УЧЕБНИКИ №88 
 

Предметники мира в Сети

Обзор зарубежных цифровых образовательных ресурсов для средней школы.
Фрагменты аналитического доклада «Цифровые ресурсы для общего и начального профессионального образования.
Мировой опыт и проект “Информатизация системы образования”»

История и обществоведение

Большинство рассматриваемых далее технологий применимо помимо истории и обществоведения в различных предметах (литература, МХК). В историческом образовании могут найти применение различные редакторы различных видов информационных объектов (текста, видео и т. д.), редакторы временных осей, генеалогических деревьев, ГИС и т. д. Они позволяют реализовать, в частности, следующие инновационные методики в изучении обществознания (истории, обществоведения):
1. Самостоятельное нахождение и выделение информации в источниках: архивных текстах, фото, видеодокументах, исторических и временных картах, сообщениях средств массовой информации. Анализ, сопоставление, организация, предоставление выделенной информации.
2. Запись личной истории, истории семьи, истории своего города, деревни, запись и анализ результатов опроса и других способов сбора социологической информации. Самостоятельные: сбор (диктофон, видеокамера, сканер и т. д.), организация информации (текст со ссылками, интернет-сайт, слайд-шоу с использованием инструментов и шаблонов, генеалогическое дерево, временные и географические карты, графическое представление статистических данных).
Эти методики, с одной стороны, существенно повышают мотивацию учащихся, с другой – содействуют формированию информационно-коммуникативной компетентности (в том числе навыков критического мышления, коллективного обсуждения и т. д.)
В соответствии с общей парадигмой активной вовлеченности учащегося существенную роль в изучении данной образовательной области могут играть исторические художественные фильмы, тексты и различные интерактивные модели (частным случаем которых являются ролевые игры). Серия таких ролевых моделей “Decisions, Decisions” была создана еще в 80 – 90-е гг. компанией Tom Snyder и до сих пор пользуется большой популярностью в американском образовании: ddonline.tomsnyder.com (ссылка на версию on-line и описания CD).   
Широкий класс социально-экономических моделей, в частности, ролевых игр, может быть построен с помощью инструмента DSOL. Например, этот инструмент использутся для построения различных моделей, описывающих ситуацию производства (поставки, добычи) и потребления в виртуальной лаборатории Global Supply Chain Game, http://www.gscg.org.
При этом существуют и инструменты, с помощью которых учащиеся (и учителя) могут сами создавать в виртуальной реальности театральные постановки и ролевые игры. К ним относится Kar2ouche (http://www.kar2ouche.com/) – инструмент для создания пьес и ролевых игр в театрализованной виртуальной трехмерной реальности. Дает широкий выбор готовых динамических шаблонов, но оставляет простор для сценарной деятельности учителя и учащихся (постановки Шекспира и т.д.).
С точки зрения связи с реальной окружающей жизнью представляет интерес и инструмент реализации процедуры проведения собраний в соответствии со знаменитыми Robert’s Rules of Order: PyGavel (http://sourceforge.net/projects/pygavel).
Достаточно широкое применение в образовательном процессе могут найти и готовые тематические коллекции, планы уроков, тесты, разработанные зарубежными учителями и специалистами.
Исторический компонент хорошо представлен на американском портале GEM, а также на французском портале www.cns-edu.com, откуда можно попасть на временную ось архивных фотографий www.ina.fr.
Для российского образования применимость данных инструментов и дидактических подходов высокая. Применимость источников – относительно высокая в соответствующих темах – может покрыть основные потребности курса всемирной истории. Применимость же цельных УМК – низкая.

Языковое образование

Большая часть качественных ресурсов по изучению иностранного (и в определенной степени родного) языка комбинирует ряд существующих технологий.
Clicker (http://www.cricksoft.com/
us/products/clicker/default.asp) – пример продукта высокой степени популярности (многочисленные призы и т. д., ряд языков, включая русский), прежде всего для изучения родного языка, в том числе и неуспешными учащимися. Он базируется на соответствии “изображение – звучание – текст”. На экране имеются картинки, целые слова и буквы. Учащийся может составлять тексты и слышать их звучание.
GUT (http://gut.languageskills.co.uk/) (также победитель ряда конкурсов) – набор ресурсов, включая упражнения всех видов, тематическое и поурочное планирование, соответствующее британским программам по ряду европейских языков.
The Rosetta Stone (http://www.rosettastone.com) – популярный продукт, реализующий методику погружения (на уровне до виртуальных сред).
LingoTeach (http://www.lingoteach.org/).
Language Learning Solutions (http://www.onlinells.com/onlinells/) – система управления учебным процессом, прежде всего процессами аттестации и оценки знаний, базирующаяся на готовой батарее тестовых заданий, позволяющая учителю, работая с интернет-ресурсами, выстраивать учебный процесс.
SpellingPractice (http://www.spellingpractice.org/). Система автоматизированной тренировки и проверки грамотности с открытым кодом. Использует аудио-поддержку. Многоплатформенная (Windows, Mac, Lynux). Классифицирует ответы учащихся и выделяет тенденции в классе.
Среди инструментов имеются “Automated Essay Graders”, то есть системы анализа сочинений, автоматически выставляющие оценку, используемые, в частности, в GRE, GMAT, TOEFL. Однако до сих пор, несмотря на высокую корреляцию их оценок с экспертными, качество их работы вызывает серьезное сомнение. (Дело в том, что корреляция может быть велика, но тренировка на получение хорошей оценки у такого инструмента может привести к сильному смещению целей и существенных результатов образования.)

Физика

В физике важную роль играет наблюдение за окружающим миром (включающее и измерение тех или иных величин, характеризующих состояние этого мира или какой-то системы в нем). Это наблюдение может предваряться созданием условий для осуществления некоторого процесса – постановкой эксперимента и затем проведением эксперимента (процессом) и наблюдением за этим процессом.
Изучение физики, как и других естественных наук, может привлекать наблюдение и эксперимент в большей или меньшей степени. При самом быстром способе прохождения предмета наблюдение, эксперимент лишь упоминаются как отправные точки для построения теории, которая излагается учителем или учебником и запоминается учащимся (репродуктивно-знаниевый подход). Альтернативой является “исследовательский подход”, при котором учащийся максимально вовлекается в наблюдение, эксперимент, сбор информации, измерения, обработку и анализ их результатов, построение гипотез, объясняющих результаты наблюдений и экспериментов, обсуждение, при необходимости уточнение или отбрасывание этих гипотез. Такой подход замедляет прохождение материала, однако в современной педагогике считается, что для многих учащихся он особенно ценен, потому что в нем происходит не запоминание (обычно недолгое) отдельных фактов, а освоение естественно-научного метода. Меньшее число фактов, но добытых и объясненных самостоятельно, запоминается несравненно лучше. Безусловно, между двумя описанными подходами нет пропасти: и при репродуктивном подходе учитель старается увлечь учеников описанием явлений природы, использует различные средства наглядности, проводит (правда, краткие и немногочисленные) обсуждения, демонстрационные опыты, иногда жестко регламентированные и алгоритмизованные фронтальные лабораторные работы, и при исследовательском подходе учитель в определенной степени предлагает готовые инструменты и фиксирует формулировки научных гипотез и выводов, которые затем спрашиваются (правда, “своими словами”).
ИКТ может существенно повысить эффективность изучения физики. Это относится в определенной степени и к репродуктивному подходу, когда повышается эффективность выступлений учителя, тестирования учащихся. Однако в еще большей степени это относится к исследовательскому подходу.
При проведении эксперимента подсоединенные к компьютеру цифровые измерительные приборы (датчики) дают возможность автоматического, точного и быстрого измерения интересующих нас физических величин. Эти измерения могут быть отражены на графике, массивы данных могут быть обработаны для снижения влияния случайных ошибок и т. д. (О соответствующих математических инструментах речь шла выше.)
При наблюдении существенные возможности открываются благодаря использованию цифровой видео- и аудиозаписи физических процессов и воспроизведения записи как на индивидуальном экране, так и на проекционном – для всего класса. При этом могут быть выделены любые фрагменты, в том числе и единичные кадры. Видеофрагменты могут быть включены в сопровождение выступления, в интернет-страницы и т. д. Кадры видеозаписи могут быть размечены таким образом, чтобы непосредственно соответствовать схематическому изображению процесса и графикам. Видео может также сочетаться с датчиками.
Коллекции правильно описанных видеозаписей могут быть использованы в различных моделях учебного процесса. Они также важны для математики, давая примеры процессов для математического исследования, чего очень не хватает существующим курсам математики.
Мощность современных компьютеров позволяет осуществлять весьма точное математическое моделирование физических процессов, в основном достаточное для нужд средней школы. В традиционных случаях компьютерного моделирования 1940 – 1980 гг. результаты моделирования далеко не всегда получали наглядное представление. В современных условиях и это возможно: можно получить на экране достоверную анимацию падения, скатывания, столкновения и т.д., можно даже увидеть трехмерную модель такого процесса, можно увидеть векторное поле и движение частицы в нем.
Демонстрация видеозаписи процесса и анимированного результата его математического моделирования не взаимозаменяемы. Дело в том, что при использовании правильного уровня схематичности визуализированной модели она уже является шагом на пути к построению учащимся формальной модели в рамках заданной физической теории. При этом современные компьютерные средства позволяют совместить видеозапись и анимацию, скажем, на видеозаписи движения объектов некоторой механической системы можно отметить центры масс, векторы скорости и т.д. Следующим уровнем абстрагирования от физической реальности является представление отдельных переменных, например, x-координаты материальной точки, на графике (в зависимости от времени). На той же координатной плоскости, естественно, можно расположить график изменения той же величины, предсказываемый рассматриваемой теорией.
В преподавании физики, как и некоторых других разделах естествознания и математики, сегодня существенную роль играют виртуальные лаборатории, в которых в режиме прямого экранного редактирования можно поставить эксперимент и немедленно увидеть его ход. Виртуальные лаборатории могут предоставлять экспериментатору различную степень свободы:
Анимацию, детерминированно повторяющую видео (что, как было сказано выше, тоже бывает полезно, так как демонстрирует схему эксперимента, может добавлять векторы, графики и т.д.).
Параметризованную анимацию, когда на экране наряду с лабораторной установкой имеются ползунки, позволяющие менять числовые значения параметров (обычно можно бывает ввести и числовое значение в окошко ползунка), а также, пользуясь мышью, перемещать отдельные объекты по экрану, конец вектора скорости и т.д.
Свободный эксперимент, где лабораторная установка может быть собрана в виртуальной среде и потом запущен эксперимент.
В настоящее время в ряде образовательных систем сформировалась культура УМК, прежде всего в сфере высшего образования, где практически любое занятие сопровождается рядом виртуальных экспериментов, проводимых самим студентом. Обычно это осуществляется в виде аплетов, доступных через интернет. Показательно, что эти виртуальные эксперименты являются типичными учебными объектами (LOM), но сегодня все еще, как правило, не описываются в соответствии с современными стандартами.
Ситуация с физикой достаточно типична и продвинута, и имеет смысл рассмотреть ее более детально.
Американская ассоциация учебных ресурсов по физике: Physics Instructional Resource Association (PIRA) http://www.wfu.edu/physics/pira/index.htm создала схему классификации всевозможных демонстрационных реальных (не компьютерных, не цифровых, а традиционных) экспериментов: Demonstration Classification Scheme http://www.physics.ncsu.edu/pira/
Также PIRA создала список ссылок на сайты ряда университетов, других организаций и отдельных специалистов (в первую очередь американских): PIRA Webring, http://www.wfu.edu/physics/pira/webring/PIRAwebring.html, где каждый выкладывает информацию о реальных экспериментах, которые осуществляются в лабораториях, их описаниях (лабораторное оборудование, методика проведения), рисунки и фотографии установок и проведения эксперимента; эта информация полезна для тех, кто проводит эксперимент, но, как правило, не может эксперимент заменить. Таким образом, имеется интернет-ресурс по методике проведения экспериментов по физике c видеозаписями экспериментов, виртуальными экспериментами, список из 200 важнейших экспериментов.
Впечатляющий пример того, что один человек может создать в Java (в составе того же PIRA), представляет собой сайт http://www.falstad.com/mathphysics.html.
Пример ценного комплексного ресурса, посвященного микроскопии и микрофотографии и доступного школьнику: http://micro.magnet.fsu.edu/primer/index.html.
Примером УМК по физике, включающего видеоколлекцию, является http://paer.rutgers.edu/pt3/ – 185 видео и исследовательский курс, покрывающий ряд основных разделов общеобразовательного курса в российской школе, построенный вокруг этих видеофрагментов. Этот УМК дает также пример пометки копирайта, характеризующий возможности для использования ресурса в Проекте: © 2001–2004 E. Etkina, A Van Heuvelen, D. Brookes. The video(s) and ideas contained in this page may be freely copied and used for educational purposes provided that the authors are acknowleged. The video(s) may not be used for commercial purposes.
Коллекция Smart Science labs (http://www.paracompusa.com/SmartScience/SmartScienceInfo.html) включает видеозаписи процессов, иллюстрирующих основные вопросы школьных программ (имеется разметка программ по естествознанию всех штатов США), каждая видеозапись увязана с учебно-исследовательским модулем.
Инструменты анализа видеозаписей физических процессов позволяют покадрово размечать видеозапись и получать график положения, скорости, ускорения, силы, момента, энергии и т. д.:
VideoPoint (http://www.lsw.com/videopoint/ )
World-in-Motion (http://members.aol.com/raacc/wim.html )
Measurement-in-Motion (http://www.learninginmotion.com/products/measurement/index.html )
Tracker (http://www.cabrillo.edu/dbrown/tracker/index.html ), программа на Java с открытым кодом (by Doug Brown), включающая помимо обычных возможностей достаточно тонкие процедуры анализа изображения, позволяющие частично автоматизировать видеоанализ и сделать его более точным.
CameraScope (http://www.teacherlink.org/tools/) – свободно распространяемый инструмент, используемый не только с отснятым видео, но и с цифровым микроскопом.
DataPoint (http://www.stchas.edu/faculty/gcarlson/physics/datapoint.htm) – свободно распространяемый инструмент видеоанализа.

В сочетании с датчиками эта технология используется компаниями Vernier: www.vernier.com и Fourier: www.fourier-sys.com.

Коллекции моделей, созданных в Java, и инструментов их создания.
NatSim.net – сайт, на котором имеется несложный каталог, с помощью которого можно найти нужную модель среди имеющихся 14 000. Среди этих моделей имеются Physlets: http://webphysics.davidson.edu/Applets/Applets.html – физические модели (более 5000), созданные в Davidson College с помощью системы с открытым кодом в Java и следующими свойствами. Аплеты создаются в скрипторах. В частности, имеются скрипторы для ньютоновского взаимодействия гравитационных и заряженных частиц, оптики (оптическая скамья), двумерного взаимодействия волн, электротехники, квантовой механики и т.д. Имеется метаскриптор, в котором могут создаваться скрипторы. На одной странице может быть размещено несколько аплетов (несколько экспериментов), возможно, в разных скрипторах, запускаемых параллельно. При этом разные аплеты могут иметь общие данные. Ввод численных параметров может осуществляться с клавиатуры или движками. Данная система является базовой для УМК по общей физике, изданного Prentice Hall, использующегося в ряде американских и немецких университетов. В УМК входят также учебник, книга для учителя, система семинаров для учителей, подробное пособие по созданию аплетов и скрипторов.
Другим примером систематического создания коллекции моделей на Java является проект The Open-Source Physics Education (OPEN) (http://www.opensourcephysics.org/), в рамках которого разработаны:
Tracker, уже упоминавшийся выше;
Statistical and Thermal Physics(http://stp.clarku.edu/simulations/), STP, project by Harvey Gould and Jan Tobochnik;
Easy Java Simulations (http://fem.um.es/Ejs/) modeling tool by Francisco Esquembre;
Java edition of an An Introduction to Computer Simulation Methods by Harvey Gould, Jan Tobochnik, and Wolfgang Christian (http://www.opensourcephysics.org/).
Последнее учебное пособие предназначено прежде всего для студентов университетов, специализирующихся в области вычислительной физики, но отдельные его главы могут быть использованы для элективных курсов в профильном обучении.
Еще один пример качественной коллекции (меньшего масштаба) помимо упоминавшихся выше: http://jersey.uoregon.edu/vlab/
Следующие две виртуальные лаборатории могут рассматриваться как переходные от физики к технологии и профессиональному образованию.
Physics Academic Software http://www.webassign.net/pasnew/      распространяет несколько десятков коллекций ресурсов по физике, к числу лучших из них относится и российский продукт “Физика в картинках” (одна из ранних версий “Открытой физики” Физикона). Распространяемые ресурсы содержат модели в основном второго уровня.
Crocodile Clips http://www.crocodile-clips.com/index.htm (Великобритания) – наиболее продвинутая и устойчивая на рынке компания, производящая виртуальные лаборатории второго уровня для ряда школьных предметов.
Британской же системой является Krucible, http://www.krucible.com/, имеющая богатую (“реалистичную”) графику, но пока намного более узкий спектр виртуальных лабораторий: Энергия, Силы и Волны. Она поставляется вместе с 25 уже заданными экспериментами и методическим сопровождением этих экспериментов (включая журналы наблюдений и вопросники для учащихся и т. д.).
К виртуальным лабораториям третьего уровня относится Interactive Physics http://www.interactivephysics.com/, охватывающая широкий спектр физических ситуаций (наиболее полно – механику). Последние версии этой лаборатории используют даже имитацию эффекта приложения силы учащимся и соответственно реакции материального тела, среды и т. д. (forced feedback – реализуется с помощью особого джойстика). Одна из ранних версий Interactive Physics была использована для создания бесплатно распространяемой системы с открытым кодом Modulos http://modulos.sourceforge.net/. Для обеих систем имеются русские версии, на базе Interactive Physics созданы УМК по отдельным разделам российского курса физики.

ThinkerTools (UC Berkeley) http://thinkertools.soe.berkeley.edu/ – пример разрабатываемой интегрированной системы инструментов и инновационного УМК (включая систему альтернативного оценивания), призванных обеспечить реализацию исследовательского подхода в школьном образовании. Включает: 1) Inquiry Island – модуль, который организует и структурирует процесс учебного исследования, в том числе планирование, запись результатов. При этом управление процессом ведется за счет возможности обращения учащегося к агентам-советчикам; 2) Force-and-Motion – уже реализованный модуль по механике, позволяющий учащемуся рассматривать альтернативные представления о силе и движении (например, интуитивно убедительную механику Аристотеля и т.д.).

Химия

Ситуация в химии во многом близка к ситуации в физике. Ее специфика состоит в важности системы наглядных представлений, помогающих моделировать химические взаимодействия и процессы. При этом указанные представления не соответствуют никакой макроскопической картине, по существу, являются полностью виртуальными реализациями физико-математических формализаций.
Примером коллекции визуализаций молекулярных структур, в основном достаточной с точки зрения общего среднего и начального профессионального образования, является Common Molecules collection, часть Reciprocal Net project, включающая наиболее важные с общенаучной и образовательной точек зрения молекулы. Эта коллекция входит в NSDL.
Виртуальные молекулярные лаборатории строятся исходя из моделей разной степени “грубости”. Например, обычный молекулярный конструктор, имеющийся в комплекте химической лаборатории, из пластмассовых трубочек и шариков с дырочками позволяет присоединить что угодно к чему угодно и расположить это как угодно. Есть и виртуальные варианты такого конструктора. Примером математически существенно более точной модели является Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR, Electron Domain Theory, по-русски обычно переводится как “отталкивание электронных пар валентной оболочки атомов”). (http://www.shef.ac.uk/chemistry/vsepr/). По сути, это способ предсказания геометрических форм молекул (т.е. положения валентных пар в пространстве) на основании анализа распределения электронных плотностей. Эта модель используется в ряде виртуальных молекулярных лабораторий.
Более тонкие эффекты учитываются в виртуальной лаборатории Molecular Workbench (http://workbench.concord.org/modeler/index.html). Эта виртуальная лаборатория, охватывающая ряд моделей, работающих в химии, физике, биологии, построена на основе весьма точных профессиональных математических моделей движения ансамблей атомов и молекул. Это дает возможность наблюдать в модели: сохранение энергии, газовые законы, давление, фазовые переходы, химические связи и реакции, катализ, максвелловское распределение, теплопередачу, осмос, электролиз, электрофорез, жидкие кристаллы, полимеры, различные биохимические эффекты. Классическая молекулярная динамика плюс учет квантовомеханических эффектов в форме “правил поведения” молекул позволяет моделировать и визуализировать ряд типов химических реакций.
Важнейшей особенностью лаборатории является возможность одновременно наблюдать поведение молекул и макроскопические следствия этого поведения, а также вести несколько экспериментов параллельно. Модели являются динамическими, поскольку представляют именно динамику молекулярных процессов, учащийся наблюдает движение молекул и взаимодействие между ними. Модели являются интерактивными, поскольку позволяют учащемуся ставить произвольные эксперименты и вносить все возможные изменения в параметры моделей. Лаборатория является открытой – она позволяет строить широкий класс экспериментов и различными способами отображать их на экране.
Визуализация молекулярных структур осуществляется различными аплетами Java. Примером несложного качественного визуализатора является Java (java.sun.com) Chem3D(http://www.cambridgesoft.com/products/family.cfm?FID=3). Одним из самых мощных визуализаторов с определенными возможностями редактирования является JMol, ChemViz (Chemistry Visualization) (http://chemviz.ncsa.uiuc.edu/) включает визуализатор Waltz, структурную базу данных CSD и молекулярный редактор Nanocad.

Учебно-методические комплексы

Одним из популярных примеров УМК служит очень добротный по содержанию курс химии ChemCom, созданный Американским химическим обществом /American Chemical Society совместно с издательством W.H. Freeman (www.whfreeman.com/cemcom). W.H. Freeman издает Scientific American, сделал очень много для поддержки курса, создав на своем сайте различные уровни поддержки – от иллюстраций до интерактивных моделей. Кроме того, учитель может на сайте издательства собрать собственный учебник из отдельных модулей (УММ) в зависимости от потребностей учителя. В модели УМК предполагается активное рассмотрение приложений химии к жизни и потребностям школьников их “local communities”. Поэтому в названии курса есть первые три буквы слова химия и слова “communities” – ChemCom.

Проект Chem Connections (http://chemistry.beloit.edu/) реализован двумя консорциумами – ChemLinks Coalition и Modular Chemistry Consortium как часть the National Science Foundation’s Systematic Change Initiative in Chemistry. В его реализации принимали участие более сотни преподавателей из сорока двухгодичных, четырехгодичных колледжей и университетов.

Каждый из разработанных в рамках проекта учебно-методических модулей независим от других (но связан с общими рекомендациями по преподаванию химии и общим методическим конструкционистским подходом), относится к актуальной, интересной учащимся и общественно значимой проблеме, проходится в течение 2–4 недель. Каждый из модулей организован так, что может быть использован в обучении как в специализированном курсе химии, так и в общенаучном курсе естествознания для учащихся, например, гуманитарных дисциплин.
The Chemistry Collective http://www.chemcollective.org/ – созданная специалистами Carnegie Mellon University коллекция виртуальных лабораторий (на Java), учебных модулей, которые могут быть включены в различные курсы химии.

Цифровое (гипертекстовое) издание MathMol (http://www.nyu.edu/pages/mathmol/) является хорошо написанным введением в цифровое моделирование и визуализацию молекул и химических процессов. Оно включает и введение для старшеклассников, представляющее интерес как интегративный химико-математический курс.

Биология

Для школьной и вузовской биологии характерен высокий уровень организационных усилий в области цифровых образовательных ресурсов.
В частности, активно функционирует портал Network) Collaborative, созданный The American Association for the Advancement of Science (www.aaas.org). Направлениями сотрудничества между организациями и индивидуальными специалистами в области биологического образования, реализуемыми на портале, являются помимо создания цифровых коллекций формирование новых дидактических моделей, адекватных систем аттестации, интегративных курсов и ресурсов. Основным содержанием базы ресурсов, поддерживаемой на портале, являются описания (метаданные), созданные на основе формирующихся стандартов (см. выше) и рецензирования внутри профессионального сообщества (peer-reviewed). Таким образом, портал представляет собой один из немногочисленных прототипов строящегося в рамках Проекта Хранилища ЦОР для российского образования. В приложении Коллекция BEN приведена информация о структуре запросов и рубрикации описаний на данном Портале.
Значительным проектом в области формирования ЦОР по биологии является также The National Biology Digital Library (NBDL), поддерживаемый National Science Foundation (NSF). Характерно участие в проекте The National Center for Supercomputing Applications (NCSA) – основного исполнителя по проектам (в том числе международным) по распределенным вычислительным ресурсам GRID.
Примером более скромного проекта, непосредственно ориентированного на образовательные нужды, является BIODIDAC (http://biodidac.bio.uottawa.ca/), где собрано более 6 тыс. оцифрованных изображений.
Коллекция Bio-DiTRL представляет интерес, в частности, с точки зрения вопросов организации прав использования ресурсов.
Botanical Image Database – собранная в University of Basel коллекция из нескольких тысяч изображений растений.
Важнейшим разделом биологии, для которого построены виртуальные лаборатории, является генетика. BioLogica – пример генетической лаборатории, рассматривающей феномен наследственности на молекулярном, генетическом уровнях и уровне биологической особи. Для этой лаборатории создана система учебно-методических исследовательских модулей. Особый класс инструментов образуют классификаторы и определители – инструменты, включающие в себя значительный объем информационных источников. Пример инструмента моделирования и визуализации в области молекулярной биологии, используемого в исследовательской практике и университетском образовании, – Cytoscape v2.0 (http://www.cytoscape.org).
The Systems Biology Markup Language (SBML) http://sbml.org/index.psp – открытый стандарт представления моделей биохимических реакций, в том числе связанных с метаболизмом, передачей сигнала и управлением в биологических системах.
Экологическая проблематика дает большой простор для компьютерного моделирования, в том числе в форме ролевых игр. Приведем один пример: Household Waste Management (Interactive) Разработан US Environmental Protection Agency и Purdue University.
Малые модели, анимации имеются по многим разделам биологии (метаболизм, сообщества, клетка и т.д.), см., например: http://users.pandora.be/educypedia/education/biologyanimations.htm

Учебно-методические комплексы

Интересным примером создания современного УМК, которые удачно сочетает исследовательский подход, качественные учебники и разумное применение ИКТ, служит УМК “Biology Exploring Life” (www.usingexploringlife.com), которую авторы и издатель (Pearson publisher) характеризуют не столько как учебник, сколько как исследовательские активности, поддерживаемые учебником и web-сайтом. Действительно, в большинстве случаев авторы вначале формируют концепцию, потом предлагают исследовать ее экспериментально, используя лабораторные работы и задания, приводимые на web-сайте, и только затем наступает пора очень хорошему учебнику.
Одним из самых замечательных достижений в области создания коллекций информационных источников является проект A.D.A.M. Результатом этого проекта (начавшегося около 15 лет назад) явилось создание коллекции из нескольких десятков тысяч анатомических иллюстраций. На базе этой коллекции возникло большое количество продуктов, покрывающих широкий круг применений: справочники для профессионалов (полная латинская номенклатура и т.д.); пособия по подготовке презентаций (в том числе анимированных) для пациентов; массовая медицинская энциклопедия; коллекции и базирующиеся на них интерактивные детские энциклопедии для различных возрастов; УМК для различных ступеней обучения – от начальной школы до вуза и ординатуры.

География

Цифровые интернет-ресурсы в обучении географии могут быть сгруппированы по следующим категориям.
Коллекции текстовой иллюстрированной информации, которая может быть использована при изучении географии, в том числе углубленном, например, иллюстрированные путевые заметки:
http://nature.worldstreasure.com/ Чудеса природы. Иллюстрированные и классифицированные по географическому расположению материалы о природных явлениях.
http://www.aag.org/ Association of American Geographers (Ассоциация американских географов).
http://atlasphoto.iwarp.com/indexr.html Русскоязычный каталог фотопейзажей по континентам и странам.
Интересные возможности предоставляют постоянно включенные web-камеры, например, http://dsc.discovery.com/cams/cams.html.

Справочная и статистическая информация, отражающая современную ситуацию и поэтому дополняющая учебники и бумажные справочники. Большой объем всевозможной информации обо всех странах мира постоянно поддерживается Библиотекой Конгресса США http://international.loc.gov/intldl/intldlhome.html Обновляемые статистические данные (демографические, экономические и социальные показатели) по странам мира содержатся на сайте ЦРУ США в форме ресурса “Мировая книга фактов” (World Factbook): (http://www.cia.gov/cia/download.html). Разумеется, значительный объем географической информации содержится и в универсальных энциклопедиях, например, http://www.encarta.com/.

Картографическая информация, данные дистанционного зондирования Земли (в т.ч. аэрокосмические снимки): http://geography.about.com/cs/photos/ – карты и космические снимки различных участков земной поверхности. http://www.nasa.gov/centers/goddard/home/index.html – раздел портала NASA, посвященный дистанционному изучению Земли из космоса.

Математика

Существенным для математического мышления и математического образования является соотнесение формальных моделей, задаваемых прежде всего текстами (формулами, цепочками доказательств) содержательными, интуитивными (прежде всего наглядными, образными), а также устной и письменной речью. В соответствии с этим важное место в школьном образовании занимают наглядные образы, наиболее очевидно возникающие в геометрии, где образы объектов являются отправной точкой для формальных построений, и в исследовании функций, где графики иллюстрируют основные изучаемые свойства и соответствия. Таким образом, быстрая и точная визуализация, даваемая компьютером, оказывается мощным средством обучения. При этом возможности компьютерной визуализации оказываются существенно более широкими по сравнению с традиционной страницей учебника, доской с мелом и плакатом. В частности, компьютер позволяет:
1. Мгновенно и непрерывно менять те или иные параметры объектов (например, в т.н. динамической геометрии перемещать какую-либо точку конфигурации, сохраняя систему соотношений в конфигурации и последовательность построений), в компьютерной алгебре изменять коэффициенты многочлена и видеть, как меняется его график и т. д. Это открывает возможности для принципиального изменения роли эксперимента в математическом образовании.
2. Визуализировать процессы (например, дискретный процесс выполнения алгоритма), непрерывные физические процессы в виде графиков координат величин, траекторий движения и т. д. (что существенно для освоения элементов прикладной математики), результаты случайных испытаний…

Также существенной является гибкость, даваемая средствами ИКТ при работе с текстами, в том числе их редактировании, передаче, рецензировании. Современные компьютерные инструменты позволяют автоматически решать все школьные задачи из области алгебры и анализа. При этом инструменты могут быть настроены так, что решение состоит из шагов “школьного типа” и приводит к “школьному” ответу (в том числе – в символической форме – “с корнями, арксинусами и т.д.”).
Это дает возможность для различных применений компьютера, среди которых:
– развитие математической интуиции, основанной на богатстве наглядных моделей и их связей с формульными и текстовыми;
– развитие исследовательского, экспериментального подхода в изучении математики;
– расширение круга решаемых задач чистой и прикладной математики, основанное на контролируемом использовании компьютерных инструментов (в частности символьные преобразования, вычисления большого объема при численном моделировании, репетитор, подсказывающий при необходимости правильный ход и комментирующий неправильные);
– раннее освоение базовых разделов современной математики, прежде всего математики конечных, дискретных объектов и процессов, математики мышления и коммуникации.
Обработка данных (наблюдений и т. д.) – относительно новый для российского образования раздел математики – успешно поддерживается цифровыми инструментами, в том числе и школьного уровня. Эти инструменты (наряду с инструментами визуалиции), осваиваемые в математике, должны применяться в целом ряде других образовательных областей.
Одним из вопросов, возникающих в связи с использованием ИКТ в обучении математике, является построение инструментария и стандарта для записи математических формул. Стандартный инструментарий Microsoft Office позволяет записывать несложные формулы. Математики, однако, в своем большинстве используют редактор ТеХ с открытым кодом http://macware.ru/program_prog_id_138.html. Сложность его применения в школе определяется, в частности, тем, что он не является редактором, в котором редактируемый объект создается на экране непосредственно (WYSIWYG); пользователь пишет несложный код, который можно быстро откомпилировать и увидеть результат на экране, но все же это не непосредственное перетаскивание и выбор из меню. TeXmacs можно считать достаточно удачной реализацией в открытом коде режима WYSIWYG и качества набора TeX.
На роль открытого стандарта претендует сейчас MathML http://www.integretechpub.com/products/techexplorer/, разработанный в рамках W3C. Существует, в частности, open source WYSIWIG редактор Open Math Edit, http://mathcast.sourceforge.net/
home.html, тексты которого могут экспортироваться в MathML.
Рассмотренные выше технологии реализуются в цифровых образовательных ресурсах различного уровня сложности. Здесь выделяются два основных направления: 1) создание мощных систем широкого профиля (например, одновременная работа с функциями, графиками, уравнениями); 2) программирование конкретных заданий и примеров на Java.
Идея “динамической геометрии” включает в себя несколько компонентов. Экран компьютера как интеллектуальная чертежная доска. Чертежными инструментами здесь являются обычные для задач на построение циркуль, транспортир, линейка (для проведения и измерения отрезков), именование объектов буквами. Интеллектуальность доски состоит в том, что построенную конфигурацию она воспринимает именно как конфигурацию, то есть в дальнейших изменениях (см. ниже) отслеживает, что через что проходит, чего касается и т. д.
Мышь как инструмент управления экспериментом. В динамических геометриях обычно можно бывает зацепить мышью какую-то точку и точку эту куда угодно перетащить. Возникает новый пример конфигурации, тем самым ставится новый эксперимент, и можно (немедленно) получить его результаты.

Вот список основных “динамических геометрий”.
Geometer’s SketchPad http://www.keypress.com/sketchpad/ – наиболее успешный и устойчивый продукт, разработанный и обкатанный в США, используемый в ряде учебников, в том числе инновационных (D. Thomas), и интернационализированный (Япония, Россия). В настоящее время включает также алгебру и графики, покрывающие базовые потребности основной школы. На базе русской версии Geometer’s Sketchpad (ИНТ) разработаны УМК на основе существующих учебников Атанасяна и Колмогорова и инновационные УМК (Г. Шабат, В. Рыжик).
Cabri Geometry http://education.ti.com/us/product/software/cabri/features/features.html – французский продукт, обладающий рядом тонких преимуществ перед другими. Его международное продвижение осуществляется Texas Instruments на базе графических калькуляторов этой фирмы.
Cinderella http://www.mathsnet.net/dynamic/cindy/index.html – продукт, исходно разработанный как open source, в настоящее время коммерциализован.
Dr. Geo http://www.ofset.org/articles/81 – open source – продукт, работающий в среде UNIX и Mac OS X.
Интересным примером сочетания компьютерной виртуальной лаборатории с конструированием в трехмерном мире является GeomeTricks: www.geometricks.com.
Особое место среди виртуальных лабораторий по геометрии занимает The Geometric Supposer http://www.cet.ac.il/math-international/software5.htm – уникальный продукт, который наряду с важными чертами “динамических геометрий” поддерживает и более тонкий геометрический контекст, связанный, например, с понятиями “вписанный” и “описанный” и с шагами геометрического доказательства. Входит в состав УМК, разработанного в Центре образовательных технологий (Израиль).
Базовые элементы алгебры и анализа (функции и графики) имеются уже в последних версиях Geometer’s SketchPad и других геометрических лабораторий. Однако, чтобы обеспечить все школьные применения, может потребоваться более мощная среда. В российской школе накоплен определенный опыт по использованию среды DERIVE, разработанной в 80-е гг. на базе облегченного LISPа (muLISP). В вузовской сфере формируется определенные сферы использования широко разрекламированного, но до последнего времени слишком тяжелого для персональных компьютеров пакета Mathematica, http://www.wolfram.com/products/mathematica/index.html. Его конкурентами являются менее мощные и блестящие Maple http://www.maplesoft.com/products/maple/index.aspx, MathPlus http://www.logedu.com/mathplus.html. Большой популярностью пользуется MATLAB (www.mathworks.com/products/matlab/), включающий и систему моделирования и визуализации моделей.
Существует ряд разработок с открытым кодом, покрывающих основные потребности общего образования (включая профильное) в области алгебры и анализа:
MuPAD (http://research.mupad.de/) – популярная система компьютерной алгебры, включающая возможности визуализации и численного моделирования, разработанная в Университете Падерборна (ФРГ) совместно с компанией SciFaceUniversity of Paderborn. Версия MuPAD Pro 2.5 (http://research.mupad.de/download.html), распространяется бесплатно. Стоимость лицензии на более поздние (до 3.1) версии может оказаться также небольшой.
Scilab (http://scilabsoft.inria.fr/) – мощная вычислительная система, исходно разработанная научными работниками INRIA и ENPC, в настоящее время поддерживаемая Scilab Consortium.
Maxima (http://maxima.sourceforge.net/) (весия 5.9.1 – 2004 г.) – одна из наиболее старых, мощных и надежных систем компьютерной алгебры, первые версии которой разрабатывались в MIT. Сейчас работает на персональных компьютерах и имеет открытый код. Ее возможности приблизительно эквивалентны Maple.

Область классического математического моделирования огромна. Но в современном школьном образовании она представлена очень слабо. (В вузовском, естественно, используются профессиональные пакеты и их облегченные версии.) В российской школе математические модели встречаются в физике, где происходит вычисление по формулам. В профильном обучении должны найти отражение по крайней мере такие представленные в других странах на уровне колледжа математические модели, как Системная динамика (STELLA http://www.iseesystems.com/(v0mm45j1bai35my3g2niqm45)/index.aspx) и Метод конечных элементов (последний, видимо, станет одним из важнейших элементов формирующегося сейчас во многих странах содержания образования в области математики и прикладной математики на уровне профильного обучения в старших классах, с подготовительными элементами дискретного моделирования в средней и начальной школе). Еще одним примером может служить GoldSim (www.goldsim.com) – виртуальная лаборатория, предназначенная для построения широкого круга моделей, включая физические, экономические, организационные и т. д. Безусловного внимания заслуживают и УМК, построенные с использованием такого общего моделирующего инструмента, как динамические таблицы (spreadsheets), и настроек на различные предметные области.

Информатическая математика (математическая информатика, theoretical computer science). Накопленный здесь инструментарий может найти приложение в профильном обучении.
Turing world http://www-csli.stanford.edu/hp/#Turing – система моделирования программирования и работы машины Тьюринга.
Tarski world http://www-csli.stanford.edu/hp/#Tarski – система моделирования логики предикатов с помощью пространственных отношений трехмерной виртуальной реальности.
Karel the Robot http://www.mtsu.edu/~untch/karel/ – виртуальный двумерный мир, позволяющий ставить задачи различного уровня сложности в целях обучения основам структурного программирования (его российский аналог – популярный исполнитель Робот в лабиринте).
Logo (www.microworlds.com/, http://www.logo.com/cat/browse/logo.html) – семейство виртуальных сред, объединенных персонажем “Черепашка Лого”, перемещающимся по команде учащегося. В отличие от предыдущих виртуальных сред Лого используется прежде всего в начальной школе, но пригоден и для изучения фундаментальных основ информатической математики и программирования вплоть до старшей школы и первых курсов университета. Лого используется миллионами учащихся различных стран, включая Россию.

Окончание читайте в следующем номере “Учебников”

Ваше мнение

Мы будем благодарны, если Вы найдете время высказать свое мнение о данной статье, свое впечатление от нее. Спасибо.

"Первое сентября"