Организация самостоятельной работы бакалавров по физике в техническом университете

УДК 53

ББК 22.3.я73

Ларионов Виталий Васильевич

доктор педагогических наук, профессор кафедра общей физики Национальный исследовательский Томский политехнический университет

г. Томск Поздеева Эльвира Вадимовна кандидат технических наук, доцент кафедра общей физики Национальный исследовательский Томский политехнический университет,

г. Томск Толмачева Нэлла Дмитриевна кандидат химических наук, доцент кафедра общей физики Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Томск

Шошин Эдуард Борисович

кандидат физико-математических наук, доцент кафедра общей физики Национальный исследовательский Томский политехнический университет,

г. Томск Larionov Vitaly Vasilievich Doctor of Pedagogics,

Professor Chair of General Physics National Research Tomsk Polytechnic University

Tomsk

Pozdeeva Elvira Vadimovna

Candidate of Technology,

Assistant Professor Chair of General Physics National Research Tomsk Polytechnic University

Tomsk

Tolmacheva Nella Dmitrievna

Candidate of Chemistry,

Assistant Professor Chair of General Physics National Research Tomsk Polytechnic University

Tomsk

Shoshin Eduard Borisovich

Candidate of Physics and Mathematics Assistant Professor Chair of General Physics National Research Tomsk Polytechnic University

Tomsk

Организация самостоятельной работы бакалавров по физике в

техническом университете Self-Study Learning Environment Organization for the Bachelors of Physics at

Technical University

В статье рассмотрены вопросы формирования обучающей среды, обеспечивающей самостоятельную работу бакалавров по физике, как фактор успешной подготовки инженеров. Описывается модель и педагогические условия ее эффективной реализации в техническом вузе исследовательского типа.

The article deals with the learning environment organization that provides selfstudy for bachelors of Physics as a factor of engineers’ successful training. A model and pedagogical environmental complex of its effective implementation at a technical university of a research type are described.

Ключевые слова: обучающая среда, самостоятельная работа бакалавров, технический университет исследовательского типа, модель формирования обучающей среды, педагогические условия реализации модели

Key words: learning environment, bachelors’ self-study, technical university of a research type, model of learning environment forming, pedagogical environmental complex of the model realization.

Ведение. Постановка задачи

При подготовке бакалавров важнейшей проблемой становится организация самостоятельной работы. В новых стандартах на нее отводится большое количество часов (зачетных единиц) (две трети времени по некоторым предметам) [1]. В этих условиях необходимо организовать самостоятельную работу бакалавров (СРБ) так, чтобы при этом научить студентов постановке и решению учебных и учебно-исследовательских проблем с использованием потенциала и ресурсов проблемно-ориентированной системы обучения [2]. Поэтому создание соответствующей программно-педагогической среды, учитывающей особую роль самостоятельной работы [2], становится актуальной задачей. Целью статьи является разработка программно-педагогической среды (ППС) на основе идей совместной деятельности и заданий на уровне проектов при широком использовании информационно-коммуникационных технологий (ИКТ).

Теоретические положения

Необходимость реорганизации самостоятельной работы вызвана невозможностью охватить в курсе физики, даже при условии увеличения объема учебного курса, необходимую информацию. Высокая дидактическая ценность СР в сочетании с объемом информации, представленной в электронном виде, оказывается нереализованной из-за отсутствия соответствующего процессуально-организационного обеспечения, несмотря на обсуждение проблемы в литературе, включая сайты многих вузов [1, 3, 4]. Таким образом, создание ППС СРБ по физике обусловлено, по крайней мере, двумя причинами: 1) усилением роли физики в формировании и развитии творческой познавательной деятельности студентов технического университета, на основе которой осуществляется внедренческая специализация будущих инженеров; 2) достижениями в педагогической науке, связанными с внедрением цифровых образовательных технологий (ЦОТ). Обе задачи взаимосвязаны и являются дополнительными, т.к. применение ИКТ изменяет содержание обучения физике в необходимом направлении, определяемым тенденциями педагогической науки в инженерном образовании.

В существующей учебной практике вся система СР понимается и педагогами, и студентами как подготовка строго регламентированных домашних заданий и представляется личным делом учащегося. Методические указания призваны лишь помочь преподавателям в планировании видов СР, организации различных форм контроля внеаудиторной самостоятельной работы студентов.

ППС СРБ должна обеспечить согласно схеме рис.1:

Рис. 1 . Структурные элементы (звенья) самостоятельной работы как технологии обучения (по В. Г. Разумовскому) на основе ИКТ

• процесс эффективного предъявления учебного материала, основанного на принципе поэтапного формирования учебной деятельности при структурировании проблемы и проблемной ситуации;

• многообразие процессов предъявления учебного материала и контроля результатов самостоятельного обучения;

• общедоступность образовательных ресурсов посредством ИКТ;

• возможность участия студентов в формировании дидактических материалов;

• возможность творческой самореализации каждого студента и получения объективной оценки уровня знаний по физике.

Проблемно-ориентированная СРБ реализуется в следующем:

• осуществление перехода от репродуктивного к активно-поисковому, системному способу приобретения знаний, включая овладение теоретическим знанием и практическими умениями при постановке и проведении физического эксперимента, учебно-исследовательской деятельности;

• многообразие предоставляемых дидактических средств. Благодаря системному подходу к использованию возможностей ЦОТ студенты могут не только основательно изучать и повторять теоретический материал, но и отрабатывать в виртуальной среде практические умения и навыки в выполнении отдельных этапов лабораторного и учебного исследования, что способствует доступности ведения поисковой деятельности.

• оперативное взаимодействие между субъектами обучения и результатами учебной деятельности. Взаимодействие поддерживается посредством объединенной системы ЦОТ и РГР, включающей оцифрованные реальные эксперименты и композиционный физический практикум [3];

• возможность оперативного, автоматизированного контроля и управления процессом усвоения знаний и поисково-исследовательской деятельностью студентов в ходе самостоятельной работы.

Теоретически можно трактовать СРБ на основе ИКТ как метод обучения в виде согласования взаимодополняющих видов деятельности - обучающей и учебно-поисковой, включающих оперативный мониторинг учебного процесса. Программно-педагогическая среда для СРБ по физике - это совместная деятельность и обучение по методу проектов, которая включает не решение стандартных задач, а прежде всего, разработку на их основе проектов и выполнение лабораторных работ-проектов на основе виртуальных, компьютерных и натурных моделей (рис. 1). Посредством этих моделей осуществляется: умения использовать различные модельные представления объектов исследования (виртуальные модели и тренажеры для самостоятельного выделения существенных признаков объекта исследования); переход от вербальной формулировки проблем к их формализованному описанию (используются алгоритмы на основе компьютерных технологий, элементы вычислительной физики); изучение теоретических положений с незамедлительным их использованием (лабораторно-практические занятия). В результате студент имеет представление о возможных технических решениях профессиональных проблем (см. табл. 1). Свойства предложенной нами таблицы (как пример) используем для создания ППС СРБ. Анализ выполнения лабораторных работ в вузах с применением различных моделей лабораторных устройств позволил провести следующую классификацию по формированию знаний, умений и компетенций. ЗУК-1: провести наблюдения за поведением виртуальной модели, выявление в виртуальной модели характеристик, доступных для измерения, выявление взаимосвязи измеренных параметров с конечными параметрами модели, проверить теоретические знания. ЗУК-2: экспериментальные умения и навыки; измерение характеристик с помощью виртуальных инструментов (приборов); введение промежуточных параметров, для измерения которых можно предложить виртуальные инструменты; использование разнообразных начальных параметров модели, позволяющих создать ситуацию поиска оптимальных условий выполнения эксперимента.

Виртуальный прибор

Виртуальные измерители

Компьютерная модель

Модель черного ящика (компьютерная математика) -компьютерный

Натурный прибор —

\ г л Г

Г ' Компьютерные РГР V

/ Л

ЗУК- 2

Проект

Объединенные натурно-виртуальные лабораторные работы как новый метод познания

Проектно-ориентированная учебная и учебно-поисковая деятельность по физике субъектов образовательного процесса

ІГ

Объединенная система цифровых РГР и лабораторных работ на основе ИКТ

I

1

Формирование творческой деятельности: 1) единство понятийного знания и знания дела; 2) умение распознавать и идентифицировать проблемы; 3) уверенность при применении научного знания; 4) самостоятельность; 5) знание вариантов действия;

6) опыт саморегуляции

Рис. 2. Схема целевых структурных компонент лабораторных работ в системе ППС СРБ по формированию знаний, умений, навыков с использованием 3-х дидактических единиц лабораторно-практических занятий

ЗУК-З: умения составить программу деятельности и провести измерения, выделить воздействия на объект исследования и методы воздействия; провести структурирование проблемы, сопоставить полученные результаты с известными данными, а полученные зависимости с известными теоретическими, сформулировать идеи усовершенствования проекта будущим студентам.

Это означает, что в физическом практикуме с элементами моделирования физических процессов появляется новая цель - моделирование профессионально ориентированной, поисковой деятельности по получению нового (для обучаемого) знания, самостоятельное преобразование объекта [2]. При таком подходе изучение того или иного явления физика становится средством освоения методологии научного поиска и выработки задатков инженерного творчества. Обучаемые должны обнаружить и описать явление, закономерность, придумать, как можно преобразовать (это уже уровень деятельностного обучения) техническое устройство, как изменить параметры схемы при ее реализации на макете. Таким образом, помимо заданий сравнительного, измерительного и экспериментального характера, в лабораторную работу вводятся проблемные задачи, традиционно используемые на семинарских занятиях. При решении задач численный эксперимент помогает варьировать несколько параметров. Анализ задачи сопровождается графической визуализацией результатов. Во-вторых, вычислительный эксперимент позволяет в рамках СР по-новому проводить отбор изучаемого материала. В-третьих, расширяется функция физики - в теории и методике обучения можно реализовать переход от преимущественного сообщения конкретных знаний к обучению методологическим основам. Компьютерное моделирование на лабораторных занятиях не приносит пользы и, более того, является затратным по времени, так как, моделируя, студенты не могут сопоставить свои действия по изменению различных коэффициентов моделирующих уравнений с реальной действительностью.

Практические результаты исследования

Методика организации самостоятельной работы бакалавров с использованием ИКТ и лабораторно-практической системы ППС СРБ представлена в табл. 1- 2.

Таблица 1. Формирование СРБ в университете исследовательского типа

Этапы формирования Деятельность субъектов образовательного процесса

Преподаватель Студенты

I. Постановка проблема как она дана (ПКД) Переформулирует задачи, структурирует проблему, проблемную ситуацию, и задачу, образует мотив к поиску способа решения Осваивает предметный уровень физики. Принимает проблему, определяет элементы проблемной ситуации, переходит к проблемной задаче

II. Формирование предметного слоя обучения. Формирование уровней развития действий (предмет действия, способ действия и условия действия) Организует пропедевтическую работу в системе РГР, выявляет степень усвоения предметных знаний, формирует подгруппы для проектов. Проводит структурирование действий (цель, способ действия и условия выполнения). Работа в системе РГР. Проводят структурирование действий (цель, способ действия и условия выполнения). Преобразуют задачи, получают результат, обсуждают результат и его практическое значение.

III. Формирование компьютерной обучающей среды (ППС) на основе взаимодействия физика -информатика -специальные дисциплины. Ставит цель, выделяет ее этапы (поиск средств решения - переход в слой деятельности). Учит ставить цели, и средства ее достижения цели. Структурирует проблемы. Выделяет необходимых объектов - аналогов в виде чертежей, схем, графиков на основе ИКТ.

IV. Формирование практикоориентированного подхода в рамках ГОС на основе объединительных идей в физике Создает примеры проблемных ситуаций для их возможной реализации на практике. Проведение расчетов собственных схем, подбор их элементов. Поиск примеров практического применения

V. Формирование умения для формулирования физической идеи в виде проекта Предлагает аналоги, предусматривает минимальную ориентировочную основу деятельности. Создает задания для ПРС Принимает аналоги, реализует практико-ориентиро-ванные задания. Создает действующую модель проекта

VI. Обобщающий и корректирующий Анализирует результаты. Определяет корректирующие действия Совместная защита различных этапов проекта.

Таблица 2 Формирование учебной и учебно-исследовательской деятельности

студентов в схеме ППС СРБ

Этапы формирования Деятельность субъектов образовательного процесса

Преподаватель Студенты

I. Подготовительный Проводит обучение предмету по алгоритмам компьютерной РГР и физ- практикума Осваивают предметный уровень физики. Определяют элементы проблемной ситуации, переходит к проблемной задаче

II. Формирование предметного слоя обучения Ставит цель 1. поиск средств решения по предложенной в схеме РГР модели Работа в моделирующем слое РГР. Решают задачи с использованием программных средств РГР, обсуждают результаты, их практическое значение.

III. Формирование предметного слоя обучения для формулирования физических идей на уровне проекта Ставит цель 2: поиск связей, соотношений физических знаний с физическими эффектами, по оцифрованным РГР формулирует идею проекта Принимает проблему, проводит ее структуризацию. Выдвигает гипотезы, согласовывает с преподавателем и студентами старших курсов.

IV. Формирование компьютерной обучающей среды. Разрабатывает предложения для преподавателя информатики, согласовывает задание с преподавателем спецдисциплин. Создают компьютерные программы по решению проблемных задач. Разрабатывают теоретическую часть проекта в виртуальном режиме.

V.Выявляющий уровень сформированности исследовательских умений и самостоятельности Осуществляет мониторинг процесса обучения в условиях прямых и обратных связей Самостоятельно выполняют согласованные задания, представляет его полную графическо-расчетную часть

VI. Обобщающий и корректирующий Анализирует результаты. Определяет корректирующие действия Защищают проект

Критериями оценок результатов внеаудиторной самостоятельной работы студента являются: 1. Уровень освоения студентами учебного материала. 2. Умения студента использовать теоретические знания при выполнении

практических задач и лабораторных работ. 3. Обоснованность и четкость результатов совместной деятельности по реализации проекта.

Пример. Предлагается проектное задание на основе виртуальной работы самостоятельного изучения закономерностей свободных, затухающих и вынужденных колебаний гармонического и ангармонического осцилляторов. В отличие от известных схем поэтапно выполняются следующие задания: Задание 1. Свободные колебания гармонического осциллятора. Семейство решений, полученное на экране компьютера, позволяет проверить ряд положений (проверяется 4 положения, которые студенты определяют самостоятельно и записывают в базу данных своего проектного задания). Задание 2. Свободные колебания ангармонического осциллятора. Определяются реальные элементы осцилляторов, с помощью которых вводится ангармонизм колебаний. Задание 3. Затухающие колебания гармонического осциллятора. Анализируются параметры критического режима, при котором процесс становится апериодическим. Проводится подбор реальных параметров осцилляторов (механических и электрических). Задание 5. Релаксационные колебания (разработка схемы, определение параметров. Задание 7. Параметрические колебания. Для всех заданий посредством созданной базы данных на жестком диске компьютерной сети кафедры студенты последовательно реализуют 6 этапов таблицы 2.

База данных web- сети кафедры позволяет преподавателю контролировать выполнение заданий и корректировать процесс получения данных в непрерывном интерактивном режиме и в любое удобное время, используя компьютерную сеть ТПУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ВЫВОДЫ

Предлагаемая программно-педагогическая среда для самостоятельно работы включает систему виртуальных, компьютерных и натурных компьютеризированных лабораторных работ, оцифрованных экспериментов, проектных заданий, размещенных в Web-сети кафедры, а также четкий регламент совместной деятельности студентов и преподавателя. Принципиальное отличие предлагаемой схемы от ранее известных состоит в

том, что ее основой является совместная проектная деятельность студентов при самостоятельном усвоении предметных знаний по физике.

Библиографический список

1.Государственный образовательный стандарт высшего профессионального

образования [электронный ресурс].- Режим доступа: http://

fond.tpu.ru/fond/standarttpu.php?action=codelist°r=1

2. Елагина, В. С. Самостоятельная работа студентов как средство развития профессионально-педагогической компетентности / В.С. Елагина // Методика вузовского преподавания: материалы 7-й межвузовской научно-практ. конференции, 28 февраля - 1 марта 2006 г. Ч.1.-Челябинск: РЕКПОЛ, 2006.- С.20-25.

3. Ларионов, В.В. Проблемно-ориентированная система обучения физике в техническом университете: автореф. дис. ... д-ра пед. наук. - М., 2008. - 42 с.

4. Самостоятельная работа студентов АлтГУ [электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.pedagogics-book.ru/articles/1-3-1.html

5. Организация и контроль самостоятельной работы студентов: методические рекомендации / сост. Н.В. Соловова; под ред. В.П. Гарькина. - Самара: Изд-во «Универс-групп», 2006. - 15 с.

Bibliography

1. Altai State University Students’ Individual Work [Electronic Resource]. - Access Mode: http://www.pedagogics-book.ru/articles/1-3-1.html

2. Elagina, V.S. Students’ Individual Work as a Means of Professional Pedagogical Competence Development / V.S. Elagina // Methods of Higher School Teaching: Collected Works of 7l Interuniversity Scientific-and-Practical Conference, February, 28, - March, 1, 2006. Part. -Chelyabinsk: REKPOL, 2006. - P. 20-25.

3. Larionov, V.V. Problem-Oriented System of Teaching Physics at a Technical University: Synopsis of Diss. ... Dr of Ped. [Text] / V.V. Larionov. - М., 2008. - 42 p.

4. State Educational Standard of Higher Professional Education [Electronic Resource]. -Access Mode: http:// fond.tpu.ru/fond/standarttpu.php?action=codelist°r=1

5. Students’ Individual Work Organization and Control: Methodological

Recommendations / Comp. by N.V. Solovova; Edit. by V.P. Garkin. - Samara: «Universe-Group» Publishing House, 2006. - 15 p.