авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Проблемно – ориентированная система обучения физике студентов в технических университетах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Ларионов Виталий Васильевич

ПРОБЛЕМНО – ОРИЕНТИРОВАННАЯ СИСТЕМА

ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ СТУДЕНТОВ В ТЕХНИЧЕСКИХ

УНИВЕРСИТЕТАХ

13.00.02 - Теория и методика обучения и воспитания

(физика)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора педагогических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Томский политехнический университет» на кафедре общей физики

Научный консультант: доктор педагогических наук, профессор Пурышева Наталия Сергеевна

Официальные оппоненты: доктор педагогических наук, профессор Айзенцон Александр Ефимович доктор технических наук, профессор Спирин Геннадий Георгиевич доктор педагогических наук, профессор Оспенникова Елена Васильевна

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Томский государственный педагогический университет»

Защита состоится 16 июня 2008 г. в 15 часов на заседании диссертацион ного совета Д 212.154.05 при Московском педагогическом государственном университете по адресу:

119992, г. Москва, ГСП-2, М. Пироговская, д. 29, ауд. №

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета по адресу:

119992, г. Москва, ГСП-2, М. Пироговская, д. 1.

Автореферат разослан «» 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Л.А. Прояненкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Технические университеты России пе реживают этап преобразования в инновационные университеты, которые должны осуществлять подготовку специалистов, обладающих полноценным творческим потенциалом, способных на базе фундаментальных исследований вести многоплановую научно-внедренческую деятельность по широкому спектру специальностей и наукоемких технологий.

В соответствии с концепцией модернизации российского образования на период до 2010 года, инновационными программами подготовки специали стов эти задачи предполагается выполнять на основе реализации исследова тельского, практико-ориентированного, задачного, компетентностного и кон текстного подходов к обучению, сочетания фундаментальной и профессио нальной направленности образования, усиления творческой учебной деятель ности. В свете поставленных задач следует отметить, что физика (во взаимо действии с другими фундаментальными науками) всегда была основой про мышленного и сельскохозяйственного производства на всех этапах развития общества. Физика имеет богатейший опыт превращения (преобразования) ги потез и научных открытий в реальные приборы и технологии, и ее роль мно гократно возрастает с развитием информационной среды. Именно поэтому со ответствующее поставленным целям обучение физике следует рассматривать как неотъемлемую часть полноценного инженерного образования, вносящего вклад в развитие творческой личности, в оснащение будущего выпускника технического университета современной методологией внедренческой дея тельности, готового самостоятельно и квалифицированно решать новые зада чи.

Немало значимых исследований в теории и методике обучения физике в общетеоретическом плане проведено С.В. Бубликовым, А.С. Кондратьевым, С.Е. Каменецким, В.В. Лаптевым, Н.С. Пурышевой, В.Г. Разумовским, А.В.

Усовой, Н.В. Шароновой и другими исследователями. На основе результатов их работ решен ряд задач, связанных с подготовкой студентов по физике в техническом университете (А.Е. Айзенцон, Г.В. Ерофеева, Л.В. Масленнико ва, И.А. Мамаева, А.А. Червова и другие), в том числе касающихся примене ния информационно-коммуникационных технологий (ИКТ), системного под хода к обучению физике на основе ИКТ, лабораторного практикума, обуче ния решению задач по физике с профессиональным содержанием, поиска оп тимального сочетания фундаментального и профессионально-направленного обучения. Внедрение результатов этих работ в учебный процесс технических университетов позволило решить большое число проблем физического обра зования инженеров, в то же время они не решают в полной мере проблему развития и формирования на базе физики учебно-внедренческой деятельности у будущих выпускников технических университетов, организации их само стоятельной поисково- и учебно-исследовательской деятельности, создания критериальной базы для ее оценки. Исследования не затрагивают ряд других, связанных с обучением физике вопросов, таких как: методы реализации един ства обучения и саморазвития студента, технологическое обеспечение фор мирования учебной деятельности при обучении физике, комплексного ис пользования ИКТ как методологического регулятора построения содержания практических и лабораторно-практических занятий для развития и проявления студентами творческих способностей и индивидуальности и т.д.

В отечественной педагогической науке проблема развития и формирования творчества, вопросы организации учебно-творческой деятельности исследо ваны Н.Г. Алексеевым, В.И. Андреевым, Н.М. Анисимовым, В.В. Давыдовым, И.Я. Лернером, В.С. Ледневым, В.Г. Разумовским и другими. Концепция ис следовательского обучения физике, исследовательских образовательных тех нологий даны в работах А.И. Анциферова, А.А. Гладуна, Г.Г. Никифорова, В.Г. Разумовского, А.В. Усовой, С.А. Хорошавина, Т.Н. Шамало, Н.И. Шефер и других.

Анализ результатов констатирующего этапа педагогического эксперимен та, анализ публикаций, показывают, что, несмотря на особую значимость рас сматриваемых проблем, целенаправленных исследований по проблемам со держания, организационно-процессуальных форм и методов обучения физике, развивающих творческую учебную деятельность студентов технического уни верситета, соответствующих программе модернизации российского образова ния, не проводилось. В практике работы большинства технических универси тетов не уделяется должного внимания сочетанию формирования предметных знаний по физике с комплексной организацией творческой самостоятельной деятельности студентов.

Между тем, обсуждаемые вопросы могут быть решены, если изменить со держание и методологию процесса обучения так, чтобы традиционное обуче ние физике сочетать с организацией и формированием творческой учебной деятельности на всех видах занятий: лекционных, практических и лаборатор но-практических на основе ИКТ. Для этого необходимы интеграция и синтез методологических, методических и дидактических принципов в рамках тех нологического подхода к обучению. Одним из них является проблемно ориентированный подход к обучению физике на основе ИКТ, включающий систему комплексной самостоятельной работы поисково-исследовательского характера.

Под проблемно-ориентированной системой обучения (ПОСО) понима ем обучение физике при интерактивном взаимодействии между субъектами учебного процесса, оперативном управлении методиками и средствами обу чения для обеспечения творческой самостоятельной работы студентов, осно вой которой является поисковая учебно-исследовательская деятельность с ис пользованием ИКТ, ориентированная на овладение методами поиска про блемных ситуаций и решения задач, соответствующих актуальным вопросам науки и практики.

Возможности ПОСО физике особенно четко проявляются и реализуются при системном использовании функций ИКТ. На их основе можно создать ус ловия и ситуации, побуждающие студентов к ответственной самостоятельной учебной, учебно- и научно-исследовательской работе, условия для качествен но нового формирования их творческой познавательной деятельности. Расши рение проблемного поля обучения физике в техническом университете вслед ствие применения ИКТ, приближение его содержания к современному уровню научных знаний, использование в учебном процессе методологии физики как науки во всей полноте требует обучения, ориентированного не только на ос воение системы предметных знаний, но и на развитие творчества студентов. В этом случае проблемно-ориентированная система обучения физике на основе ИКТ может быть переведена на уровень инновационной технологии и преоб разовать характер обучения в отношении целевой ориентации, способов взаи модействия преподавателя и студента, возможности дифференциации, орга низации новых форм самостоятельной работы и активного участия студентов в творчестве.

Таким образом, содержание приказов и инструктивных писем Министерст ва образования и науки, анализ исследований в области подготовки современ ных инженеров, в т.ч. зарубежных, а также инновационных программ россий ского высшего технического образования (2005-2010 гг.), научных исследова ний, посвященных проблемам обучения физике студентов, позволяет выде лить в существующей системе обучения физике в технических университетах ряд противоречий:

между потребностью общества в специалистах, способных использовать современные физические методы исследования в своих областях деятельно сти, и существующей методической системой обучения физике в техническом университете, не предусматривающей возможность формирования таких спе циалистов;

между необходимостью усиления методологической направленности учеб ного процесса по физике, поддержки эксперимента, связи содержания образо вания с наукоемкими технологиями, существенно расширяющими тематику проводимых студентами исследований, и традиционным преобладанием зна ниевого и репродуктивного компонентов в существующей системе обучения;

между широкими возможностями использования в образовании информа ционных технологий и существующей моделью их применения в обучении физике, не учитывающей в должной мере формирование элементов творчест ва будущих выпускников технических университетов и организации само стоятельной поисково - и учебно-исследовательской деятельности, критери альной базы для оценки такой деятельности.

Из вышеперечисленного становится очевидной актуальность исследования, проблемой которого является поиск ответа на вопрос: какими должны быть концепция, модель, практическая реализация проблемно-ориентированной технологии обучения физике студентов технических университетов и средства ее осуществления.

Объект исследования: процесс обучения физике студентов технических университетов.

Предмет исследования: методика проблемно–ориентированного обучения физике студентов технических университетов.

Цель исследования: теоретическое обоснование, создание концепции проблемно-ориентированной системы обучения физике студентов в техниче ском университете, а также методики её реализации.

Гипотеза исследования. Проблемно-ориентированная система обучения физике (ПОСОФ) студентов технических университетов, основанная на ис пользовании ИКТ, будет способствовать повышению эффективности обуче ния, если:

ее реализовать во всех аспектах образовательной деятельности, содержа тельном, мотивационном и процессуальном;

использовать дидактические и методические средства ПОСОФ во всех формах и компонентах самостоятельной поисковой деятельности студентов системно, оптимально, сообразно с логикой и методологией физики;

организовать самостоятельную деятельность студентов на основе соответ ствующих целям ПОСОФ методических подходов и соответствующих им информационно-технологических средств;

использовать видеообучающую интерактивную систему (ВОИС), в основу которой положить визуализированную модель теоретического, практического знания и вычислительной физики;

применить новые методические подходы и информационные средства в учебно - и научно-поисковой деятельности студентов, а именно: при проведе нии лекций, практических занятий и лабораторных работ использовать компо зиционный физический эксперимент (КФЭ);

композиционные демонстрации физических экспериментов;

ВОИС и КФЭ связать в единый комплекс, систе мообразующим элементом которого станет ИКТ, использовать непрерывный мониторинг по этапам обучения и тайминг обучающихся.

Под эффективностью обучения понимаем объем знаний, их прочность, умение принимать самостоятельные решения и нести ответственность за их реализацию, творческий уровень усвоения знаний, мотивацию и интерес к обучению выбранной специальности.

Методологической основой исследования послужили результаты сле дующих исследований: деятельность в обучении и развитии личности (А. Г.

Асмолов, П.Я. Гальперин, Н.Ф. Талызина, Л.С. Выготский, И.Я. Лернер, Д.И. Фельдштейн, Д.Б. Эльконин и других);

технология применения эвристи ческих методов и развития логического рационального мышления, использо вание в педагогике понятий инновационной деятельности для построения прогностической модели обучения (В.И. Андреев, Н.М. Анисимов, С.В. Бубли ков, В.А. Черкасов и др.) и инновационно-продуктивной деятельности (В.Г.

Афанасьев, В.В. Лаптев, В.Я. Ляудис, Н.Д. Никандров и др.);

теория и практи ка научного творчества (Н.Г. Алексеев, В.С. Леднев, А.Т. Шумилин и др.);

дифференцированного обучения (Н.С. Пурышева, Ю.И. Дик), визуального мышления (Р. Арнхейм, З.С. Белова и др.);

концепция исследовательского обучения физике и исследовательские образовательные технологии (А.И. Ан циферов, А.С. Кондратьев, Г.Г. Никифоров, А.В. Усова, С.А. Хорошавин, Т.Н.

Шамало, Н.И. Шефер, А.А. Червова, Л.С. Хижнякова и другие);

теория и практика физического и демонстрационного эксперимента (В.М. Зеличенко, В.В. Лаптев, В.Я. Синенко, А.В. Смирнов, Г.П. Стефанова, Т.Н. Шамало и другие), мультимедийная дидактика физики (А.М. Коротков, Е.В. Оспеннико ва, В.А. Стародубцев и др.). Большое значение для нас имели философские идеи диалектической теории познания в проблемном обучении: природа про блемного обучения (А.М. Матюшкин, М.И. Махмутов, М.Г. Штракс), про блемная ситуация и проблемная задача (В.Б. Губин, В.Г. Разумовский);

идеи и исследования в области теории и методики преподавания физики в техниче ском университете (Н.С. Пурышева, С.Е. Каменецкий и др.;

а также А.Е. Ай зенцон, В.Ф. Взятышев, Ю.П. Дубенский, Г.В. Ерофеева, Л.В. Масленникова, И.А. Мамаева, А.И. Подольский и др.).

Исходя из цели и гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи:

1. Изучить состояние проблемы подготовки инженеров по физике в свете современного этапа развития педагогической науки и современных требова ний к подготовке инженеров.

2. Уточнить понятие проблемно-ориентированного обучения физике как системы (ПОСОФ), определить роль и место ИКТ в ПОСО физике в техни ческом университете.

3. Разработать концепцию и модель проблемно-ориентированной системы обучения физике, отвечающих целевым установкам и методологии фунда ментального образования применительно к техническому университету.

4. Разработать методику и программно-педагогические средства проблемно ориентированного обучения физике в техническом университете, основанные на использовании информационно-коммуникационных технологий.

5. Разработать основы проектирования и реализации информационно технологических средств, использующих новое программное и методическое обеспечение, и отвечающих целям ПОСО физике в техническом университе те.

6. Создать и апробировать программно-методическое обеспечение самостоя тельной деятельности студентов по решению учебно- и научно исследовательских проблем при обучении физике в техническом университе те.

7. Проверить эффективность проблемно-ориентированной системы в техни ческом университете в педагогическом эксперименте.

Логика и основные этапы исследования Исследование проводилось с 1992 по 2007 г. в несколько этапов.

Первый этап (1992-2000 г.г.) состоял в анализе психолого-педагогической и методической литературы по проблеме, основных концептуальных, норма тивных документов, регламентирующих образовательную деятельность в тех ническом университете на современном этапе, изучении передового педагоги ческого опыта по использованию ИКТ в обучении физике, формулировке ис ходной гипотезы исследования, цели и задач исследования.

Второй этап (1999-2004 г.г.) посвящен разработке концепции и модели про блемно-ориентированной системы обучения физике в техническом универси тете, принципов проектирования и представления учебного материала при ис пользовании информационно-коммуникационных технологий, созданию учеб но методического обеспечения ПОСО физике и самостоятельной учебно- и научно-исследовательской работы, адаптации поисковых методов физических исследований к учебному процессу.

Третий этап (2004-2007 г.г.) включал реализацию ПОСОФ в ходе форми рующего этапа педагогического эксперимента, внесение необходимых кор ректив в планирование эксперимента, оценку результативности использова ния новой технологии обучения, внедрение разработок в педагогический про цесс других кафедр и вузов, определение перспектив и направлений дальней шего исследования проблемы.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. В отличие от предшествующих исследований, посвященных методике обучения физике в системе высшего технического образования, где основное внимание уделялось концептуальным основам приобретения обучаемыми знаний по физике, общим методическим подходам их использования в тради ционных технологиях, в настоящей работе обоснована возможность проблем но-ориентированной системы обучения физике в современном техническом университете, сочетающей знаниевый и учебно-деятельностный компоненты, включающей в себя самостоятельную учебно - и поисково-исследовательскую работу студентов. На методологическом и организационно-процессуальном уровнях предложено решение проблемы повышения эффективности подго товки студентов по физике в условиях современной информационной образо вательной среды.

2. Разработана концепция проблемно-ориентированной системы обучения физике студентов технических университетов, которая включает следующие положения:

обучение физике в технических университетах рассматривается как мето дическая система, состоящая из содержательного, процессуального, диагно стического и управленческого компонентов;

методы, формы и средства проблемно-ориентированной системы обучения физике вместе с традиционными адекватны методологической направленно сти учебного процесса, поддержке эксперимента, связи содержания с науко емкими технологиями, в т.ч. имеющими социальное значение;

творческую самостоятельную работу студентов как поисковую учебно исследовательскую деятельность с использованием ИКТ, ориентированную на овладение методами решения проблем, соответствующих актуальным задачам науки и практики, формирования идей на уровне проекта, обеспечивает инте рактивное взаимодействие между субъектами учебного процесса, методиками и средствами обучения, оперативное управление этими ресурсами,;

ИКТ в системе ПОСО реализуются с помощью видеообучающей системой (ВОИС), композиционного физического практикума (КФП) как средства и ме тода обучения и объединения ВОИС и КФП;

структурные элементы ВОИС и КФП как дидактические носители ПОСОФ, дополнительно содержат ценностно-смысловой, операциональный и учебно исследовательский компоненты учебного процесса;

поскольку инженер в своей деятельности соотносит физические знания с физическими эффектами с целью рационального преобразования объекта по знания, то в качестве системообразующего подхода применяется структури рование проблемы (П), проблемной ситуации (ПС) и проблемной задачи (ПЗ) для формирования (формулирования) физических и инженерных идей на уровне проекта, что предполагает обеспечение условий для рефлексии сту дента над понятийными отношениями в ряду явление – проблема, проблемная ситуация, решение задачи.

3. Разработана модель проблемно-ориентированной системы обучения физике, условия ее проектирования и реализации на основе информационно технологических средств ПОСО физике, направленные на формирование у студентов творческого подхода к физическому эксперименту, освоению большого объема информации, способности к ее критическому анализу, по иску нестандартных подходов к решению проблемных задач в учебной дея тельности.

4. Разработана методическая система проблемно-ориентированного обуче ния физике в технических университетах, особенностью которой является ис пользование видеообучающей интерактивной системы (ВОИС) и оптималь ное, отвечающее методологии научного исследования, сочетание натурного, виртуального и вычислительного эксперимента в рамках предлагаемого ком позиционного физического практикума.

5. Показано, что интеграция возможностей, которые открывают предла гаемые методические подходы, реализуемые с помощью дидактически и ме тодологически значимых информационно-технологических средств, позволя ет повысить эффективность ПОСО физике, осуществить индивидуализацию и дифференциацию обучения, мониторинг учебного процесса, обоснованно формировать студенческие мини-коллективы для самостоятельной работы, объединить обучение и контроль в единый взаимосвязанный процесс.

6. Показано, что проблемно-ориентированная система обучения физике в технических университетах, способствует превращению студента в полно правного субъекта образовательной деятельности, активно участвующего в создании эффективной информационно-образовательной среды и осуществ ляющего диалогическую субъект-субъектную коммуникацию с преподавате лем и другими участниками исследовательского мини-коллектива.

Теоретическая значимость исследования состоит в следующем.

1. Разработаны концепция и модель проблемно-ориентированной системы обучения физике на практических занятиях в техническом университете, от вечающие целям фундаментального образования и обеспечивающие его эф фективность при подготовке будущих выпускников. В рамках концепции расширено понятие проблемного обучения путем структурирования проблемы и проблемной задачи субъектами проблемного взаимодействия на основе ИКТ, введено понятие проблемно-ориентированной системы обучения физи ке, дано его определение.

2. Разработаны основы проектирования и представления содержания учеб ного и контролирующего материала, использующие новые методические под ходы и информационно-технологические средства, отвечающие проблемно ориентированной системе обучения физике в техническом университете.

3. Выявлены и сформулированы условия организации учебной деятельности в ПОСОФ (на основе метода проектов), направленной на приобретение сту дентами технического университета информационных и исследовательских умений.

4. Введено понятие и научно обоснованы содержание, структура компози ционного физического практикума, сочетающего как единое целое натурный (компьютеризированный), виртуальный эксперимент и компьютерное моде лирование, который может служить основой для создания учебной лаборато рии нового поколения, ориентированной на учебно - и научно исследовательскую деятельность студентов технического университета по фи зике на различных этапах учебного процесса.

Практическое значение работы состоит в том, что основные ее результа ты доведены до уровня конкретных методических разработок и рекоменда ций, к числу которых относятся:

Видеообучающая интерактивная система (ВОИС) и композиционный физи ческий практикум (КФП);

учебно-методический комплекс по курсу общей физики для технического университета, основанный на использовании ВОИС и КФП;

учебно-методический комплекс по обеспечению самостоятельной учебно- и научно-исследовательской работы студентов технического университета;

новые дидактические средства:

- авторские лабораторные работы для композиционного физического прак тикума;

- композиционный физический практикум как основа учебной лаборатории нового поколения;

- учебные пособия (четыре учебных пособия с грифом Минобрнауки, одно с грифом УМО по педагогическим наукам и 2 монографии), среди которых «Физический практикум;

часть 1. Механика. Молекулярная физика. Термоди намика;

часть 2. Электричество и магнетизм. Колебания и волны;

ч.3: Оптика.

Атомная и ядерная физика», «Учебно-дидактический комплекс по физике, ч. и ч.2».

- программное обеспечение наукоемких гуманитарных технологий социально го назначения.

Результаты исследования внедрены на кафедре общей физики, теоретиче ской и экспериментальной физики Томского политехнического университета и его филиалах, в Алтайском государственном техническом университете, Кемеровском и Омском государственных университетах. Внедрение позволи ло повысить эффективность обучения физике студентов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Необходимость обеспечения эффективной подготовки по физике сту дентов технических университетов делает целесообразным и возможным по строение ее системы на основе проблемно-ориентированного обучения и тех нологических средств современных информационно-коммуникационных тех нологий.

2. Проблемно-ориентированная система обучения физике в техническом университете позволяет, формировать у студентов умения находить нестан дартные подходы при выявлении проблемных ситуаций, решении познава тельных задач при их реализации в виде учебных проектов в условиях само стоятельной поисковой учебно-исследовательской деятельности.

3. Использование в учебном процессе ВОИС, построенной на основе разработанных методик проектирования и представления содержания учебно го материала, позволяет реализовать интерактивный характер обучения, осу ществить его индивидуализацию и дифференциацию, обоснованно формиро вать мини-коллективы для самостоятельной работы студентов во всех ее ви дах, объединить обучение и контроль в единый взаимосвязанный процесс.

Структура содержания ВОИС по физике задается в виде системы обучающих анимированных заданий, снабженных диагностирующим инструментарием, и включает ориентировочную основу предметной и учебной деятельности как результат создаваемого учебного явления и логики его создания;

соотнесения физического знания с физическим эффектом;

набора приобретенных и апро бированных в собственном опыте способов учебной деятельности (мысли тельных, организационных, информационных, презентационных и т.д.);

при обретения опыта решения задач в проблемных ситуациях (при целевом струк турировании и трансформировании объекта, при неполноте условий задачи, необходимости принятия «собственных» решений на основе аналогов, само контроля своих действий, на основе вариативных «подсказок», компьютер ных экспериментов, тренажеров, снабженных регуляторами и расчетно программными файлами, задания, ставящие целью использование научных методов физики в будущей профессиональной деятельности, совместное с преподавателем формирование предметного, операционного и рефлективно го обучения познавательной деятельности).

4. Сочетание натурного, виртуального эксперимента и компьютерного мо делирования в последовательности и соотношениях, отвечающих поисковому научному исследованию в композиционном физическом практикуме, как ис точнике знаний и методе обучения, может служить основой учебной лабора тории нового поколения, ориентированной на исследовательскую и проект ную деятельность студентов технического университета на различных этапах учебного процесса, в т.ч. при переходе от курса физики к специальным дис циплинам.

5. Комплексное использование разработанных методических подходов и информационно-технологических средств проблемно-ориентированной сис темы обучения физике расширяет содержание предметного и исследователь ского обучения, путем включения в него изучения и анализа нелинейных фи зических процессов, основ наукоемких технологий, в т.ч. гуманитарных тех нологий, имеющих социальное значение.

6. Содержание и методика проведения проблемно-ориентированных прак тических занятий по физике при совместном использовании видеообучающей интерактивной системы и композиционного физического практикума как средства формирования у студентов творческих и адаптивных способностей, представлений о сущности рассматриваемых явлений и прогнозирования их развития, может быть реализована благодаря:

применению компьютерных визуализированных моделей, приобретаемым навыкам и умениям совершенствования программных средств ИТ, решению учебно-научных и практических нестандартных задач, вклю чающих систему заданий профессионально-ориентированного характера к са мостоятельным и проектным работам.

Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялось:

в процессе выступлений на Международных конференциях «Современный физиче ский практикум» СФП – 92, 94, 04, 06 (Москва, 1992, 1994, 2004), Волгоград, 2006;

«In ternational conference of engineering education» (Moscow, 1995);

«Физическое образова ние в XXI веке» (Москва, МГУ, 2000);

«Элитное техническое образование» (Москва, 2003);

«Социально - культурные и психолого-педагогические проблемы и перспективы развития современного профессионального образования в России (Пенза, 2004);

«Фи зика в системе современного образования ФССО» (СПб, 2005, 2007);

«Информацион ные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2004, 2006);

«Фор мирование профессиональной культуры специалистов XXI века в техническом универ ситете» (СПб., 2004);

«Современные технологии обучения (СПб., 2003, 2004, 2006);

«Высокие интеллектуальные технологии и генерация знаний в образовании и науке»

(СПб, 2005);

на IV, V и VII Международных научно-методических конференциях (МПГУ, Москва, 2006, 2007, 2008);

при презентации научно-методических разработок на международной выставке в Германии (Ганновер, 2004, 2006);

во время выступлений на совещании заведующих кафедрами физики техниче ских университетов России (Москва, 2003, 2005);

на выездном заседании Президиума методического Совета по физике Зоны Сибирского региона (Томск, октябрь, 2004, Ново сибирск, май 2006);

на ежегодных Международных научно-методических конференциях Томского политехнического университета (ТПУ) (ежегодно с 1986 по 2006). Автор явля ется лауреатом Томской обл. в сфере науки и образования за 2002 г при подготовке аспирантов (защищены и утверждены ВАК две диссертации по специальности 13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания (физика).

Монография, учебные пособия, статьи размещены в открытом доступе на сайтах www. lib.tpu.ru/fulltext t2/m2005mk53.pdf;

http://csgnz.ultranet.tomsk.ru Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Общий объем текста составляет 361 страницу. Библиографический список включает 334 наименования.

Работа содержит 106 рисунков и 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы, определены объект, предмет, цели и задачи диссертационного исследования, представлены его методологи ческие основы и концепция, раскрыты научная новизна, теоретическая и прак тическая значимость результатов исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Современное состояние проблемы обучения физике студентов технического университета» исходя из целей и задач подготовки высокопрофессиональных специалистов – инженеров, проанализированы ос новные существующие системы обучения физике в техническом университе те, их специфика, определена методологическая роль физики, и на ее основе, в свете инновационных образовательных программ России, сформулированы требования к подготовке по физике, предъявляемые к выпускникам инженерам.

Требования к подготовке инженеров включают вооружение будущего вы пускника технического университета современной методологией внедренче ской деятельности и готового самостоятельно, быстро и квалифицированно решать задачи технического перевооружения производства на основе совре менных технологий. Их подготовка осуществляется при изучении не только специальных дисциплин, но и общепрофессиональных, базовой среди кото рых является физика. Исходные установки учебного процесса по физике в техническом университете имеют образовательные ориентиры, цели и содер жание обучения, направленные на фундаментализацию и профессиональную ориентированность знаний (Л.В. Масленникова, Г.В. Ерофеева и др.). Реше ние задачи развития интеллектуальной сферы будущего инженера, формиро вания «качественных и прочных знаний, «инвариантных» элементов знаний, которые играют роль связей между физикой и специальными дисциплинами», предложено в работе И.А. Мамаевой. Результатом этих и других работ яви лось построение методологически ориентированной системы обучения физике для формирования системных знаний, «имеющих своими целями создать ус ловия для рефлексии студента над понятийными отношениями «явления величины», «явление-модель», «явление-закон», явление-метод».

В технических вузах широко реализуется знаниево-инструментальная па радигма, использующая технологии обучения физике, ориентированные на развитие личности. Однако в явном виде не отражены ожидаемые результаты обучения, их характеристика. Отметим также, что основным в этом процессе должно быть не воспитание у студентов определенных качеств будущего ин женера, а использование внутренних резервов самой личности (мотивы, склонности, эмоции, интересы) при обучении (А.С. Кондратьев, В.В. Лаптев).

Констатирующий эксперимент показывает, что часто преподавание физики в технических вузах строится традиционными способами в виде сообщения готовых знаний на лекциях, которые затем репродуцируются на практических занятиях, т.е. знания формируются в деятельности по образцу. Методика пре подавания физики не направлена на творчество, обучение решению проблем ных задач, выделению проблемных ситуаций, а применяемые ИКТ слабо от ражают специфику технического университета. В частности, в дидактическом и методологическом плане не определена современная структура физического практикума, как наиважнейшего средства формирования инженерного мыш ления, содержание и структура самостоятельной поисковой и учебно исследовательской деятельности в рамках курса физики и в других дисципли нах, которые опираются на физические знания.

Таким образом, содержание и технология обучения физике в 80-90% в на стоящее время не соответствуют системе полноценного инженерного образо вания. Это обусловлено:

1) неэффективным целеполаганием (стандартные цели направлены на за поминание и быстроту реакции при ответе, что эффективно в частности, но не является достаточным для развития инженерного мышления);

2) отсутствием в целях познания уровней развития действий (предмет дейст вия, способ действия и условия действия), 3) отсутствием функционального строения действий (цель, способ дейст вия и условия выполнения).

Методологическая ориентированность обучения должна быть направлена не только на получение знаний, но и формирование у будущих инженеров ос нов инженерного мышления позволяющего формулировать и реализовывать идеи на уровне проекта.

Эти задачи могут быть решены с помощью проблемного (И.Я. Лернер, А.М. Матюшкин, М.И. Махмутов, А.В. Ковалевская и др.) и дифференциро ванного (Н.С. Пурышева и др.) обучения, которые в совокупности, в свете применения ИКТ, следует рассматривать как инновационные (В.В. Лаптев, А.С. Кондратьев). Таким образом, на основе проблемного и дифференциро ванного можно осуществить проблемно-ориентированное обучение. Про блемно-ориентированное обучение в нашем исследовании рассматривается как подход, метод, тип и система, а проблемная ситуация как центральное звено проблемно-ориентированного обучения. С позиции субъектов образо вательного процесса здесь: 1) формируется учебная ценность проблемных си туаций и модель проблематизации содержания обучения, включающая уровни – предметно-познавательный, операционный и операционально коммуникативный;

2) выпускники технических вузов готовятся к проблемно ориентированному подходу в профессиональной деятельности и в формиро вании на основе физики идей на уровне учебного проекта.

В работах отечественных методологов (И.В. Блауберг, А.А. Вербицкий, Е.Ф. Губский, И.Т. Фролов, Э.Г. Юдин и др.) исследован понятийный аппарат проблемного обучения. Понятия проблемного обучения - проблемная ситуа ция, проблемная задача - определены в работах теоретиков проблемного обу чения A.M. Матюшкина и М.И. Махмутова, а психологической основой явля ется учение С.Л. Рубинштейна, продолженное в трудах A.M. Матюшкина, о ведущей роли проблемной ситуации в процессе мышления и обучения и об этапах мыслительного процесса. Проблемная ситуация выступает как продукт учебной активности, как предпосылка мышления и поиска смысла познава тельной деятельности, ценности физического знания (В.В. Лаптев, А.С. Конд ратьев, Г.П. Стефанова).

Обучение студентов средствами наглядности и мультимедийных техно логий исследована в работах Е.В. Оспенниковой, А.В. Смирнова, В.А. Старо дубцева, В.К. Стафеева и других. Его активизация может быть усилена за счет создания визуализированной модели физических процессов. Модель должна включать теоретический, экспериментальный и вычислительный компоненты для реализации творческой самостоятельной работы студентов технического вуза.

Если организовать обучение студентов физике (включая лабораторные ра боты) так, чтобы при этом структурировались и решались проблемы, возни кающие в результате выявления проблемных ситуаций, анализировались спо собы решения проблемных задач, то это позволит подготовить студентов к решению профессиональных проблем, стимулировать формирование идей на уровне учебных проектов.

Поэтому требуется конкретизация психолого-дидактических оснований обучения будущих инженеров профессиональной деятельности, постановке, структурированию и решению проблем, выделению проблемных ситуаций при обучении физике.

Организационно-процессуальная работа по обеспечению проблемно ориентированного обучения физике затруднена отсутствием технологии обу чения, где была бы выражена последовательность взаимосвязанных действий субъектов образовательного процесса. Компьютерные программы и практи кумы (В.А. Елисеев, М.И. Старовиков, А.М. Толстик др.), межпредметные связи физики и информатики недостаточно отражают специфику технических вузов.

Констатирующий эксперимент показал отсутствие единой терминологии для обозначения виртуального, компьютерного и натурного эксперимента.

Нет методики их комплексного применения, не выявлено их структурное взаимодействие. Методика решения задач и проведения лабораторных заня тий не связана с представлениями студентов 1-2 курса об их будущей инже нерной деятельности. Их однотипность приводит к снижению мотивации по получению навыков продуктивной деятельности. Компьютерные программы (практикумы) в большей части представляют элементы компьютерной мате матики и графики (А.М. Толстик), их регуляторы не всегда отражают способы изменения реальных параметров физических систем. В целом не решена про блема обучения физическому эксперименту студентов технических универси тетов в новых условиях компьютеризации обучения. Компьютерные про граммы для практических и лабораторно-практических занятий транслируют прежние информационные технологии, слабо изменяя цели, содержание обу чения, средства для развития основ содержательной регуляции собственной деятельности студентов.

Проведенный анализ состояния исследуемой проблемы подготовки инже неров позволяет сделать следующие выводы:

1. Существующие технологии обучения физике не дают возможности формировать на ее базе профессиональную компетентность (знания, умения, навыки в совокупности с ответственностью за принятие решений с умениями формировать идеи на уровне проекта) будущих инженеров, а также в полной мере решить поставленные обществом задачи.

2. Овладение соответствующей методологией физики следует рассматри вать как неотъемлемую часть инженерного образования для развития творче ской личности будущего выпускника технического вуза.

3. Информационно-коммуникационные технологии могут усилить фунда ментальную подготовку будущих инженеров, если компьютерные программы для практических занятий и цифровые образовательные технологии будут на правлены на изменение целей, содержания обучения физике, и применяться как средства для регуляции собственной деятельности.

4. Методологическая ориентированность обучения физике должна быть направлена не только на получение знаний, но и на формирование у будущих выпускников инженерного мышления для реализации идей на уровне учебно го проекта в условиях ограничений по времени и ресурсам.

5. В компьютерных ЦОР не проработаны методы формирования оптималь ной мотивации студентов к фундаментальной подготовке и активного самооб разования, стимулирования мыслительной деятельности, становления совре менного уровня информационной культуры. Качество программно педагогических средств, используемых в обучении в техническом вузе, может быть повышено за счет усиления методологического компонента физики.

Во второй главе «Теоретические основы проблемно ориентированной системы обучения физике на практических занятиях в техническом университете (методологический аспект)» формулируются основные положения разработанной в нашем исследовании методологии ПОСОФ на основе ИКТ, рассматриваются ее теоретические основы, этапы и элементы;

проводится анализ формирования понятийного аппарата, выделе ны критерии оценки способности студентов к творческой деятельности.

Результаты анализа психологических особенностей обучения студентов вузов (В.В. Гузеев, В.П. Зинченко, С.К. Сергиенко, Д.И. Фельдштейн, Л.П.

Щедровицкий и другие) во взаимосвязи с общедидактическими принципами построения системы обучения студентов в вузе на основе фундаментализации (А.Д. Гладун, О.Н. Голубева, В.А. Сластенин, А.А. Червова и др.) и профес сиональной направленности (А.Е. Айзенцон, Г.В. Ерофеева, И.А. Мамаева, Л.В. Масленникова и др.) позволили определить условия для реализации творческой деятельности студентов при обучении физике: 1) единство поня тийного знания и учебной деятельности;

2) умение распознавать, описывать, идентифицировать и структурировать проблемы (содержательное, творческое, развивающее структурирование);

3) уверенность при применении научного знания для разрешения проблемной ситуации;

4) самостоятельность в поста новке и осмыслении проблемной ситуации;

5) методологический подход к выбору вариантов и уровней развития действия;

6) опыт саморегуляции (уста новление границ собственного знания, внутренняя самооценка знаний).

Психолого-педагогические аспекты, психологическое обеспечение усвое ния предметных знаний на базе методологии учебно-познавательной деятель ности (С.И. Архангельский, Ю.К. Бабанский, П.И. Пидкасистый и др.), реали зации единства обучения и саморазвития (В.П. Беспалько, И.Я. Лернер, М.Н.

Скаткин и др.), проявления студентами творческих способностей и индивиду альности (Д. Брунер, Л.С. Выготский, В.П. Зинченко, А.Н. Леонтьев, Ж. Пиа же, С.Л. Рубинштейн и др.) рассмотрены для исследования их связи с мотива цией и интеллектуальными возможностями студентов технического вуза, раз виваемой на основе ИКТ.

Определение проблемной ситуации, где неизвестное выступает на сторо не объекта, а потребности и возможности — на стороне субъекта, базируется на ее понимании как психического состояния интеллектуального затруднения при решении проблемной задачи (А.М. Матюшкин). Уровни проблемности в обучении, проанализированные В.А. Крутецким и Т.В. Кудрявцевым, позво ляют реализовать постановку и осмысление проблемной ситуации в физиче ских задачах. Структурирование задач и их трансформация в проблемно ориентированные, где основная задача решается на фоне соподчиненных, строится на основе идей, высказанных Г. Пойа, С.Л. Рубинштейном и позднее Т.В. Кудрявцевым.

Педагогическими основами ПОСОФ являются: 1) концепция И.Я. Лер нера о значении содержания проблемного обучения, о развивающей и воспи тывающей роли проблемных ситуаций в формировании не только интеллекту альных, но и духовных способностей субъектов проблемного взаимодействия;

2) модель дифференцированного обучения физике (Н.С. Пурышева);

3) мо дель личностно-ориентированного обучения физике, роль и становление субъектов образовательного процесса (С.В. Бубликов);

4) представление об инженерном мышлении как о процессе, в котором присутствует творческая составляющая (П.Л. Капица);

5) соотнесение взаимосвязанных физических явлений и эффектов (онтодидактический подход Г.С. Альтшуллера, Н.М.

Анисимова), метод проектов (Дж. Дьюи, У. Килпатрик).

Из всего сказанного следует, что:

1. Проблемное и дифференцированное обучение, как подходы, методы, типы и системы, могут быть базой для создания проблемно-ориентированной системы обучения физике (ПОСОФ). Благодаря применению ИКТ, углубляет ся, дополняется и обогащается их трактовка в процессуально-содержательном и структурно-организационном плане.

2. Единицами проблемного обучения являются - проблема, проблемная ситуация, проблемная задача (А.М. Матюшкин, Е.В Ковалевская), которые в случае проблемно-ориентированного обучения физике следует рассматривать в процессе структурирования, становления и развития от проблемы к про блемной ситуации и проблемной задаче. Проблема выступает в качестве еди ницы учебного содержания, проблемная задача - единицы учебного процесса, проблемная ситуация - единицы отношения содержания и процесса проблем но-ориентированного обучения. Применение ИКТ может оптимизировать управление обучением на основе данных единиц.

3. Сущностной характеристикой проблемно-ориентированной системы обучения физике в отличие от прежнего проблемного обучения является структурирование проблемы, выявление состава проблемных ситуаций, вы деление той из них, которая решается в виде проблемной задачи. Структури рование рассматривается как активизирующее творческую учебную деятель ность условие обучения, воспитания и творческого развития студентов. Оно реализуется в учебном процессе по физике субъектами проблемного взаимо действия на основе ИКТ и зависит от степени выраженности проблемы, ее структуры и противоречия в объекте познания (задача, лабораторный экспе римент во всех его видах).

4. Методология физики позволяет построить модель обучения физике в техническом университете, отражающую различную степень проблематиза ции учебного содержания и учебного процесса, направленную на творческое освоение студентами физики средствами ИКТ.

5. ИКТ рассматривается как условие, средства и фактор, определяющий основные направления формирования системы обучения физическим знаниям, способам их усвоения для применения в будущей внедренческой деятельно сти выпускниками технического университета.

6. Средства ИКТ позволяют трансформировать проблемное и дифферен цированное обучение в проблемно-ориентированное, усилить фундаменталь ную подготовку, являющуюся основой физических принципов построения и функционирования технических объектов.

Анализ процессуально-содержательных сторон инженерного мышления и этапов мыслительного процесса в условиях применения ИКТ и в единстве по знавательных и творческих процессов, позволяет сделать вывод о том, что психология инженерного мышления в настоящее время обусловлена:

специфическими особенностями компьютерного сопровождения учебной деятельности будущего инженера, значимостью отношений, поведения, коммуникативностью, увеличением информационных, ментальных и мотивационных ресурсов.

Рассматривая процессуальные стороны инженерного мышления (П.Л. Ка пица, А.А. Вербицкий, И.П. Калошина), можно показать, что современное инженерное мышление проявляется в виде творческой способности: а) поро ждать быстрые идеи;

б) выделять проблемные ситуации;

в) уходить от тради ционных схем мышления;

г) формировать идеи на уровне проекта для их вне дрения. ПОСОФ ставит своей целью использование внутренних резервов са мого обучаемого (мотивов, интересов, склонностей, эмоций). Мотивационный компонент определяется мотивами, которые характеризуют личную готов ность к творческой активности в разнообразных проблемных ситуациях, от ношение к содержанию знания в виде его приложения в будущей внедренче ской деятельности. Отсюда следует, что ПОСОФ должна включать: 1) учеб ную деятельность на основе информационного продукта и логики его созда ния;

2) концептуальное знание сущности физического явления;

3) набор при влекаемых способов учебной деятельности (мыслительных, коммуникатив ных, информационных и информационно-организационных);

4) способы ак тивизации мышления. К активизации мышления следует отнести самооргани зацию, снижение излишней критичности результата, стимулирование мысли тельной деятельности (переформулирование задач и их правильную постанов ку, содержательное, творческое и развивающее структурирование проблем ных ситуаций и проблемных задач).

Таким образом, инженерное мышление в современных условиях примене ния ИКТ определяется характером инженерной деятельности в условиях ко гда: 1) познание природной и иной закономерности сочетается с познанием возможностей и способов организации деятельности и создания предметных структур для получения требуемого результата;

2) объем приобретаемых зна ний увеличивается, если знания передаются, тиражируются и используются.

Инженерное мышление, оперирующее специфической формой знания – техническим знанием, может быть существенно развито посредством проек тирования деятельности обучаемых (Дж. Дьюи, У.Х. Килпатрик). Это связано с тем, что мышление стремится решить поставленную задачу наиболее рацио нальным способом. Соответствующая модель обучения, ориентированного на развитие студента, объединяющего физические, умственные, эмоционально волевые качества, содержит проблемность в обучении физике как обязатель ное условие развития самостоятельного и критического мышления (У.Х. Кил патрик, А.М. Матюшкин, В.В. Лаптев). Формирование деятельностной мето дологии в физике происходит средствами ПОСО на основе ИКТ, включающе го целеполагание, процессуально-содержательный компонент, организацион но-управленческую подсистему, последовательность мотивации и процедуру созидания. Отмеченные компоненты в интерактивном взаимодействии субъ ектов образовательного процесса, направленным на реализацию самостоя тельности и ответственности принятия решений, образуют методическую сис тему обучения (ПОСОФ) (схема рис. 1).

С психолого-педагогических позиций в рамках ПОСОФ студент прораба тывает все ступени учебного процесса: обозначение цели, структурирование темы, проработка темы, самостоятельная оценка деятельности (перекрестная оценка при работе в команде), оценка деятельности предварительным диффе ренцированием при формировании команды, создание персонифицированных схем управления деятельностью. Поэтому процесс решения физической и ин женерной задачи будущим инженером предстает как специфически познава тельный процесс, предмет исследования которого содержит результат в виде формулирования и реализации физической идеи на уровне учебного проекта.

Важным этапом ПОСОФ является расширение проблемного поля обуче ния средствами ИКТ. При этом возникают психологические противоречия, которые состоят в том, что расширение проблемного поля при поиске вариан тов решения на этапе самостоятельной и поисково-исследовательской работы сопровождается сокращением проблемного поля при конкретной реализации проекта. Варианты решений составляют проблемные ситуации (ПС). Их поиск реализуется структурированием проблемы, что представляет собой элемент взаимного творчества субъектов образовательного процесса. Структурирова ние проблемы для формирования идеи на уровне проекта, обобщает рассмат риваемое явление и составляет этап ПОСОФ. Оно связано с мотивационными потребностями и склонностями студентов технического университета. ИКТ в специфике технического университета – это комплекс, включающий ряд под систем (рис. 1). Среди них: методические и методологические подходы и средства учебно-познавательной деятельности, содержательно-процессу альная (получение и обмен информацией, формирование информационных ресурсов), организационно-управленческая подсистемы. Реализация ПОСОФ как методической системы осуществляется ВОИС и КФП (рис. 1), их объеди нением, учитывающим мотивации студентов технического вуза.

В ходе проведения данного исследования нами установлено что:

1. Композиционный физический практикум (КФП) является закономер ным результатом развития учебного и научного познания в физике и одним из путей решения сложных проблем в теории и методике обучения физике. 2. С позиции фундаментализации образования возникновение и становление дан ного нового дидактического средства вызвано тремя основными причинами:

- необходимостью системного подхода к обучению физике в рамках физиче ского практикума;

- необходимостью ориентированного преобразования физических систем на уровне современной методологии физики как науки;

- необходимостью рассмотрения натурного, виртуального эксперимента и моделирование на любом уровне в теории и методике обучения физике в тех ническом университете не только как одинаково важных (и дополнительных), но и составляющих единый неразделимый комплекс, развивающий специфи ческие черты инженерного мышления.

Важнейшим элементом ПОСОФ является методическая адаптация дости жений наукоемких технологий к учебному процессу, ориентированность на решение реальных физико-технических проблем. Студенты используют ВОИС и КФП согласно логике и в пропорциях, соответствующих научному познанию. В рамках ВОИС и КФП обеспечивается связь предлагаемых сту денту проблемных задач с фундаментальными и общепрофессиональными знаниями, а также происходит адаптация к специальным знаниям будущей профессиональной деятельности.

Таким образом, проблемно-ориентированная система обучения физике в техническом университете строится в рамках таких методологических подхо дов, как проблемный, дифференцированный, вариативный, проектный (метод проектов), а их системообразующим элементом должны быть ИКТ. Эти поло жения составляют ядро концепции.

Исследуемая методическая система может быть реализована как техноло гия обучения. Основание концепции составляет методология познания, уров ни методологии физики, обеспечивающие диалектическое единство в обуче нии основополагающих методов физического познания. Основная идея, став шая результатом данного исследования, состоит в том, что система обучения физике в техническом университете должна способствовать развитию твор ческих способностей будущего инженера на основе научного познания для формирования физических идей на уровне учебного проекта, а также способ ности к выполнению учебной и учебно-проектной деятельности по физике на основе полученных знаний, умений и навыков.

Приложения концепции ПОСОФ образуют методики и методическое обес печение проблемно-ориентированной системы обучения физике в техниче ском университете, включающие взаимосвязанные уровни – предметный, операционный и операциональный (по этапам), видеообучающую интерак тивную систему (ВОИС), композиционный физический практикум (КФП), ав томатизированный мониторинг учебного процесса.

Концептуальные положения:

1. Проблемно-ориентированная система обучения физике студентов техни ческого университета:

а) строится на основе методологических подходов, включающих деятельност ную, личностно-ориентированную направленность обучения;

б) реализуется при формирования умений применения нестандартных подхо дов к решению проблемных ситуаций, рассмотрения познавательных задач в контексте учебной деятельности, моделирования в сочетании с натурным и виртуальным экспериментом;

в) студенты включаются в учебную, учебно-исследовательскую работу через систему заданий, разработанных и предъявляемых с помощью ИКТ.

Цель: Формирование у будущего инженера устойчивого методологически мо тивированного и ориентированного интереса к обучению физике, умения вос требовать и использовать ее научное содержание в качестве методологического, экспериментального и технологического средства выполнения целевых видов познавательной и будущей инженерной внедренческой деятельности Мотивационный компонент Процессуально-содержательный 1. Выполнение проектов на основе методологии компонент, организационно- физики как науки. 2. Увеличение информационных управленческая подсистема для ресурсов. 3. Повышение информационной культуры (компьютерной грамотности). 4. Обеспечение само обеспечения интерактивного взаимо контроля, пропедевтической работы и тренировок.

действия субъектов образовательного 5. Практические рекомендации и создание условий процесса их реализации.

Композиционный физический Видеообучающая практикум как средство позна- интерактивная сис- Система са Проект ния на основе сочетания мате- тема (ВОИС) как мостоятель ная дея- риальных, виртуальных дидак- средство мониторинга ной работы тель- тических средств и моделиро- и активизации позна студентов ность вания, их структурного взаимо- вательной деятельно действия сти Структурирование проблем, проблемных ситуаций и задач Формирование идей на уровне проекта Рис. 1. Структурные компоненты модели проблемно-ориентированной системы обучения физике 2. Методическая система проблемно-ориентированного обучения физике студентов технического университета является составной частью подготовки инженерных кадров, способных внедрять в жизнь научные разработки на базе фундаментализации образования и методологии инновационной деятельно сти.

3. Содержание, структура и свойства проблемно-ориентированной систе мы обучения физике в техническом университете реализуются с учетом пси холого-педагогических подходов, общенаучных, дидактических принципов проектирования и реализации методических систем и направлены на форми рование у студентов потребностей и умений использовать получаемые знания как методологическое, теоретическое и технологическое средство в познава тельной и будущей инженерной деятельности.

4. КФП сочетает натурный, виртуальный эксперимент и компьютерное мо делирование в последовательности и соотношениях, отвечающих поисковому научному исследованию, является основой для создания учебной лаборатории нового поколения, ориентированной на учебную, исследовательскую и про ектную деятельность студентов технического университета на различных эта пах учебного процесса, в т.ч. при переходе от курса физики к специальным дисциплинам.

5. Методика проблемно-ориентированного обучения физике при совмест ном использовании видеообучающей интерактивной системы и композицион ного физического практикума направлены на формирование у студентов творческих и адаптивных способностей, а также представлений по:

применению компьютерных визуализированных моделей, решению учебно-научных и практических нестандартных задач, вклю чающих систему заданий профессионально-ориентированного характера к са мостоятельным и проектным работам, совершенствованию учебных программных средств ИКТ, 6. Компьютерное управление процессом обучения и выявление уровня под готовленности студента, рейтинговая оценка и самооценка результатов обуче ния, получение информации об эффективности усвоения единицы содержания служат целям формирования знаний, умений, навыков студентов техническо го университета, сформулированных в Государственных образовательных стандартах ВПО.

7. Содержание предметного и исследовательского обучения, включающего методику обучения и анализ нелинейных физических процессов, основ науко емких технологий, гуманитарных технологий, имеющих социальное значение, реализуется благодаря использованию разработанных методических подходов и информационно-технологических средств.

8. Средствами ВОИС реализуется: интерактивный характер обучения, его индивидуализация и дифференциация, формирование мини-коллективов для самостоятельной работы студентов во всех ее видах, обучение и контроль во взаимосвязанном процессе в параллельных фазах.

Обобщенная модель методической системы ПОСОФ и ее структурные ком поненты представлены на рис. 1. Изучение физики будущим инженером должно опираться на научное познание и уровни методологии физики, как ос новы инженерного мышления, т.е. такого в котором присутствует творческая составляющая. Это происходит в результате структурирования проблем и проблемных ситуаций, добывания системных знаний. При этом ориентиро ванность обозначает нацеленность на системный подход и формирование творческих способностей на основе физических знаний, приобретаемых сту дентами в системе ВОИС и КФП.

Третья глава «Методика реализации проблемно-ориентированной системы обучения физике» состоит из 3 частей.

В первой части рассмотрены вопросы реализации разработанной методи ческой системы на семинарских занятиях на основе структурирования про блемы и проблемной ситуации, проиллюстрированные на конкретном приме ре на рис. 2. Функции субъектов образовательного процесса на исследова тельском уровне на практическом занятии состоят в следующем:

Формирование студенческих мини-групп (количественный состав и выбор руководителя группы определяется субъективным шкалированием студентов и данными мониторинга на основе ВОИС).

Предметно-знаниевый уровень познания и учебной деятельности Единство понятийного знания и знания учебной деятельности. Идентификация и распознавание проблем в составе задачи (соотнесение физического знания и физических эффектов) Методы получения, уско- Методы создания электри рения и детектирования ческих и магнитных полей частиц Поиск вариантов действия, умение их комбинировать и находить решения Конкретные расчетно-графические работы, создание учебных схем реали зации условий задач, составление компьютерных программ Операциональный уровень познания и учебной деятельности Формулирование результа Элементы изобрета- Выбор и создание вир тов решения задачи на тельских решений туальной модели уровне проектов Рис. 2. Структурирование проблемы в содержательном, творческом и развивающем плане на примере задачи «Движение протона в магнитном и электрическом поле»

«Частичная» постановка проблемы, ее структурирование, переход к про блемным ситуациям для групп обучаемых посредством образующих и выяв ляющих заданий. Этап называем – проблема как она дана (ПКД).

Ответы преподавателя на вопросы студентов и разбор предложений, воз никающих у членов групп после первого занятия и самостоятельного анализа.

Тем самым выявляются пути решения основной задачи по схеме (проблема, проблемная ситуация, проблемная задача). Целевое фиксирование студентами собственного вклада в выполнение задачи.

Превращение ПКД «в проблему как ее поняли обучаемые» (ПКПО). На этом этапе информация структурирована для исследования, т.е. конкретное и определенное по структуре и цели задание.

Постановка вопросов, вызывающих аналогии. Это стадия реального поиска аналогов. На этом этапе совершенствуются аналоги с применением компью тера (на основе визуализированной модели явления).

Содержательное, творческое и развивающее структурирование проблемы.

Совместный анализ физической проблемы субъектами образовательного процесса и формулирование идеи на уровне учебного проекта На основе модели предложен ряд задач, позволяющих развернуть структу ру научного знания в ориентированную учебную деятельность по добыванию студентами новых знаний, и развить творческие способности обучаемых для формирования идей на уровне проекта. На основе предложенной модели и ме тодологических положений описана авторская методика проведения практи ческих занятий по физике, позволяющая развивать творческие и адаптацион ные способности при разрешении нестандартных ситуаций. В частности, рас смотрена роль ускорителей, ядерных технологий, изотопов в социальной сфе ре и ядерной медицине [20], даны рекомендации по применению социально значимых примеров на лекционных и лабораторно-практических занятиях.

Доказывается целесообразность применения на практических занятиях и при реализации целевых учебно-поисковых заданий и НИР новых физических яв лений, обнаруженных автором: закон диффузного отражения света от про странственно-ограниченных сред [32, 35], новый инвариант в оптике рассеи вающих сред [34], нарушение принципа взаимности при прохождении свето вого излучения через слоистые среды [33], поведение водородной подсистемы в металлах при их наводораживании [11,14] и др.

Предложены способы вариативного и визуализированного представления данных явлений в методике обучения физике. Изучение наводораживания ме таллов, плазмы газовых разрядов, ядерных реакций по содержательно процессуальным схемам ПОСОФ в системе «студент-преподаватель» позво ляет эффективно реализовать принцип «от научного исследования к задачам предметного и операционного уровня обучения физике и обратно от задач предметного уровня к проблеме научного исследования». Таким образом, осуществляется переход от анализа функционирования к конструированию процесса обучения, его регуляции и управлению.

Во второй части третьей главы – «Построение видеообучающей сис темы по физике на основе наглядности и визуализации» обсуждается кон цепция построения видеообучающей интерактивной системы (ВОИС) как со ставной части модели ПОСОФ, где обучение и контроль проводятся в парал лельной фазе и сведены в единую взаимосвязанную систему, благодаря спе циальным заданиям. Для полноценного овладения студентами на занятиях практикума теоретическим знанием и практическими умениями необходимо использование средств ИКТ в процессе предъявления учебного материала, и на этапе его отработки, и при контроле результатов обучения. Благодаря сис темному подходу к использованию возможностей виртуальной среды обуче ния студенты могут основательно изучать и повторять теоретический матери ал, отрабатывать в натурно-виртуальной среде практические умения и навыки в выполнении отдельных этапов лабораторного исследования. Контролирую щая часть системы обучения обеспечивает оперативную обратную связь и корректировку знаний и умений студентов при выполнении лабораторных за даний практикума.

В результате анализа разных подходов к пониманию роли наглядности в условиях применения ИКТ, в частности способов и форм изложения учебного материала (применение видеофрагментов, компьютерного моделирования, компьютерной презентации учебного материала, удаленного доступа через Интернет), сформулировано понятие визуализированной модели (ВМ) объек та. Предложена типология визуализации теоретического, экспериментального знания и их взаимодействия на уровне вычислительной физики. Визуализиро ванная модель – это модель физического явления, отражающая в содержании обучения различной степени детализацию учебного материала компьютерны ми средствами. Наиболее эффективно визуализация знания реализуется в раз ных вариантах в виде моделей различной полноты в рамках (знание – визу альная модель – объективная реальность). Визуализация теоретического зна ния дает обучаемому новую информацию об изучаемом объекте. Под визуа лизацией понимаем различные способы обеспечения наблюдаемости частично доступной и недоступной зрению реальности. В настоящее время виртуальная реальность, данная в визуальной модели, часто принимается субъектом обу чения как обычный объект внешнего мира. Это обстоятельство позволяет по этапно формировать умственные действия при экспериментальном обучении физике, когда в виртуальную структуру физических объектов вводятся натур ные элементы. В диссертационном исследовании приведены конкретные ме тодические приемы реализации данного положения.

ВОИС содержит тесты учебной деятельности, обучающие блоки, в ко торые включена общая теория физического явления и конкретная теория ла бораторных работ, в частности методика и техника проведения эксперимента, вывод рабочих формул, схемотехническое моделирование, представлены раз личные варианты помощи, предоставляемые студенту при необходимости. За дания ВОИС последовательно проверяют не только знание теории, но и пере нос теоретических знаний на практику, в конкретную ситуацию, а также пред видение результата воздействия в случае изменения условий эксперимента.

Созданный интерактивный режим позволяет студенту приступить к про ведению как натурного, так и виртуального эксперимента при правильном от вете на все поставленные вопросы. Поскольку структура ВОИС предусматри вает две взаимообусловленные части: контролирующую и обучающую, то каж дое задание сопровождается визуализированными теоретическими объясне ниями.

В диссертации анализируется эвристический потенциал визуализации ди дактических средств. Он состоит в том, что визуализированная модель при структурировании проблемы усиливает методологическую ориентирован ность знаний, умений и навыков, формирует у будущего инженера способ ность творческого, операционального преобразования объектов.

В содержание ВОИС по физике входит:

- система анимационных тестовых заданий (САТЗ), - система сбора данных обучения и контроля в виде электронного журнала, где фиксируются все действия обучаемого, - тайминг и система с обратной связью (коммуникация), обеспечивающая ор ганизацию диалога «компьютер – обучающийся» и актуализацию результатов обучения, - рейтинговая система оценки результата работы студента, в которую включе на внутренняя самооценка студентом достигнутого им результата, - обучающие видеодемонстрации и эксперименты по МХ Flash – технологии, - видеотренажеры визуализирующие теоретическое, экспериментальное зна ние на основе вычислительно-компьютерной технологии, - обучающие материалы по каждому конкретному вопросу, тестовому зада нию, конкретной схеме эксперимента, -задания, ставящие целью использование научных методов физики в буду щей профессиональной деятельности, -совместное с преподавателем формирование предметного, операционного и рефлективного слоев в познавательной деятельности.

Наличие вариативных схем и методологических ориентиров в ВОИС по зволяет реализовать проектно-лабораторные занятия на уровне личностно ориентированного подхода, активизировать познавательную деятельность сту дентов во всех звеньях учебного процесса (генерация проблемных ситуаций, задания проблемного характера, познавательные задачи, требующие для сво его разрешения привлечения знаний из других разделов курса физики, напри мер изучение эффекта Джоуля-Томсона при наводораживании металлов элек тролитическим методом, методом газового разряда в водородной плазме, изу чение свойств водородной подсистемы как совокупности квазиосцилляторов и т.д.). Система проблемных вопросов, предлагаемых студентам в конце заня тия, позволяет фиксировать на временном и содержательном уровнях прохо ждение этапов проблемно-ориентированного обучения и его результатов.

В ВОИС реализованы методы и средства побуждения (мотивации) само стоятельной познавательной деятельности. В ее содержание включены при кладные задачи и задачи профессионально направленные, предусматриваю щие постепенное усложнение материала.

В третьей части главы 3 – «Проблемно-ориентированное обучение на основе композиционного физического практикума (КФП)» рассмотрены вопросы создания нового физического практикума, включающего натурный, виртуальный эксперимент и моделирование. Решена проблема сопряжения натурного и виртуального эксперимента и выделены виды сопряжения и педа гогический эффект, определяемый уровнем знаний, умений, навыков при применении разных видов сопряжений экспериментов. Психолого педагогические проблемы создания информационно-образовательной среды вуза в аспекте ее деятельностного характера, развитые в работах А.А. Андрее ва, А.С. Кондратьева, В.В. Лаптева, Е.А. Машбица, Е.С. Полат, И.В. Роберт, В.Д. Шадрикова и других ученых явились ядром концепции КФП. КФП как составная часть ПОСОФ осуществляет следующие дидактические функции:

1. Содержательная постановка задачи: сбор доступной информации об устройстве, формулировка (предварительная) конкретных вопросов, интере сующих студента, структурирование исходных данных. Подготовка вопросов, на которые в данной ситуации можно получить ответ. На основании анализа всей собранной информации формулируются требования к модели, которая могла бы быть реализована (создание нужного заряда, необходимого поля, не обходимой схемы исследования), создается схема реального эксперимента. В качестве примера рассмотрено композиционное исследование явления Холла.

На виртуальном приборе студенты проводят типичные измерения, анализи руют влияние параметров. Затем создают программы для расчета электриче ских и магнитных полей и других конкретных параметров натурного экспе римента, предлагают варианты его схемы. Подбирают необходимые измери тельные приборы, анализируют образец Холла и предлагают собственную виртуальную модель исследования явления.

2. Концептуальная постановка задачи включает выдвижение и обоснова ние (формулировку) гипотез о строении и законах поведения изучаемого объ екта исследования.

3. Построение (или обоснованный выбор) учебной модели объекта, учи тывающей введенные изменения, с последующим изучением явления в усло виях самостоятельной НИР как существенного элемента ПОСО физике.

4. Изучение (разработка) программы реализации виртуальной компонен ты средствами ИКТ. Здесь нужно ориентироваться на те языки или пакеты, которые лучше освоены и согласованы с информатикой.

5. Комплексное изучение свойств системы на уровне готовой модели уст ройства и возможного введения нелинейных эффектов.

6. Выводы и переход к исследованию следующей ступени в иерархии мо делируемого объекта в концепте переноса знаний.

Посредством дидактической схемы, предложенной в нашей работе, об новляются: во-первых, цели технологий прямого доступа, т.к. на занятиях фи зического практикума репродуктивные знания трансформируются в продук тивные с помощью моделирования;

во-вторых, натурно-виртуальный учебный эксперимент становится существенным фактором в формировании концепции обучения, на основе которой осуществляется генерация объективно нового знания;

в-третьих, организуется вариативный эксперимент (под вариативным экспериментом мы понимаем такую композицию его виртуальной и натурной частей и моделирования, которые частично перекрывают друг друга в зави симости от целей и места проведения эксперимента), наглядно иллюстри рующий теоретические построения и выводы, обеспечивая связь концепту альных построений с объективной действительностью и сферой практической деятельности;

в-четвертых, перевод компьютерных работ в режим лаборатор но-практических занятий устраняет разделение теоретической и эксперимен тальной деятельности, свойственной традиционной схеме обучения. В частно сти, при исследовании разработанной нами модели «Эффект Холла» (рис. 3) студенты с помощью виртуальных регуляторов выбирают тип полупроводни ка (дырочный или электронный), устанавливают размеры образца, варьируют силу тока, проходящего через образец, изменяют индукцию магнитного поля и визуально анализируют влияние каждого параметра в отдельности на на пряжение Холла.

Рис. 3. Пример сопряженного виртуального и компьютерного экспериментов Модель иллюстрирует движение электрических зарядов, их концентра цию на боковых гранях образца, изменение направления линий напряженно сти электрического поля при смене типа полупроводника, направление Ин дукции магнитного поля, изменение угла Холла в зависимости от напряжен ности внешних электрического и магнитного полей. Виртуальная модель со пряжена с натурным компьютеризированным прибором по изучению эффекта Холла, поэтому все действия студента на натурном объекте отображаются компьютерной моделью.

Композиционный физический эксперимент исследован в следующих лабо раторных работах, в т.ч. авторских:

1. Изучение затухающих электрических и механических колебаний. 2. Изуче ние нелинейных колебаний на примере осциллятора Даффинга и различных вариантов генератора Ван-дер-Поля (ВДП). 3. Изучение электростатического поля на основе FEM.Lab–технологий. Благодаря композиционному расшире нию содержания и структуры, известная лабораторная работа приобретает но вое учебное качество формирования проблемно-ориентированной направлен ности учебно-поисковых действий. 4. Изучение интерференционных и ди фракционных явлений. 5. Изучение магнитных полей и поведения магнетиков.

6. Изучение маятников Обербека и машины Атвуда. 7. Исследование процес сов переноса импульса (внутреннее трение). 8. Определение момента инерции стержня из неупругого удара. 9. Плазма тлеющего и ВЧ - разрядов и другие.

Кроме традиционных составляющих физический практикум содержит сле дующие основные элементы для управления процессом добывания знаний и формирования творчества обучаемых:

А. Компьютеризированный эксперимент, предполагает, что компьютер ный интерфейс определяет:

исходный уровень познавательной деятельности, алгоритмизирует формируемую деятельность в виде сбора и оперативной обработки данных по ходу эксперимента, формирует предварительные познавательные действия студента, выводит на монитор компьютера визуализированные параметры и ре зультаты эксперимента для проведения графического и общего моделирова ния с целью формирования активной экспериментальной деятельности сту дентов.

Б. Автоматизация лабораторного эксперимента используется для управ ления физическим процессом [15]. Наряду с компьютеризированным экспе риментом автоматизированный позволяет по-новому строить физический практикум, когда структурной единицей становится цикл работ, объединен ных общностью задания применительно к различным объектам. Примером может служить изучение процессов, сопровождающих наводораживание раз личных металлов [14, 36] и извлечение Н2 под действием поглощенного излу чения [31]. При изучении тепловыделения компьютер дополнительно автома тически поддерживает температуру термостата, обеспечивает градуирование ячейки наводораживания, контролирует параметры процесса, обеспечивает систематическую обратную связь, выполняет обучающие и контролирующие функции, осуществляет подбор параметров «регулирования» устройства.

Данная организация учебно-познавательной деятельности в условиях компо зиционного физического эксперимента позволяет показать важные качества новых технических решений, методологически разные подходы к их реше нию.

В. Методическое построение содержания физического эксперимента с элементами нелинейной физики базируется на использовании классических приборов, которые на основе ИКТ переориентированы на новые цели. Учеб но-исследовательские проекты реализованы в ряде лабораторных работ по изучению колебаний на основе разряда в неоне, поведения осциллятора Даф финга, нелинейных колебаний немагнитного проводящего тела в неоднород ном магнитном поле, где студенты проводят проблемное исследование нели нейных эффектов. Используют механический, электрический, оптический аналоги, что позволяет сформировать «нелинейное» мышление студентов уже на младших курсах для проведения в дальнейшем самостоятельной поисковой учебно - и учебно-исследовательской работы.

Усиление связей между различными темами учебного плана, познания диалектики общего и частного реализуется, например, при изучении студен тами поведения механического осциллятора и способов внешнего возбужде ния. Так, с использованием ВОИС и в рамках КФП для выяснения влияния жесткости пружины, компьютерная программа ВОИС предлагает студентам задачи, в которых осуществляется последовательное и параллельное соедине ние 2-х и более пружин, изменение материала пружины, пропускание тока че рез пружину, нагревание пружины, ее намагничивание и др. Варьируются способы внешнего возбуждения осцилляторов: 1) гармоническое;



Pages:   || 2 |
 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.