Введение к работе
Актуальность исследования. Наиболее характерной проблемой современного этапа модернизации российского высшего технического образования является подготовка инженеров, готовых адаптироваться к условиям быстро меняющегося информационного общества, способных самостоятельно ставить и решать профессиональные задачи.
Одним из путей решения этой проблемы является повышение эффективности организации самостоятельной работы студентов при обучении физике. Физические знания, полученные студентами и необходимые им в профессиональной деятельности инженера, являются базой для изучения общетехнических и специальных дисциплин, освоения новой техники и технологий. В процессе обучения физике у студентов развивается научное мышление и научное мировоззрение. Один из методов обучения и научного познания в преподавании физики – физический эксперимент, который является источником знаний, критерием достоверности физических закономерностей, позволяет развивать мышление, наблюдательность, творческое воображение у студентов, формирует практические умения, позволяет овладевать навыками применения тех или иных физических закономерностей.
Непрерывное развитие технической базы физического эксперимента и пополнение ее современными техническими средствами требует новых подходов к постановке и демонстрации опытов. Развитию методики и техники натурного демонстрационного эксперимента посвящены работы В.В. Майера, Н.Я. Молоткова, Ю.П. Михайличенко, Б.Ш. Перкальскиса, В.Я. Синенко, Н.М. Шахмаева и др. Авторами усовершенствованы и разработаны различные физические демонстрации и демонстрационные установки, созданы соответствующие методики их постановки. Теории и методике использования физического эксперимента в процессе обучения посвящены исследования Л.И. Анциферова, В.Г. Разумовского, А.В. Усовой, Т.Н. Шамало и др. В работах отмечается, что в процессе использования эксперимента формируются практические навыки, создаются представления о связи теории с жизнью, формируются политехнические знания и умения, необходимые для подготовки специалиста технического вуза и др.
С развитием информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) и их широким применением в образовательном процессе появилась возможность реализовать демонстрационные эксперименты на качественно новом уровне, а также разрабатывать и применять натурно-виртуальные демонстрации в их различном сочетании. В работах А.В. Смирнова, А.В. Селиверстова, А.А. Якуты, Н.А. Оспенникова и др. обосновано применение натурных, модельных и композитных экспериментов, разработана методика их использования. Отмечается, что такие эксперименты позволяют визуализировать физические явления и процессы, обрабатывать и сравнивать результаты экспериментов во время лекционных занятий, но остаются неисследованными вопросы повышения эффективности обучения физике будущих инженеров путем комплексного применения демонстрационного эксперимента (натурного, виртуального, вычислительного) в организации учебно-исследовательской деятельности и самостоятельной работе студентов.
Комплексное применение демонстрационного физического эксперимента с использованием разнообразных электронных образовательных сред исследованы в работах Б.Л. Аграновича, Ю.С. Барановского, Н.В. Беляевой, Б.Е. Стариченко и др. Отмечается, что образовательные среды формируют условия для развития самостоятельности студентов, повышают их интерес к процессу обучения, закрепляют навыки работы с компьютерной техникой. Использование различных физических экспериментов с применением цифровых технологий вносит определенный вклад в инженерную подготовку студентов технического университета.
Для усиления инженерной подготовки при организации экспериментальной деятельности студентов в исследовании В.В. Ларионова обосновывается введение в процесс обучения физике студентов технического университета композиционного физического практикума с использованием технологии проектного обучения. Использование композиционного эксперимента обеспечивает всестороннее рассмотрение физического явления с применением визуализированной вычислительной модели, которая допускает возможность управления экспериментом субъектами образовательного процесса. Развиваются познавательные навыки студентов, умения самостоятельно конструировать свои знания, ориентироваться в информационном пространстве, представлять и внедрять полученные результаты. Но остается неисследованным использование композиционных физических экспериментов при организации других форм образовательного процесса.
Анализ методической литературы, результатов научных исследований, посвященных использованию демонстраций по физике в условиях информатизации образования, показал, что проблема разработки и применения композиционного демонстрационного физического эксперимента для различных форм организации учебного процесса при обучении физике студентов технического университета не являлась предметом исследования.
Обобщение результатов анализа методологической, научно-методической, психолого-педагогической литературы и практики преподавания физики в техническом вузе позволило выявить следующие противоречия и несоответствия:
на социально-педагогическом уровне – между возрастающими требованиями к подготовке инженеров и недостаточно быстрым развитием средств, которые могут быть использованы для совершенствования этой подготовки;
на научно-педагогическом уровне – между широкими возможностями информационно-коммуникационных технологий в образовательном процессе и недостаточной разработкой теоретических основ использования этих технологий при подготовке будущих инженеров в процессе обучения физике в техническом университете;
на научно-методическом уровне – между дидактическими возможностями демонстрационных физических экспериментов и недостаточным развитием методических и технологических подходов к их использованию в интерактивном режиме.
Необходимость разрешения указанных противоречий определяет актуальность исследования и его проблему: как повысить эффективность обучения физике студентов технического вуза на основе использования демонстрационного физического эксперимента (ДФЭ) с применением цифровых технологий.
Важность и актуальность рассматриваемой проблемы послужили основанием для выбора темы исследования – «Демонстрационный физический эксперимент с применением цифровых технологий как средство повышения эффективности обучения физике студентов технического университета».
Объект исследования: процесс обучения физике в техническом вузе.
Предмет исследования: использование демонстрационного эксперимента с применением цифровых технологий в процессе обучения физике.
Цель исследования: научное обоснование и разработка методики использования демонстрационного физического эксперимента с применением цифровых технологий при обучении студентов технического университета.
Гипотеза исследования: использование демонстрационного физического эксперимента в процессе обучения физике в техническом университете повысит готовность будущих инженеров к изучению профильных дисциплин, если:
- на основе композиционного ДФЭ создать интерактивную образовательную среду, которая предоставляет возможность управления экспериментом всеми субъектами образовательного процесса;
- организовать проектно-внедренческую самостоятельную работу будущих инженеров с применением этой среды;
- организовать с воспитательными целями изучение достижений отечественной науки и техники в области приборного обеспечения ДФЭ и исследований в области физики.
В соответствии с поставленной целью и выдвинутой гипотезой определены следующие задачи исследования:
-
На основе анализа философской, психолого-педагогической и научно-методической литературы определить современное состояние проблемы использования ДФЭ с применением цифровых технологий и пути его совершенствования для повышения готовности будущих инженеров к изучению профильных дисциплин при обучении физике.
-
На основе комплексного использования демонстрационного физического эксперимента разработать и создать интерактивную образовательную среду для расширения возможностей ДФЭ в учебном процессе.
-
Разработать модель использования композиционного демонстрационного физического эксперимента с применением интерактивной образовательной среды в техническом университете.
-
Разработать методику использования композиционного демонстрационного физического эксперимента с применением интерактивной образовательной среды, реализация которой повысит готовность студентов к изучению профильных дисциплин.
-
Экспериментально проверить гипотезу исследования и эффективность предлагаемой методики при обучении физике в техническом университете.
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования: изучение и анализ психолого-педагогической, научно-технической и методической литературы, картотек и каталогов лекционных физических демонстраций, в том числе и в сети Интернет; обобщение и систематизация опыта в области создания и использования демонстрационных экспериментов в высшей школе; проектирование; моделирование; педагогическое наблюдение; тестирование; анкетирование; статистическая обработка экспериментальных результатов.
Методологическую основу исследования составляют работы в области развития системы высшего образования (В.В. Краевский, В.А. Сластенин, С.Д. Смирнов), теории учебной деятельности (В.И. Андреев, В.В. Давыдов, И.И. Ильясов, П.И. Пидкасистый), теория педагогических систем (В.П. Беспалько, И.П. Волков, Е.С. Полат, Г.К. Селевко).
Теоретическую основу исследования составляют:
теория и методика обучения физике (П.В. Зуев, Н.С. Пурышева, А.В. Усова, А.П. Усольцев);
теория и методика использования демонстрационных экспериментов в процессе обучения (Л.И. Анциферов, Н.Я. Молотков, Б.Ш. Перкальскис, В.Я. Синенко, Т.Н. Шамало);
применение информационных технологий в обучении физике (А.С. Кондратьев, В.В. Лаптев, Е.В. Оспенникова);
использование проектного обучения (М.В. Кларин, Е.С. Полат, В.В. Ларионов).
Этапы исследования.
Исследование осуществлялось в три этапа с 2002 по 2008 г.г.
На первом этапе (2002-2005 г.г.) был проведен анализ психолого-педагогической и научно-методической литературы, сформулированы цель и задачи исследования, выдвинута гипотеза. Был проведен констатирующий эксперимент, в задачу которого входило изучение и анализ применения демонстрационного физического эксперимента при обучении физике в технических вузах.
На втором этапе (2004-2007 г.г.) была разработана модель и методика использования композиционных демонстраций по физике с применением интерактивной образовательной среды. Разработаны 20 композиционных экспериментов. Реализовано внедрение интерактивной образовательной среды в учебный процесс.
На третьем этапе (2006-2008 г.г.) была окончательно определена методика использования композиционного ДФЭ с применением созданной интерактивной образовательной среды, проведен формирующий эксперимент, который позволил доказать справедливость выдвинутой гипотезы исследования.
Научная новизна:
-
В отличие от ранее проведенных исследований, посвященных повышению эффективности демонстрационного физического эксперимента (А.В. Селиверстов, А.А. Якута и др.), в настоящей работе решена проблема повышения готовности будущих инженеров к изучению профильных дисциплин путем комплексного использования физических демонстраций с применением интерактивной образовательной среды, позволяющей управлять экспериментом всеми субъектами образовательного процесса.
-
Разработана методика использования композиционного ДФЭ в процессе обучения физике в техническом университете, реализация которой повысит готовность будущих инженеров к изучению профильных дисциплин. Ее основу составляют интерактивная образовательная среда, включающая инструментально-технологические средства, электронный каталог и базу данных, размещенные в Web CT. Такая методика позволяет реализовать проектную самостоятельную деятельность студентов.
-
Обоснована целесообразность изучения с воспитательными целями достижений отечественной науки и техники в области приборного обеспечения ДФЭ и исследований в области физики; разработана соответствующая методика обучения и воспитания студентов технических вузов.
Теоретическая значимость исследования:
-
Уточнено понятие композиционного демонстрационного физического эксперимента (КДФЭ). Он представляет собой совокупность демонстраций различных видов (натурные демонстрации, вычислительный и виртуальный эксперименты), раскрывающих сущность одного и того же явления на разных уровнях обобщения.
-
Выявлены и теоретически обоснованы требования к отбору и модернизации композиционных демонстраций по физике для организации учебного процесса в техническом университете с применением интерактивной образовательной среды: наглядность, оптимальная скорость передачи информации, выразительность, интегративность, проблемность, научная достоверность, доступность, политехничность, эстетичность, экономичность, композиционность.
-
Разработана модель использования КДФЭ с применением интерактивной образовательной среды в техническом вузе. В модели отражены цели, дидактические функции КДФЭ, деятельность преподавателя при организации различных форм учебного процесса, самостоятельная деятельность студентов, включающая проектно-внедренческую работу, интерактивное взаимодействие между субъектами образовательного процесса.
Практическая значимость исследования заключается в том, что теоретические положения доведены до уровня практического применения, разработаны и внедрены в учебный процесс:
методическое обеспечение композиционных физических демонстраций ТПУ по основным разделам физики;
интерактивная образовательная среда, включающая электронный каталог демонстрационных физических экспериментов, базу данных, инструментально-технологические средства;
20 композиционных демонстраций;
методические рекомендации для преподавателей, использующих композиционные демонстрационные эксперименты в учебном процессе на факультете естественных наук и математики ТПУ, в МОУ «Лицей при ТПУ», в естественнонаучной школе при ТПУ, в центре довузовской подготовки при ТПУ.
Апробация результатов исследования осуществлялась на факультете естественных наук и математики Томского политехнического университета. Результаты и основные положения работы были опубликованы в печати и докладывались на следующих международных научных конференциях: «Современный физический практикум» (Москва, 2004 г.); «Наука и образование - 2005» (Мурманск, 2005 г.); «Физика в системе современного образования» (ФССО - 05) (Санкт-Петербург, 2005 г.); «Применение новых технологий в образовании» (Троицк, 2005 г.); «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Кемерово, 2006 г.); «Стратегия и пути развития национального образования в России» (Кемерово, 2007 г.); «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» (Москва, 2007 г.); «Новые информационные технологии в образовании» (Екатеринбург, 2008 г.), «Преподавание естественных наук, математики и информатики в вузе и школе» (Томск, 2008 г), «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» (Москва, 2009 г.), «Современные проблемы теории и методики обучения физике, информатике и математике» (Екатеринбург, 2009 г.); на всероссийских и региональных конференциях: «Инновационные процессы в высшей школе» (Краснодар, 2004 г.); «Научно-методическое обеспечение образовательного процесса в условиях непрерывного обучения» (Юрга, 2005 г.); «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2006 г.); «Проблемы учебно-методической и воспитательной работы в вузе» (Сургут, 2006 г.); «Методология обучения и повышения эффективности академической, социально-культурной и психологической адаптации иностранных студентов в российском вузе: теоретические и прикладные аспекты» (Томск, 200 г.), «Интеграция традиционных и инновационных процессов в современной системе образования» (Тюмень, 2009 г.).
Обоснованность выводов и достоверность результатов обеспечиваются использованием методов, соответствующих цели и задачам исследования, проведением педагогического эксперимента в тщательно контролируемых условиях, воспроизводимостью результатов эксперимента для различных групп студентов, всесторонним качественным анализом результатов эксперимента, использованием адекватных методов математической статистики для количественной оценки результатов.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Введение понятия «композиционный демонстрационный физический эксперимент» является основой для дальнейшего развития теории и методики использования физического эксперимента в процессе обучения физике.
-
Композиционный демонстрационный физический эксперимент представляет собой совокупность демонстраций различных видов (натурные демонстрации, вычислительный и виртуальный эксперименты), раскрывающих сущность одного и того же явления на разных уровнях обобщения. Его использование позволяет сравнивать результаты различного вида демонстраций и управлять экспериментом всеми субъектами образовательного процесса.
-
Для реализации КДФЭ при обучении физике в техническом вузе необходимо использовать интерактивную образовательную среду, компонентами которой являются электронный каталог в качестве элемента управления, база данных, инструментально-технологические средства.
-
Организация изучения достижений отечественной науки и техники в области приборного обеспечения ДФЭ и исследований по физике в техническом вузе позволяет реализовать воспитательные цели и повысить мотивацию студентов к обучению физике и будущей профессиональной деятельности.
-
Методика использования КДФЭ с применением интерактивной образовательной среды субъектами образовательного процесса при обучении физике будущих инженеров технических специальностей может быть разработана на основе модели, в которой учтены цели, дидактические функции КДФЭ, деятельность преподавателя при организации различных форм учебного процесса, самостоятельная деятельность студентов, включающая проектно-внедренческую работу, интерактивное взаимодействие между субъектами образовательного процесса.
-
Реализация предлагаемой методики использования композиционного демонстрационного физического эксперимента с применением интерактивной образовательной среды в процессе обучения физике студентов в техническом университете повысит готовность будущих инженеров к изучению профильных дисциплин.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка, включающего 290 источников, приложений.
