Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Теория и практика конструирования учебного процесса 14
1.1 Анализ терминологии и содержания основных понятий 14
1.2 Блочно-модульные технологии и их применение в учебном процессе 27
1.3 Математические модели учебного процесса и методы оценивания... 33
1.4 Изменения в ГОСах по математическим дисциплинам 40
Выводы 47
Глава 2 Технология конструирования учебного процесса 49
2.1 Единая модель образовательного процесса 49
2.2 Перечень и содержание технологических этапов построения учебного процесса 64
2.3 О выполнении критериев эффективности педагогических технологий 71
Выводы 77
Глава 3 Практические результаты и особенности применения технологии конструирования учебного процесса 78
3.1 Реализация предложенной технологии при создании программ обучения математическим дисциплинам студентов специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления». 80
3.2 Конструирование учебного процесса по предмету «Методы оптимизации» как пример инновационной технологии, направленной на повышение качества образования 84
3.3 Дидактические проблемы реализации технологии и способы их разрешения 91
3.4 Анализ некоторых учебных процессов по математике с позиций разработанной технологии 110
3.5 Организация и проведение педагогического эксперимента по проверке эффективности технологии 116
Выводы 126
Заключение 127
Библиография 129
ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Инструкционная карта применения технологии 145
- Анализ терминологии и содержания основных понятий
- Единая модель образовательного процесса
- Реализация предложенной технологии при создании программ обучения математическим дисциплинам студентов специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления».
Введение к работе
Отбор необходимых для инженера знаний по математическим дисциплинам и обучение математике - две диалектически единые и часто противоположные дидактические проблемы - всегда вызывали жаркие и, зачастую, нелицеприятные споры, нередко приобретавшие антагонистический, а чаще -кастовый характер (физики-математики, математики-механики, математики-программисты, математики-специалисты по информатике и т.п.), не говоря уж о специалистах «далёких» от математики отраслей. Различие в подходах демонстрировали представители самой математизированной профессии. Например учебник [62] Я.Б. Зельдовича именно за инженерную направленность и методологию подвергся жесткой критике А.Н. Колмогоровым [71].
Полярность в вопросах отбора содержания и выбора технологий обучения существовала всегда. И в настоящее время существенных реформ в образовательной системе страны раздаются голоса математиков [3], опасающихся, что после проведения образовательных реформ в России, как в настоящее время в штате Калифорния, придётся при поступлении в университеты и академии требовать «следующего стандарта знаний по математике: школьники должны уметь делить 111 на 3 без компьютера». Проблема снижения уровня подготовки школьников по математике приводит к тому, что приблизительно 10% абитуриентов уже достигли в своих математических знаниях и умениях следующего уровня американских студентов. Согласно данным В.И. Арнольда: «По статистике американского математического общества в сегодняшних Штатах... большинство американских университетских студентов складывают числители с числителями и знаменатели со знаменателями складываемых дробей: 1/2 + 1/3 есть, по их мнению, 2/5. Обучить после такого «образования» думать, доказывать, правильно рассуждать никого уже невозможно, население превращается в толпу, легко поддающуюся
манипулированию со стороны ловких политиков без всякого понимания причин и следствий их действий» [3].
Эта цитата не является гиперболой. Она во многом отражает важность проблем отбора содержания предмета и выбираемых технологий обучения. Например, на нескольких заседаниях Учёного совета МГУТУ заведующие и ведущие преподаватели кафедр «аналитической химии», «химии», «теоретической механики», «машины и аппараты пищевых производств» обращались с требованиями к кафедре «физики и высшей математике» отвести хотя бы одно занятие на повторение или изучение логарифмов, на объяснение основ пользования «логарифмической миллиметровкой». Несколько иной подход к этой теме в проекте школьного образовательного стандарта. Из речи академика РАН В.И. Арнольда на парламентских слушаниях в Государственной думе: «При обсуждении проекта реформы с его создателями я обнаружил, что они хотят изгнать из школьной математики прежде всего логарифмы, считается, что «ни приведение к виду, удобному для логарифмирования, ни таблицы Брадиса в век компьютеров больше не нужны». Я пытался объяснить необходимость экспонент и логарифмов в физике (где ими определяется и барометрическая формула падения давления воздуха с высотой, и законы квантовой и статистической механики), и в экологии (закон Мальтуса), и в экономике («сложные проценты» и «инфляция валюты», включая, например, подсчёт сегодняшней стоимости царских долгов). Но выяснилось, что мои собеседники, экономисты, которым было поручено реформировать программы по математике, никакого представления об упомянутых мною законах экономики и фактах финансовой политики не имеют» [3].
Отмеченная полярность мнений и подходов существовала, вызывалась и вызывается, видимо, в подавляющем большинстве своём объективнейшими причинами - научно-техническим прогрессом, его эволюционными и революционными проявлениями и связанными с ними долго -, средне - и краткосрочными, а также сиюминутными практическими потребностями.
Следовательно, как и во всей 4000 летней истории развития математики, вопросы содержания курса математики и организации процесса обучения и в настоящий момент не могут оставаться нерешёнными.
Изменения, происходящие в образовании, относятся как к педагогике в целом, так и к конкретным педагогическим технологиям. Эти изменения носят противоречивый и разнонаправленный характер. С одной стороны, потребности общества в качественном и доступном высшем образовании, рост числа вузов и количества студентов, развитие разнообразных форм дистанционного обучения, увеличение объемов и сложности учебной информации обусловили новые высокие требования к качеству подготовки специалистов, адекватной современному уровню развития науки, техники и технологии.
С другой стороны, многие ученые и педагоги (В.И. Арнольд, СИ. Архангельский, Б.С. Гершунский, A.M. Новиков, А.В. Коржуев, Л.Д. Кудрявцев, В.А. Попков, Н.С. Пурышева, Н.Ф. Талызина и др.) отмечают ряд негативных тенденций в системе профессионального образования: сокращение количества часов, отводимых на изучение материала математических и естественно-научных дисциплин, недостаточность и неоднородность подготовки абитуриентов, кадровые проблемы и т.п.
Эти процессы обусловили повышение требований к научной организации учебного процесса, его моделированию и технологичности. Это положение отражено в большом количестве исследований, посвященных разрешению проблем оптимальности и эффективности процессов преподавания и обучения (Б.С. Гершунский, Н.А. Ждан, А.Н. Лейбович, Е.И. Машбиц, В.М. Монахов, М.П. Сибирская, А.Г. Соколов и др.), появившихся в последние годы.
Одним из направлений теоретических и практических исследований является создание таких моделей учебного процесса, которые позволяют оптимальным образом конструировать процессы обучения различным дисциплинам для одной или нескольких специальностей технических вузов, сделать качественные и количественные оценки его эффективности, а также обеспе-
чить регулярный контроль со стороны организующих и контролирующих органов-кафедр, учебно-методического центра, деканатов, быструю обратную связь и необходимую коррекцию.
Тем не менее, большинство имеющихся моделей и технологий конструирования учебного процесса относятся к общетехническим и профилирующим дисциплинам и не носят универсального характера. В то же время повышение требований к математической подготовке специалистов, Государственные общеобразовательные стандарты (ГОС), предусматривающие обучение новым разделам современной математики, ранее не изучавшимся в технических вузах, дифференциация математических дисциплин по группам специальностей делает особенно актуальной разработку научного обоснованных и практически реализуемых моделей и технологий конструирования процессов обучения математическим дисциплинам в техническом вузе.
Таким образом, проблему данного диссертационного исследования определяют противоречия между:
сокращением количества часов, отводимых в учебных планах на изучение математических и естественно-научных дисциплин и возрастанием требований к качеству фундаментальной подготовки специалистов;
введением новых образовательных стандартов, требующих обучения студентов ранее не изучавшимся математическим дисциплинам и нехваткой соответствующей учебной и методической литературы, а также кадровым обеспечением этого обучения;
широким распространением различных форм обучения и повышения квалификации (в том числе дистанционных) и неприспособленности к ним традиционных методов организации обучения.
Суть проблемы составляет разработка технологии конструирования учебного процесса в техническом вузе и экспериментальная проверка его эффективности на примере обучения математическим дисциплинам.
Объект исследования - процесс обучения математическим дисциплинам в технических вузах;
Предмет исследования - технология конструирования учебного процесса в технических вузах; Цели исследования:
Разработка базовой модели учебного процесса и определение условий ее применимости для конструирования процессов обучения в техническом вузе.
Разработка технологии конструирования учебного процесса и проверка ее реализуемости на практике.
В ходе исследования была выдвинута гипотеза: процесс обучения математическим дисциплинам в технических вузах может быть сконструирован оптимальным образом, если технология конструирования основывается на базовой модели учебного процесса, описывающей его как целенаправленный, последовательный, упорядоченный процесс накопления знаний, умений, навыков (ЗУН), удовлетворяет системе дидактических принципов и реализуется преподавателями математических, выпускающих и общетехнических кафедр совместно и по единым правилам.
Для достижения цели исследования и проверки выдвинутой гипотезы потребовалось решить следующие задачи:
Проанализировать теоретические основы разработки технологии конструирования учебного процесса и выявить условия ее эффективности.
Проанализировать возможность применения блочно-модульного метода к конструированию учебного процесса по различным дисциплинам и установить особенности его применения.
Изучить практический опыт применения технологий конструирования учебного процесса.
4. Проанализировать применение графовых моделей, используемых для ил
люстрации учебного процесса и матричных методов оценки его качества.
5. Проанализировать содержание математических дисциплин, определенное
ГОСом и сравнить его с действующими рабочими программами по матема
тике.
Разработать базовую модель учебного процесса, описывающую его как целенаправленный, последовательный, упорядоченный процесс накопления ЗУН.
Определить последовательность технологических операций построения учебного процесса, их содержание и условия реализации.
На основе разработанной технологии сконструировать учебный процесс по математическим дисциплинам и оценить его оптимальность.
Исследовать дидактические проблемы, порожденные противоречиями современного высшего образования и предложить методические пути их разрешения.
10.Экспериментально установить реализуемость на практике разработанной технологии и проверить ее эффективность.
Для решения поставленных задач и проверки выдвинутой гипотезы были использованы следующие методы:
- терминологический анализ основных понятий и методов по проблеме
исследования на основе изучения педагогической, специальной технической
и математической литературы;
анализ государственных образовательных стандартов по различным специальностям технических вузов;
сравнительный анализ результатов теоретических исследований по конструированию учебного процесса;
изучение опыта применения блочно-модульного подхода к структурированию учебных процессов;
экспериментальной апробации сконструированных учебных процессов;
математические методы (элементы теории графов, матричное исчисление, математическая статистика) в целях научного обоснования модели учебного процесса, разработки качественных и количественных оценок его оптимальности, обработки экспериментальных данных.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования.
Разработана и теоретически обоснована базовая модель учебного процесса, описывающая его как целенаправленный, последовательный, упорядоченный процесс накопления ЗУН. В ходе конструирования учебного процесса модель усложняется и трансформируется, при этом каждая ее часть единообразна и подобна целому. Модель позволяет наглядно отразить особенности обучения той или иной дисциплине, а также дать количественные и качественные оценки оптимальности сконструированного процесса обучения.
Предложена единая форма матриц, описывающих межпредметные, межтемные и внутритемные связи, позволяющая получить качественные оценки оптимальности процесса обучения.
Разработана технология конструирования учебного процесса и определены условия ее практической реализации.
Практическая значимость исследования состоит в том, что:
1. Разработанная на основе модели технология позволяет:
конструировать оптимальные по заданным параметрам учебные процессы по математическим дисциплинам;
отражать структуру и логику учебного процесса, что помогает студенту наглядно представить алгоритм процесса обучения предмету, а преподавателю выявить связи со специальными знаниями и умениями, устранить дублирование материала, добиться структурной и содержательной оптимизации изучения дисциплины;
корректировать процесс в случаях изменения его содержания;
количественно и качественно оценить оптимальность сконструированного процесса обучения.
2. Разработана инструкционная карта применения технологии.
3. Для разрешения дидактических проблем высшего образования даны ре
комендации:
- по созданию при вузах «школьного факультета» или «нулевого курса» структурно построенного в соответствии с программой первого курса и с
учетом предметных требований государственных образовательных стандартов по специальностям;
по введению и организации при технических вузах института «менторин-га»;
по выявлению направлений модификации традиционных форм занятий с учетом активизация познавательной деятельности обучаемых;
по созданию учебно-методического обеспечения, отвечающего современным требованиям.
4. Предложенная модель и разработанная на ее основе технология применимы для конструирования учебного процесса не только для математических, но и для других дисциплин.
Работа проводилась поэтапно, начиная с 1999 года.
Этапы исследования:
Выявлено состояние исследуемой проблемы, проводились наблюдения за учебным процессом, анализировалась работа преподавателей и студентов, изучалась литература по исследуемой теме, формировался понятийный аппарат, цель, задачи и гипотеза исследования. Анализировались теоретические основы разработки технологии конструирования учебного процесса и выявлялись условия ее эффективности. Проанализирована возможность применения блочно-модульного метода к конструированию учебного процесса по различным дисциплинам и выявлены особенности его применения. Изучен практический опыт применения технологий конструирования учебного процесса. Проанализировано применение графовых моделей, используемых для иллюстрации учебного процесса и матричные методы оценки его качества. Проанализировано содержание математических дисциплин, определенное ГОСами и проведен анализ действующих рабочих программ по математике. Были созданы и частично внедрены в процесс обучения рабочие программы по математическим дисциплинам (1999 - 2001г.г.).
Разработана базовая модель учебного процесса, описывающая его как целенаправленный, последовательный, упорядоченный процесс накопления
ЗУН. Определены последовательность технологических операций построения учебного процесса, их содержание и условия реализации. На основе разработанной технологии сконструирован учебный процесс по математическим дисциплинам и оценена его оптимальность (2001 - 2003 г.г.). 3. Проведена апробация разработанной на основе модели технологии конструирования в условиях педагогического эксперимента, осуществляется анализ и обобщение полученных результатов. Сформулированы выводы. Оценена эффективность проведенных работ (2003 - 2004 г.г.). На защиту выносятся
Основанная на блочно-модульном подходе базовая модель учебного процесса, описывающая его как целенаправленный, последовательный, упорядоченный процесс накопления ЗУН.
Технологические этапы конструирования учебного процесса и их дидактическое наполнение в технических вузах;
3. Способы качественного и количественного оценивания рабочих про
грамм по математическим дисциплинам технических вузов.
Обоснованность и достоверность результатов проведенного исследования обеспечивается анализом исследуемой проблемы, основанном на положениях и выводах известных ученых в данной области исследования; комплексной методикой исследования; соответствием использованных методов сформулированной гипотезе и задачам исследования; детальным анализом процессов обучения по различным математическим дисциплинам студентов различных специальностей и различных форм обучения; широкой апробацией и внедрением полученных результатов в учебный процесс.
Апробация и внедрение результатов исследования. Основные положения диссертационного исследования докладывались на «Колмогоровских чтениях - III», проводившихся в ЯГПУ им К.Д. Ушинского (2005г.); VII - XI Международных научно-методических конференциях, проводившихся в МГУТУ (2000-2005гг.); на внутри- и межвузовских научных конференциях
студентов и молодых учёных МГУТУ (2000-2002гг) и опубликованы в 28 печатных работах.
Созданные на основе разработанной технологии подходы к созданию образовательных программ внедрены в учебный процесс МГУТУ и его филиалах и представительствах при создании рабочих программ по математическим дисциплинам для различных специальностей и форм обучения и внедрении этих программ в учебный процесс совместно с учебно-методической и учебно-практической литературой и изменением содержания и форм организации учебного процесса по математическим дисциплинам кафедры «ФиВМ». Внедрение подтверждено соответствующими документами.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии, включающей 205 источников, 6 таблиц, 8 рисунков и 3 приложений. Общий объем — 162 стр., основной текст — 128 стр., библиография - 16 стр., приложения - 18 стр.
Анализ терминологии и содержания основных понятий
В диссертационном исследовании повсеместно используются различные педагогические понятия, например такие, как «профессиональное образование», «технология», «интеграция», «блочно-модульный метод» и другие. В педагогической литературе единое определение каждого из этих понятий отсутствует, что, вообще говоря, естественно, так как понятия эти довольно общие, всё время расширяющиеся и в зависимости от области применения различаются по смыслу, то есть по конкретному содержанию, и в настоящее время указывают лишь на общую направленность своего значения.
Поэтому необходимо уточнить конкретный смысл каждого из этих ключевых понятий, вкладываемый в них в настоящей работе.
Под профессиональным образованием сегодня понимают «процесс становления и развития личности человека», [140, с. 45]. Как отмечает A.M. Новиков, «одной из самых основных целей профессионального образования является создание условий для овладения профессиональной деятельностью, получения квалификации или, в необходимых случаях - переквалификации, для включения человека в общественно-полезный труд в соответствии с его интересами и способностями. Причем для каждого отдельного человека его профессиональное образование выступает в двух ипостасях:
- как средство самореализации, самовыражения и самоутверждения личности, поскольку в наибольшей мере человек раскрывает свои способности в труде и в первую очередь - в профессиональном труде.
- как средство устойчивости, социальной самозащиты и адаптации человека в условиях рыночной экономики, как его собственность, капитал, которым он распоряжается или будет распоряжаться как субъект на рынке труда», [140, с. 148]». Как отмечается в исследованиях по педагогике, психологии и дидактике высшей школы, к основным современным тенденциям развития профессионального образования относятся следующие:
- более глубокое осознание каждого образовательного уровня как органической части системы непрерывного образования, решение проблемы преемственности различных ее ступеней;
- компьютеризация и технологизация обучения;
- переход от информативных к адаптивным методам и формам обучения с включением в деятельность обучающихся элементов проблемности, научного поиска, разнообразных форм самостоятельной работы - переход от школы воспроизведения к школе понимания, школе мышления;
- переход к активизирующим, развивающим, игровым способам организации учебного процесса;
- переход к такой организации взаимодействия педагога и обучаемого, при которой акцент переносится с обучающей деятельности преподавателя на познавательную деятельность обучаемого.
Различные исследования в области профессионального образования в России, в том числе и высшего, проводились и проводятся постоянно. В последние пятнадцать-двадцать лет педагогика высшей школы развивается как самостоятельная отрасль. Тем не менее, несмотря на многочисленные исследования в этой области, на сегодняшний день перед педагогикой высшей школы стоит множество дидактических проблем, принципиально отличающихся от дидактики общего среднего образования.
Единая модель образовательного процесса
Анализ различных моделей, видов и форм графов, применяемых в педагогике для представления структуры учебного процесса, и матриц связи для его качественной характеристики. 1.3 первой главы диссертации показал, что графовые модели являются лишь инструментальными моделями, позволяющими анализировать и иллюстрировать логическую структуру материала. Проблема оптимизации проектирования процесса обучения в современных условиях при их помощи не решается.
Чтобы решить эту проблему необходимо разработать такую модель учебного процесса, которая позволяет отразить его различные стороны. При разработке модели учебного процесса мы непосредственно опирались на результаты исследований особенностей вузовского учебного процесса, приведенный в первой главе диссертации. При этом следует отметить, что любая модель не может охватить всех проблем, относящихся к моделируемому объекту. По этой причине и предлагаемая нами модель не может охватить все аспекты учебного процесса.
Сформулируем основные требования, предъявляемые нами к разрабатываемой модели учебного процесса и отвечающие общедидактическим принципам вузовского обучения:
- наглядность структурно-логического построения процесса обучения;
- возможность оптимизации структуры процесса обучения;
- возможность оценок оптимальности процесса обучения;
- технически простую корректировку процесса;
- возможность учёта межпредметных связей;
- простота контроля процесса обучения со стороны кафедры, деканатов, учебной части. Так как при конструировании учебного процесса мы применяем блоч-но-модульный подход, то и основными элементами модели будут являться модули любой математической дисциплины. Модулями могут являться логически завершенные и самостоятельные части изучаемого материала.
Выделим из определения процесса обучения, данное академиком A.M. Новиковым, - «педагогический процесс представляет собой совокупность последовательных и взаимосвязанных действий педагогов и учащихся, направленных на сознательное и прочное усвоение системы знаний, навыков и умений, формирование способности применять их на практике...» - ключевую часть фразы: «совокупность последовательных и взаимосвязанных действий педагогов и учащихся, направленных на » [140]. Как было показано
в первой главе диссертации, усвоением системы знаний, навыков и умений, формированием способности применять их на практике учебный процесс не ограничивается. Тем не менее, результатами исследований в этой области подчеркивается, что изучение любой науки является процессом последовательным и накопительным, причем различные части любой математической дисциплины являются взаимосвязанными и. упорядоченными.
Реализация предложенной технологии при создании программ обучения математическим дисциплинам студентов специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления».
На основе совместного анализа особенностей построения образовательного процесса по специальности 2202 было структурировано содержание и последовательность изучения различных разделов математики и смежных дисциплин кафедры информационных технологий.
Эта работа не является тривиальной, то есть не допускает прямого, одноразового использования блочно-модульного подхода. Построение блоков и модулей носит шаговый или итерационный характер. Их содержание уточняется и изменяется практически на каждом шаге процесса построения программ обучения.
Как понятия, так и основное содержание математики и смежных дисциплин выпускающей кафедры были расположены в последовательности, обеспечивающей постепенное и более глубокое изучение материала.
Например, курс «Методы математической обработки экспериментальных данных» был объединён единой идеей - применением методов различных разделов математики для приближенных, уточненных и, где возможно, точных вычислений. Такой подход при изучении курса не только развивает мышление студента, но и крайне необходим инженеру в практической деятельности. В ходе совместной работы двух кафедр по структурированию содержания этого курса были уточнены цели и результаты, достигаемые при изучении того или иного раздела. Так, в разделе «Приближенное решение алгебраических уравнений» особое внимание уделяется нахождению собственных частот колебаний конструкций, необходимых для решения задач резонанса, составления динамической схемы конструкций и т.п. Заканчивать этот раздел рекомендовано примером грубого нахождения первого корня (низшей частоты) с последующим уточнением его значения с помощью метода хорд или касательных.
Для обеспечения усвоения знаний переработано содержание каждого изучаемого раздела математики и смежных дисциплин. Этот материал во всё более глубоком и широком содержании преподаётся в разделах «Методы оптимизации», 3 семестр, «Теория вероятностей и случайные процессы», 4 семестр, «Методы обработки экспериментальных данных», 5 семестр, «Теория систем и системный анализ», 8 семестр. Материал связан со специальными предметами по направлению «Информатика и вычислительная техника» (специальность 2202): «Автоматизация технологических процессов», «Основы теории управления», «Исследование систем управления», «Надёжность систем управления», «Измерительно-информационные системы оценки качества пищевых продуктов», «Система искусственного интеллекта», «Информатика», «Информационные технологии» и другими.
Тем самым устанавливаются межпредметные связи, благодаря которым учебная программа разгружается от излишних повторений, а эффективность усвоения знаний значительно повышается, достижение чего является не только актуальной, но и исключительно трудной задачей. При таком подходе следует увязывать принципиальные вопросы, используя понятия и идеи как из разделов математики, так и из курсов по специальности (что и сделано, для этого чуть позже о «центральных» блоках). Так, количественную дефиницию неопределённости, требующуюся при решении математически поставленной задачи, рекомендуется проводить методами информатики или кибернетики. Таким образом, структурирование обучения математике с учётом интеграционных связей с другими дисциплинами, предполагает использование комплексного, блочно-модульного, подхода.
Структурирование содержания осуществлялось в три этапа (несколько итераций в каждом) следующим образом:
1. разработка моделей каждого курса в отдельности;
2. разработка содержания модулей;
3. введение на основе анализа содержания математических и смежных дисциплин центральных блоков или модулей, используемых в смежных специальностях.
Программа строилась вокруг центральных блоков, объединяющих понятия практически всех дисциплин по специальности (например «Ряды» входят не только в программу курса «Математического анализа», но и во многие специальные предметы кафедры «Информационные технологии»).
Практика показала, что выделение и использование центральных блоков делает применение блочно-модульных технологий более эффективным в рамках предметной системы образования.
Кроме решения принципиальных вопросов, перечисленных выше, такой подход позволяет преодолеть тенденцию ощутимого сокращения часов аудиторных занятий, пределы которой, на ближайшие годы, видимо практически точно определены A.M. Новиковым и изложены в предыдущей главе.
