Введение к работе
Актуальность исследования. Конкурентоспособность специалиста на рынке труда определяется его фундаментальной профессиональной подготовкой в единстве с такими социально-личностными качествами, которые позволяют ему быстро овладевать новой специализацией, новыми компетенциями, а иногда и новой профессией.
Наиболее востребованными вновь становятся инженерные профессии. Современные приоритеты в науке, технике и наукоемких технологиях обусловливают необходимость в высококвалифицированных инженерных кадрах, в том числе, морских. Перед техническими вузами возникает задача интегрировать традиционные технологии обучения с новыми прогрессивными, обеспечивающими формирование специалистов требуемого уровня подготовки. Фактором повышения качества образования является модульное обучение, ставшее сегодня в связи с вхождением России в Болонский процесс актуальным и востребованным.
В педагогике модульное обучение определяется как организация образовательного процесса, при котором учебная информация разделяется на модули (относительно законченные и самостоятельные единицы, части информации). Совокупность нескольких модулей позволяет раскрывать содержание определенной учебной темы или даже всей учебной дисциплины. Модульное обучение предполагает такую организацию учебного процесса, при котором обучающиеся максимум времени работают самостоятельно, что обеспечивает самоорганизацию деятельности студента, а преподаватель осуществляет управление процессом его усвоения, т.е. мотивирует, организовывает, координирует, консультирует, контролирует. Принцип паритетности, выражающийся в субъект-субъектном взаимодействии преподавателя и студента, обеспечивает максимальную познавательную деятельность студента.
Теоретический анализ литературы, в том числе исследований А.Алексюк, Р.С. Бекиревой, К.Я. Вазиной, Г.В. Лаврентьева, Н.Б. Лаврентьевой, Э.В. Лузик, П.И. Третьякова, М.А. Чошанова, Т.И. Шамовой, П.А. Юцявичене и др. по проблеме модульного обучения показал, что учебный материал, структурированный в целевые модули в единстве с моделированием прикладных задач, усваивается студентами более осознанно и прочно. При этом расширяются возможности профессиональной направленности изучаемого содержания, учета специфических особенностей будущей профессиональной деятельности.
Специфика профессиональной деятельности (например, инженера морского транспорта) зачастую характеризуется экстремальными и нестандартными ситуациями, требующими от него готовности к моделированию этих ситуаций и умения принятия креативных, самостоятельных решений (например, для обеспечения безопасности экипажа, судна и окружающей среды).
Международная морская организация Манильскими поправками (2010 год) к Международной Конвенции о подготовке и дипломировании моряков и несения вахты 1978 года (в ред. 1995 года) включила в число необходимых требований к профессиональной компетентности морского инженера умение оценивать риск, моделируя ситуацию, и возможность предотвращения негативных последствий. Таким образом, морскому инженеру необходимо уметь строить целевую ситуативную модель прогнозирования рисков и возможностей их преодоления.
В исследованиях, посвященных моделированию, В.А. Веников рассматривает модель с позиции теории подобия, А.И. Уемов, Н.А. Солодухин определяют модель как систему, исследование которой служит средством для получения информации о другой системе. А.А. Братко под моделью подразумевает искусственно созданное явление (предмет, процесс, ситуация и т.п.), аналогичное другому явлению, исследование которого затруднено или невозможно. Н.М. Амосов под моделью понимал систему со своей структурой и функцией, отражающую структуру и функцию системы оригинала. В.А. Штофф определяет модель как мысленно представляемую систему, которая, отражая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его и изучение которой дает новую информацию об этом объекте.
Таким образом, в научном знании выделены две характеристики модели: как аналог объекта изучения, в котором отображаются реальные или предполагаемые свойства, и как система для получения информации.
Однако для нашего исследования важно не только определение самого понятия «модель», но и тех функций, которые сама модель выполняет в процессе познания моделируемого действительного процесса. Следуя за работами В.А.Штоффа и И.Б. Новика, в своих исследованиях Б.Д. Баяндин выделяет следующие гносеологические функции моделей в процессе познания: аппроксимационная (отражение действительности с некоторым упрощением); заместительно-эвристическая; экстраполяционно-прогностическая; трансляционная; иллюстративная. А.И. Черкасов в исследовании моделирования как средства управления обучением, основываясь на характеристиках функций модели, данных Б.А. Глинским, Б.С. Грязновым, Б.С. Дыниным и Е.П. Никитиным, к числу гносеологических относит: измерительную, описательную функции, которые используются на эмпирическом уровне исследования, а также демонстрационную. В мыслительном эксперименте выделяет: интерпретаторскую, объединительную, предсказательную, критериальную. Д. Брунер, П.Я. Гальперин, В.В. Давыдов, Н.Г. Салмина, Г.П. Щедровицкий и другие указывают следующие функции модели как средства мыслительной деятельности: абстрагирующую, иллюстративную, трансляционную, объяснительную и предсказательную.
Однако в современных исследованиях не рассматриваются вопросы функций моделей для развития методов познания в инженерном мышлении как аспекта методологической культуры инженера.
С другой стороны, моделирование как метод научного познания служит средством получения нового знания. Это средство исследователи методов обучения относят к творческому методу усвоения знаний как высокому уровню способов мыслительной деятельности, выделяя первый уровень – осознанное восприятие, и второй – применение знаний по образцу (И.Д. Зверев, М.И. Махмутов, М.Н. Скаткин, Ю.К. Бабанский и др.). Однако творческий метод усвоения знаний недостаточно реализуется в практике преподавания, что подтверждается существующей теоретической концепцией методов обучения (Б.М.Бид-Бад).
Моделирование как метод научного познания окружающего мира, направленный на изучение различных явлений и процессов, рассматривали ученые философы В.А. Веников, Ю.А. Гастев, К.Е. Морозов, В.А. Штофф и другие. В дискуссиях, посвященных гносеологической pоли и методологическому значению моделирования, термин «моделирование» употреблялся как синоним познания, теории, гипотезы и т.п. Психологические аспекты моделирования изучены в научных исследованиях Н.М. Амосова, Л.С. Выготского, П.Я. Гальперина, М.В. Гамезо, А.Н. Леонтьева, Я.А. Понаморева, Н.Г.Салминой, Н.Ф. Талызиной, Л.М. Фридмана, В.А. Штоффа и др. Исследователи отмечают, что моделирование можно рассматривать как средство познания и получения нового знания, что оказывает положительное влияние на интеллектуальное развитие обучающихся.
Моделирование в процессе усвоения знаний студентами способствует формированию их интеллектуального потенциала, развитию творческого мышления (С.И.Архангельский, Б.А. Глинский, В.В. Давыдов, А.А. Самарский, А.И.Половинкин, Л.М. Фридман). В этой связи изучены виды моделирования: концептуальное (моделирование сущностей предметной области, их концептуальных структур, характерных соотношений между ними и их поведения в предметной области), физическое, математическое, геометрическое (В.Н. Костицин), имитационное, динамическое (А.В. Прасолов), компьютерное (С.В. Поршнев), наглядно-эмпирическое моделирование, объединяющие наглядное моделирование с эмпирическим уровнем познания (И.Г. Мегрикян), функциональное моделирование (В.И. Дубейковский, Ю.В. Коровина, Ю.Г. Марков, Н.Н.Моисеев, И.Б. Родионов, С.В. Черемных и др.).
Однако функционально-математическое моделирование, как способ познания действительности (процесса, объекта, системы, явления и т.д.) путем построения модели и исследования ее функций (например, методологической, гносеологической, объясняющей, интегративной, трансформирующей) в развитии опережающего перспективного инженерного мышления в педагогической науке и практике не рассматривался.
Также не ставился вопрос о формировании и развитии готовности к функционально-математическому моделированию при обучении инженеров математическим дисциплинам.
Готовность как целостное свойство личности к различным видам деятельности широко изучена. Так, результаты исследований Калининградской научной школы (Г.А. Бокарева) по научному направлению изучения готовности морских инженеров к профессиональной деятельности убеждают, что готовность морских инженеров к будущей профессиональной деятельности структурируется компонентами: содержательно-процессуальным, нравственным, мотивационно-целевым, ориентированно-профессиональным. Исследованы: готовность к инженерно-проектной деятельности (Н.Ю. Бугакова); информационно-компьютерная готовность (А.П. Семенова, И.Б. Кошелева); готовность к использованию интерактивного ресурса (Н.Ф. Чикунова, С.С. Сорокин); готовность к самообразованию и практическому применению математических знаний (С.Н.Мухина); математическая готовность инженеров морского транспорта (Т.А.Медведева); социально-профессиональная готовность (К.В. Греля); готовность морских специалистов к деятельности в критических ситуациях профессионального риска (В.П. Ефентьев, Н.А. Репин) и др. В исследовании готовности к выбору профессии будущих морских инженеров в комплексе «лицей - вуз», а также готовности к профессиональной деятельности М.Ю. Бокарев выявил инвариантные основы интеграции содержания естественно-научных и профориентированных знаний, их влияние на развитие и становление интеллектуального потенциала инженера, в частности, умения моделирования изучаемых процессов.
Многие вопросы еще не получили развития в научных исследованиях. Например, каково влияние функций моделей на развитие инженерного мышления, каковы необходимые педагогические условия обучения математическим дисциплинам, развивающим модельное техническое мышление инженера, каковы целевые педагогические условия построения дидактических модулей междисциплинарного содержания математики, как они проектируются в последовательность процессов педагогической деятельности (постановка цели, подбор содержания, адекватных технологий и т. д.) при обучении инженеров математике? Эти обстоятельства значительно затрудняют практико-педагогическое проектирование целей обучения инженеров математическим знаниям в единстве с формированием их профессиональной методологической культуры, включающей математическое моделирование профессиональных задач и процессов.
В этой связи установлено противоречие: между современными потребностями общества в специалистах, обладающих глубокими фундаментальными знаниями в единстве с умением математического моделирования профессиональных процессов, с одной стороны, а с другой – недостаточной разработанностью в научном знании педагогических условий обучения математике в единстве с формированием методологической культуры инженера в целом, его готовности к функционально-математическому моделированию как способу познания действительности.
Проблема исследования: при каких педагогических условиях процесса обучения студентов математике в техническом вузе возможно формирование их готовности к функционально-математическому моделированию изучаемых действительных процессов как аспекта их методологической культуры в целом?
Отсюда сформулирована тема исследования: «Формирование готовности к функционально-математическому моделированию при обучении математике студентов технического вуза».
Объект исследования: профориентированный процесс обучения в техническом вузе.
Предмет исследования: профориентированный процесс обучения математике, формирующий готовность студентов технического вуза к функционально-математическому моделированию (на примере обучения морских инженеров).
Цель исследования состоит в выявлении, обосновании и опытно-экспериментальной проверке педагогических условий, обусловливающих возможность формирования готовности студентов к функционально-математи-ческому моделированию при обучении математике в техническом вузе.
Гипотеза исследования: профориентированный процесс обучения математике в техническом вузе будет более ориентирован на развитие профессиональной методологической культуры будущего морского инженера, чем в массовой практике, если:
- в систему образовательных целей включено формирование у студентов готовности к функционально-математическому моделированию при изучении реальных процессов действительности;
- готовность к функционально-математическому моделированию проектируется как целостное динамичное свойство личности будущего инженера, детерминированное функциями моделей как средством познания материального мира;
- содержание математических, естественно-научных, общетехнических и профессионально-технических дисциплин синтезируется в целевые, информационные и операционные межнаучные содержательно-предметные модули;
- главным системным методом обучения является технология «ситуативного включения» студентов в деятельность функционально-математического моделирования физических и технических процессов;
- важным дидактическим средством является системный профориентированный лекционно-практический курс «Линейная алгебра и аналитическая геометрия», содержание которого отражает функции моделей и структурируется в междисциплинарные содержательно-предметные модули.
Для проверки гипотезы поставлены исследовательские задачи:
-
Расширить терминологическое поле проблемы за счет:
- уточнения сущности и содержания понятия «готовность» путем введения понятия «готовность к функционально-математическому моделированию»;
- введения авторских понятий: «функции моделей в познании реальных процессов действительности», технология «ситуативного включения» в учебно-познавательную деятельность;
- авторского определения применяемых в исследовании терминов «системный профориентированный курс», «процессная педагогическая система», «дидактический принцип модульного структурирования междисциплинарных знаний с целевой функцией педагогического предвидения результата».
2. Выявить динамику целостного свойства личности будущего инженера в виде «готовности к функционально-математическому моделированию», детерминированную функциями моделей (методологической, гносеологической объясняющей, интегративной, трансформирующей, имитационной) как средством познания материального мира.
3. Структурировать содержание математических дисциплин на основе трансформации понятий естественно-научных, общетехнических, профориентированных знаний, синтезированных в целевые, информационные и операционные межнаучные содержательно-предметные модули.
4. Разработать технологию «ситуативного включения» студентов в деятельность функционально-математического моделирования физических и технических процессов как системный дидактический метод.
5. Экспериментально апробировать в учебном процессе системный профориентированный курс «Линейная алгебра и аналитическая геометрия», разработанный на основе дидактического принципа модульного структурирования содержания междисциплинарных знаний и с целевой функцией педагогического предвидения результата (развития готовности к функционально-математическому моделированию).
6. Описать единство педагогических условий профориентированного процесса обучения математике в виде его «процессной педагогической системы».
Методологической базой исследования являются: концепция системно-целостного подхода к формированию личности в учебно-воспитательном процессе (Ю.К. Бабанский, Г.А. Бокарева, В.С. Ильин, А.М. Саранов, Н.К. Сергеев и др.); личностно-ориентированный подход к профессиональному развитию личности (Е.В. Бондаревская, В.В. Сериков, Е.А. Крюкова и др.); дифференциально-интегральный подход к анализу педагогических процессов и явлений (М.Ю. Бокарев, Г.А. Бокарева и др.); деятельностный подход к развитию личности (Ю.К. Бабанский, Л.С. Выготский, В.В. Давыдов, М.А. Данилов, В.С. Ильин, А.Н.Леонтьев, С.Л.Рубинштейн); компетентностный подход в образовании (В.И.Байденко, Т.Г. Браже, Б.С. Гершунский, Н.И. Запрудский, И.А.Зимняя, А.К.Маркова, А.Н. Новиков, Е.А. Садовская, А.Д. Щекатунова); концепция развития готовности к профессиональной деятельности студентов морского технического вуза (Г.А. Бокарева, М.Ю. Бокарев, Н.Ю. Бугакова, К.В.Греля, В.П. Ефентьев, И.Б. Кошелева, Т.А.Медведева, С.Н. Мухина, Н.А.Репин, А.П. Семенова, С.С.Сорокин, Н.Ф. Чикунова и др.); научное знание о моделировании (Н.М. Амосов, В.А.Веников, Ю.А.Гастев, Б.А. Глинский, Б.С.Грязнов, Б.С. Дынин, К.Е. Морозов, И.Б. Новик, Е.П. Никитин, А.И. Уемов, В.А. Штофф и др.); теории: математического моделирования (Н.П. Бусленко, Б. А. Глинский, Б.В. Гнеденко, Л.Д. Кудрявцев, И.Б. Новик, Г.И. Рузавин, К.А.Рыбников, В.А. Штофф); функционального моделирования (В.И. Дубейковский, Ю.В. Коровина, Ю.Г. Марков, Н.Н.Моисеев, И.Б. Родионов, С.В. Черемных, Б.Г. Юдин и др.); прикладной направленности обучения математике (М.Ю. Бокарев, Г.А. Бокарева, В.А. Далингер, А.Д. Мышкис, А.А. Пинский, Т.К. Смыковская, М.М. Шамсутдинов и др.); методология и дидактика инженерного образования (В.М. Жураковский, Г.И. Ибрагимов, А.А. Кирсанов, А. Мелецинек, В.М. Приходько, З.С. Сазонова, И.В. Федоров и др.).
Методы исследования. Для решения поставленных задач и проверки исходных положений был использован комплекс общенаучных методов. Теоретические методы: анализ психолого-педагогической и философской литературы по теме исследования; сравнительно-сопоставительный анализ; педагогическое проектирование и моделирование. Эмпирические методы: анкетирование, тестирование, наблюдение, анализ результатов учебной деятельности студентов, количественный и качественный анализ результатов экспериментальной работы, педагогический эксперимент и статистические методы обработки результатов.
Организация исследования. Исследование проводилось в коллективе исследователей Калининградской научной школы по проблемам высшего инженерного профессионального образования, а также в рамках научно-исследовательской работы Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота (Рег. № 0191.0000280, научный руководитель Г.А. Бокарева) в течение 5 лет и состояло из трех этапов.
Первый этап (2006 – 2007 гг.) – организационно-аналитический, где изучалась философская, психологическая и педагогическая литература по проблеме профессиональной подготовки и формированию компетентности специалистов, в частности, специалистов с инженерно-техническим образованием морских направлений; определялся замысел и методология исследования (объект, предмет, рабочая гипотеза и научный аппарат исследования, разрабатывалась программа и подготовка базы опытно-экспериментальной работы, выявлялось исходное состояние профессиональной компетентности инженеров морского транспорта).
Второй этап (2007 – 2009 гг.) – содержательно-методологический, где проводился анализ и определялось содержание основных методик; разрабатывалось дидактическое обеспечение профориентированного процесса обучения, включая подготовку учебно-методического комплекса для студентов морских инженерных специальностей.
Третий этап (2009 – 2011гг.) – практико-экспериментальный, на котором обрабатывались, обобщались и апробировались результаты исследования; выявлялись положительные результаты формирования готовности к функционально-математическому моделированию как профессиональной компетентности инженеров при обучении математике; формулировались выводы; оформлялся текст диссертации.
Научная новизна результатов исследования. Разработана авторская модель педагогической системы как совокупность процессов исследовательско-педагогической деятельности с целевой функцией предвидения конечного результата в виде перспективной цели-готовности студентов к функционально-математическому моделированию. При этом, впервые цель детерминирована не алгоритмами построения моделей изучаемого явления, а функциями этих моделей в развитии методов познания действительности как аспекта методологической культуры инженера, обучаемого математике. Разработанная модель готовности к функционально- математическому моделированию как цель обучения, детерминированная функциями моделей с учетом дифференциации личностных свойств в ее составе, отличает эту модель от покомпонентного структурирования целостных образований личности (Е.А. Леванова, Н.К. Сергеев, В.В. Сериков, В.А. Сластенин и др.) и обусловливает возможность описания адекватных дифференцированных уровней «готовности» и этапов их развития.
Выведены и синтезированы педагогические условия функционирования разработанной «процессной педагогической системы». Они детерминированы:
- введением понятия «готовность к функционально-математическому моделированию» на основе расширения сущности понятия «готовность» путем структурирования его состава как аспекта профессиональной методологической культуры будущего инженера;
- структурированием содержания изучаемых разделов математики в системные междисциплинарные модули на основе их прикладной значимости, что способствует формированию готовности к функционально целевому моделированию изучаемых технических процессов более успешно, чем в реальной практике обучения с использованием линейного построения содержания (И.И. Баврин, Д.Т. Письменный, В.С. Шипачев и др.);
- применением дидактической технологии «ситуативного включения» студентов в учебную деятельность на основе системно-модульного структурирования содержания как системного метода развития готовности к функционально-математическому моделированию, что расширяет известные педагогические технологии обучения математике (Л.Я. Зорина, В.Н. Костицын и др.);
- введением системного дидактического средства как фактора эффективного достижения цели, включающего модули теоретического и практического содержания.
Теоретическая значимость исследования заключается в разработке модели педагогической системы профориентированного обучения математике, которое в единстве с усвоением знаний развивает готовность к функционально-математическому моделированию как аспекта профессиональной методологической культуры инженера, повышающую его конкурентоспособность в области профессиональной деятельности.
Практическая значимость результатов исследования состоит в том, что:
- система методических пособий («Алгебра и геометрия: теория и приложения», «Линейная алгебра и аналитическая геометрия в содержательных модулях»), экспериментально апробированная при обучении инженеров математике, может использоваться в практике обучения и других дисциплин для развития их профессиональной методологической культуры на основе отражения в содержательно-предметных модулях этих пособий функций моделей технических процессов;
- системный дидактический метод «ситуативного включения» студентов в деятельность функционально-математического моделирования физических и технических процессов может быть использован при обучении бакалавров и специалистов в системе непрерывной подготовки инженеров разных профилей.
Диссертация соответствует паспорту научной специальности 13.00.08 – теория и методика профессионального образования, так как область исследования включает разработку и внедрение новых индивидуально-интеллектуальных технологий при обучении будущих инженеров математике, обусловливающих возможность формирования готовности к функционально-математическому моделированию исследуемых действительных процессов.
Достоверность и обоснованность полученных результатов заключаются в возможности перенесения технологии в новые педагогические условия; в репрезентативности объема выборки; в использовании методов математической статистики экспериментальных данных и обусловленности применения комплексной методики теоретического и экспериментального исследования, воспроизводимости полученных результатов и результативности экспериментальных данных, а также их количественном и качественном анализе.
Опытно-экспериментальная база исследования: Калининградский морской лицей (КМЛ), Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота (БГАРФ). В экспериментальном обучении участвовали лицеисты профориентированных классов КМЛ, студенты первого курса судоводительского факультета. В эксперименте принимали участие 150 обучающихся (лицеистов, студентов), более 25 преподавателей Лицея и Академии. В констатирующем эксперименте участвовали 25 студентов и трое преподавателей.
Положения, выносимые на защиту:
1. Готовность к функционально-математическому моделированию как аспект профессиональной методологической культуры инженера есть целостное свойство личности, структурированное взаимосвязью мотивационного, содержательно-процессуального, деятельностного и профориентационного компонентов, детерминированных функциями моделей в познании действительности.
2. Дидактический принцип модульного структурирования содержания междисциплинарных профориентированных знаний с целевой функцией педагогического предвидения результата способствует формированию готовности студентов к функционально-математическому моделированию.
3. Технология «ситуативного включения» (как системный дидактический метод) студентов в деятельность усвоения и применения знаний путем моделирования изучаемых процессов действительности является целевым условием эффективности формирования готовности к функционально-математическому моделированию.
4. Взаимосвязь педагогической цели образовательного процесса (в виде исследуемой «готовности»), дидактического принципа модульного структурирования предметного содержания, технологии «ситуативного включения» обучаемых в учебно-познавательную деятельность составляют педагогические условия, единство которых способствует формированию готовности будущих инженеров к функционально-математическому моделированию как аспекту их профессиональной методологической культуры.
Апробация и внедрение результатов исследования. Основные идеи и результаты исследования обсуждались на международной научно-практической конференции «Модернизация образования, экономики и управления как фактор эволюционирования современного общества» (Москва – Калининград – Смоленск, ноябрь 2010), на IX Международной конференции «Морская индустрия, транспорт и логистика в странах региона Балтийского моря: новые вызовы и ответы» (май 2011), на межвузовских научно-практических конференциях «Научно-технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и подготовки кадров» (Калининград, 2008, 2010). Работа апробировалась на научно-методических семинарах, заседаниях кафедры теории и методики профессионального образования Института профессиональной педагогики Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота (БГАРФ), кафедры высшей математики БГАРФ. Внедрение результатов исследования осуществлялось в ходе авторской преподавательской деятельности. Материалы исследования внедрены в учебный процесс профессиональной подготовки студентов. Апробирован интегрированный комплекс пособий по предметно-содержательному модулю «Линейная алгебра и аналитическая геометрия», где системное построение теории алгебраических структур адекватно логике функционально-математического моделирования, развивающего эту теорию путем обобщения выделенного базового алгоритма. По результатам исследования опубликованы научные статьи и учебные пропедевтические пособия «Теория поля в механических процессах и задачах» (Калининград, 2009), «Линейная алгебра и аналитическая геометрия в содержательных модулях» (Калининград, 2011).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, пяти параграфов, выводов по главам, заключения, списка использованной литературы, приложения, 13 таблиц, 3 рисунков. Объем 159 страниц.
