Особенности проектирования и разработки программного обеспечения при цифровизации естественнонаучного образования

Аркулис Михаил Борисович кандидат педагогических наук доцент, кафедра физик, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова 455000, Россия, Челябинская область, г. Магнитогорск, ул. Ленина, 38 Arkulis Mikhail Borisovich PhD in Pedagogy Docent, the department of Physics, Magnitogorsk State Technical University named after G. I. Nosov 455000, Russia, Chelyabinskaya oblast', g. Magnitogorsk, ul. Lenina, 38 arkulis78@mail.ru Николаев Антон Андреевич студент, кафедра Вычислительной техники программирования, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова 455000, Россия, Челябинская область, г. Магнитогорск, ул. Ленина, 38 Nikolaev Anton Andreevich Student, the department of Computer Science and Programming, Magnitogorsk State Technical University named after G. I. Nosov 455000, Russia, Chelyabinskaya oblast', g. Magnitogorsk, ul. Lenina, 38 aanton2001@gmail.com Логунова Оксана Сергеевна доктор технических наук профессор, кафедра вычислительной техники и программирования, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова 455047, Россия, Челябинская область, г. Магнитогорск, ул. Тихая, 1, оф. Жукова Logunova Oxana Sergeevna Doctor of Technical Science Peofessor, the department of Computer Science and Programming, Magnitogorsk State Technical University named after G. I. Nosov 455047, Russia, Chelyabinskaya oblast', g. Magnitogorsk, ul. Tikhaya, 1, of. Zhukova logunova66@mail.ru

Савченко Юрий Иванович кандидат физико-математических наук доцент, кафедра физикии, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова 455000, Россия, Челябинская область, г. Магнитогорск, ул. Ленина, 38 Savchenko Yurii Ivanovich PhD in Physics and Mathematics Docent, the department of Physics, Magnitogorsk State Technical University named after G. I. Nosov 455000, Russia, Chelyabinskaya oblast', g. Magnitogorsk, ul. Lenina, 38 sav@magtu.ru

1 Введение

Государственные программы развития науки и техники в Российской Федерации определили одно из приоритетных направлений развития, которое способствует переходу к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обу­чения и искусственного интеллекта. Тенденции развития средств разработки программных продуктов в настоящее время позволяют реализовать самые смелые проекты в образовательной деятельности, совмещая действительную, виртуальную и дополненную реальности ^[1-3].

Авторы работы определили цель исследования: развитие теории и практики синергетического проектирования и разработки программного обеспечения цифровых физических лабораторий для повышения уровня соответствия поведения объекта реальности и снижения уровня погружения обучающегося в виртуальную среду. Одной из задач, приводящих к достижению цели, является использование синергетического аспекта при проектировании и разработке программного обеспечения для внедрения в процесс обучения естественно-научным дисциплинам, который позволяет консолидировать виртуальность и реальность окружающего мира.

В рамках проводимого исследования «цифровизация» – это внедрение современных технологий в процесс образования высшей школы, в частности, в процесс преподавания общей физики с возможностью сохранения элементов натурного эксперимента.

В области применения программного обеспечения для создания цифровых лабораторий для дисциплин естественнонаучного цикла накоплен значительный опыт. Анализ теоретических и практических разработок в этой области показал, что проектирование и разработка программного обеспечения ведется по следующим направлениям:

1) проектирование и разработка виртуальных лабораторий для выполнения отдельных работ при изучении дисциплин естественнонаучного цикла ^[4-8]: около 44 тыс результатов поиска на платформе Российского индекса научного цитирования (РИНЦ);

2) синтез цифровых двойников отдельных объектов, процессов, явлений и их систем ^[8-10]: около 1600 результатов поиска на платформе РИНЦ;

3) проектирование и разработка программно-аппаратных комплексов для роботехнических систем, совмещающих действие специалиста по диагностике и эксперта по оценке ситуации: около 7000 результатов поиска на платформе РИНЦ ^[11,12].

Каждое из указанных направлений имеет достоинства и недостатки при непосредственном применении указанного программного обеспечения образовательном процессе (табл. 1).

Таблица 1

Достоинства и недостатки непосредственного применения современных программных средств в образовательном процессе высшей школы

Под действием новой информационной среды сформировались и новые условия образования, особенностями которого являются:

– повышение реалистичности физических объектов в виртуальной среде ^[13];

– введение интерактивности, обеспечивающее управление реальным объектом в виртуальной среде;

– автоматизация обработки и анализа результатов, полученных в ходе экспериментального наблюдения за объектами;

– сформированная виртуализация мышления обучающихся, требующая «возврата» человека и переноса полученных знаний в реальный мир.

Анализ новых условий в цифровизации естественнонаучного образования показал необходимость рассмотрения синергетического аспекта со стороны пользователя и разработчика, а также позволили выявить проблемы для исследования:

1) недостаточный уровень развития и детализации виртуальных лабораторий для проведения физического наблюдения, которые построены на основе математических моделей, теории подобия и не допускают проявления случайных факторов присущих человеческому воздействию и влиянию факторов внешней среды;

2) отрыв реального и виртуального миров, который затрудняет перенос результатов наблюдений виртуального на объекты реального мира.

Новые условия применения программного обеспечения позволили сформулировать требования к разработке программного продукта, учитывающие особенности цифровизации естественнонаучного образования:

- Т1: наличие возможности изучения общего и мгновенного состояния объекта в режиме реальном времени и с заданной скоростью и интервальностью во времени;

- Т2: наличие интерактивности при выборе текущего времени при изучении явления, объекта или процесса;

- Т3: наличие инструментов для обработки данных, полученных входе цифрового эксперимента с возможностью построения эмпирической модели;

- Т4: универсальность инструментов программного обеспечения для изучения явления, объекта или процесса с использованием цифровых физических лабораторий.

Достижение поставленной цели авторами выполнено с использованем методов: декомпозиции - для выявления роли каждого пользователя и определения его фунционала; обработки экспериментальных данных - для построения эмпирической модели движения тела; объектно-ориентированного программирования - при разработке программного продукта, реализуещего синергетический аспект; синергетики - при синтезе цифровой физической лаборатории, охватывающей предметные знания по физике, возможности программной реализации и системного анализа предметной области.

2 Синергетический аспект в проектировании цифровой физической лаборатории

Классическое определение понятия «синергетика» определяет ее как новые подходы к изучению объектов, процессов и явлений ^[14-16]. В работе ^[14] автор предлагает укрупненную схему представления синергетики, как комплекс предметного знания, философской рефлексии и математического моделирования. Комбинация этих элементов представлена в виде (1).

Выполним уточнение каждого из элементов этой схемы в рамках синергетического аспекта в естественнонаучном образовании:

1) предметное знание – множество знаний, включающее физику как источник естественнонаучного цикла и физическое образование как средство обучения;

2) философская рефлексия – теоретическая деятельность человека, направленная на осмысление своих собственных действий при исследовании физических явлений;

3) математическое моделирование – наблюдение физических явлений и их описание на языке математики с использованием эмпирических данных реального объекта в виртуальной среде.

В результате произведена детализация общей схемы синергетического аспекта в условиях цифровизации физического образования с синергетической точки зрения. В каждой из составляющих синергетического аспекта выделены акторы, которые представляют собой объекты как живой, так и не живой природы. Например, носителями предметного знания (1) являются: 1.1 – руководитель образовательной программы (РОП); 1.2 – ведущий преподаватель физических дисциплин (ВПФД); 1.3 – тьютер или цифровой тьютер физической лаборатории (ЦТФЛ); 1.4 – обучающийся любого уровня (ОБ); 1.5 – система цифровых физических лабораторий (СЦФЛ) и т.п. Причем состав акторов между разделами может иметь пересечение при назначении выбранных функций.

При проектировании программного обеспечения для цифровой физической лаборатории разработана схема функционирования (рис. 3).

На рис. 3 введены обозначения: Т1…Т4 – обозначение требований, учитывающие особенности цифровизации естественнонаучного образования (см. п.1); 1…12 – обозначение основных модулей программного продукта; блок 3 – определяет выполнение условия по выбору режимы работы с записью эксперимента; 1.3 – значение условия 3 при выборе непрерывного воспроизведения ролика для изучения общего состояния объекта; 0.3 – значение условия 3 при выборе режима пошагового (мгновенного) режима работы в интерактивном режиме с объектом эксперимента; блок 4 – определяет выполнение условия перехода к режиму пошаговой работы с роликам по шагам; 1.4 – значение условия 4 на завершение пошагового режима обработки; 0.4 – значение условия 4 для перехода к следующему шагу (вперед или назад по выбору пользователя).

Рис. 1. Схема синергетического аспекта физического образования: N, J, K – количество акторов, входящих в сценарий взаимодействия при синергетическом аспекте в физическом образования; I – информационные потоки между акторами

На рис. 2 приведен пример диаграммы прецендентов для акторов с указанием информационных потоков при их взаимодействии.

Рис. 2. Диаграмма прецендентов акторов цифровой физической лаборатории: ЦФЛ – цифровая физическая лаборатория; ЦЛР – цифровая лабораторная работа; Extend – расширение прецендента для актора

В табл. 2 выполнено описание функций, выполняемых каждым блоком в программном продукте.

Рис. 3. Схема функционирования программного обеспечения цифровой физической лаборатории

Таблица 2

Функции основных блоков программного продукта для цифровизации физической лаборатории

Инициализация единой системы координат включает: интерактивное определение точки отчета; определение направления осей и значения единичного отрезка по заданным меткам.

В настоящее время выполнена реализация цифровой лаборатории для изучения движения тела средствами С# с использованием .NET Framework 4.7.2.

3 Результаты программной реализации сценария для цифровой физической лаборатории

Реализация сценария, приведенного на рис. 2, привела к созданию элементов цифровой физической лаборатории. Далее приведены результаты реализации одной из серии при изучении «Движения маятника» (рис. 4) и «Падения тел» (рис. 5).

На рис. 4 приведен вид основного рабочего окна для цифровой лабораторной работы при изучении движения маятника. На рис. 4 введены обозначения блоков, отображающих функции согласно табл. 2. Не указанные функции отображаются в окне моделирования явления.

Рис. 4. Вид основного окна цифровой лаборатории при изучении движения маятника

При использовании синергетического аспекта согласно 1 проектируется и реализуется цифровой двойник процесса в виде трех видеороликов, на которых представлено падение шариков. Условия проведения экспериментов для цифрового лаборатории при изучении падения тела приведено в табл. 3.

Таблица 3

Условия проведения экспериментов для создания цифрового двойника процесса при изучении свободного падения тела

Интервал времени между двумя координатами шарика находится по формуле:

где – число кадров между двумя положениями шарика, шт.

Действия обучающегося в традиционном и синергетическом аспектах при выполнении лабораторной работы приведены в табл. 3.

Таблица 3

Действия обучающегося в традиционном и синергетическом аспектах при выполнении лабораторной работы по изучению падения тела

На рис. 5 приведены некоторые результаты хода цифровой лабораторной работы при изучении движения тел, в частности свободного падения, с использованием разработанного программного обеспечения. На рис. 5а показано положение изучаемого тела при существенных качественных изменениях.

а

б

в

Рис. 5. Вид рабочих окон в ходе выполнения цифровой лабораторной работы на примере цифрового двойника при изучении свободного падения тел: а – проявление предметного знания при изучении процесса на основе записанного видеоролика (реализация требований Т1 и Т4); б – вид окна программного продукта с результатами записи выбранных состояния и визуализации результатов (реализация требований Т2 и Т3); в – проявление философской рефлексии: движение артиллерийского снаряда; падение парашютиста; падение метеорита

Достигаемые синергетические эффекты при использовании программного продукта:

1) эффективное осмысление величины ускорения свободного падения, как для физического эксперимента, так и технического процесса;

2) эффективное применение системы автоматизированного научного эксперимента в процессе обучения в высшей школе;

3) получение навыка переноса абстрактного виртуального эксперимента на объекты реального мира.

4 Заключение

1. В ходе выполнения исследования доказано, что современный уровень развития цифровых технологий позволяет перейти к развитию синергетического аспекта в преподавании физических основ для студентов технических направлений, который обеспечивает повышение реалистичности физических объектов в виртуальной среде; введение интерактивности для управления реальным объектом в виртуальной среде; автоматизации в обработке и анализе результатов; виртуализации мышления обучающихся, с возможностью «возврата» человека и переноса полученных знаний в реальный мир.

2. Новые требования реалистичности, интерактивности, автоматизации и виртуализации определили необходимость разработки программного обеспечения для цифровых физических лабораторий с повышенным эффектом философской рефлексии, позволяющей не только обобщить получившие результаты, но перенести свойства двойника на реальные технические процессы.

3. Разработанная диаграмма прецедентов акторов позволила определить порядок поведения участников разработки и использования цифровой физической лаборатории в образовательном процессе.

4. Программная реализация цифровой физической лаборатории позволила реализовать синергетический аспект для цифровой физической лаборатории в высшей школе.

5. Перспективным развитием разработки является проектирование и реализация программных продуктов для выявления синергетических эффектов при изучении разделов оптики и термодинамики.