Библиографическое описание:

Снегирев И., Маламут С., Климов П. С., Чудина О. В., Остроух А. В. Создание электронного учебника по материаловедению // Молодой ученый. — 2011. — №4. Т.3. — С. 73-78.

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.

Основные термины (генерируются автоматически): электронного учебника, разработки электронного учебника, электронного учебника «Социальная, структура электронного учебника, целостности классического учебника, мультимедийных учебных материалов, превращения аустенита, учебника «Социальная педагогика», Создание электронного учебника, лекционного материала, создания электронного учебника, превращение аустенита, создании электронного учебника, «Теория термической обработки», Методика разработки электронного, электронного учебника «Теория, компонентами электронного учебника, части электронного учебника, разделы электронного учебника, разработке электронного учебника.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос