Игровые технологии в преподавании дисциплины «Математическое моделирование»

Аннотация. В данной статье рассматривается актуальность внедрения игровых технологий в дисциплины фундаментального и профессионального циклов подготовки студентов технических направлений на примере разработки механики, динамики и контентного содержания игры по дисциплине «Математическое моделирование».
Ключевые слова: игровые технологии, активные методы обучения, геймификация, математическое моделирование. 

Введение

Простой расчёт показывает, что студенты, поступившие технические университеты в 2014 году, получат дипломы бакалавров в 2018 году, дипломы магистров в 2020. При этом наиболее активный период их карьеры будет приходиться на 2025-2040 годы. Таким образом, инженерное образование, получаемое студентами в технических университетах, должно быть не только современным – оно должно быть опережающим время [1, 2]. Образование должно представлять собой уникальный сплав фундаментальных знаний, актуальных практический навыков и компетенций, необходимых в дальнейшей работе и исследованиях.

Динамика развития общества ставит перед высшей школой задачу подготовки не только высококлассных профильных специалистов, но и специалистов, способных самостоятельно мыслить, умеющих видеть и прогнозировать возникающие проблемы, искать пути их решения, адаптироваться к изменяющимся условиям современного общества, работать в коллективе, а также быть лидером, способным брать на себя ответственность, определять и анализировать собственные действия и возможные риски [3-5].

Классическая форма обучения в виде лекций и практических занятий весьма эффективно способствует пониманию материала курса, привитию способности применить знания в учебной дисциплине и учебной среде. Однако, знания, полученные в учебных аудиториях необходимо применять на практике, а значит, в курсе должны присутствовать занятия, направленные на применение уже имеющихся знаний.

Таким образом, в настоящее время остро стоит проблема поиска, разработки и внедрения в образовательный процесс новых технологий и методов обучения. При этом достаточно эффективными являются активные формы обучения. Одной из возможных активных форм обучения является разработка и внедрение игр в образовательный процесс – игровых технологий, т.е. геймификация дисциплин.

Игровые технологии являются составной частью педагогических технологий. Проблема применения игровых технологий в образовательном процессе в педагогической теории и практики не нова. Разработкой теории игры, ее методологических основ, выяснением ее социальной природы, значения для развития обучаемого в отечественной педагогике занимались Л. С. Выготский, А.Н. Леонтьев, Д.Б. Эльконин, Л.В. Занков, М.И. Махмутов, Н.А. Аникеева, Н.Н. Богомолова, В.Д. Пономарев, С.А. Смирнов, С.А. Шмаков и др. [6].

Место и роль игровой технологии в учебном процессе, сочетание элементов игры и образовательного процесса во многом зависят от понимания преподавателем функций педагогических игр. Основная функция игры – ее разнообразная полезность [7].

В существующей практике имеются различные типы игр: деловые, аттестационные, организационно-деятельностные, инновационные, рефлексивные игры по снятию стрессов и формированию инновационного мышления, поисково-апробационные и другие [6]. Для обучающих игр характерны, как правило, многовариантность и альтернативность решений, из которых нужно сделать выбор наиболее рационального.

При этом одна и та же игра может выступать в нескольких функциях [14]:

• · обучающая функция – развитие общеучебных умений и навыков, таких как память, внимание, восприятие информации различной модальности;
• · развлекательная функция – создание благоприятной атмосферы на занятиях, превращение их из скучного мероприятия в увлекательное приключение;
• · коммуникативная функция – объединение коллективов учащихся, установление эмоциональных контактов;
• · релаксационная функция – снятие эмоционального напряжения, вызванного нагрузкой на нервную систему при интенсивном обучении;
• · психотехническая функция – формирование навыков подготовки своего физиологического состояния для более эффективной деятельности, перестройка психики для усвоения больших объёмов информации.

Деловые игры в учебных целях получили в настоящее время достаточно широкое распространение в вузах и применяются, в основном, в рамках изучения дисциплин гуманитарного цикла, особенно тех, которые связаны с экономикой, организацией и управлением, бухгалтерским учетом, правоведением, с новыми формами хозяйствования в рыночных условиях, при изучении иностранных языков.

Однако игровые технологии в сфере преподавания фундаментальных и инженерных дисциплин не развиты. Отсутствуют публикации и методические материалы по данному вопросу. Основная сложность заключается в том, что даже при имеющемся опыте разработки механики и динамики игры для ее реализации требуются тематическое наполнение, так называемая контентная составляющая. Контент игры способен разработать или грамотно подобрать и скомпоновать только специалист в этой области, а именно преподаватель-предметник: математик, физик, химик, ИТ и другие. Подбор заданий для игры, решение заданий для проверки знаний играющего также являются важными компонентами. 

Планируемые результаты обучения (компетенции)

Целью данной статьи является представление результатов разработки игры в рамках дисциплины «Математическое моделирование» для студентов направления магистерской подготовки «Прикладная информатика» профиль «Корпоративные информационные системы» Национального исследовательского Томского политехнического университета.

Основной целью преподавания дисциплины «Математическое моделирование» является развитие у студентов способности аналитической обработки данных, с дальнейшей возможностью их систематизации в виде математических моделей. Компетенции, полученные студентами в результате изучения дисциплины, могут применяться при решении ряда профессиональных задач, таких как:

• · анализ исходных данных;
• · построение модели предметной области с целью повышения эффективности функционирования объекта исследования;
• · исследование свойств объекта-модели и перенос результатов на объект-оригинал;
• · проектирование экспериментов и анализ полученных результатов;
• · визуальное представление математической модели для повышения ее понятийности.

Результатом изучения данной дисциплины является глубокое представление у студентов о терминологии предметной области, различных видах классификации моделей, о современных особенностях программного обеспечения моделирования сложных систем. Предмет носит важный практический характер для квалификации магистра, т.к. использование теории и практических методов моделирования позволяет проводить эксперименты не на реальных людях и процессах, а на моделях предметной области.

Основные разделы дисциплины «Математическое моделирование» и количество часов аудиторной нагрузки, выделяемое на эти разделы, представлены в таблице 1.

 Таблица 1. Содержание разделов дисциплины

 В рамках рассматриваемой дисциплины применяются современные методы и формы организации обучения (ФОО), приведенные в таблице 2. 

Таблица 2. Методы и ФОО

Игровой компонент дисциплины (игра) разработан с учетом инновационных методик преподавания с целью преобразования знаний, умений и навыков по дисциплине в профессиональные компетенции, путем разработки и внедрения игры в процесс обучения студентов. В настоящее время аналогов по данной тематике опубликовано не было.

Используемые в процессе игры механизмы позволяют развить у студентов следующие общекультурные и профессиональные компетенции [8, 9]:

• · способность к восприятию, обобщению и анализу информации;
• · умение анализировать ситуацию, оперативно оценивать свои возможности;
• · способность к постановке цели и выбору путей ее достижения;
• · способность и готовность решать вопросы, брать на себя ответственность в процессе их решения;
• · умение применять математический аппарат для решения поставленных задач, проверять правильность и адекватность выбора метода решения;
• · умение представлять, обосновывать и отстаивать выбранный вариант решения проблемы;
• · умение разрабатывать математические модели, их применять;
• · способность работы в команде, использование командной работы для достижения наиболее эффективного результата.

Технология разработки и проведения игры

Классическая разработка игры включает в себя следующие этапы:

1. Механика и действия игроков.

Механика – это правила игры, чаще всего абстракция, которая никак не связана с игровой оболочкой и сюжетом.

Игру можно разбить на последовательность этапов, которые постепенно выполняются командой или отдельными игроками и формируют ее цикл:

1. Предварительный или загрузочный этап.

На предварительном этапе происходит подготовка игроков и игры к началу действий, задание начальных параметров и условий, объяснение правил игры, разделение ролей.

2. Оценка состояния/ разработка стратегии поведения.

В игре всегда присутствует момент, когда отдельному игроку или всей команде необходимо принять решение на основе новой информации. Прежде чем принять его, необходимо проанализировать полученную информацию и оценить ситуацию, ведь от этого решения может зависеть дальнейший ход игры и судьба игрока или команды.

3. Принятие решения и действие.

На этом этапе игроки (команда) самостоятельно меняют состояние игры в соответствии с ее правилами.

Таким образом, для игры по дисциплине был разработан игровой алгоритм, выход из которого осуществляется в соответствии с критериями выхода из цикла, к примеру, победа команды.

Основная идея игры: Студенты разбиваются на команды по 3-4 человека. Группы магистров в ТПУ обычно малочисленны до 12 человек. Игра проводится для 3 команд.

Команда должна пройти 3 игровые станции, т.е. выполнить 3 различных игровых задания. Победившей является команда, которая меньше всего времени потратила на прохождение игры.

В игре 5 основных элементов: 3 станции, мастер и посредник. На прохождение каждой станции команде дается 10 минут, которых заведомо недостаточно для решения поставленной задачи. В игре присутствует «мастер», у которого есть пул теоретических вопросов по моделированию 3-х разноуровневых категорий. За ответы на вопросы первой категории команда зарабатывает 3 минуты, за вопросы второй категории – 2 минуты, на третью категорию – 1 минуту. Заработанные дополнительные минуты могут использоваться в качестве «валюты» данной игры. Этими минутами можно оплачивать дополнительное время, необходимое для решения заданий на игровых станциях. Также за эти минуты можно купить подсказку в решении задания на станции у посредника. Стоимость подсказки – 20 минут. За счет данной механики игры у преподавателя, который чаще всего является модератором игры, имеется возможность проверить не только практические, но и теоретические знания команды, что позволяет использовать данную игру в качестве зачетной по дисциплине.

• · 1 станция: настольная игра (пазл из моделей). Команда выбирает задание, отдельно подготовлен пул модулей, из которых необходимо составить модель;
• · 2 станция: решение задачи линейного программирования. Команда выбирает задание на решение задачи линейного программирования;
• · 3 станция: проверка знаний параметров генераторов случайных чисел, операторов условий, (настольная игра);
• · мастер: подготовлен пул вопросов по теории моделирования;
• · посредник: необходим команде при сложности в решении задания.

2. Динамика и баланс.

Важным компонентом игры является ожидаемый результат. Для игроков – это получение удовольствие от процесса за счет динамики и сбалансированности игры. Таким образом, грамотное планирование проведения игры по времени (динамика) и распределение точек принятия решений влияет на ожидаемый результат. Динамика – это игровое напряжение по отношению ко времени, представляющее собой количество игровых действий в единицу времени, поэтому немаловажно также следить и за временем и длительностью игры.

На рис. 1 показан механизм прохождения игры командами студентов во временном разрезе. Перед началом игры модератор объясняет правила и отвечает на вопросы игроков (5 минут). На прохождение каждой станции команде дается 10 минут. Если команда понимает, что времени на решение задачи не достаточно, то она обращается к гуру. На каждой станции команда может находиться максимум 20 минут. В игре разработаны правила «приобретения» дополнительного времени для решения задач на станциях.

Рис. 1. Динамика игры

3. Игровая оболочка и состав игроков.

Также важной частью игры является оболочка (сеттинг), в которую помещается механика. Сеттинг осуществляет функцию интерфейса пользователя – функцию взаимодействия механики и игрока, так как в общем случае именно от механики зависит реалистичность всей игры в рамках данного сеттинга [6].

При разработке игры следует учитывать также и целевую аудиторию, тематику, уровень подготовленности и интересы игроков и пр. Здесь же стоит помнить, что даже плохо проработанную игру может поддержать качественно подобранный состав игроков.

В сеттинге важным элементом является контентное наполнение игры. В таблице 3 приведены примеры заданий по станциям и вопросов от мастера по категориям сложности.

Таблица 3. Примеры заданий игры

Заключение

В результате исследования было определено, что разработка игровых компонентов в дисциплины фундаментального и профессионального цикла инженерной подготовки является актуальным. Занятия с использованием игровых технологий:

• · способствуют яркому эмоциональному восприятию сложного учебного материала;
• · развивают творческие способности студентов и преподавателя;
• · воспитывают веру студента в собственные силы;
• · учат студента работе в команде;
• · формируют стремление к самостоятельной деятельности;
• · заставляют импровизировать и проявлять креативность;
• · активизируют самостоятельную деятельность студентов;
• · учат студентов отстаивать свою точку зрения;
• · создают психологический комфорт в аудитории;
• · вызывают интерес у всех студентов к инженерным наукам и инженерному делу в целом.

Использование игровых технологий в образовательном процессе студентов технических направлений подготовки позволило повысить интерес, как к предметной области, так и к обучению. За значительно меньшее время преподаватель может провести контрольный срез и проверить уровень освоения материала студентами.

В процессе разработки была создана игра для дисциплины «Математическое моделирование». Целью игры является проверка знаний и навыков студентов в области математического моделирования. Игра имеет не только разработанную механику и динамику, а также контентное наполнение по заданиям и вопросам.

Разработанная игра является шаблоном и может использовать для других дисциплин при изменении соответствующего контента.

Ссылки на источники

1. Alexander I. Chuchalin, Mikhail A. Soloviev, Oxana M. Zamyatina, Polina I. Mozgaleva Elite Engineering Program in Tomsk Polytechnic University – the way to attract talented students into Engineering. // Proceedings 2013 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON). – Technische Universität Berlin, Berlin, Germany, March 13-15, 2013. – P. 1004-1008.
2. Чубик П.С., Чучалин А.И., Соловьев М.А., Замятина О.М. Подготовка элитных специалистов в области техники и технологий // Вопросы образования. 2013. № 2 – C.188-208.
3. Замятина О. М., Мозгалева П. И. Усовершенствование программы элитной технической подготовки: компетентностно-ориентированый подход // Инновации в образовании. 2013. №. 10.
4. Zamyatina O.M., Mozgaleva P.I. Competence Component of the Project-Oriented Training of Elite Engineering Specialists // Proceedings 2014 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON 2014), pp: 114-118.
5. Мозгалева П. И., Гуляева К. В., Замятина О. М. Информационные технологии для оценки компетенций и организации проектной деятельности при подготовке технических специалистов. // Информатизация образования и науки. 2013. №4. C. 30-46.
6. Михайленко Т. М. Игровые технологии как вид педагогических технологий // Педагогика: традиции и инновации: материалы междунар. науч. конф. (г.Челябинск, октябрь 2011 г.).Т. I. – Челябинск: Два комсомольца, 2011. – С. 140-146.
7. Кукушин В.С., Болдырева-Вараксина А.В. Педагогика начального образования / Под общ.ред. В.С. Кукушина. – М.: ИКЦ «МарТ»; Ростов на Дону: Издательский центр «МарТ», 2005. – 592 с.
8. Солодовникова О.М., Замятина О. М., Мозгалева П.И., Лычаева М.В. Формирование компетенций элитного технического специалиста. // Профессиональное образование в России и за рубежом. 2013. №3 (11). C. 65-71.
9. Oxana Zamyatina, Olga Solodovnikova, Darya Denchuk (2013). Formation and Analysis of Competencies in Elite Engineering Specialists. // Proceedings of the 17 International Conference ICL2013, Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia, September 27 – 29, 2013.
10. Zamyatina, O.M. Modeling and Simulation. Tomsk: TPU Publishing House, 2014. 178 pp.
11. Замятина О.М. Моделирование систем. Томск: Изд. ТПУ, 2009. 204 с.
12. Замятина О.М., Соколова В.В., Малахова Е.С., Ушакова Е.В. Имитационная модель компьютерного кластера для оптимизации процесса распределенно-параллельных вычислений // Известия Томского политехнического университета. – 2010. – Т. 317. – № 5. Управление, вычислительная техника и информатика, с. 158–162.
13. Замятина О.М., Малыхин В.И. Исследование и моделирование работы когнитивного радио стандарта IEEE 802.22 // Вестник СибГУТИ. 2014. №1. С. 75-84.
14. Черкасов М.Н. Инновационные методы обучения студентов. / Материалы XIV Международной заочной научно-практической конференции «Инновации в науке» под ред. Я. А. Полонского.

Oxana M. Zamyatina
Ph.D., Assoc. Prof., Dept. of CSO,  National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
Polina I. Mozgaleva
Asst. Lecturer, Dept. of CSO, Expert, Dept. of Elite Engineering Education, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
Yulia O. Goncharuk
Student, Dept. of CSO, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
Game technologies in teaching “Mathematical modelling”
Annotation:The paper examines the applicability of implementing gamification in the disciplines of fundamental and professional cycles of training engineering students. It also gives an example of development of mechanics, dynamics, and content of a game for the “Mathematical modeling” discipline.
Key words: game technologies, active learning methods, gamification, mathematical modeling.