Организация проблемно-ориентированных физических практикумов в условиях открытого образования

Н. В. Калачев, А. М. Афонин, А. Н. Морозов

ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРАКТИКУМОВ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Описывается опыт создания проблемно-ориентированных физических практикумов на кафедре физики МГТУ им. Н. Э. Баумана в условиях открытого образования. Рассматриваются видеообучающая система допуска к лабораторным работам и ряд дистанционных лабораторных работ.

Ключевые слова: дистанционные физические практикумы, видеообучающая система допуска, лабораторные работы.

N. Kalachev, A. Afonin, A. Morozov

THE ORGANIZATION OF THE PROBLEM-ORIENTED COURSES IN PRACTICAL PHYSICS UNDER THE CONDITIONS FOR THE OPEN EDUCATION

In this article is given the experience of the creation of the problem-oriented courses in practical physics in the physics department ofN.E. Baumann Moscow State Technical University under the conditions for the open education. Are described video educative system for dimensionlimit to the laboratory works and a number of remote laboratory works.

Keywords: remote courses in practical physics, the video educative dimension-limit system, laboratory works.

При создании проблемно-ориентированных физических практикумов (ПОФП) [2] в условиях открытого образования следует учитывать необходимость формирования познавательной базы - целостной многоуровневой системы, представляющей собой единство предметных, межпредметных, интегра-тивных знаний, умений и навыков, которые обеспечивают достижение определенного уровня образованности. Данные положения легли в основу предлагаемой нами видеообучающей системы, содержащей анимации, фрагменты учебных фильмов, фотографии, цветные рисунки, схемы и графики, входящей как

составной, неотъемлемый элемент в ПОФП. Элементы, составляющие обучающую систему (фильмы, анимации, тренажеры), фрагментарно используются в многочисленных электронных пособиях как в России [3 и др.], так и за рубежом [8]. Существуют и автономные тестовые системы, выполняющие контроли-рующую функцию [7]. В предлагаемой нами статье разработаны новые подходы к элементам видеообучающей системы, в которой объединены оба эти направления дидактики, ибо в рамках проблемных ситуаций (при тестовом контроле и т. п.) предъявляемые визуализированные теоретические сведения многократно усиливают познавательную деятельность студентов. Таким образом, новизна этой видеообучающей системы состоит в том, что предъявление обучающей информации, подготовка студента к экспериментальному исследованию, обучение и контроль сведены в единый педагогически регламентированный процесс. Структурное взаимодействие элементов этой системы реализуется в диалоге преподавателя и студента, студента и компьютерной программы.

Разработанная на кафедре физики МГТУ им. Н. Э. Баумана компьютерная программа последовательно предлагает вопросы, включающие общую теорию и более узкую теорию конкретных лабораторных работ, в частности методику и технику проведения эксперимента, вывод рабочих формул, схемотехническое моделирование. Часть тестовых заданий позволяет оценить способность студентов к обобщенным методам экспериментального исследования как будущих инженеров. Для этого в них включаются вопросы типа:

а) Какова физическая основа предлагаемого метода измерений?

б) Какие действия необходимы для реализации данного метода и оценки его эффективности?

в) Какие из разработанных методов (известных в литературе) определения конкретных физических величин являются наиболее эффективными?

г) Какие приборы требуются для проведения данных измерений?

д) Какие величины могут быть измерены непосредственно?

Обучающая особенность программы заключается в том, что студентам

предлагаются как теоретические объяснения, сопровождаемые анимациями и фрагментами учебных фильмов, созданными с использованием комплекса приборов в лаборатории НИРС, кафедры физики нашего университета, так и виртуальные тренажеры. Тренажеры заменяют готовый теоретический ответ, предлагая студентам самим прийти к выводу о существующей зависимости между физическими параметрами объекта исследования. Виртуальные тренажеры позволяют получать наглядные динамические иллюстрации физических экспериментов и явлений, воспроизводить их скрытые детали, которые не видны при наблюдении реальных экспериментов.

Интерактивный режим позволяет студенту приступить к проведению натурного эксперимента только при правильных ответах на все поставленные вопросы. При этом каждое задание сопровождается подробными теоретическими объяснениями. Результаты тестирования, дата и время прохождения теста выводятся на монитор и заносятся в электронный журнал. Благодаря этому в ходе педагогического эксперимента определяются следующие статистические показатели: мода, медиана, средний арифметический балл, математическое ожидание, дисперсия, среднеквадратическое отклонение, асимметрия, эксцесс, бисе-

риальный коэффициент, дифференцирующая способность заданий, корреляция между заданиями теста, надежность теста и др.

Анализ статистических показателей позволяет реализовать следующие процедуры:

- оптимизировать тестовые задания по их качеству (по дифференцирующей способности и трудности в параллельных вариантах);

- дифференцировать студентов по степени подготовленности к проведению экспериментальных исследований;

- оценить временные затраты и настойчивость (по числу попыток), т. е. получить индивидуальные личностные характеристики, что необходимо для формирования творческих мини-групп, для самостоятельного выполнения про-ектно-лабораторных работ по темам рабочей программы.

В конце семестра в режиме контроля остаточных знаний описываемая ви-деообучающая система предъявляет обобщающие вопросы по каждой из выполненных лабораторных работ. Результаты прохождения тестов оцениваются и фиксируются в электронном журнале.

При изучении физики ключевое место занимает лабораторный практикум. В рамках дистанционного обучения [4, 6] студентов на кафедре физики МГТУ им. Н. Э. Баумана создан лабораторный практикум удаленного доступа через сеть Интернет (http://phybro.bmstu.ru), что для естественных дисциплин представляет особую сложность. Можно выделить два вида лабораторных работ удаленного доступа: работы, использующие компьютерное моделирование, и работы на базе реальных лабораторных установок, удаленный доступ к которым осуществляется через Интернет или корпоративную сеть. Реализация лабораторных работ второго типа представляет собой особую сложность для физики и всех естественнонаучных дисциплин, так как требует дополнительного оборудования по сопряжению лабораторной установки с ЭВМ, разработки систем автоматического управления установкой и соответствующего программного обеспечения. Отметим, что на кафедре физики МГТУ им. Н. Э. Баумана реализованы несколько именно таких лабораторных работ, так как физика является в своей основе экспериментальной дисциплиной [1]. Это лабораторные стенды по механике («Изучение ударных и волновых процессов в твердом теле с помощью пьезодатчиков»), по разделу «электричество» («Исследование скин-эффекта»), по квантовой физике («Лазерная спектроскопия» и «Изучение космических лучей»). Продолжается развитие такого практикума с целью охвата всех разделов курса физики в техническом университете.

На кафедре создан также целый ряд работ по компьютерному моделированию физических процессов. Они используются при проведении занятий со студентами в лаборатории научно-исследовательской работы студентов (НИРС). В качестве примера можно привести работы «Опыт Резерфорда», «Модельные задачи квантовой механики», «Лазерное излучение» и др.

Помимо лабораторных работ дистанционное обучение физике должно включать в себя такие виды занятий, как лекции для проработки теоретического материала и семинары, на которых реализуются практические методы решения задач данной дисциплины. В МГТУ им. Н. Э. Баумана создан портал системы открытого образования «Инженер», одной из задач которого является организа-

ционно-техническая поддержка обучения с использованием ресурсов информационных технологий [5].

Лекции обязательно включают в себя лекционные демонстрации, причем не только для высшей, но и для средней школы, поскольку в средней школе эта проблема стоит наиболее остро и может быть решена по мере развития в нашей стране сети Интернет и корпоративных сетей системы высшего и среднего образования.

Базой для методических разработок в области дистанционного обучения по физике для студентов может служить разработанный в МГТУ им. Н. Э. Баумана курс «Физика в техническом университете» в виде серии книг-учебников. Для школьников и абитуриентов предлагаются также методические материалы, разрабатываемые подготовительными курсами и вечерней физико-математической школой при МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Отдельную проблему при дистанционном обучении представляют лекционные демонстрации. Ввиду единства законов природы и их проявлений именно в этом направлении особенно эффективна кооперация усилий. Такие демонстрации могут быть реализованы и как часть электронного учебника, и как отдельный блок. Аналогом того, что хотелось бы видеть, можно считать, например, «Открытую физику», разработанную в МФТИ [9], лекционные демонстрации, созданные в МГУ им. М. В. Ломоносова на кафедре общей физики для физического факультета, многочисленные разработки Санкт-Петербургского ГИТМО и многих других вузов. На портале дистанционного обучения (http://de.ifmo.ru/) Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики студенты имеют возможность получать доступ к большому набору информационных ресурсов. Им предлагается следующий набор программно-технических модулей, позволяющих реали-зовывать все виды учебной работы:

• электронные конспекты;

• информационные ресурсы;

• электронные тесты;

• виртуальные лабораторные работы;

• электронные практикумы.

Два раза в год на портале проводится аттестация всех студентов.

Решение всех этих проблем возможно только в рамках самой широкой кооперации с различными учебными заведениями как Москвы, так и регионов. Для обмена информацией в рамках физического сообщества России создана, активно используется и представляется весьма перспективной обменная сеть (physicsnet.ru). Это относится как к созданию методических материалов, так и к разработке унифицированного технического обеспечения как сетей, так и систем удаленного доступа. Только развитие сетевых ресурсов и насыщение их методическими материалами, разнообразными как по форме, так и по содержанию, позволит сделать дистанционное образование эффективным инструментом решения образовательных задач в самом широком смысле. Решение этой стратегической задачи - основная цель разработки концепции программно-методического и технического обеспечения дистанционного обучения для циклов естественнонаучных дисциплин и основ построения дистанционного обучения физике.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Афонин А. М., Горелик В. С., Корниенко В. Н., Корчагин В. Н., Морозов А. Н., Савельев И. В. Лабораторный практикум по физике с доступом через Интернет // Тез. докладов Всероссийской конференции «Стратегия развития университетского технического образования в России». М.: Изд-во МГТУ, 2000. С. 147-48.

2. Калачев Н. В., Кривченков А. А., Мишнев Б. Ф., Муравьев А. А., Муравьева А. Е. Применение видео систем для расширения возможностей проведения лабораторных проблемно-ориентированных практикумов // Вестник МГТУ им Н. Э. Баумана. Сер. «Естественные науки». 2010. № 1. С. 110-117.

3. Назаров С. А., Назаров В. А. Применение мультимедийных технологий при преподавании курса физики // Современные технологии обучения «СТО-2004»: Материалы X Международной конференции. СПб., 2004. Т. 2. С. 174-175.

4. Открытое образование: предпосылки, проблемы, тенденции развития / Под ред. В. П. Тихомирова. М.: Изд-во МЭСИ, 2000.

5. Плосковитов А. Б. Методико-технические проблемы преподавания естественнонаучных дисциплин с использованием элементов открытого образования // Научно-образовательный портал «Инженер», МГТУ им. Н. Э. Баумана», 13 июня 2010 г., — http://www.engineer.bmstu.ru/journal/publications/ploskovitov_problems.phtml

6. Путилов Г. П. Концепция построения информационно-образовательной среды технического вуза. М., 1999.

7. Челышкова М. Б. Теория и практика конструирования педагогических тестов: Учебное пособие. М.: Логос, 2002. 432 с.

8. Tzoneva R. G. Application of LABVIEW technology in control engineering education // 2nd Global Congress on Engineering education. Melburn, 2000. P. 475-479.

9. http://www.ikt.oblcit.ru/Sharapova/otkrfiz.htm

REFERENCES

1. Afonin A. M., Gorelik V S., Kornienko V N., Korchagin V N., Morozov A. N., Savel'ev I. V. Laboratornyj praktikum po fizike s dostupom cherez Internet. // Tez. dokladov Vserossijskoj konferencii «Strategija razvitija universitetskogo tehnicheskogo obrazovanija v Rossii». M.: Izd-vo MGTU, 2000. S. 147-148.

2. Kalachev N. V., Krivchenkov A. A., Mishnev B. F., Murav'ev A. A., Murav'eva A. E. Pri-menenie video sistem dlja rasshirenija vozmozhnostej provedenija laboratornyh problemno-orientirovannyh praktikumov // Vestnik MGTU im N. JE. Baumana. Ser. «Estestvennye nauki». 2010. № 1. S. 110-117.

3. Nazarov S. A., Nazarov V A. Primenenie mul'timedijnyh tehnologij pri prepodavanii kursa fiziki // Sovremennye tehnologii obuchenija «ST0-2004»: Materialy X Mezhdunarodnoj konferencii. SPb., 2004. T. 2. S. 174-175.

4. Otkrytoe obrazovanie: predposylki, problemy, tendencii razvitija / Pod red. V. P. Tihomi-rova. M.: Izd-vo MJESI, 2000.

5. Ploskovitov A. B. Metodiko-tehnicheskie problemy prepodavanija estestvennonauchnyh disciplin s ispol'zovaniem jelementov otkrytogo obrazovanija // Nauchno-obrazovatel'nyj portal «Inzhener», MGTU im. N. JE. Baumana, 13 ijunja 2010 g. — http://www.engineer.bmstu.ru/journal/publications/ploskovitov_problems.phtml

6. Putilov G. P. Koncepcija postroenija informacionno-obrazovatel'noj sredy tehnicheskogo vuza. M.: MGIJEM, 1999.

7. Chelyshkova M. B. Teorija i praktika konstruirovanija pedagogicheskih testov: Uchebnoe posobie. M.: Logos, 2002. 432 s.

8. Tzoneva R. G. Application of LABVIEW technology in control engineering education // 2nd Global Congress on Engineering education. ,Melburn, 2000. P. 475-479.

9. http://www.ikt.oblcit.ru/Sharapova/otkrfiz.htm