривать их в реальном масштабе времени.

Иллюстрации. В настоящее время компьютерная графика и анимация (КГиА) - это одно из наиболее бурно развивающихся направлений новых информационных технологий. Причем характерный для начального этапа развития КГиА акцент на ее иллюстративные функции все более смещается в сторону использования тех ее возможностей, которые позволяют активизировать свойственную человеку способность мыслить сложными пространственными образами. В связи с этим начинают четко различать две группы функций КГиА: иллюстративные и когнитивные [8].
Иллюстративные функции КГиА реализуются в учебных компьютерных системах декларативного типа при передаче артикулируемой части знания. При этом КГиА лишь подкрепляет и дополняет текстовую часть учебной информации и воздействует на логический, левополушарный механизм мышления. Когнитивные же функции КГиА проявляются при освоении неартикулируемой, неявной части знания, причем, поскольку этот процесс опирается на интуитивный, правополушарный механизм мышления, сами эти знания в виде ассоциаций графических образов в существенной мере носят личностный характер [9].
При изучении органической химии более важны когнитивные функции КГиА, которые позволяют каждому учащемуся формировать свои собственные ассоциации пространственного строения органических соединений во всей их целостности и многообразии связей. Понимание особенностей строения вещества позволяет учащимся прогнозировать (а не заучивать!) его химические и физические свойства.
Именно поэтому данный комплекс содержит большое количество иллюстраций различного типа: статическую графику, двумерные и трехмерные анимации, интерактивные трехмерные VRML-модели молекул (рис. 6), Flash-анимации (рис. 7), фрагменты учебных видеофильмов.

   
Рис. 6. Фрагменты интерактивного взаимодействия с VRML-моделью молекулы бензола


Рис. 7. Фрагменты одной из Flash-анимаций

Практикум. В его состав входят следующие виды учебной работы:

  • компьютерный тренинг по теории в электронном учебнике и АУК;
  • решение расчетных задач (типовых и повышенной сложности);
  • работа с компьютерными играми-тренажерами - конструктором молекул, кроссвордами, головоломками и др. (рис. 8);
  • учебные исследования с помощью прикладных программ моделирования орбиталей и расчета состава соединений.

Результаты опытной эксплуатации. Различные компоненты комплекса в течение 2000 г. проходили апробацию и опытную эксплуатацию в ряде школ г. Самары, а он-лайновая версия электронного учебника размещена в Интернет для апробации и свободного использования с 1999 г. [7].


Рис. 8. Фрагменты игр-тренажеров (конструктор молекул и кроссворд)

В школе 124 г. Самары проведен сравнительный анализ успеваемости трех 10 классов, в одном из которых при изучении химии использовался электронный учебник комплекса. Результаты итогового тестирования показали более высокий уровень знаний в этом классе по сравнению с двумя другими, по составу учеников более сильными классами. Отзывы преподавателей и учащихся также свидетельствуют о высокой дидактической эффективности электронных компонентов комплекса. Вот некоторые типичные отзывы, полученные по Интернет и в ходе анонимного анкетирования учащихся:

  • браво. Это лучшее из того, что я нашел в Интернет при подготовке к выпускным экзаменам;
  • электронный учебник очень поучителен и интересен. Прост в обращении. Я узнала некоторые вещи, о которых даже не упоминалось в обычном учебнике 10 класса. Его можно использовать даже дома, так как все объясняется просто и доступно, и можно проконтролировать понимание материала по контрольным вопросам в конце каждой главы;
  • электронный учебник мне понравился тем, что есть возможность довольно хорошо за короткий промежуток времени усвоить материал учебного комплекса. Мне очень понравилась также анимация - здорово и сразу все понятно - не то, что на доске. Хорошо и изложение материала - все понятно и просто - можно даже в обычный учебник не заглядывать;
  • преимуществами электронного учебника являются хорошая трехмерная графика и прилагающиеся в конце каждой темы контрольные вопросы, примеры решения задач;
  • - мне электронный учебник понравился, так как здесь наглядно можно посмотреть рисунки. Если при вопросе затрудняешься ответить, то можно посмотреть теорию и ответить правильно, а заодно и запомнить;
  • - очень удобно искать сведения о нужном предмете, так как даны названия тем или, например, химические вещества. Нужно только выбрать химические вещества, и выдаются данные именно по этому вопросу, а не вся теория.

Сферы применения. Данный учебный комплекс может применяться для компьютерной поддержки изучения органической химии в общеобразовательной школе, на подготовительных курсах для поступления в вуз, в профессионально-технических училищах и техникумах, в том числе с углубленным изучением химии (фармацевтика, биология, нефтехимия), на младших курсах вузов.
Применение комплекса возможно в различных видах учебной работы: на лекциях и практических занятиях, для текущего и итогового контроля, для самоподготовки учащихся в компьютерных классах, в электронных залах библиотек, на домашних компьютерах.
Преподаватели могут использовать материал комплекса при подготовке к занятиям, а его мультимедийные электронные компоненты - в качестве наглядных пособий при объяснении новой темы. Готовя комплекс к занятиям, преподаватель может с помощью педагогических инструментальных средств, прилагаемых к комплексу, скомпоновать билеты для итогового контроля, изменить критерии оценки учебной работы для режимов контроля и тренажа, изменить ограничения по времени ответов на вопросы, повысить или снизить квалификационные барьеры (минимальное число баллов) для допуска к работе на новом уровне усвоения, а также внести ряд других корректив в настройку комплекса.

Заключение. Разработанный учебный мультимедиа комплекс по органической химии имеет форму законченного и успешно апробированного товарного продукта, готового к широкому тиражированию. Его можно рекомендовать для серийной поставки в школы, профессиональные училища и техникумы в рамках оргмероприятий Министерства образования РФ по компьютеризации школ, учебных заведений начального и среднего профессионального образования.

Литература
1. Соловов А.В. Информационные технологии обучения в профессиональном образовании / Информатика и образование, 1996, № 1. - с. 13-19.
2. Соловов А.В. Проектирование компьютерных систем учебного назначения: Учебное пособие. - Самара: СГАУ, 1995. - 138 с.
3. Соловов А.В., Меньшикова А.А., Пряничников Г.Ю. Педагогические инструментальные средства системы КАДИС. - Самара: ЦНИТ СГАУ, http://cnit.ssau.ru/kadis/index.htm, 1998. - 6 Мбайт.
4. Соловов А.В., Дерябина Г.И. Органическая химия: Автоматизированный учебный комплекс для средней школы / Путеводитель по комплексу. - Самара: ЦНИТ СГАУ, 2001. - 25 с.
5. Дерябина Г.И., Кантария Г.В., Соловов А.В. Органическая химия: Автоматизированный учебный комплекс для средней школы / Комплект учебных пособий в 6-ти частях. - Самара: ЦНИТ СГАУ, 2000. - 425 с.
6. Органическая химия: Автоматизированный учебный комплекс для средней школы / Электронный учебник на CD ROM / Под ред. А.В. Соловова, Г.И. Дерябиной. - Самара: ЦНИТ СГАУ, 2000. - 600 Мбайт.
7. Органическая химия: Автоматизированный учебный комплекс для средней школы / Электронный учебник для Интернет / Под ред. А.В. Соловова, Г.И. Дерябиной. - Самара: ЦНИТ СГАУ, http://cnit.ssau.ru/organics/index.htm (зеркало на http://www.chemistry.ssu.samara.ru/), 1999. - 10 Мбайт.
8. Зенкин А.А. Когнитивная компьютерная графика/ Под ред. Д.А. Поспелова. М.: Наука, 1991. - 192с.
9. Соловов А.В. Когнитивная компьютерная графика в инженерной подготовке / Высшее образование в России, 1998, N 2. - с. 90-96.