Системный подход к изучению теорий физики в вузе

УДК 539.2.621 ББК 74.28

Макальский Леонид Михайлович

кандидат технических наук, доцент г. Москва Пронин Борис Васильевич кандидат технических наук, доцент г. Москва Сеин Анатолий Александрович кандидат педагогических наук, преподаватель г. Москва Makalsky Leonid Mikhailovich Candidate of Technology,

Assistant Professor Moscow Pronin Boris Vasilievich Candidate of Technology,

Assistant Professor Moscow

Sein Anatoly Aleksandrovich

Candidate of Pedagogy,

Assistant Professor Moscow

Системный подход к изучению теорий физики в вузе The System Approach to Studying the Physics Theories at Higher School

В статье предложен алгоритм изучения физических понятий и физических теорий, структурное содержание которых представлено в форме дерева целей. Здесь рассматриваются методы и приемы подготовки студентов технических университетов, использующих теоретических законы естественных наук и информацию о физической картине мира.

The article is devoted to the algorithm of studying the physical concepts and the physical theories, which structural content is presented in the form of a purpose tree. The methods and techniques of technical university students’ training using the theoretical laws of natural sciences and the information on a physical picture of the world are considered as well.

Ключевые слова: физические понятия, физические теории, структурное содержание, структурная схема, модульное обучение.

Key words: physical concepts, physical theories, structural content, structural scheme, modular training.

В образовательном процессе наблюдается смещение акцентов деятельности с преподавания на интенсивное обучение. Поэтому назрела необходимость

пересмотра структурно-организационных основ базовой подготовки студентов. Системное усвоение теорий физики является актуальным и важным условием для создания у студентов целостного представления о физике, как науки в области естествознания.

Недостатком подготовки выпускника вузов (при высоком базовом уровне знаний) является то, что молодой специалист не всегда способен адекватно реагировать на критическую ситуацию, действовать в ней уверенно, оценивать перспективу.

Системный подход предполагает технологию обучения, включающую процедуру использования блоков учебных модулей по алгоритму, посредством связей между ключевыми понятиями.

Работа по алгоритму содержит многообразие методов консультирования, отбора и оформления информации, самооценки. При этом взаимодействие педагога и обучаемого осуществляется на паритетной основе, опосредовано решением учебной задачи и объективным анализом явлений.

В этом случае, системный подход в обучении формирует у будущего специалиста способность на творческом уровне принимать оптимальные решения в ситуации неопределенности.

В учебниках для вузов, где физика является основным предметом, отражена объективная связь природных явлений с процессами мышления, поскольку мышление протекает в различных формах (понятиях, категориях и теориях), в которых закреплен и обобщен познавательный и социальноисторический опыт человечества, отражены общие требования к усвоению знаний о явлениях, величинах, законах, теориях, приборах, опытах и технологических процессах.

Сущность смысла связи физических понятий, законов и следствий фундаментальных теорий открывается в субъект-субъектных отношениях педагог-студент и подтверждается тем фактом, что эти отношения синтезируют коллективный опыт, пополняемый достоянием культуры научной школы. Познание законов составляет задачу науки [1].

Модель технологии систематизации и обобщения знаний студентов по физике представлена на рис 1. Она отражает совокупность знаний профессионального образования, рекомендуемых в исследованиях О.Н. Голубевой, А.Д. Суханова, И.А. Мамаевой, др. и представляет вектор познавательной деятельности обучаемых.

В этом случае процесс систематизации и обобщения знаний студентов по физике предполагает совокупность познавательных компонентов от «Модели науки физики» до реализации «Автоматизированной системы тестов» с систематическим контролем знаний и решением вопросов подготовки студентов на уровне статуса специалиста (см. рис 1).

Контроль Г Автоматизированная система тестов

знаний -I Модель контроля качества образования

I

Модель модульной системы Г обучения

Модель синтеза учебных элементов

Понятий-

ный

аппарат

системы знаний

<

Модель науки физики

^ I0

Реальный мир

_. Статус: свойства и функции специалиста

Модель структуры и содержания теорий физики

-Дедуктивный метод

- - Шкала роста компетенций специалиста

Время

Рис. 1. Модель технологии систематизации и обобщения знаний

студентов по физике

В учебном процессе задействованы все формы обучения студентов: лекции, семинары, лабораторный практикум, рефераты, коллоквиумы, тестирование и самостоятельная работа, обсуждение проблемных вопросов с преподавателями в рамках индивидуальных занятий.

Под компетентностью понимают способности человека реализовать свои замыслы в условиях многофакторного информационного и коммуникационного процесса.

Решение задачи лежат через фундаментальное образование, формирующее нормы и потребности с учетом способности специалиста [2, С.12].

Модульный принцип обучения на основе системы понятий предполагает следующий алгоритм действий педагога: научно-методический анализ

учебного содержания предмета, формирование системы целей образования и развития личности; проектирование технологической структуры изучения теорий, направление деятельности студентов по выполнению учебного физического эксперимента и решению физических задач.

Модульное обучение - это инновационный вид обучения, основанный на деятельностности обучаемого с учетом его сознательности (определением программы обучения и собственного пути совершенства).

Структурирование учебного материала курса физики по модульному принципу обеспечивает ориентиры для мыслительной деятельности, логику обучения, последовательность и системность знаний студентов, расширение их спектра знаний в теории и практике. Путем языка понятий, моделей и структуры теорий организуются знания (Зорина Л.Я.) и активизируется процесс познания (Жан Пиаже) [3, С.24].

Структурный анализ понятийного аппарата физики основан на современном положении о равнозначности методов системного анализа и синтеза компонентов учебного процесса, а также на исследовании логических схем представления учебного материала в курсах физики для высших учебных заведений, где синтез осуществляет ограничение числа элементов системы.

Причем процедура «обобщение» рассматривается как переход от конкретного эмпирического знания к абстрактной форме знания, позволяющая различать физический объект и его модель, постулаты и законы, рассматривать явления в развитии, в системе, во взаимосвязи.

Нами применяются методические приемы изложения физики использующие, в частности, связной граф, составленный из триад физических понятий, которые повышают уровень системности знаний студентов.

Систематизированные знания позволяют человеку быстрее осваивать новые ситуации, планировать свои действия, контролировать ход деятельности и

оценивать их результаты. Систематизация как деятельность способствует превращению знаний в действенный аппарат мышления.

Систематизация характеризует мыслительные процессы и выступает как мыслительная операция наряду с другими операциями (сравнением, анализом, синтезом, абстрагированием, конкретизацией).

Методическая система обучения физике студентов втуза курса» представлена Таблицей 1.

Таблица 1

Методическая система обучения физике студентов втуза

Цель: формирование инженерного мышления I этап- выявление элементов учебного процесса и их соединение II- изучение фактов, теорий, законов, следствий, границ применимости III- приобретение опыта социальнопрофессионального взаимодействия

Содержание Физическая картина мира: механическая, статистическая, электродинамическая, квантовая Фундаментальные законы движения Современные направления в физике и их приложения

Временные стадии Формы обучения ПРОПЕДЕВТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ФИЗИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ЗНАНИЯ НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ЭВРИСТИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Лекции Формирование системы понятий Изучение законов и их применение в решении задач Экспериментальное и теоретическое исследован.явлений

Семинары Задачи учебные по готовым алгоритмам Проблемные задачи Задачи практически значимые

Лабораторный практикум Лабораторный эксперимент -подтверждение известных закономерностей Лабор. эксперимент -выявление закономерностей, требующих интеграции знаний по физике Лабор. эксперимент -выявление зависимости параметров явлений от внешних условий

Самостоятельная работа Переработка учебной информации, планирование занятий Системное усвоение теорий. Изучение связей Изучение принципов работы электронных средств измерения

Рефераты Темы: Физика и ее применение в современной технике Темы: Защита от электромагнитных и радиац. излучений Темы: Волновая оптика. Фотоэффект. Тепловое излучение

Тестирование Характеристики поступательного и вращательного движений Теория колебаний. Дифференциальные уравнения разных видов. Уравнения Максвелла Постулаты Бора. Волновая функция. Модель строения атома

Методика систематизации и обобщения знаний студентов втузов разработана на основе «Структурно-логической схемы курса физики» (схемы 1-3).

Кинематика

Классическая механика

Формы

движения

материи

Электродинамика

28

Постоянный и' переменный токи

Пространство-время, траектория, путь, перемещение, радиус-вектор

-О Скорость Ускорение Сила, момент силы -О Импульс

Масса, энергия Свойство жидкостей и газов -О Уравнение гидростатики, закон Архимеда Уравнение Бернулли Атом О Молекула Ионы

Температура -О Давление Объем

Свободные колебания -О Затухающие колебания Вынужденные колебания

Заряд, сила Кулона, теорема Гаусса -О Напряженность поля

Потенциал, градиент скалярн. поля Магнитный момент рамки с током -О Вектор магнитой индукции

ЭДС электромагнитой индукции Полное и реактивное сопротивление "О Эффект, значение тока и напряжен. Электрическая мощность

Схема 1. Понятийный аппарат физических теорий. III - этап обучения студентов - ПРОПЕДЕВТИКА

Прямолинейное и криволинейно^

Законы классической/ механики. СТО. /А!.

Законы Кеплера / Механ5

Фундаментальные 55 законы

движения \ Тепломассообмг

Электромагнитные коле

Законы электродинамики^ уравнения Максвелла

68

оптика

Средняя и линейная скорости Полное ускорение Уравнения динамики Период и угловая скорость Моменты инерции и импульса Система характеристик движения Период колебаний Скорость и ускорение колебаний Энергия колебаний Элементарная работа Средняя мощность КПД

Молярная теплоемкость Идеальный газ Тепловые циклы.Энтропия Поверхн. натяжение жидкостей Реальные газы и жидкости Моно- и поликристаллы Дифф. уравнения колебаний Резонанс, добротность Автоколебания Волновое уравнение Фазовая скорость волн Плотность электромагн. энергии Космические лучи Молекулярное рассеяние света Резонансное поглощение света

Схема 2. Понятийный аппарат физических теорий.

II - этап обучения студентов - МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ЗНАНИЯ

Техника лабораторных работ

Современнее направлени физике и их приложения

Волновые процессы, корпускулярно-волновой дуализм 108

Измерение физических_^() Мера и эталон величин ------0 Образцовые средства

83 '—0 Рабочие средства

Основные единицы О Производные единицы Естественные системы единиц Прямые и косвенные измерения

л Абсолютная и относительная V погрешности

Доверительная вероятность Скалярное произведение О Векторное произведение Единичный вектор. Матрица Декартовая система координат О Полярная система координат Цилиндр, и сверич. координаты Производная и интеграл О Графики тригонометр. функций Графики показ, и логар. функций Интерференц. и дифракция света О Поляризация света Дисперсия света

Тепловое излучение. Фотоэффект Постул. Бора, гипотеза де Бройля, О уравнения Шредингера

Квантовая статистика, физика твердого тела Атомная и ядерная физика

О Физика элементарных частиц

Фундаментальные взаимодействия

Модель атома и атомного ядра ^ ^

Схема 3. Понятийный аппарат физических теорий.

III - этап обучения студентов - НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ.

Структурно-логическая схема курса физики для наглядности представлена понятийным аппаратом трех секторов, содержащих по 40 понятий.

Авторы использовали положения методических систем применимых к профессионально направленному обучению физике в техническом вузе (рассмотренные в исследованиях А.Н. Лаврениной [4], И. А. Мамаевой, А. А. Червовой и др.), которые включают формирование системы физических знаний на уровне понятий, законов, идей физической картины мира, основанных на обобщении знаний обучаемых с использованием структурно-логических схем.

В данном контексте «системность» знаний означает понимание логики дисциплины, идей и закономерностей, умение располагать изучаемый материал

в определенной последовательности, соотносить одни факты, понятия и правила с другими.

Структурно-логическая схема представляет собой логическую структуру, которая содержит систему структурных элементов (учебных модулей), составляющих единое целое на основе причинно-следственных связей. Учебный модуль - понятие, используемое в нашей работе, содержит в себе все компоненты методической системы (целевой, содержательный,

процессуальный, диагностический).

Обучение студентов во втузе рассматривается как андрагогический образовательный процесс - обучения взрослых (исследования М.Т. Громковой [2], Э.Ф. Зеера, С.И. Змеева и др.).

Оформлением в модуль части содержания образования обеспечивается накопление в сознании студентов приращения потребностей (выращиваются цели), внутренних норм (усваивается новая информация), способностей (осваивается метод как способ деятельности).

В итоге систематизирован понятийный аппарат дисциплины «Физика» с использованием ключевых понятий физических теорий, причем систематизация служит способом организации элементов и определения связей системы.

Применение системного подхода к изучению базовых логических моделей физических теорий обеспечивает повышение качества знаний (объем, усвоение, запоминание) студентов и уровень мотивации их учебной деятельности.

Библиографический список

1. Сеин, А. А. Активизация мыслительной деятельности студентов методом системного структурирования курса физики [Текст] / А. А. Сеин // Вестник Челя-бинского государственного педагогического университета. - 2007. - №9 - С. 120.

2. Громкова, М.Т. Педагогические основы образования взрослых [Текст] / М.Т. Громкова. - М., 1993. - 196 с.

3. Пиаже, Ж. Избранные психологические труды [Текст] / Ж. Пиаже: Пер. с анг. и фр. // - М.: Межднар. пед. академия, 1994. - 469с.

4. Лавренина, А.Н. Система профессионально направленного обучения физике студентов электротехнических специальностей вуза [Текст]: дис. ...канд. пед. наук / А.Н. Лавренина. - Тольяти, 1999 - С.186.

Bibliography

1. Sein, A.A. Activization of the Students’ Cogitative Activity By Method of the System Structurization of the Physics Course [Text] / A.A.Sein // Herald of Chelyabinsk State Pedagogical University. - 2007. - №9 - P. 120-127.

2. Gromkova, M.T., Pedagogical Bases of Adults’ Education [Text] / M.T.Gromkova. - M., 1993. - 196 p.

3. Piaget, J. Selected Psychological Works [Text] / Z. Piazhe: Translated from English and French. - M.: International Pedagogical Academy, 1994. - 469 p.

4. Lavrenina, A.N., The System of Professionally Directed Physics Teaching of Electrotechnical Students [Text]: Diss. ... Candidate of Ped. / A.N. Lavrenina. - Tolyatti, 1999. -P.186.