О дифференциации индивидуальных заданий на лабораторный эксперимент

О ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ НА ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Т.А. Кузьмина, кандидат педагогических наук; А.А. Кузьмин, кандидат педагогических наук, доцент; А.А. Пермяков, кандидат педагогических наук. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Описаны отдельные основополагающие аспекты использования дифференциальных заданий на лабораторный эксперимент на примере дисциплины «Термодинамика и теплопередача». Проанализированы особенности возможных схем распределения обучающихся по бригадам. Предложены уровни дифференциации содержания индивидуальных заданий на лабораторный эксперимент. Рассмотрены результаты педагогического эксперимента.

Ключевые слова: лабораторная работа, индивидуальные задания, метод наименьших квадратов, формирующий педагогический эксперимент, профессиональные компетенции

ABOUT DIFFERENTIATION OF INDIVIDUAL TASKS FOR THE LABORATORY EXPERIMENT

T.A. Kuzmina; A.A. Kuzmin; A.A. Permyakov.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

Separate fundamental aspects of use of differential tasks for a laboratory experiment on the example of discipline «Thermodynamics and a heat transfer» are described. Features of possible schemes of distribution of students on crews are analysed. Levels of differentiation of maintenance of individual tasks for a laboratory experiment are offered. Results of a pedagogical experiment are considered.

Keywords: laboratory work, individual tasks, method of the smallest squares forming a pedagogical experiment, professional competences

Специалисту судебно-экспертных учреждений (СЭУ) федеральной противопожарной службы (ФПС) МЧС России в своей служебной деятельности необходимо работать в условиях быстро меняющейся оперативной обстановки и часто производить сложные технические измерения параметров, характеризующих природные и техногенные условия решения поставленных задач.

Одной из тенденций улучшения качества образования будущего специалиста СЭУ ФПС становится ориентация учебного процесса пожарно-технического вуза в направлении развития творческих возможностей личностей обучающихся на всех этапах обучения, на развитие творческих начал, направленных на формирование требуемых профессиональных компетенций (ПК) в работе с измерительной техникой, которые могут нарабатываться, в том числе, и в процессе выполнения лабораторных практикумов по естественнонаучным дисциплинам [1].

К таким компетенциям относятся:

- способность использования естественнонаучных методов при исследовании вещественных доказательств (ПК-3);

- способность применять естественнонаучные и математические методы при решении профессиональных задач, использовать средства измерения (ОПК-2);

- способность работать с различными информационными ресурсами и технологиями, применять основные методы, способы и средства получения, хранения, поиска, систематизации, обработки и передачи информации (ОК-12).

Однако особенности учебного плана специальности 40.05.03 «Судебная экспертиза» не предполагают получение обучающимися достаточного объема математических знаний за 54 ч аудиторных занятий, так что при разработке содержания лабораторных экспериментов, проводимых в рамках изучения естественнонаучных (физика, химия) и общетехнических (теплотехника, теория горения и взрыва, электротехника и пожарная профилактика электроустановок) дисциплин приходится опираться на математические знания, приобретенные обучающимися при получении среднего образования.

Опыт учебной работы с будущими специалистами СЭУ ФПС, обучающимися в Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России, позволяет сделать вывод, что на момент начала второго семестра различия в уровне готовности обучающимися использовать математические методы при обработке результатов лабораторного эксперимента не позволяет организовать продуктивное выполнение лабораторного практикума на основе постановки единообразных заданий. Решением этой проблемы может быть индивидуализация как содержания задания на лабораторный эксперимент, так и на предлагаемую методику обработки его результатов, но для этого необходимо:

- оценить возможную степень неоднородности аудитории в части знаний разделов математики, используемых при обработке результатов проводимых лабораторных экспериментов и сформулировать критерии, позволяющие дифференцировать обучающихся по готовности к выполнению математических операций различной сложности;

- выявить основные проблемные математические операции, используемые в обработке результатов лабораторных экспериментов и разделить их на группы, соответствующие содержанию проводимых измерений;

- оценить возможность контекстной помощи в осуществлении проблемных математических операций на основе самостоятельного использования обучающимися ресурсов глобальной сети Internet (продолжение формирования ОК-12);

- структурировать группы математических операций, используемых при обработке результатов измерений по их взаимным связям и соответствии со сложностью и объемом проводимых вычислительных операций;

- построить иерархическую структуру проводимых лабораторных измерений и методов обработки их результатов, соответствующих сущностному содержанию изучаемой дисциплины (продолжение формирования ПК-3);

- на основании такой структуры сформировать график проведения лабораторных экспериментов, который бы предусматривал, в том числе и последовательное освоение математических методов при обработке результатов измерений (продолжение формирования ОПК-2).

Выполнение предлагаемых мероприятий позволит дифференцировать содержание индивидуальных заданий по уровням используемых математических методов в обработке [2].

При организации лабораторных занятий идеальным является ситуация, когда каждый обучающийся работает с отдельной лабораторной установкой, однако существующие материально-технические возможности этого не позволяют. На практике возможны две схемы распределения обучающихся по бригадам, работающим на одной лабораторной установке и выполняющим задание на проведение эксперимента.

Схема № 1 предполагает формирование лабораторных бригад без относительной готовности обучающихся к использованию математических методов при обработке лабораторных измерений. По результатам проведения предлабораторного коллоквиума содержание индивидуальных заданий у обучающихся дифференцируется по объему выполняемых измерений и методам обработки их результатов, при этом предполагаются

существенные различия в процедуре защиты отчета по выполнению лабораторной работы, что стимулирует у обучающихся стремление на получение более содержательных индивидуальных заданий на лабораторный эксперимент. Разрабатываемые при использовании подобной схемы методические указания носят универсальный характер, но могут предусматривать несколько вариантов обработки результатов лабораторных измерений.

Схема № 2 предусматривает формирование бригад из обучающихся с примерно одинаковым уровнем готовности к использованию математических методов при обработке лабораторных измерений. Содержание индивидуальных заданий на один и тот же лабораторный эксперимент для обучающихся в одной бригаде в части объема и характера вычислительных операций одинаково, а для различных бригад в этих заданиях могут быть существенные различия. Состав бригад может быть достаточно стабильным на протяжении всего периода выполнения лабораторного практикума по данной учебной дисциплине. При этом необходимо разработать несколько вариантов методических указаний на выполнение лабораторного эксперимента в соответствии с содержанием индивидуальных заданий, а так же объемом выполняемых вычислительных операций.

В качестве «полигона» при внедрении предлагаемой педагогической технологии была выбрана дисциплина «Термодинамика и теплопередача», изучаемая на третьем и четвертом семестрах, что было обусловлено, прежде всего, тематикой проводимых лабораторных экспериментов, предполагающей использование достаточно сложного для данного контингента обучающихся математического аппарата при обработке результатов лабораторных измерений. Примером может послужить лабораторная работа № 3 «Исследование процесса конвективного теплообмена при свободном движении жидкости». Виртуальная лабораторная установка изображена на рис. 1.

Поставленные цели лабораторного эксперимента позволяют дифференцировать задание по трем уровням:

Уровень 1: исследовать зависимость интенсивности процесса свободной конвекции от температуры на наружной поверхности теплоэлектронагревателя (ТЭНа), а так же исследовать зависимость температуры на поверхности ТЭНа от выделяемой мощности в условиях свободной конвекции газовой среды.

Уровень 2: в дополнении к заданию уровня 1 на основе результатов моделирования процесса свободной конвекции в большом объеме вычислить постоянные критериального уравнения с использованием графической интерпретации метода наименьших квадратов.

Рис. 1. Виртуальная лабораторная установка «Исследование процесса конвективного теплообмена при свободном движении жидкости»

Уровень 3: в дополнении к заданиям уровней 1 и 2 на основе результатов моделирования процесса свободной конвекции в большом объеме вычислить постоянные критериального уравнения с использованием аналитической интерпретации метода наименьших квадратов.

При этом выполнение задания уровня 1 предполагает выполнение простых арифметических операций и построение графических зависимостей с линейными шкалами на осях абсцисс и ординат.

Задание уровня 2 предусматривает на основе результатов лабораторных измерений формирование критериального уравнения, для чего обучающемуся необходимо проводить вычисления с использованием степенных функций и построение графической зависимости ЬпЫп^ =/(ЬпЯа).

Выполнение задания уровня 3 требует от обучающегося использование уравнений математической статистики, например уравнений:

5£ Ьп

п,.„ = 1=1

а" 5 2 ( 5 У

5£ Ы

5 п

£ Ьп{ Ыип11 )-ПаН £ Ьп{Яап11) С = ^- 1=1

5

В дальнейшем, при выполнении лабораторной работы № 4 «Исследование процесса конвективного теплообмена при вынужденном движении жидкости» задания на лабораторный эксперимент градируются уже по двум уровням:

- уровень 1, предусматривающий кроме базовых операций по обработке результатов лабораторных измерений использование обучающимися графической интерпретации метода наименьших квадратов в ходе формирования соответствующего критериального уравнения;

- уровень 2, который предусматривает использование графического и аналитического метода наименьших квадратов с последующим сравнительным анализом полученных результатов.

В ходе выполнения лабораторной работы № 5 «Исследование работы теплообменного аппарата типа «труба в трубе» градация заданий происходит уже не по признаку сложности используемого математического аппарата, а по объему выполняемого задания:

- уровень 1 предусматривает эксперимент в режиме «прямоток»;

- уровень 2 предполагает исследование режимов «прямоток» и «противоток» с последующим сравнительным анализом полученных показателей.

В педагогическом эксперименте по постановке обучающимся дифференцированных индивидуальных заданий в ходе выполнения лабораторных работ участвовало 52 курсанта и студента специальности 40.05.03 «Судебная экспертиза» учебных групп набора 2014 г.

Аутентичность учебных групп базировалась на объективных данных, характеризующих успеваемость обучающихся по учебным дисциплинам естественнонаучного цикла на момент начала формирующего эксперимента (табл. 1).

Таблица 1. Характеристики успеваемости до начала эксперимента

1=1

1=1

1=1

1=1

у

Учебные дисциплины Группа № 1(п=25) Группа № 2 (п=27) 1>критерий Стьюдента

Хт 2 О Хт 2 О

Информатика 3,69 0,80 3,33 0,78 3,17

Физика 3,76 0,73 3,70 0,55 2,92

Математика 3,40 0,85 3,42 0,79 3,01

Значение коэффициента идентичности групп равно 0,97. Педагогические наблюдения, а так же некоторые авторы [3] делают заключения, что погрешность в оценке знаний обучающихся при традиционных технологиях обучения превышает возможную погрешность в неидентичности экспериментальной и контрольной групп.

Схема формирующего эксперимента, проведенного в пятом семестре (раздел «Основы теории тепломассообмена» дисциплины «Термодинамика и теплопередача») представлена в табл. 2.

Итоговый контроль знаний курсантов и студентов групп № 1 и № 2 был организован «on line» по окончании изучения раздела «Основы теории теплообмена», при этом применялся тест на 24 вопроса, на каждую из изучаемых тем было сформулировано два вопроса, итого 24 вопроса. По каждому вопросу было предложено от четырех до шести вариантов ответов, причем обучающиеся были предупреждены, что возможно наличие нескольких правильных ответов, отсутствие таковых, а так же наличие вариантов неточных ответов. Таким образом, ответы в итоговом опросе курсантов и студентов оценивались при помощи 12-балльной шкалы, что привело к повышению точности измерения остаточных знаний по сравнению с традиционной 4-бальной. Результаты итогового опроса представлены на рис. 2.

Смещение центра распределения объективных показателей результатов итогового опроса в сторону более высоких баллов по разделу «Основы тепломассообмена» дисциплины «Термодинамика и теплопередача» позволяет сделать вывод об эффективности использования схемы № 1 постановки индивидуальных дифференцированых заданий на лабораторный эксперимент.

Таблица 2. Схема проведения формирующего эксперимента

№ Содержание этапа Группа № 1 Группа № 2

1 Предлабораторный коллоквиум Программированный опрос на 5 вопросов, включающий оценку порядка проводимых вычислений, работу со справочным материалом, методы обработки результатов измерений

2 Мотивация обучающихся Результаты предлабораторного коллоквиума определяют процедуру защиты отчета Когнитивный диссонанс, связанный с возможностью получения высоких оценок при защите отчета

3 Распределение обучающихся по учебным бригадам Состав учебных бригад определяется самими обучающимися Состав учебных бригад формируется каждый раз заново по результатам предлабораторного коллоквиума

4 Содержание индивидуального задания на проводимые измерения Для каждого обучающегося бригады различно и зависит от результатов предлабораторного коллоквиума Для каждого обучающегося бригады единообразно, отличается для различных бригад

5 Методы обработки результатов проводимых измерений Для каждого обучающегося бригады различны и зависит от содержания индивидуального задания на проводимые измерения Для каждого обучающегося бригады единообразны, отличаются для различных бригад

6 Информационная поддержка самостоятельной работы обучающегося Методические указания по всем этапам выполнения индивидуального задания, контекстная помощь при затруднениях

7 Содержание отчета по результатам лабораторного эксперимента и процедура его защиты Для каждого обучающегося бригады различны и зависит от содержания индивидуального задания на проводимые измерения Для каждого обучающегося бригады единообразны, отличаются для различных бригад

8 Содержание процедуры защиты отчета по результатам лабораторного эксперимента Сравнение содержания отчета с эталоном, формируемым специальным программным комплексом. Ответы на дополнительные вопросы для выполняющих задание не в полном объеме

Рис. 2. Результаты итогового опроса по результатам изучения раздела «Основы тепломассообмена»

Контроль остаточных знаний курсантов и студентов, участвующих в педагогическом эксперименте, проводился по окончании изучения «Термодинамика и теплопередача» в рамках входного контроля дисциплины «Естественнонаучные методы судебно-экспертных исследований».

Это было обусловлено тем, что данная дисциплина является логическим продолжением этого курса и в значительной степени базируется на материале ранее изученных тем раздела «Основы теории теплообмена» дисциплины «Термодинамика и теплопередача». Результаты контрольного тестирования представлены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты опроса при измерении остаточных знаний

Баллы 3 4 5 6 7 8 9 10 Хт АХ

Группа № 1(п=25) 0 0 2 2 5 6 7 3 7,93 1,49

Группа № 2 (п=28) 0 2 2 4 4 6 5 4 7,36 1,97

Коэффициент достоверности 1,205

1-Стьюдент для Р<=0,05 2,018

Статистически значимые различия в уровне остаточных знаний у обучающихся в группах № 1 и № 2, полученные на контрольном этапе педагогического эксперимента, позволяют сделать вывод большей эффективности схемы № 1, предполагающей:

- формирование лабораторных бригад без относительной готовности обучающихся к использованию математических методов при обработке лабораторных измерений;

- дифференцирование содержание индивидуальных заданий по объему выполняемых измерений и методам обработки их результатов по результатам проведения предлабораторного коллоквиума у обучающихся;

- наличие существенных различий в процедуре защиты отчета по выполнению лабораторной работы и несколько вариантов обработки результатов лабораторных измерений.

Литература

1. Медведева Л.В., Родина М.В. Формирование профессиональных компетенций в образовательной среде естественнонаучных дисциплин // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2015. № 1. С. 178-185.

2. Баскин Ю.Г., Печеневская М.А. Организация проведения лабораторного практикума в пожарно-технических вузах на основе когнитивно-деятельностного подхода // Проблемы управления рисками в техносфере. 2013. № 1 (25). С. 149-158.

3. Зайкина М.И., Галишев М.А. Методика проведения лабораторных занятий при подготовке судебных экспертов // Психолого-педагогические проблемы безопасности человека и общества. 2016. № 2 (31). С. 48-52.

References

1. Medvedeva L.V., Rodina M.V. Formirovanie professional'nyh kompetencij v obrazovatel'noj srede estestvennonauchnyh disciplin // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2015. № 1. S. 178-185.

2. Baskin Yu.G., Pechenevskaya M.A. Organizaciya provedeniya laboratornogo praktikuma v pozharno-tekhnicheskih vuzah na osnove kognitivno-deyatel'nostnogo podhoda // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2013. № 1 (25). S. 149-158.

3. Zajkina M.I., Galishev M.A. Metodika provedeniya laboratornyh zanyatij pri podgotovke sudebnyh ehkspertov // Psihologo-pedagogicheskie problemy bezopasnosti cheloveka i obshchestva. 2016. № 2 (31). S. 48-52.