Создание электронного учебника по материаловедению

В статье рассмотрены вопросы создания электронного учебника по дисциплине «Материаловедение». Изложены основные принципы разработки мультимедийных учебных материалов, учитывающие специфику дисциплины. Представлены фрагменты изучаемых тем, содержащие мультимедиа-компоненты, такие какфлэш- и 3D-анимация.

In the article the questions of creation of electronic textbook on discipline "Materials Science"are considered. Basic principles of development of multimedia educational materials, taking into account a specific disciplines, are expounded. The fragments are presented, containing multimedia-components, such as, flash- and 3D-animaition.

Ключевые слова: электронный учебник, материаловедение, мультимедийные средства.

Keywords: electronic textbook, Materials Science, multimedia facilities.

Введение. В большинстве технических вузов изучение дисциплины «Материаловедение» является обязательным для студентов инженерных специальностей. Материаловедение дает студентам базовые знания о взаимосвязи структуры и свойств металлических и неметаллических материалов, применяющихся в технике, способах их обработки и формирования структурного состояния с требуемыми эксплуатационными характеристиками. Потребность в создании электронного учебника вызвана необходимостью визуализировать процессы, протекающие в металле при деформировании, нагреве и охлаждении. Мультимедиа технологии предоставляют возможность создания учебных материалов, содержащих изображения, тексты, сопровождающиеся звуком, видео, анимацией и другими визуальными эффектами.

Цель и постановка задачи. О необходимости использования мультимедийных учебных материалов при изучении технических дисциплин говорит ряд фактов, которые в последние годы наблюдаются в учебном процессе. Во-первых, студенты, большинство из которых обладают весьма продвинутыми навыками в использовании компьютерной техники, охотно воспринимают материалы, представленные в электронном виде. Во-вторых, наблюдается тревожная тенденция: студенты – опытные пользователи компьютера - нашли, как им кажется, наиболее легкий путь «усвоения» курса – поиск в Интернете материалов по программе дисциплины, которые оказываются далеко не всегда качественными, методически выстроенными, а иногда и откровенно безграмотными.

Именно поэтому целью является создание унифицированного электронного учебника, материалы которого должны соответствовать федеральным образовательным стандартам и предложить их могут профессионалы-материаловеды.

Основными задачами мультимедийных средств, использующихся в учебном процессе, являются повышение эффективности самостоятельной работы студентов и совершенствование аудиторной работы преподавателя со студентами за счет наглядной визуализации лекционных материалов.

Методика разработки электронного учебника. Методика разработки электронного учебника базируется на двух основных принципах. Первый принцип взаимодействия - заключается в совместной работе методиста - преподавателя дисциплины и разработчика – специалиста в мультимедийных технологиях. Задачей методиста является формирование содержательной части электронного учебника: подготовка текстов, иллюстраций, вариантов их размещения на слайдах (содержания фрагментов), формулировка тестовых заданий, разработка алгоритмов выполнения виртуальной лабораторной работы и т.п. Задачей разработчика - специалиста по мультимедиа является реализация этого проекта доступными для него программными средствами. Разработчик должен иметь методический опыт формирования мультимедийных учебных материалов и свободно оперировать технологиями представления информации, визуальной или акустической.

Таким образом, эффективное взаимодействие методиста - преподавателя и разработчика являются ключевым фактором создания качественного мультимедийного продукта.

Вторым принципом разработки электронного учебника является принцип целостности классического учебника и его электронной версии. Разработка мультимедийного учебника базируется на модульном построении курса. На модули-разделы разбивается как текстовый, так и электронный вариант учебника, причем, текстовая и электронная версии должны и находиться в полном соответствии друг с другом, как с точки зрения содержания материалов, так и последовательности его изложения.

Результаты работы и их обсуждение.В настоящее время преподавателями кафедры металловедения и термообработки и разработчиками кафедры «Автоматизированные системы управления» МАДИ ведется совместная работа по созданию инновационного учебно-методического комплекса по материаловедению, включающего электронный учебник.

Основными компонентами электронного учебника являются мультимедийные презентации, материалы лекций, тестовые задания и виртуальные лабораторные работы.

Мультимедийные презентации лекционного материала с применением средств визуализации являются целесообразными при изучении процессов и явлений, недоступных непосредственному наблюдению и протекающих в движении очень медленно или очень быстро, а также при изучении наноразмерных объектов. В материаловедении такими процессами являются, например, перемещение дислокаций в кристалле, кристаллизация зародышей металла из жидкой фазы и многие другие. Изучение таких процессов требует разработки видео - или анимационных способов представления.

Материалы лекций содержат текстовое описание изучаемых в данной теме объектов. Мультимедийные презентации включают в себя набор фрагментов из различных мультимедиа-компонентов, таких как статическая графика, флэш-анимация, 3D-анимация, видеофрагменты. Причем визуальный ряд разбит на отдельные слайды, последовательность которых совпадает с порядком изложения материала в процессе лекции. Преподаватель может использовать такие презентационные материалы для визуального сопровождения лекции. Кроме того, эти материалы могут быть использованы студентом и для самостоятельной работы, так как представленные на слайдах понятия и определения содержат ссылки на соответствующие текстовые фрагменты.

Виртуальные лабораторные работы представляют собой компьютерные модели (симуляции) лабораторно-практических занятий, проводимых в условиях учебного процесса. При отсутствии возможности задействовать для лабораторных работ сложное оборудование проведение виртуальных лабораторных является единственным способом познакомить студентов с практическим разделом курса.

Тестовые задания для контроля знаний студентов формируются как для самопроверки знаний студентом, так и для оценки преподавателем усвоения раздела в качестве формы анализа текущей успеваемости.

В настоящее время завершена работа над основными модулями учебника. Разработан и успешно внедряется в учебный процесс раздел по методам исследования механических свойств материалов. Важность этого раздела заключается в том, что в нем студенты изучают основные характеристики материалов и методы их определения. Эти сведения необходимы студентам, так как для выпускника технического вуза умение пользоваться справочниками является обязательным. В процессе создания этого раздела, использованы технологии статической графики и анимации. В мультимедийной презентации приведены современные приборы, используемые для испытаний материалов на растяжение-сжатие, вдавливание, удар и выносливость. Показаны методы определения характеристик прочности, пластичности, твердости, ударной вязкости. Показаны в динамике методики определения условного предела текучести и предела выносливости.

Большой интерес у студентов вызывает раздел «Пластическая деформация и рекристаллизация». В этом разделе изучаются механизмы пластической деформации: скольжение, двойникование, межзеренное перемещение. Студенты впервые наблюдают в динамике процессы, протекающие внутри пластически деформированного металла при нагреве: зарождение новых рекристаллизованных зерен, их рост и слияние в крупные зерна. Перемещая курсор на термометре, студент самостоятельно, варьируя температуру, наблюдает, как меняется строение металла и как это влияет на механические свойства (рис. 1). В этом разделе используются тестовые задания для самоконтроля.

В 2009 году завершена работа по созданию основополагающего раздела учебника – «Теория металлических сплавов. Железо и сплавы на его основе». Авторы этой разработки получили почетную третью премию на конкурсе учебно-методических работ, посвященном 80-летию МАДИ. В разработке дизайнерского и мультимедийного обеспечения этой работы принимал участие выпускник 2009 года студент гр. 4АСУ2 Снегирев И.И. Отличительной особенностью этого модуля является использование при его создании не только графики и анимации, но и озвучивание лекционного материала. Определенная сложность работы заключалась в совмещении скорости появления графического материала со скоростью изложения лекции. В этом разделе визуализируются трудно представляемые объекты, такие как атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов, твердые растворы внедрения и замещения, строение и структура сплавов и т.д. (рис. 2).

Рисунок 1. Интерактивный фрагмент «Влияние нагрева на структуру и свойства пластически деформированного металла.

Рисунок 2. Фрагмент «Кристаллические решетки твердых растворов».

С помощью флэш-анимации демонстрируется метод термического анализа для построения диаграмм фазового равновесия систем с неограниченной растворимостью компонентов, с ограниченной растворимостью компонентов и образованием эвтектики и системы компонентов, образующих химическое соединение.

Метод весьма трудоемок для изложения лекции традиционным путем мелом на доске и требует большого преподавательского опыта. В соответствии с учебной программой для большинства специальностей в целом на эту тему отводится 8 часов: 6 часов лекций и 2 часа практических занятий. Поэтому созданный модуль является одновременно существенной помощью преподавателю для качественной подачи лекционного материала и студенту для самостоятельной проработки темы.

В модуле содержатся микрофотографии реальных микроструктур сплавов для различных систем, микроструктуры сталей и чугунов. Это позволяет изучать строение отдельных структурных составляющих прямо на лекции. Опыт работы со студентами показывает высокую эффективность новых обучающих технологий, особенно при изучении «Диаграммы состояния железо-углерод» (Рис.3 Диаграмма состояния ).

Рисунок 3. Фрагмент «Диаграмма состояния Железо-Цементит».

В 2010 году велась работа по созданию модуля электронного учебника «Теория термической обработки». В его создании принимали участие студенты факультета управления Маламут А.С. (гр. 5АСУ1) и Климов П.С. (гр. 5 АСУ4).

В этом разделе рассматриваются процессы, описывающие фазовые превращения в сталях при нагреве и охлаждении, что в наибольшей степени требует разработки видео - или анимационных способов визуализации, так как процессы протекают в движении в наноразмерном уровне. Раздел «Теория термической обработки» включает в себя несколько взаимосвязанных подразделов: превращение перлита при нагреве; превращения аустенита при охлаждении; построение диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита (С-кривая) и превращения мартенсита при нагреве.

В подразделе, описывающем превращение перлита при нагреве визуализирован процесс перехода двухфазной феррито-цементитной структуры перлита в однофазную структуру аустенита. Повышая температуру путем перемещения курсора на термометре, студент наблюдает, как сначала на границах феррито-цементитных пластин зарождается начальное зерно аустенита, а затем происходит растворение цементита в зернах аустенита и дальнейший рост этих зерен.

В подразделе, описывающем превращение аустенита при медленном охлаждении, визуализирован процесс распада однофазной структуры аустенита на две фазы феррита и цементита. Показан в динамике механизм перлитного превращения: атомы углерода диффундируют к границам зерна аустенита, там зарождаются частицы цементита, они растут вглубь зерна, забирая углерод из соседних участков аустенита, и, обедненный углеродом аустенит претерпевает полиморфное превращение и становится ферритом.

В подразделе, описывающем превращение аустенита при быстром охлаждении, визуализирован процесс превращения аустенита в мартенсит. Показано в динамике, как при достижении температуры начала мартенситного превращения в зерне аустенита очень быстро со скоростью звука вырастают иглы мартенсита.

Одновременно слева в окне можно прочитать текст лекционного материала с описанием происходящего на экране.

В подразделе, описывающем методику построения диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита (С-кривая), представлен виртуальный вариант лабораторной работы, в которой студент, используя текстовые подсказки, может самостоятельно провести все необходимые операции (рис. 4,5).

Традиционно в учебном процессе в этой работе задействованы лабораторные печи и твердомер. Технически лабораторная работа сложная и в условиях реального учебного процесса для полноценного её проведения обычно времени не хватает. Кроме того, в классических учебниках по материаловедению её описание отсутствует. Таким образом, проведение виртуальной лабораторной работы является единственным способом познакомить студентов с практическим разделом курса.

В работе над модулем «Теория термической обработки» применялись технологии открытых модульных систем (ОМС), имеющий более широкие интерактивные возможности по сравнению с традиционными программными инструментами, такими как AdodeFlash. С его помощью в одном окне размещены все разделы и подразделы темы. Это существенно облегчает поиск любого сюжета или фрагмента лекции. Кроме того, ОМС предполагает применение открытого программного кода.

Рисунок 4. Фрагмент «Нагрев заготовок в изотермической печи».

Рисунок 5. Фрагмент «Построение диаграммы изотермического распада».

Выводы

1. Разработана методика создания мультимедийных средств обучения студентов по дисциплине «Материаловедение», которая базируется на принципе взаимодействия - методиста - преподавателя и разработчика – специалиста в мультимедийных технологиях и принципе целостности классического учебника и его электронной версии.
2. Созданы важнейшие разделы электронного учебника «Материаловедение»: механические свойства металлов, пластическая деформация и рекристаллизация, теория металлических сплавов, железо и сплавы на его основе, теория термической обработки.
3. При разработке электронного учебника применены новые технологии ОМС для визуализации объектов и процессов и организации интерактивного взаимодействия обучаемого с электронным учебным модулем.