Применение электронного обучения и дистанционных образовательных технологий при повышении квалификации и переподготовке инженерных кадров

Афанасьев Валентин Петрович

профессор, д-р. техн. наук, заведующий кафедрой квантовой электроники и оптико-электронных приборов,

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

им. В.И. Ульянова (Ленина)

ул. профессора Попова, 5, г. Санкт-Петербург, 197376, +78122343160

vpafanasjev@mail.ru

Коноплев Георгий Асадович

доцент, канд. техн. наук, доцент кафедры квантовой электроники и оптико-электронных приборов,

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

им. В.И. Ульянова (Ленина)

ул. профессора Попова, 5, г. Санкт-Петербург, 197376, +78122343160

ga_konoplyov@mail.ru

Тимофеев Александр Викторович

доцент, канд. техн. наук, начальник отдела новых технологий обучения и сопровождения учебного процесса, доцент кафедры вычислительной техники,

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

им. В.И. Ульянова (Ленина)

ул. профессора Попова, 5, г. Санкт-Петербург, 197376, +78123461724

avtimofeev@etu.ru

Аннотация

В статье обобщен опыт Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ) по применению электронного обучения и дистанционных образовательных технологий по программам повышения квалификация «Технология и диагностика тонкопленочных солнечных модулей на основе кремния» (в рамках пилотного проекта РОСНАНО) и «Тонкопленочная солнечная гетероструктурная фотовольтаика» (в рамках президентской программы повышения квалификации инженерных кадров). Рассматривается организация дистанционного обучения, реализация различных видов активности. Особый акцент сделан на проведении интерактивных занятий, в том числе интерактивных виртуальных лабораторных практикумов с удаленным доступом к оборудованию. Сформулированы предложения по разработке электронных образовательных ресурсов разного уровня интерактивности.

This article summarizes the experience of the St. Petersburg Electrotechnical University «LETI» (ETU) on the application of e-learning and distance learning technologies for an advanced training program «The technology and the diagnostics of thin-film solar modules based on silicon» (as part of a pilot project RUSNANO) and «The thin-film solar heterostructure photovoltaics» (under the Russian presidential program training of engineers). The organization of distance education, the implementation of different types of activity is considered. Particular emphasis is placed on hold interactive studies, including interactive virtual laboratory exercises with remote access to the equipment. The proposals for the development of e-learning resources at different levels of interactivity is considered.

Ключевые слова

электронное обучение, дистанционные образовательные технологии, дистанционное обучение, смешанное обучение, электронные образовательные ресурсы, учебный контент, он-лайн курс, виртуальные лабораторные практикумы, виртуальные миры;

e-learning, distance educational technologies, distant learning, blended education, learning content, online course, virtual laboratory, virtual worlds.

Введение

Внедрение дистанционных образовательных технологий и электронного обучения в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» (СПбГЭТУ) направлено на достижение следующих целей [1]:

­    совершенствование и развитие применяемых методов обучения;

­    создание благоприятных условий для самостоятельной работы студентов и контроля освоения учебного материала;

­    поддержка академической мобильности студентов;

­    поддержка сетевых форм реализации образовательных программ;

­    реализация программ дополнительного профессионального образования без отрыва от производства или с частичным отрывом от производства.

На начальном этапе внедрения электронное обучение и дистанционные образовательные технологии можно рассматривать как дополнение к традиционным занятиям и как поддержку самостоятельной работы студентов без серьезной перестройки графика и технологии учебного процесса [2]. Далее можно углублять использование этих образовательных технологий путем перехода к моделям смешанного (гибридного) обучения, когда в разумных пропорциях «смешиваются» аудиторные занятия, самостоятельная работа студентов с использованием электронного обучения, а также интерактивные онлайновые занятия в форме видеоконференций или вебинаров. В случае если мы имеем реальную дистанцию между студентом и преподавателем, то можно говорить о дистанционном обучении, и тогда место аудиторных занятий занимают лекционные вебинары и лабораторно-практические занятия с дистанционным управлением физическими установками или использованием виртуальных моделей лабораторных стендов.

Как показывает зарубежная практика и результаты мониторинга e-Learning, проведенного осенью 2013 года Министерством образования и науки РФ, инженерные дисциплины и программы относительно редко реализуются с использованием электронного обучения и дистанционных образовательных технологий. В первую очередь это связано с необходимостью дополнительных и порой существенных расходов на обеспечение инфраструктуры для поддержки проведения дистанционных лабораторных экспериментов с реальным оборудованием. Поэтому особого внимания заслуживает опыт СПбГЭТУ по использованию дистанционных образовательных технологий и электронного обучения в рамках дополнительного профессионального образования, в частности при реализации программ повышения квалификация «Технология и диагностика тонкопленочных солнечных модулей на основе кремния» и «Тонкопленочная солнечная гетероструктурная фотовольтаика».

Модель обучения

Специалистами обычно выделяется три основные модели обучения с использованием электронного обучения и дистанционных образовательных технологий:

­    модель «чистого» дистанционного обучения, когда подавляющее число учебных часов (обычно не менее 70-80%) реализуется опосредованно на расстоянии;

­    модель смешанного (гибридного) обучения, когда контактное обучение и дистанционное обучение смешиваются в разумных пропорциях, доля дистанционного обучения в этом случае обычно составляет не менее 15%;

­    модель сопровождения очного обучения («чистое» электронное обучение).

В каждой конкретной ситуации модель обучения должна определяться в зависимости от условий организации учебного процесса и требований заказчика, например, географической удаленности обучающихся от образовательной организации, необходимости прохождения обучения непосредственно на рабочем месте без отрыва от производства.

Модель сопровождения очного обучения была апробирована при реализации программы «Тонкопленочная солнечная гетероструктурная фотовольтаика» в рамках президентской программы повышения квалификации инженерных кадров. Эта модель была выбрана исходя из того, что заказчик не ставил особых условий по обучению на рабочем месте, а географическая удаленность отсутствовала. Прежде чем приступить к программе слушатели проходили входной тестовый контроль, для информационно-методического сопровождения аудиторных занятий использовался портал совместного обучения СПбГЭТУ на платформе IBM Lotus Quickr (рис. 1). На портале был развернут сайт программы повышения квалификации, на котором были размещены объявления, график обучения, лекционные материалы в формате презентаций. Кроме того по программе было проведено несколько демонстрационных вебинаров в системе Lotus Sametime.

Рис.1. Сайт программы повышения квалификации на портале совместного обучения СПбГЭТУ

Программа повышения квалификация «Технология и диагностика тонкопленочных солнечных модулей на основе кремния» была реализована в рамках пилотного проекта РОСНАНО, в ходе которого каждый из 14 вузов-участников подготовил образовательный модуль в режиме e-learning для производственной компании-заказчика, работающего в сфере наноиндустрии. Электронное обучение должно было позволить инженерам производственных компаний пройти повышение квалификации практически без отрыва от рабочего места. Особые требования предъявлялись к уровню интерактивности проводимых дистанционных занятий и реализации лабораторных практикумов в виде имитационных и 3D-моделей уникального физического оборудования, или удаленного интерактивного доступа к реальному оборудованию.

Преподавателями и сотрудниками СПбГЭТУ при участии специалистов ООО «НТЦ Тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе» соответствии с требованиями заказчика была реализована модель смешанного обучения, которая при необходимости может быть легко трансформирована в модель «чистого» дистанционного обучения. Функциональные возможности платформы электронного обучения Blackboard Learn (рис. 2) позволили авторам автоматизировать процесс управления освоением слушателями компетенций [3].

 

Рис.2. Онлайн-курс по программе повышения квалификации


Организация графика обучения

С учетом выбранной модели обучения и на основании учебно-тематического плана формируется график учебного процесса. При этом рекомендуется воспользоваться модульным принципом и представить структуру программы по принципу «раздел – модуль – занятие – тема – учебная активность». Структурные единицы «занятие» и «учебная активность» являются обязательными для использования. В таблице 1 представлен пример шаблона для описания графика учебного процесса в виде совокупности учебных активностей. Нумерацию рекомендуется вести многоуровневую, например, «№ модуля».«№ занятия в модуле».«№ активности в занятии».

Таблица 1

Шаблон графика учебного процесса

Активность

Формат

Технология

Календарь

Проверка

 

 

индиви-дуально

в малой группе

в классе

контактно (в аудитории)

синхронно дистанционно

(online)

асинхронно дистанционно (offline)

без привязки

фиксированная дата (время)

после фиксированной даты

до фиксированной даты

промежуток между датами

без проверки

компьютер, условие

преподаватель, условие

самостоятельно, условие

проверка другими слушателями

 

При организации графика учебного процесса в рамках моделей дистанционного и смешанного обучения представляет интерес применение технологии программированного обучения и системы полного усвоения знаний (mastery learning). По возможности рекомендуется предусмотреть возможность выполнения слушателями работ в индивидуальном более быстром темпе, чем это предусматривает график обучения. Например, можно предоставить слушателю возможность параллельного выполнения некоторых лабораторных работ, а также возможность выполнения дополнительных факультативных работ в сэкономленное время.

В случае реализации нелинейной схемы программированного обучения необходимо составить по курсу карту навигации, которая бы описывала переходы обучаемого от одного элемента структуры курса к другому, а также необходимо определить стратегию навигации как по курсу в целом, так и по отдельным его контейнерам (разделы, модули, занятия, темы) (таб. 2). Каждому контейнеру должна быть поставлена в соответствие одна из трех стратегий навигации:

­    стратегия произвольного выбора, когда обучаемый сам выбирает порядок изучения элементов, вложенных в контейнер;

­    последовательная стратегия, когда обучаемый двигается только по четко заданной траектории;

­    смешанная стратегия, когда обучаемый может самостоятельно выбирать одну из рассмотренных выше стратегий – стратегию произвольного выбора или последовательную стратегию.

Таблица 2

Пример карты навигации

Контейнер/

Активность

Стратегия навигации

(в контейнере)

Навигация

Условие

Переход

 

 

 

 

J.0

Лабораторный практикум

свободный выбор

достижение статуса = выполнено

K.0

J.1.0

Лабораторная работа 1

последовательная

отсутствует

отсутствует

J.1.1

Подготовка к лабораторной работе

не применимо к активности

отсутствует

J.1.2

J.1.2

Входной контроль

не применимо к активности

балл > 60%

J.1.3

иначе

J.1.1

J.1.3

Выполнение лабораторной работы

не применимо к активности

отсутствует

J.1.4

J.1.4

Защита лабораторной работы

не применимо к активности

зачет

завершение J.1.0

незачет

J.1.3

J.2.0

Лабораторная работа 2

последовательная

отсутствует

отсутствует

 

 

 

 

Виды учебных активностей

В зависимости от выбранной модели обучения могут быть использованы следующие виды активностей слушателей:

­    контактные занятия в аудитории;

­    интерактивные дистанционные занятия (эквивалент обычных аудиторных занятий – лекций, семинаров, практических занятий и т.д.);

­    контрольные мероприятия;

­    выполнение индивидуальных практических заданий (упражнений) с использованием различных моделирующих программ и CAD-систем;

­    имитационные виртуальные лабораторные работы;

­    интерактивные виртуальные лабораторные работы с удаленным доступом к оборудованию;

­    контрольные собеседования, коллоквиумы, зачетные занятия;

­    консультации;

­    работа с электронными образовательными ресурсами;

­    изучение дополнительных учебных электронных и печатных документов.

После выполнения и защиты лабораторных работ, предусмотренных программой повышения квалификации, слушатель проходит итоговую аттестацию, причем итоговая аттестация может проводиться как дистанционно (заочно), так и очно.

Рассмотрим рекомендации и примеры реализации основных видов учебных активностей слушателей в рамках моделей использования дистанционных образовательных технологий и электронного обучения.

 

Интерактивные дистанционные занятия. Интерактивные дистанционные занятия могут проводиться с помощью средств видеоконференцсвязи, вебинаров или систем класса «coursecasting», поддерживающих онлайновый режим работы. Рекомендуется выполнить запись занятия и сделать ее доступной для повторного просмотра. В проекте нового Устава СПбГЭТУ дистанционные занятия, обеспечивающие двухстороннюю или многостороннюю видео- и аудиосвязь преподавателей и студентов, приравниваются к аудиторным занятиям.

На рисунке 3 представлен пример записи вступительной лекции по программе повышения квалификации «Технология и диагностика тонкопленочных солнечных модулей на основе кремния» в режиме вебинара [2]. Альтернативный вариант с использованием платформы курс-кастов Panopto представлен на рисунке 4.

 

Рис.3. Пример вступительной лекции на платформе Blackboard Collaborate

 

Если система видеоконференций или платформа вебинаров не предоставляют возможности записи занятия, то для этих целей можно использовать специализированное программное обеспечение для записи скринкастов. На рисунке 5 представлен пример записи лекции профессора Василевского А.М., смонтированной с помощью Camtasia Studio.

 

Рис. 4. Пример просмотра записи занятия в системе Panopto

 

Рис. 5. Пример записи аудиторной лекции по программе «Тонкопленочная солнечная гетероструктурная фотовольтаика»


Контрольные мероприятия в форме компьютерных тестов. Данный вид активности может быть направлен на решение различных педагогических задач. Например, предварительное тестирование перед началом обучения может помочь преподавателю определить входной уровень подготовки слушателей и при необходимости выполнить дифференциацию сложности индивидуальных заданий и построение индивидуальной образовательной траектории при изучении электронных ресурсов.

Кроме предварительного тестирования могут быть использованы промежуточные тесты на самопроверку, контрольные опросы по разделам, итоговый тест (таб. 3). Для полноценной оценки компетенций слушателей рекомендуется использовать компьютерные тесты, в том числе с вопросами за открытый ввод, а также контрольные собеседования в режиме вебинара.

Рекомендуется использовать небольшие, но частые тесты, чем редкие и продолжительные [4]. Вместо одного большого теста по окончании курса, лучше сделать несколько небольших промежуточных тестов по ходу обучения. Таким образом, преподаватель может эффективно контролировать успехи учащихся и оказывать оперативное и своевременное влияние на учебный процесс. В заключение программы рекомендуется сделать краткий обзор всего изученного и сделать уже итоговый тест по всему курсу.

Таблица 3

Рекомендации по настройке компьютерного теста


 

Обзорный опрос

Самопроверка

Контрольный опрос

Итоговый тест

выставление оценки

нет

возможно

да

да

обратная связь

произвольно

после каждого задания

произвольно

после теста целиком

навигация

произвольно

произвольно

ограниченно

ограниченно,

без навигации

ограничение

времени

нет

нет

возможно

обязательно

запись результатов

да

нет

да

да

возможностьповторного

тестирования

нет

да

возможно

нет или

ограниченно

размер теста

G

произвольный

G+

GG

 

Компьютерные тесты могут быть реализованы как с помощью традиционных систем класса LMS (Learning Management System) (рис. 6), так и с помощью специализированных систем, например, QuestionMark Perception или Respondus. Специализированные системы компьютерного тестирования обычно предоставляют возможность ускоренного пакетного ввода заданий и вопросов, широкий набор готовых шаблонов заданий и вопросов, возможность разработки сложных нелинейных тестов, развитые средства планирования тестовых мероприятий, альтернативные способы доставки тестов (онлайновый, автономный, печатный), возможность проведения «защищенных» онлайновых тестов, мощные инструменты статистики и аналитики.

Рис. 6. Пример промежуточного теста на самопроверку

 

Контрольные собеседования, коллоквиумы, зачеты. Эти виды учебной активности предполагают активное использование методов устного контроля (индивидуальный и фронтальный опрос), ориентированы на контроль и оценку формируемых компетенций, так как компьютерные тесты не способны в полной мере решить эту задачу (рис. 7).

Эти виды занятий могут быть проведены контактным способом в аудитории, либо дистанционно с использованием видеоконференцсвязи или вебинаров.

Имитационная виртуальная лабораторная работа. Имитационная лабораторная работа может рассматриваться как этап предваряющий проведение экспериментов на реальном оборудовании в удаленном режиме, либо как самостоятельный вид лабораторной работы, если исследования на реальном оборудовании не возможны. Имитационная лабораторная работа как вид деятельности слушателя обычно не требует четкой привязки к конкретной дате и времени в расписании, слушатель должен ее выполнить в промежуток времени, определенный графиком обучения.

Рекомендуется выполнить реализацию имитационной лабораторной работы в виде симулятора (тренажера), поддерживающего два режима работы: обучающий и исследовательский. В обучающем режиме слушателю предлагается один или несколько готовых сценариев проведения эксперимента с уже готовыми наборами параметров, слушатель знакомится с порядком выполнения имитационной работы и готовит сценарии собственных экспериментов. В исследовательском режиме слушатель может реализовать собственные сценарии проведения эксперимента с различными параметрами.

Если выполнение интерактивной лабораторной работы в дальнейшем не планируется, то рекомендуется реализовать функцию протоколирования действий слушателя. Для этих целей представляется перспективным использование нового протокола TinCan API.

 

Рис. 7. Пример модуля с итоговой оценкой компетенций в режиме вебинара

 

Интерактивные виртуальные лабораторные работы. Выполнение интерактивной лабораторной работы предполагает взаимодействие слушателя с реальным оборудованием в удаленном режиме. Взаимодействие слушателя с оборудованием может быть реализовано посредством специализированного веб- интерфейса, либо в среде вебинара с использованием инструмента удаленного управления рабочим столом. На рисунке 8 представлен интерфейс вебинара по лабораторной работе, посвященной исследованию вольт-амперных характеристик солнечных элементов. При выполнении этой работы тьютор (лаборант) выполняет коммутацию солнечного элемента к измерительным цепям установки, далее слушатель в режиме удаленного доступа к рабочему столу лабораторного компьютера производит измерения и наблюдает графики зависимостей. По окончании работы тьютор (лаборант) отправляет слушателю файлы с протоколами измерений.

Консультации. Необходимо предоставить преподавателю и слушателям возможность общаться между собой в асинхронном режиме, т.е. без четкого расписания. В качестве инструмента общения рекомендуется использовать форумы. Один форум может быть направлен на обсуждение и решение организационных вопросов в целом по программе повышения квалификации, а также по каждой лабораторной работе также рекомендуется создать отдельный форум. Преподаватель должен с заданной периодичностью (не реже 1 раза в рабочий день) выполнять просмотр сообщений в форумах, выполнять их модерацию и публиковать свои ответы.

Кроме того, в соответствии с графиком обучения преподавателю рекомендуется проводить коллективные консультации в синхронном режиме с использованием вебинаров. Расписание коллективных консультаций может быть частично задано графиком обучения, а частично определяться по согласованию со слушателями.

Рис. 8. Пример записи интерактивной виртуальной лабораторной работы на платформе Blackboard Collaborate

Работа с электронными образовательными ресурсами. Этот вид активности предполагает самостоятельную работу слушателя с электронными учебно-методическими материалами в формате SCORM, которые не могут быть представлены в печатном виде без потери дидактических свойств.

Уровень интерактивности при работе с электронными мультимедиа ресурсами служит одним из показателей их качества. В работе [5] рассматривается несколько уровней взаимодействия, обеспечивающих активно-деятельностные формы обучения. К простейшему уровню взаимодействия можно отнести условно-пассивные формы, предусматривающие управление контентом без возможности его изменения. Высшим уровнем считают использование недетерминированных форм взаимодействия пользователя с учебными объектами, причем необходимым условием является использование в мультимедиа ресурсах имитационных моделей.

Основные материалы электронного курса предлагается представлять слушателю форматах слайд-лекций, электронных учебных пособий, электронных методических указаний, симуляторов, тренажеров Hard Skills и «серьезных» игр.

Слайд-лекции – это презентации с закадровым голосом лектора. На рисунках 9 и 10 представлены примеры презентации и интерактивного компонента, ориентированные на уровень интерактивности, повышающий комфортность восприятия и управления. По каждой теме слайд-лекции слушателю может быть предложено ответить на 3-5 вопросов для самопроверки, дальнейшая траектория изучения слайд-лекции может быть поставлена в зависимость от правильности ответов. Рекомендуемые пакеты для разработки слайд-лекций – Articulate Studio, Camtasia Studio, Adobe Captivate.

 

Рис. 9. Пример слайд-лекции, разработанной в пакете Articulate Studio

Рис. 10. Пример интерактивного элемента, разработанного в пакете Articulate Studio

Электронные учебные пособия представляют собой электронные учебно-методические материалы разной степени интерактивности и разного уровня сложности. Электронные учебные пособия предназначены для обеспечения теоретической подготовки слушателей и формирования у них ориентиров для самостоятельной работы с дополнительными источниками информации. На рисунке 11 представлен пример мультимедийного электронного пособия повышенной интерактивности.

 

Рис. 11. Пример фрагмента электронного учебного пособия, разработанного с помощью пакета Websoft CourseLab

Традиционные симуляторы предназначены для обучения использованию различных программных продуктов, приобретение навыков типа Soft Skills и Hard Skills. Симуляторы могут поддерживать следующие режимы работы: демонстрация (show me), обучающий тренажер (coach me), проверочный тренажер (test me). Рекомендуемый пакет для разработки традиционных симуляторов начального и среднего уровня сложности – Adobe Captivate и Articulate Storyline.

Тренажеры Hard Skills и «серьезные» игры на основе технологии «виртуальных миров» предполагают глубокое погружение слушателя в виртуальную среду лаборатории и обеспечивают максимальный уровень интерактивности с объектами и персонажами (режим let me). Это ускоряет процесс восприятия учебного материала, существенно повышает степень понимания и закрепления материала; позволяет учесть индивидуальные особенности восприятия слушателя; делает возможным совмещение процесса обучения и практической деятельности, обеспечивает возможность групповой работы. Рекомендуемый пакет для разработки однопользовательских тренажеров Hard Skills и «серьезных» игр на основе технологии «виртуальных миров» – ThinkingWorlds [6]. При разработке подобных высокотехнологичных компьютерных обучающих систем специалистами представляется перспективным использование современных методов программной инженерии [7].

Заключение

В СПбГЭТУ реализован комплексный подход в развитии образовательных программ подготовки и переподготовки специалистов, что дает возможность рационально и планомерно решать проблемы опережающей профессиональной подготовки и переподготовки кадров в условиях формирования наноиндустрии в России. Применение в рамках этого комплексного подхода электронного обучения и дистанционных образовательных технологий позволяет организовать  качественное, эффективное и доступное техническое образование.

Литература

1.       Кузнецов И.Р., Тимофеев А.В. Внедрение электронного обучения в Санкт-Петербургском электротехническом университете//Дистанционное и виртуальное обучение. 2013. № 05. С. 85-90.

2.       Башарин С.А., Тимофеев А.В. Интерактивные технологии электронного обучения в ВУЗе//Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. Т. 7. С. 110-117.

3.       Афанасьев В.П., Коноплев Г.А., Теруков Е. И., Тимофеев А. В. Разработка и апробация модуля ДПО «Технология и диагностика тонкопленочных солнечных модулей на основе кремния» в рамках модели смешанного обучения (e-learning)//Известия МАН ВШ, №2 (60), 2012, С. 90-97.

4.       Designing Web-Based Training: How to Teach Anyone Anything Anywhere Anytime By William Horton, 2000, New York: Wiley.

5.       Осин А. В. Открытые модульные мультимедиа системы. – М.: Агентство «Издательский сервис», 2010.

6.       Тимофеев А.В., Саламатова Т.А. Использование технологии виртуальных миров для разработки «серьезных игр»//Дистанционное обучение – образовательная среда XXI века : материалы VII Международной научно-методической конференции. – Минск: БГУИР, 2011, С. 297-299.

7.       Черткова Е.А. Методология разработки компьютерных обучающих систем для сферы образовательных услуг.//Педагогические науки. 2013. № 1. С. 75-78.