Формирование исследовательских умений студентов-физиков младших курсов средствами практикума

Федина О.В.

Формирование исследовательских умений студентов-физиков младших курсов. [

ФОРМИРОВАНИЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ УМЕНИЙ СТУДЕНТОВ-ФИЗИКОВ МЛАДШИХ КУРСОВ СРЕДСТВАМИ ПРАКТИКУМА

О.В. Федина

DEVELOPMENT OF JUNIOR PHYSICS STUDENTS' RESEARCH SKILLS BY MEANS OF PRACTICUM

Fedina O.V.

The article generalises the author's investigation of the given subject. The necessity of improving the methods of conducting laboratory practicum in Physiscs by the application of creative tasks in order to increase the development level of students' research skills is revealed in the article.

Статья является обобщением исследований автора по данной теме. В статье показана необходимость усовершенствования методики проведения лабораторного практикума по физике путем применения творческих заданий, с целью повышения уровня сформированности исследовательских умений студентов.

Ключевые слова: исследовательские умения, исследовательская деятельность, структура исследовательских умений, критерии исследовательских умений, творческие задания.

УДК 53: 372.8

Подготовка специалистов, способных к постоянному творческому поиску, самостоятельному приобретению новых знаний и обладающих навыками научного подхода к решению задач современного производства является основной задачей университетского образования.

Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования выдвигается требование подготовить специалиста физика к решению следующих задач научно-исследовательской (экспериментальной, теоретической и расчетной) деятельности:

• научные исследования поставленных проблем;

• формулировка новых задач, возникающих в ходе научных исследований;

• разработка новых методов исследований;

• выбор необходимых методов исследования;

• освоение новых методов научных исследований;

• освоение новых теорий и моделей;

• обработка полученных результатов научных исследований на современном уровне и их анализ;

• работа с научной литературой с использованием новых информационных технологий, слежение за научной периодикой;

• написание и оформление научных статей;

• составление отчетов и докладов о научно-исследовательской работе, участие в научных конференциях (1).

Изучение процесса обучения физике в Ставропольском государственном университете, на основе анкетирования студентов и преподавателей, позволило выявить следующее:

• уровень исследовательских умений выпускников вузов не всегда удовлетворяет требованиям современного производства, и одной из причин этого, по мнению автора, является существование временного пробела в исследовательской деятельности между школьным образованием и обучением на старших курсах университета;

• формирование исследовательских умений студентов физиков младших курсов осложняется следующими факторами: неопределенностью понятия «исследовательские умения» и их структуры; отсутствием диагностики уровня сформированно-сти исследовательских умений; нехваткой методического материала способствующего формированию исследовательских умений.

• традиционный вузовский метод проведения лабораторных занятий по готовым методическим указаниям не способствует формированию исследовательских умений и развитию творческих способностей.

Таким образом, существует противоречие между стоящей перед университетским образованием задачей формирования у выпускников вуза высокого уровня исследовательских умений и методикой проведения лабораторного практикума, не предусматривающей специальной работы по формированию исследовательских умений.

Возникает необходимость в решении следующих задач:

1. Раскрыть сущность и содержание понятия «исследовательские умения» и определить его структурные компоненты;

2. Определить уровни и критерии сформированности исследовательских умений студентов физиков разных возрастных категорий;

3. Выявить психолого-педагогические основы формирования исследова-

тельских умений студентов физиков средствами лабораторного практикума;

4. Провести модернизацию лабораторных работ практикума;

5. Составить систему разноуровневых экспериментальных творческих заданий, позволяющих использовать принципы личностно-ориентированного образования при формировании исследовательских умений на лабораторном практикуме;

6. Разработать методику использования разноуровневых творческих заданий для формирования исследовательских умений студентов физиков младших курсов на лабораторном практикуме;

7. Экспериментально проверить эффективность применения в учебном процессе разработанной методики.

В психолого-педагогической литературе понятие «исследовательские умения» разными авторами трактуется по-разному. Многие исследователи сразу прибегают к классификации исследовательских умений, не определяя самого понятия. Анализ различных определений и классификаций позволил выделить несколько подходов к определению «исследовательские умения». Рассмотрим наиболее важные подходы для нашего исследования.

Н.Л. Головизнина, В.В. Успенский, И.А. Зимняя, Е.А. Шашенкова и др. рассматривают исследовательские умения как результат и меру исследовательской деятельности.

По мнению Н.Л. Головизниной, исследовательские умения структурно оформляются в ходе осуществления исследовательской деятельности, являются ее итогом, одним из основных критериев. «Исследовательское умение - это ожидаемый результат обучения исследовательской деятельности, представляющий интеграцию специальных, осознанных, взаимообусловленных, в совершенстве освоенных действий, обеспечивающих учащимся самостоятельное создание исследовательского продукта» (2).

Аналогичной точки зрения придерживается В.В. Успенский, который под исследовательским умением понимает «способность самостоятельных наблюдений, опы-

тов, приобретаемых в процессе решения исследовательских задач» (3).

Авторы другого подхода П.Ю. Романов, Х.Я. Мулюков, С.П. Арсенова, Н.В. Сычков, М.Н. Поволяева и др. рассматривают исследовательские умения как способность к действиям, необходимым для выполнения исследовательской деятельности.

П.Ю. Романов дает следующее определение исследовательских умений: «исследовательское умение - способность обучаемого эффективно выполнять действия, адекватные содержанию каждого уровня системы образования по решению возникшей перед ними задачи в соответствии с логикой научного исследования, на основе имеющихся знаний и умений» (4).

М.Н. Поволяева понимает под исследовательскими умениями систему интеллектуальных, практических знаний, умений, навыков, необходимых для самостоятельного проведения исследования или его частей (5).

Некоторые исследователи подчеркивают, что действия носят не только практический, но психический характер.

В.И. Амелина определяет исследовательские умения как «владение сложной системой психических и практических действий, необходимой для познавательной деятельности во всех видах учебного труда» (6).

Считая необходимым объединить эти подходы, под исследовательскими умениями будем понимать сложную систему практических и интеллектуальных действий, позволяющую выполнить исследовательскую деятельность или ее отдельные этапы и формируемую с помощью исследовательской деятельности при наличии соответствующих знаний, умений и навыков.

Рассмотрев различные классификации исследовательских умений, предложенные различными авторами, (И.А. Игошев, Х.Я. Мулюков, З.А. Хайретинова, А.И. Подольский, В.П. Ушачева, С.Т. Мустафаев, В.Н. Савинцев, М.Г. Ковтунович, Ю.К. Ба-банский, Г.А. Русских и др.), можно сделать вывод о том, что в психолого-педагогической литературе нет единого мнения о составе исследовательских умений. Предложенные классификации не являются дос-

таточно подробными. Однако для успешного формирования исследовательских умений необходимо определить их структурный состав.

На наш взгляд, исследовательские умения имеют следующую структуру.

ПРАКТИЧЕСКИЕ УМЕНИЯ Подготовительные умения

• работа со специфическими объектами (научной литературой, компьютерными моделями, сетью Internet);

• видение проблемы в тривиальной ситуации;

• сведение проблемы к задаче;

• самостоятельная разработка методики проведения эксперимента, начертание и составление схем;

• подбор оборудования для эксперимента с использованием инструкций;

• подбор и приготовление необходимых для эксперимента материалов;

• использование знаний, полученных по другим дисциплинам на всех этапах эксперимента

Технологические умения

• сборка установки или изготовление ее фрагментов;

• устранение неисправности, настройка приборов;

• совершенствование эксперимента и модернизация экспериментальной установки;

• использование объектов в новой для них роли;

• соблюдение техники безопасности не только при выполнении эксперимента, но и при его подготовке и постановке;

Измерительные умения

• самостоятельное проведение эксперимента на научных установках с применением сложных измерительных приборов;

• проведение независимых экспериментов для доказательства полученных результатов;

Вычислительные умения

• обработка и анализ полученных результатов;

• работа с компьютерной техникой;

• расчет грубых, систематических и случайных погрешностей измерений;

Организационные

• самоорганизация в учебно-исследовательской деятельности;

• планирование, регулирование, контролирование своих действий;

• волевые усилия в затруднительных ситуациях для достижения поставленных целей;

Коммуникативные

• сотрудничество в процессе обсуждения заданий;

• распределение обязанностей, оказание взаимопомощи, взаимоконтроля, обсуждение результатов совместной деятельности;

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ УМЕНИЯ

• проведение мысленного эксперимента;

• теоретическое обоснование результатов эксперимента;

• интуиция;

• представление экспериментального исследования перед аудиторией, ведение дискуссии;

• поиск альтернативного решения и выбора рационального решения;

• осуществление ближнего и дальнего внутрисистемного и межсистемного переноса знаний и умений в новую ситуацию;

• оценки границ применимости (явлений, процессов, проявлений изучаемой закономерности, теорий);

• умение самостоятельно работать с информацией (писать доклады, рефераты, рецензию, тексты выступлений, отзыв на исследовательскую работу);

• определение места и значения результатов, полученных в ходе эксперимента.

Рациональным оказалось выделение трех уровней сформированности исследовательских умений: «низкий», «средний» и «высокий». Критерии, на основе которых возможно определить уровни сформирован-ности исследовательских умений, представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Критерии уровня сформированное™ исследовательских умений

критерий Уровень сфо рмированности исследовательских умений

низкий средний высокий

отношение к исследовательской деятельности занятие из-за необходимости, без интереса проявление неустойчивого интереса проявление активного интереса, переходящего в увлечение

отношение к источникам научной информации отсутствие самостоятельного интереса к источникам, содержащим научную информацию; работа с предложенной научной информацией проявление неустойчивого интереса к источникам научной информации; поиск необходимой информации при определенной помощи проявление устойчивого интереса к источникам научной информации; самостоятельный поиск необходимой информации

характер практических действий только исполнительный частично поисковый самостоятельное выполнение исследования

рациональность и последовательность выполнения операций последовательность хаотична, не рациональна последовательность не достаточно продуманна выполнение всех операций последовательно, продуманно, рационально

степень самостоятельности при выполнении операций неумение работать самостоятельно проведение частично самостоятельной исследовательской работы высокая степень самостоятельности на всех этапах исследовательской деятельности

настойчивость при выполнении операции поиск решения легко может быть прерван нахождение единственного решения, неумение находить альтернативного решения неудовлетворенность полученным результатом, поиск новых решений

анализ проделанной операции и полученного результата отсутствие анализа решения и полученного результат поверхностный анализ решения и полученного результата глубокий анализ решения и полученного результата

мануальная ловкость плохо развита развита хорошо развита

уверенность в выполненной операции неуверенность в полученных результатах неумение вести защиту и грамотно представлять результаты грамотное и логическое проведение представления и защиты полученных результатов

отношение к выполненной операции непонимание значения полученного результата неумение самостоятельно определять место и значение полученного результата самостоятельное определение места и значения полученного результата

обобщенность умений применение в аналогичной ситуации применение в немного измененной ситуации широкий перенос в любую область деятельности

осознанность действия в целом выполняет действие не осознано, путем проб и ошибок выполняет действие не до конца осознано, не предвидя конечный результат выполняет действие осознано, предвидя конечный результат

отношение к проблеме безразличное решение поставленных проблем поиск проблем

полнота и глубина выполняемых операций, из которых слагается действие в целом узкое, поверхностное средние полное, глубокое

профессиональные намерения будущую профессиональную деятельность связывает с выполнением круга обозначенных обязанностей желание частично связать будущую профессию с исследовательской деятельностью устойчивое желание связать свою профессию с исследовательской деятельностью

Для разработки методики формирования исследовательских умений средствами лабораторного практикума был проведен анализ существующих методик различных авторов.

Традиционно за основу предлагаемых методик формирования исследовательских умений берется теория деятельности, разработанная психологами С. Л. Рубинштейном и А.Н. Леонтьевым и учение о типах ориенти-

ровки, разработанное психологами П.Я. Гальпериным и Н.Ф. Талызиной.

Так, А.В. Усова и В.А. Беликов (7) процесс формирования исследовательских умений считают, состоящим из следующих этапов:

• осуществление мотивационной основы действия;

• определение цели действия, уяснения его научных основ и опорных точек;

• установление рациональной последовательности выполнения операций, из которых складывается действие (построение алгоритма действия);

• выполнение упражнений под контролем преподавателя;

• обучение самоконтролю выполнения действия;

• закрепление действия с помощью специально подобранных для этой цели заданий;

• переход к формированию умения производить более сложные действия.

Приобщение учащихся к исследовательской работе М.И. Бойцов (8) предлагает проводить по следующей схеме: объяснение и показ действия; выполнение упражнений по образованию и усовершенствованию действия; упражнения, выполняемые самостоятельно, для дальнейшего закрепления действия.

То есть, традиционная методика формирования исследовательских умений представляет собой процесс выполнения комплекса упражнений, при котором осуществляется постепенный переход от простых заданий к более сложным. При этом степень самостоятельности выполнения заданий учащимися постепенно растет.

Основным методом обучения опыту творческой деятельности, в результате которого, на наш взгляд, происходит формирование исследовательских умений, является исследовательский метод. И.Я. Лернер отмечает, что в соответствии с законом поэлементного усвоения всякого нового и сложного, содержания опыта творческой дея-

тельности поддается усвоению только поэлементно и пооперационно (9). И.Я. Лерне-ром предложена одна из реализаций исследовательского метода, учитывающая поэлементное усвоение опыта творческой деятельности, которая, на наш взгляд, наиболее подходит для формирования исследовательских умений студентов физиков младших курсов и взята нами за основу. Она заключается в следующем, «затруднения учащихся при решении проблемной задачи преодолеваются ее расчленением на серию подзадач, заменой сложной задачи сходной, но более простой, чтобы затем вернутся к первой». То есть учащемуся предлагается самостоятельно выполнить исследовательское задание, которое затем упрощается, не теряя творческой сущности, до тех пор, пока не будет выполнено. Преподаватель оказывает помощь по мере необходимости.

В течение нескольких лет на кафедре общей физики СГУ проводится эксперимент по формированию исследовательских умений студентов младших курсов средствами лабораторного практикума.

Разработанная методика проведения лабораторного практикума предполагает использование исследовательского метода обучения. Она разумно объединяет традиционные и новые формы подачи учебного материала.

Особенность предложенной методики состоит в том, что кроме предусмотренных программой лабораторных работ, студенты выполняют задания творческого характера.

При составлении заданий учитывалась классификация учебно-творческих задач, предложенная В.И. Андреевым (10).

Приведенная таблица позволила сделать вывод о том, что наиболее полное формирование исследовательских умений учащегося возможно осуществлять не путем выполнения единичной творческой задачи, а систематическим выполнением комплекса творческих заданий.

Таблица 2

Классификация учебно-творческих задач

Признак основания для классификации Типы учебно-творческих задач Виды учебно-творческих задач Формируемые исследовательские умения

Проблемность Задачи с явно выраженным противоречием Задачи-проблемы; задачи-парадоксы; задачи-антиномии. Постановка задачи; постановка цели; разработка методов и средств решения; видение тривиального в парадоксальной ситуации; отыскание логического противоречия.

Полнота исходной информации Задачи с некорректно представленной информацией Задачи с недостающей исходной информацией; задачи с избыточной информацией; задачи с противоречивой исходной информацией; задачи, в которых практически отсутствует исходная информация, а есть только цель деятельности. Поиск не достающей информации с использованием различных источников: методическая, справочная, научная литература, результаты экспериментов и т. д.; выделение главной и отброс не существенной информации; постановка задачи; разработка методов и средств решения.

Прогнозирование Задачи на прогнозирование На прогрессивные экстраполяции; на регрессивные экстраполяции; на непосредственное выдвижение гипотезы. Генерирование идей; выдвижение гипотез; видение конечного результата.

Оптимизация Задачи на оптимизацию Задачи на выбор оптимального решения; задачи на оптимизацию процесса, функционирования объекта; задачи на оптимизацию затрат, средств деятельности. Нахождение нескольких вариантов решений; анализ полученных решений и выбор оптимального; анализ проведенной работы и определение оптимальных средств достижения конечного результата; планирование и грамотная организация эксперимента.

Рецензирование Задачи на рецензирование Задачи на обнаружение ошибок; задачи на проверку результата; задачи на оценку процесса и результата. Анализ и критический подход к полученной информации; проверка полученных результатов не зависимыми способами; оценка значимости проделанной работы и полученного результата.

Усмотрение противоречия, формулировка задачи Задачи на обнаружение противоречия и формулировку проблемы Задачи скрытого вопроса; задачи на обнаружение мнимых противоречий; задачи на формулировку проблемы. Видение необычного в тривиальной ситуации; постановка задачи.

Разработка алгоритмических и эвристических предписаний Разработка алгоритмических и эвристических предписаний Задачи на разработку алгоритма (алгоритмического предписания); задачи на выявление наиболее эффективных характеристик; задачи на разработку эвристических предписаний, правил. Моделирование задачи; моделирование процесса решения.

Переформулировка задачи Задачи на корректную постановку проблемы Задачи на уточнение цели; задачи на уточнение условий; задачи на уточнение требований и ограничений. Конкретизация задачи; видение границ физических явлений;

Инверсия Задачи «оборотни», противоположные некоторой данной Задачи на поиск способа решения, который противоположен наиболее очевидному решению; задачи, требующие рассмотрения способа решения от конца к началу. Способность видеть необычное в очевидном; предугадывать по конечным результатам исходные данные и наоборот.

Применение принципов и методов научного познания Исследовательские задачи (задачи на применение принципов и методов научного познания) Экспериментальные задачи; задачи на моделирование; задачи графические; задачи на формализацию, применение математических методов; задачи на применение принципов системности, дополнительности, историзма и т. д. наблюдение и изучение фактов и явлений; выяснение не понятных явлений, подлежащих исследованию (постановка проблем); выдвижение гипотез; построение плана исследования; осуществление плана выяснения связей изучаемого явления с другими; формулирование решения, объяснения; проверка решения; практические выводы о возможности и необходимом применении добытых знаний.

Изобретение Задачи на изобретение Задачи на изобретение новых конструкций; задачи на изобретение новых способов деятельности; задачи на изобретение новых веществ. Изобретательская деятельность.

Доминирование соответствующих логический процедур деятельности Задачи логические Задачи на описание явлений, процессов; задачи на определение понятий; задачи на доказательство; задачи на установление причинно-следственных связей. Наблюдение и описание явления; определение понятия; доказательство верности полученного результата и хода решения; установление причинно-следственных связей.

Процедуры управления Задачи на управления Задачи на выработку целей деятельности; задачи на планирование деятельности; задачи на организацию деятельности; задачи на контроль деятельности; задачи на нормирование времени деятельности; задачи на оценку результатов деятельности. Постановка цели; планирование эксперимента; грамотная организация эксперимента; самоконтроль выполняемой работы; правильное распределение времени деятельности; анализ и оценка результатов и процессов их достижения.

Доминирование соответствующих процедур общения в решении творческих задач Задачи коммуникативно-творческие Задачи на распределение обязанностей в процессе коллективной творческой деятельности; задачи на поиск средств взаимопомощи и сотрудничества; задачи на поиск средств взаимоконтроля и т.д. ведение коллективного исследования явлений и процессов.

Конструирование Конструкторские задачи Задачи на поиск нового конструкторского решения: на расчленение объекта; на синтез нескольких объектов на замещение одного из элементов системы; использование аналога в конструировании нового. Конструкторская деятельность.

Разработанные творческие задания имеют различную направленность:

• творческие задания с использованием нестандартных материалов (например: магнитной жидкости);

• творческие задания, выполнение которых требует конструирования и изготовления фрагментов экспериментальных установок;

• исследовательские задания с биологическим, химическим и т.п. содержанием;

• творческие задания, выполнение которых требует применения научных экспериментальных установок;

• творческие задания с использованием новых информационных технологий;

• творческие задания с биологическим содержанием.

Методика выполнения разработанных заданий заключается в следующем.

Каждое задание по сложности делится на три уровня.

Вначале студентам, независимо от их способностей, предлагаются задания первого уровня - самые сложные. Преподаватель только обозначает проблему, вся остальная работа: определение задачи, подготовка и постановка эксперимента, обработка результатов проводится ими самостоятельно. Преподаватель наблюдает за выполнением поставленной задачи и только в крайнем случае (несоблюдение техники безопасности, угроза вывода приборов из строя) вмешивается в процесс. Иногда студенты находят очень оригинальные пути решения заданий, не предусмотренные преподавателем. Если они не справляются с заданием, им предлагается перейти к решению задач второго уровня сложности.

Для заданий второго уровня проблема остается той же, только формулировка изменена так, что содержит подсказки: ограничивается круг приборов и материалов, намечаются различные пути выполнения задачи.

Третий уровень заданий предлагается студентам, если они не смогли выполнить предыдущий. Он максимально упрощен, но элементы творчества в нем все равно присутствуют.

Если невозможно составить задание в трех уровнях сложности, студентам предлагаются карточки помощи, которые помогают найти нужное решение. Карточка помощи -это карточка с заранее подготовленным вопросом, схемой, рисунком, формулой и т. д. Карточка постепенно сужает круг поиска решения, но прямого ответа не дает.

Проведение лабораторного практикума по предложенной методике позволило сделать следующие выводы.

• Такая методика способствует дальнейшему росту уровня исследовательских умений студентов младших курсов, что необходимо для перехода к дальнейшим самостоятельным исследованиям.

• Выполнение заданий вызывает интерес, так как способствует прохождению всех этапов исследования, решению всей задачи в целом, как в реальной научно-исследовательской деятельности. Это вызывает желание заниматься исследовательской деятельностью, стремление к самостоятельности и способствует постепенному переходу к самостоятельной исследовательской работе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Министерство Образования Российской Федерации. Москва 2000. Государственный об-

разовательный стандарт высшего профессионального образования. Специальность 010701 Физика. Квалификация - физик. 17.03.2000г. Номер гос. регистрации 172 ен/сп.

2. Головизнина Н.Л. Исследовательские умения как средство развития самодеятельности старшеклассников: Дис... канд. пед. наук: 13.00.01. - Киров, 2005.

3. Успенский В.В. Школьные исследовательские задачи и их место в учебном процессе: Дис... канд. пед. наук. -М., 1967.

4. Романов П.Ю. Формирование исследовательских умений обучающихся в системе непрерывного педагогического образования: Автореф. дис... докт. пед. наук: 13.00.08. -Магнитогорск, 2003.

5. Поволяева М.Н. Развитие научного знания в содержании школьного и дополнительного образования детей // Внешкольник. - 2004. -№ 3. - С. 13-14.

6. Амелина Н.С., Учебно-исследовательская деятельность студентов педвуза (в процессе изучения дисциплин пед. цикла): Автореф. дис... канд. пед. наук: 13.00.02. - Киев, 1982.

7. Усова А.В., Беликов В.А., Учись самостоятельно учится. - Челябинск, Магнитогорск: ИГПУ Факел, 1997.

8. Бойцов М. И., Приобщение учащихся к исследовательской работе в обучении: Автореф. дис... канд. пед. наук. -М., 1975.

9. Лернер И.Я., Дидактические основы методов обучения. - М.: Педагогика, 1981.

10. Андреевым В.И. Дидактика воспитания и самовоспитания творческой личности. - Казань: Из-во Казанского ун-та, 1988.

Об авторе

Федина Ольга Викторовна, инженер-лаборант кафедры общей физики Ставропольского государственного университета. Сфера научных интересов - формирование исследовательских умений студентов-физиков. fedina ov@mail.ru