Герб БГПУ

Электронный учебник для студентов-химиков

А.Ф. Егоров, Ю.И. Капустин, В.В. Щербаков
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, г. Москва

Конец второго тысячелетия ознаменовался переходом от индустриального к информационному обществу, в котором знания становятся основными производительными силами. В информационном обществе существенным образом изменяется стратегия образования, причем важнейшей его чертой является открытость. Открытое образование[1] является наиболее передовой, современной формой получения образования, основанной на современных технологиях обучения . К числу этих технологий относятся сетевые, информационные, дистанционные и инновационные образовательные технологии[2]. Важнейшей задачей высшего технического образования в современных условиях является формирование у будущих инженеров и исследователей научного мышления, навыков самостоятельного усвоения и критического анализа новых сведений, умения строить научные гипотезы и планировать эксперимент по их проверке. Решение этой задачи не представляется возможным без широкого использования новых информационных технологий. Информационные ресурсы стали по существу новой экономической категорией, определяющей очередной взлет научно-технического прогресса. Реализация ресурсо- и энергосберегающих, экологически чистых и безопасных химических производств становится возможным только в сочетании с современными информационными технологиями[3].

Быстрый прогресс в области информационных технологий позволяет использовать персональные компьютеры в качестве эффективного средства обучения. Автоматизация процесса обучения осуществляется с использованием компьютерных обучающих программ и электронных учебников. В этой связи очень важным является разработка концепции создания электронных учебников по различным учебным дисциплинам[4]. Главными недостатками обычных учебников являются традиционно используемый линейный порядок изложения (причина - следствие) и отсутствие проблемного изложения. В результате чтение такого учебника не стимулирует интереса у обучаемого к получению знаний. Кроме того, при использовании обычного учебника невозможно организовать обратную связь и контролировать процесс усвоения знаний. Отмеченные недостатки устраняются при использовании электронных учебников. Электронный учебник призван существенно повысить эффективность процесса обучения. Его можно рассматривать как дополнительное учебно-методическое средство, позволяющее методически правильно организовать самостоятельную работу студентов и развить их умения и навыки. Электронный учебник должен быть составлен методически правильно, иметь четкую логическую структуру, содержать базовый объем изучаемого материала, учитывать новые тенденции в науке и технологии на ближайшее будущее. В этой связи отбор материала для электронного учебника должен осуществляться на основе анализа перспективных направлений развития науки техники.

Электронный учебник может быть построен по принципу разветвленной компьютерной обучающей программы. Первый - низший - базовый уровень должен содержать основные понятия, определения предмета и иллюстрации этих понятий и определений. Составляя не более четверти от общего объема учебника, этот уровень, тем не менее, должен давать законченную целостную картину предмета. Второй - основной уровень может составлять примерно половину учебного материала и содержать подробное изложение всех вопросов учебной программы курса. Наконец третий уровень включает углубленное изложение отдельных вопросов для тех студентов, которые желают расширить свои знания в данном вопросе. Существование трех различных по сложности уровней изложения материала приводит к следующим особенностям структуры электронного учебника.

1. Материал в учебнике должен излагаться "прерывисто". Каждый раздел учебника должен завершаться контрольными вопросами, с помощью которых реализуется обратная связь в процессе обучения.

2. Необходимо использовать проблемное изложение учебного материала, при котором студент самостоятельно выбирает из предложенных вариантов направление решения учебной проблемы. Поскольку студент сам участвует в решении учебных проблем, он как бы становится соавтором учебника.

3. Представление материала в учебнике должно быть таковым, чтобы выделить различные по важности части учебного материала, т.е. определения, выводы, схемы, таблицы, рисунки и т.д. Это легко реализуется в режиме гипертекста.

4. С использованием средств мультипликации и видеотехники необходимо в динамическом режиме иллюстрировать учебный материал конкретными примерами. В курсе химии, например, с использованием компьютера можно организовать "проведение" химических экспериментов, демонстрацию промышленных методов получения различных веществ и т.д.

5. Учебник для старших курсов должен быть близок к научной монографии, в то время как для младших курсов учебник занимает промежуточное положение между школьным учебником и монографией.

Электронный многоуровневый учебник должен содержать, таким образом, несколько возможных путей рассмотрения учебного материала: по первому, второму и т.д. уровням. Обучаемый сам выбирает уровень сложности изложения учебного материала. При этом в любом месте электронного учебника должен быть предусмотрен переход между различными по трудности уровнями. Проверка знаний должна осуществляться в режиме экзамена, при проведении которого производится оценка ответов обучаемого на поставленные вопросы. В конце экзамена необходимо проинформировать обучаемого о его результатах и дать, в случае необходимости, рекомендации обучаемому по дальнейшему направлению его учебной работы.

В отличие от традиционного учебника учебный материал электронного учебника содержит ряд визуальных динамических элементов - графиков, картинок и т. п. , которые на основе логических или математических моделей дают возможность учащемуся исследовать различные ситуации, описываемые в учебнике. Так, например, при изучении кинетики химических реакций. учащемуся предоставляется возможность изменить условия (параметры) проведения реакции - температуру, концентрацию и др. При изменении какого-либо параметра в соответствии с математической моделью процесса перестраиваются графики на рисунках, иллюстрирующих данный раздел учебника.

Расширить возможности электронного учебника можно также путем включения в учебник баз данных. В этом случае учащийся может просмотреть существенно больше фактического материала, например, свойств каких-либо вещества, чем это приведено в примерах текстового материала. При этом в учебник должны быть включены инструкции обращения к базам данных, некоторые приемы обработки содержимого баз данных, например, вычисление средних, построение диаграмм и т. п.

В РХТУ им. Д.И. Менделеева разработана и используется блочная структура электронного учебника[5]. Основной - информационный блок содержит изложенный в сжатой форме учебный материал (он включает основные понятия, определения, таблицы, графики, модели молекул и схемы процессов, химические формулы и уравнения реакций, охватывающие все разделы данного курса). Каждый раздел информационного блока заканчивается контрольными вопросами, которые позволяют обучаемому выяснить, насколько глубоко он усвоил учебный материал. Таким образом контрольные вопросы фиксируют переход от данного раздела учебного материала к следующему. В результате функционирует постоянная обратная связь обучаемого с компьютером, позволяющая повысить эффективность процесса усвоения знаний.

Блок "Упражнения " функционирует в режиме диалога обучаемого с компьютером. Работа в этом режиме позволяет студенту закрепить знания, полученные при работе с информационным блоком. Система подсказки, при этом, позволяет при необходимости обратиться к любому разделу учебного материала. При составлении заданий этого блока используются различные системы конструирования ответа. В частности, при составлении уравнений химических реакций применяется ввод данных в произвольной последовательности. Поясним на примере.

Обучаемому предлагается определить продукты взаимодействия сульфата железа(11) с перманганатом калия в кислой среде:

FeSO4 + KMnO4 + H2SO4 а ?

В качестве возможных продуктов предлагается широкий выбор веществ:

1) Fe, 2) Fe(OH)2 , 3) Fe2O3 , 4) Fe(OH)3 , 5) Fe2(SO4)3, 6) Fe(OH)SO4, 7) MnO2 , 8)K2MnO4 , 9) MnSO4 , 10) MnO, 11)Mn(OH)2, 12) KOH, 13) K2SO3,14) K2SO4,15) H2O2, 16) H2O, 17) H2, 18) 02 , 19) H2S, 20)SO2

Из этого перечня веществ обучаемый должен выбрать продукты, стоящие в списке под номерами 5, 9, 14, 16, причем ввод продуктов может производиться в любой последовательности. В частности, правильными ответами также окажутся: 16, 14, 9, 5; 5, 14, 9, 16; 9, 16, 14, 5 и другие.

Ввод результатов ответа в определенном порядке реализуется при составлении названий комплексных соединений. Обучаемому, например, предлагается составить название следующего комплексного соединения: [Zn(NH3)4][Pt(NO2)6]. В качестве вариантов для составления ответа предлагаются следующие возможные фрагменты названия:

1)моно, 2) ди, 3) три, 4) тетра, 5) пента, 6) гекса, 7)цинк(II), 8) цинкат(II), 9) цинка(II), 10) платина(II) , 11) платина(IV), 12) платины (II), 13) платины (IV), 14)платинат(II), 15)платинат(IV), 16) нитрат, 17) нитрит, 18) нитро, 19) аммиак, 20) аммин, 21) аммоний.

Единственно правильным вариантом ответа будет подбор фрагментов в следующем порядке: 6, 18, 15, 4, 20, 9.

Наконец наиболее эффективной реализацией диалога обучаемого с компьютером является анализ схем превращений элементов и их соединений. Рассмотрим реализацию этого способа организации обратной связи на примере схемы превращения азота и его соединений[5]. В этом режиме работы обучаемый должен выбрать из представленных внизу схемы веществ и условий проведения процесса требуемые, для того, чтобы осуществить предлагаемые превращения.

Превращения с участием азота и его соединений с водородом

NH2OH

NH3

NaN3

NaNO3

KMnO4 + H2SO4

HN3

H2O

NaNO2

N2H4

Zn + HCl

Первое превращение, связанное с взаимодействием азота с водородом(1), требует в качестве продукта реакции указать аммиак - NH3. Взаимодействие аммиака с избытком натрия при нагревании приводит к образованию нитрида - Na3N(2). 3-е превращение - нитрид натрия гидролизуется с образованием аммиака. Взаимодействие NH3 c NaClO приводит к образованию гидразина N2H4 (4). Пятое превращение связано с взаимодействием гидразина с азотистой кислотой. При этом образуется HN3 - азотистоводородная кислота. 6-е и 7-е превращения - это реакции окисления-восстановления. В первом случае HN3 взаимодействует со смесью KMnO4 + H2SO4, и при этом выделяется азот, а во втором - гидразин реагирует с Zn + HCl, и выделяется аммиак.

Правильные действия обучаемого приводят к заполнению схемы превращений требуемыми веществами и условиями проведения химических реакций. Следует отметить, что если обучаемый ошибается при подборе веществ или условий проведения реакций, компьютер должен автоматически его отсылать в информационный блок к учебному материалу по данному вопросу. После завершения последнего превращения на экране компьютера появляется полностью заполненная схема превращений.

Превращения с участием азота и его соединений с водородом

NH2OH

NH3

NaN3

NaNO3

KMnO4 + H2SO4

HN3

H2O

NaNO2

N2H4

Zn + HCl

Далее на экране компьютера представляются уравнения всех химических реакций: протекающих при рассмотрении данных превращений.

Уравнения с участием азота и его соединений с водородом.
  1. N2+ 3 H2 t (кат) > 2 NH3 ' ,
  2. 2 NH3 + 6 Na t > 2 Na3N+ 3H2',
  3. Na3N+ 3 H2O > 3 NaOH + NH3 ' ,
  4. NH3 + NaClO > N2H4 + NaCl + H2O ,
  5. N2H4 + HNO2 > HN3 ' + 2 H2O ,
  6. 1O HN3 + 2 KMnO4 + 3 H2SO4 > 15 N2' + K2SO4 + 2 MnSO4 + 8 H2O
  7. N2H4 + Zn + 2 HCl > 2 NH3 ' + ZnCl2

Контроль знаний студентов осуществляется в режиме работы "Экзамен" с использованием достаточно простой процедуры. В этом блоке предусмотрена оценка правильности ответов обучаемого на поставленные вопросы. В конце экзамена компьютер информирует о его результатах и дает, в случае необходимости, рекомендации. Для того, чтобы исключить возможность запоминания правильных ответов составляется несколько вариантов (как правило не менее трех) экзамена и при составлении этих вариантов используется система конструирования ответов на вопросы. Результаты экзамена записываются в специальный файл и при необходимости преподаватель может узнать его результаты.

Процедуры контроля, анализа возникающих ошибок и оценки полноты знаний являются наиболее сложными проблемами, связанными с созданием электронных учебников. Наиболее распространенной формой контроля знаний являйся вопрос по конкретному разделу с вариантами ответов, из которых учащийся должен выбрать правильный. Формально "правильные" и "неправильные" ответы можно представить как лингвистическую модель данной предметной области, где неправильные ответы являются ограничениями множества правильных ответов. Эффективность данного метода контроля определяется насколько тщательно "замаскирован" правильный ответ среди представленного списка, а к недостаткам этого метода можно отнести то, что при выборе неправильного ответа учащемуся, как правило, из-за множества ответов не дается объяснение в чем заключается ошибка выбора.

При составлении проверочных заданий помимо стандартных задач необходимо также предусмотреть более сложные задачи, в частности:

При организации контроля знаний в электронном учебнике важным вопросом является выбор способов формирования ответов. Первый уровень знаний (репродуктивное узнавание) проверяется с использованием выборочных ответов. В этом случае обучаемому предлагается n ответов, из которых лишь один правильный. Вероятность угадывания в этом случае составляет 1/n. Если предлагается 5 ответов, то 80 : информации оказывается неверной. Необходимо сделать так, чтобы неверные ответы по возможности не откладывались в памяти студентов. Поэтому при составлении вариантов ответов нельзя давать ошибочную информацию. Например, если обучаемому необходимо ответить на вопрос, как изменяется скорость химической реакции при нагревании. Варианты ответов не должны содержать ошибочную информацию. Т.е. в предлагаемых вариантах не рекомендуется писать

1. При нагревании скорость химической реакции уменьшается

2. При нагревании скорость химической реакции увеличивается

3. Скорость химической реакции не зависит от температуры

4. При нагревании скорость реакции проходит через максимум

5. При нагревании скорость реакции проходит через минимум

В этом случае студенты могут запомнить неправильные ответы.

Предпочтительнее дать такие варианты:

1.Уменьшается

2.Увеличивается

3.Не зависит от температуры

4.Проходит через максимум

5. Проходит через минимум

В ряде случаев следует добавит шестой вариант: 6. Правильного ответа нет. Этот ответ нужен в том случае, когда студент не знает правильного ответа и не может его найти в предложенных вариантах. Необходимо подчеркнуть, что часто использовать в качестве правильного вариант "Правильного ответа нет" не имеет смысла, поскольку, получив такой ответ мы не в состоянии узнать, знаком ли обучаемому правильный ответ. Если в предложенных вариантах приводятся несколько правильных ответов, студент должен быть проинформирован о такой возможности, причем ему должно быть указан порядок его действий (нужно ли ему указывать все правильные ответы или достаточно выбрать лишь один из них.

Для самоконтроля знаний в конце каждого раздела электронного учебника достаточно запланировать 1-2 контрольных вопроса. Тесты самоконтроля естественно нигде не учитываются, поэтому они выполняют функцию обучения. В этом случае студент сам решает стоит или не стоит ему отвечать на поставленный вопрос. Поскольку функция контроля на этой стадии обучения не реализуется нет необходимости борьбы с возможным угадыванием правильного ответа на поставленный вопрос. На этой стадии студент мог еще недостаточно глубоко изучить учебный материал, поэтому он может ошибаться при ответах на поставленные вопросы, однако он должен знать правильные ответы на все поставленные вопросы, иначе переходя к изучению следующего раздела курса он будет иметь пробелы в знаниях предыдущих разделов. Информация о правильных ответах обычно дается студенту в форме пояснений к ответам. Приведем пример того, как организуется самоконтроль при изучении темы "Окислительно-восстановительные реакции". После рассмотрения классификации окислительно-восстановительных реакций следует поставить вопрос самоконтроля. Например такой. "Какие окислительно-восстановительные реакции относятся к классу реакций самоокисления-самовосстановления (диспропорционирования)?" В качестве вариантов ответа включаются следующие.

1. Реакции, в которых окислитель и восстановитель находятся в различных молекулах

2. Реакции, в которых окислитель и восстановитель находятся в одной и той же молекуле

3 Реакции, в которых окислитель и восстановитель является одним и тем же атомом (ионом)

4. Реакции, в которых не происходит изменение степеней окисления

5. Вы желаете вернуться к учебному материалу в котором изложена классификация окислительно-восстановительных реакций

6. Вы не хотите отвечать на поставленный вопрос и желаете перейти к следующему разделу темы.

Если студент неправильно ответил на поставленный вопрос (варианты 1, 2, 4), то ему необходимо предоставить возможность выбора:

а). Вы желаете вернуться к учебному материалу в котором изложена классификация окислительно-восстановительных реакций

б). Вы хотите узнать правильный ответ на поставленный вопрос. В случае а) необходим возврат к учебному материалу после просмотра которого программа возвращает студента к контрольному вопросу. Во втором случае дается правильный ответ, после чего предусмотрен переход к следующему разделу программы. Для повышения эффективности обучения рекомендуется давать пояснения даже в том случае, когда студент правильно ответил на поставленный вопрос. В этом случае помимо подтверждения в том, что дан правильный ответ следует добавить, например, такую фразу: "Действительно, в реакциях диспропорционирования один и тот же элемент (атом или ион) отдает и принимает электроны, в результате чего образуются два соединения этого элемента. Примером такой реакции является диспропорционирование серы в щелочи:

3 S + 6 KOH = 2 K2 S + K2 SO3 + 3 H2O ".

Настоящий электронный учебник разрабатывается как открытая система, которая в дальнейшем может состыковаться по общему интерфейсу с курсами процессов и аппаратов, общей химической технологии и учебными курсами специализированных (выпускающих) кафедр, которые завершают подготовку химика-технолога.

Литература

  1. Открытое образование - стратегия ХХ1 века для России./ Под ред. Филиппова В.М. и Тихомирова В.П. Изд. МЭСИ, М., 2000. -356 с.
  2. Управление современным образованием. Социальные и экономические аспекты./ Под ред. А.Н. Тихонова. -М.: Вита-Пресс, 1998.-256с.
  3. Егоров А.Ф. Основные направления информатизации университета. /Информационные технологии в учебном процессе университета. Сборник научных трудов. РХТУ им. Д.И. Менделеева. М., 2000, с.5.
  4. Егоров А.Ф., Капустин Ю.И., Щербаков. Некоторые аспекты создания электронного учебника. Электронные учебники и учебно-методические разработки в открытом образовании. //Тезисы доклада семинара (7.09.2000 года, г. Москва) -М.: Изд. МЭСИ, 2000. С.73-75.
  5. Щербаков В.В., Зинина Ю.А. Разработка компьютерных обучающих программ по неорганической химии. /Информационные технологии в учебном процессе университета. Сборник научных трудов. РХТУ им. Д.И. Менделеева. М., 2000, с.37.
Источник информации: МГУ
Дата публикации: воскресенье, 20 октября 2002 года
Версия для печати | Оглавление