Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Педагогические и компьютерные технологии в процессе обучения физике в высшей школе 17
1.1 Деятелъностный подход как психолого-педагогическая основа развития современного образования 18
1.2 Современные педагогические технологии 26
1.3 Этапы развития и классификация педагогических программных средств 32
1.4 Система учебного физического эксперимента 38
1.5 Моделирование как звено в цепи познания 51
Выводы к главе 1 60
Глава 2. Теоретические и методические основания педагогического проектирования компьютерных лабораторных работ по изучению физических теоретических моделей 63
2.1 Педагогическая концепция изучения теоретических моделей в лабораторном практикуме 63
2.1.1 Цели изучения теоретических моделей посредством компьютерных лабораторных работ 66
2.1.2 Особенности восприятия виртуальной реальности как среды учебной деятельности 70
2.1.3 Изучение теоретических моделей как психолого-педагогическая проблема 72
2.1.4 Концепция поэтапного погружения в теоретический материал 80
2.2 Система принципов проектирования и проведения компьютерных
моделирующих лабораторных работ 84
2.2.1 Принцип интерактивности 90
2.2.2 Принцип реальности результатов 91
2.2.3 Принцип максимальной выразительности 93
2.2.4 Принцип адаптивности 96
2.2.5 Принцип аппаратной доступности 98
2.2.6 Принцип многовариантности 99
2.2.7 Принцип цикличности 100
2.2.8 Принцип методической обеспеченности 102
2.2.9 Принцип активизации межпредметных связей 104
2.3 Структура компьютерных моделирующих лабораторных работ... 105
2.4 Методика проведения занятий с использованием компьютерных моделирующих лабораторных работ 112
2.4.1 Адаптация традиционной методики проведения лабораторного практикума к выполнению компьютерных моделирующих лабораторных работ 118
2.4.2 Методика фронтального выполнения компьютерных моделирующих лабораторных работ с элементами метода проектов 125
2.4.3 Методика выполнения компьютерных лабораторных работ в рамках самостоятельной работы студентов 130
2.4.4 Комплексное применение разработанных методик 131
2.5 Особенности проектирования компьютерных моделирующих лабораторных работ по физике 133
2.5.1 Выбор тем для изучения с помощью компьютерных моделирующих лабораторных работ 134
2.5.2 Планирование учебного процесса с использованием компьютерных моделирующих лабораторных работ 138
2.5.3 Роль компьютерных моделирующих работ в процессе обучения физике иностранных студентов 139
2.5.4 Компьютерные моделирующие лабораторные работы
как способ поддержки и развития натурного эксперимента 140
Выводы к главе 2 141
Глава 3. Экспериментальная проверка эффективности применения комплекса компьютерных моделирующих лабораторных работ в курсе общей физики технического вуза 144
3.1 Степень готовности студентов первого курса к выполнению и восприятию компьютерных моделирующих лабораторных работ 145
3.2 Субъективное психологическое восприятие студентами компьютерных моделирующих лабораторных работ по физике 149
3.3 Влияние циклов компьютерных моделирующих лабораторных работ на знания студентов по разделам «Колебания» и «Движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях» 153
3 4 Влияние компьютерных моделирующих лабораторных работ на уровень теоретических знаний студентов по курсу общей физики. 58
3.5 Корреляция между уровнем теоретических знаний студентов и количеством компьютерных моделирующих лабораторных работ в физическом практикуме 161
Выводы к главе 3 163
Заключение 165
Список использованной литературы 169
Приложение
- Современные педагогические технологии
- Система учебного физического эксперимента
- Цели изучения теоретических моделей посредством компьютерных лабораторных работ
- Субъективное психологическое восприятие студентами компьютерных моделирующих лабораторных работ по физике
Введение к работе
Актуальность исследования. Фундаментальная подготовка по физике всегда являлась одним из приоритетных направлений высшего политехнического образования. Основным результатом фундаментализации физического образования можно считать развитие теоретического мышления студентов. При этом физическая теория остается одним из наиболее трудных для усвоения элементов содержания курса общей физики вследствие наличия в ней большого объема абстрактного материала. Это обстоятельство препятствует обучению физике на высоком теоретическом уровне сложности, эффективность которого доказана основоположниками теории деятельностного развития в педагогике (В.В. Давыдов, Н.Ф. Талызина, Д.Б. Эльконин). В обучении физике в вузе, по-прежнему, можно отметить определенную оторванность теоретического материала от его практического применения [259]. Практическим применением теории является построение теоретических моделей реальных процессов и явлений. Для полноценного овладения физической теорией студенты должны не только изучить основные теоретические концепции, но и познакомиться с построенными на их основе теоретическими моделями, представлять область их применимости. Важно не только освоить методику построения модели применительно к определенной физической ситуации, но и показать студентам значение изучения модели для понимания физического явления или процесса.
При традиционном (на лекциях и, частично, на практических занятиях) изучении моделей основное внимание студентов концентрируется на представляющем субъективную трудность математическом аппарате. При этом поведение изучаемой модели должно воспроизводиться в мысленном эксперименте, который практически не поддается контролю со стороны преподавателя в отличие от математических выкладок. При выполнении мысленного эксперимента у студентов отсутствует возможность опоры на материальную
деятельность, на преимущественно развитый у студентов технического вуза предметно-деятельностный стиль мышления. Таким образом, деятельностное изучение модели обрывается на полпути, у студентов не возникает законченной взаимосвязи теоретических концепций, математических выкладок с поведением некоторого физического объекта. Очевидно, что для полноценного (активно-деятельностного) изучения теоретических моделей необходимо формировать навыки мысленного эксперимента и связанное с ним понимание физических процессов и явлений, упражняясь во внешней, контролируемой извне и преподавателем, и студентами, деятельности с объектом той же степени идеализации, которая заложена в теории и математических выкладках. В натурном физическом эксперименте трудно воспроизвести идеальные условия, описанные в теории, поэтому он не всегда может стать опорой для формирования навыков мысленного эксперимента. Таким объектом, посредством которого обучение мысленному эксперименту происходит во внешней материализованной деятельности, которой можно управлять, является компьютерная модель.
Поскольку в изучении теоретических моделей основной упор делается на овладении физическим содержанием, то наиболее целесообразным следует признать изучение физических теоретических моделей с помощью компьютерного моделирования в курсе физики. Методике использования в учебном процессе компьютерных моделей посвящен ряд научных исследований и диссертационных работ (Е.И. Бутиков, И.М. Нуркаева, И.А. Несмелова, Е.В. Оспенникова, A.M. Толстик, А.В. Худякова). В этих работах убедительно показано, что наилучшей организационной формой изучения компьютерных моделей являются лабораторные работы, во время которых каждый обучаемый лично взаимодействует с моделью. Однако основной акцент в этих исследованиях сделан на конструирование моделей. Но для того чтобы получить знания о модели недостаточно только ее сконструировать, необходимо изучить свойства и физический смысл построенной модели. Поэтому актив-
7 ное материализованное изучение теоретических моделей в имеющихся компьютерных разработках реализуется не в полной мере. Это препятствует пониманию студентами физической сути модели и усвоению соответствующего теоретического материала.
В настоящее время разработкой компьютерных лабораторных работ по физике занимаются во многих отечественных и зарубежных вузах (Москва, С-Петербург, Тверь, Томск, фонд Shoder и др.). Анализ современных разработок компьютерных лабораторных работ позволил разделить их на две группы: работы, направленные на воспроизведение реальных физических экспериментов - В.В. Ларионов, В.В. Монахов, Д.В. Пичугин, С.К. Стафеев, др.; и работы, направленные на изучение физических теоретических моделей (компьютерные моделирующие лабораторные работы) - А.А. Бессонов, Е.И. Бутиков, С.М.Козел, В.А. Стародубцев.
При проектировании тех и других работ существенной разницы в подходах не наблюдается, что нельзя считать оправданным, так как работы направлены на изучение объектов разной природы (реальной и идеальной). При выполнении компьютерных лабораторных работ, направленных на изучение теоретических моделей, (как и при выполнении компьютерных работ, воспроизводящих реальные физические эксперименты) за основу берется методика проведения натурного эксперимента. Полное усвоение теоретического материала здесь является необходимым условием допуска к работе. В результате выполнение компьютерной моделирующей лабораторной работы становится иллюстрацией к изученной теории. Естественно, если теорию удалось изучить достаточно хорошо без компьютерной модели, то не следует ожидать большой эффективности от выполнения самой работы. Поэтому низкая эффективность компьютерных лабораторных работ неоднократно критиковалась в печати (А.А. Гладун, О.Н. Крохин, А.Н. Мансуров).
Для повышения эффективности компьютерных лабораторных работ, направленных на изучение физических теоретических моделей, необходимо
разработать специальную педагогическую концепцию проектирования, которая позволит усваивать теоретический материал постепенно в процессе изучения модели, формировать навыки выполнения мысленного эксперимента во внешней материализованной деятельности. Основой для построения такой концепции является концепция последовательного (поэтапного) погружения в материал, не применявшаяся ранее к компьютерным лабораторным работам.
По степени познавательной активности компьютерные работы существенно отстают от натурных лабораторных работ. При изучении теоретических моделей деятельность обучаемых обычно состоит в фиксировании информации о конечных параметрах модели, которая после изменения начальных условий предоставляется в готовом виде (Е.И. Бутиков, С.М.Козел, А.М. Толстик и др.). При этом происхождение информации остается неясным, обучаемые не имеют отношения к процессу ее получения. Поэтому эти работы справедливо критикуются как пассивно-иллюстративные в познавательном плане. В работах, воспроизводящих натурные физические эксперименты, информация об изучаемой системе также предоставляется в готовом, но не окончательном виде, а как информация о промежуточных характеристиках системы. Обучаемые должны самостоятельно получить конечные характеристики модели по известным формулам. При этом причастность обучаемых к полученным результатам повышается (А.В. Клингер, В.В. Ларионов, A.M. Толстик и др.). Наибольшая причастность обучаемых к полученным в компьютерных лабораторных работах результатам может быть реализована следующим образом. После изменения начальных параметров системы никакие данные не предоставляются в готовом виде, вместо этого предоставляется набор виртуальных инструментов, с помощью которых можно получить нужную информацию. При этом ответственность за правильное выполнение работы полностью ложится на студента, ставит его в активную позицию. Деятельность студентов в этом случае становится активно-поисковой, как в
натурном эксперименте. Реализация это типа познавательной деятельности при выполнении компьютерных работ, направленных на изучение физических теоретических моделей, позволит повысить их эффективность в познавательном плане.
Изменить тип познавательной деятельности студентов при выполнении компьютерных работ путем изменения методики их выполнения не представляется возможным, так как когнитивные возможности каждой работы закладываются при ее проектировании (З.А. Дмитриева, А.Ф. Кавтрев, А.В. Худякова и др.). Поэтому необходимо пересмотреть не только методику выполнения компьютерных моделирующих лабораторных работ, но и принципы их проектирования так, чтобы по степени активности познавательной деятельности приблизить компьютерные лабораторные работы к работам натурного практикума.
Таким образом, актуальность данного исследования обусловлена: 1) односторонним развитием навыков конструирования моделей и неоправданным отсутствием внимания к развитию навыков самостоятельного активного изучения студентами известных моделей при обучении физике в вузе; 2) несоответствием традиционной методики проведения лабораторного практикума возможностям компьютерных моделирующих лабораторных работ как средства изучения теоретического материала; 3) нереализованностью возможностей активно-поисковой деятельности в процессе выполнения компьютерных лабораторных работ студентами технического вуза.
В процессе диссертационного исследования выявлено три группы противоречий, имеющих непосредственное отношение к проблеме исследования: противоречие в содержании образования: между ростом роли моделирования в научных исследованиях и недостаточно полным применением этого способа познания в системе среднего и высшего профессионального образования;
психолого-педагогическое противоречие между абстрактным характером теоретических моделей и преимущественно предметно-деятельностным, конкретным стилем мышления студентов технических вузов - выпускников средней школы;
научно-методическое несоответствие между принятым в традиционной методике способом проведения лабораторного практикума и новыми требованиями к изучению теоретического материала в процессе выполнения компьютерной моделирующей лабораторной работы в техническом вузе.
Таким образом, проблема исследования состоит в повышении эффективности компьютерных лабораторных работ, направленных на изучение студентами технических вузов теоретических моделей физических явлений и процессов.
Объектом исследования является процесс изучения теоретических моделей явлений и процессов на основе компьютерных лабораторных работ в курсе общей физики технического вуза.
Предмет исследования составляют принципы разработки, содержание и организационные формы изучения физических теоретических моделей в процессе выполнения компьютерных лабораторных работ студентами технического вуза.
Целью исследования является разработка методики проектирования и проведения компьютерных лабораторных работ, способствующей повышению эффективности изучения теоретических моделей физических явлений и процессов в курсе общей физики технического вуза.
Гипотеза исследования. Эффективность усвоения теоретического материала в курсе общей физики студентами технического вуза и мотивация учения будут повышаться, если для изучения физических теоретических моделей в лабораторном практикуме разработать и систематически использовать компьютерные моделирующие лабораторные работы, реализующие
концепцию поэтапного погружения в теоретический материал на основе активно-поисковой самостоятельно деятельности студентов.
Исходя из сформулированной гипотезы, для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи:
разработать принципы проектирования компьютерных лабораторных работ для изучения теоретических моделей в курсе общей физики на основе концепции поэтапного изучения теоретического материала;
выявить условия активно-поисковой самостоятельной деятельности студентов в процессе выполнения компьютерной лабораторной работы;
создать комплект компьютерных моделирующих лабораторных работ, способствующих поэтапному изучению теоретического материала в процессе выполнения работы;
разработать методику изучения теоретических моделей при проведении компьютерных лабораторных работ, способствующую самостоятельному поэтапному получению студентами физических знаний;
проверить эффективность разработанной методики в ходе педагогического эксперимента.
Методологическую основу диссертационного исследования составили: деятельностный подход к пониманию развития личности и теория поэтапного формирования умственной деятельности (Л.С. Выготский, П.Я. Гальперин, В.В. Давыдов, А.Н. Леонтьев, С.Л. Рубинштейн, Н.Ф. Талызина); основы построения и использования педагогических технологий (Дж. Аринсон, В.П. Беспалько, Д. Дьюи, Т.А. Ильина, Е.И. Машбиц, А.А. Машиньян, О.П. Око-лелов, И.В. Роберт, Г.К. Селевко и др.); дидактические особенности обучения физике, в частности через учебный физический эксперимент (В.А. Буров, Ю.И. Дик, Б.С. Зворыкин, П.А. Знаменский, Э.Д. Новожилов, А.В. Перыш-кин, Б.Ш. Перкальскис, А.А. Покровский, Л.И. Резников, И.М. Румянцев, ВЛ.Синенко, А.А. Шаповалов и др.); основы использования информацион-
12 ных технологий в обучении физике (А.А. Веряев, А.А. Гладун, В.А. Извозчиков, СЕ. Каменецкий, В.В. Лаптев, А.Д. Ревунов и др.).
Методы исследования. Использованные в ходе исследования методы и виды деятельности можно объединить в две группы. Теоретические методы: изучение и анализ научной литературы по общим и частным проблемам методики обучения физике, дидактики, психологии; анализ, синтез, обобщение и абстрагирование, сравнение и сопоставление, моделирование, системный подход к разработке концепции поэтапного усвоения теоретического материала при выполнении компьютерных лабораторных работ для изучения физических теоретических моделей на компьютере. Практические методы: наблюдение, анкетирование, тестирование, критериальная оценка педагогической деятельности; педагогический эксперимент.
Научная новизна исследования состоит в том, что:
предложена концепция изучения студентами технических вузов теоретических моделей в курсе общей физики, основанная на поэтапном погружении в теоретический материал при выполнении компьютерных лабораторных работ, позволяющая выявлять и закреплять понимание взаимосвязи между математическим описанием и физическим смыслом изучаемой модели;
выявлена эффективность совместного применения общедидактических принципов, принципов естественнонаучного и эмпирического обучения при проектировании и проведении компьютерных лабораторных работ для изучения физических теоретических моделей;
обоснована и практически реализована возможность организации активно-поисковой деятельности студентов при выполнении компьютерных моделирующих лабораторных работ, заключающейся, во-первых, в получении результатов исследования модели через промежуточные измерения с помощью виртуальных приборов, а не в готовом виде, во-
13 вторых, в создании ситуаций выбора оптимальных условий эксперимента.. Теоретическая значимость исследования состоит в том, что:
разработана методика изучения теоретических моделей при выполнении компьютерных лабораторных работ на основе применения теории поэтапного формирования умственной деятельности;
расширена область применения ориентировочной основы деятельности, составленной обучаемыми самостоятельно на основе полной системы обобщенных ориентиров, на процесс изучения студентами технических вузов физических теоретических моделей при выполнении компьютерных лабораторных работ;
разработана последовательность методик проведения компьютерных лабораторных работ, направленных на изучение физических теоретических моделей в курсе общей физики технического вуза: 1) фронтальное выполнение работы в начале семестра; 2) адаптированная традиционная методика в течение семестра; 3) фронтальное выполнение работ с элементами метода проектов в середине и конце семестра; 4) самостоятельное выполнение работ, не вошедших в учебный план в течение второй половины семестра.
Практическая значимость исследования заключается в разработке комплекса программных дидактических средств (17 моделирующих лабораторных работ), достаточный для формирования навыков изучения физических теоретических моделей; учебно-методических пособий; методических рекомендаций по проектированию компьютерных моделирующих лабораторных работ по физике и проведению лабораторных занятий с их использованием в техническом вузе.
Опытно-экспериментальной базой диссертационной работы является кафедра теоретической и экспериментальной физики факультета естествен-
14 ных наук и математики Томского политехнического университета в период с 2002 по 2006 год.
Обоснованность и достоверность полученных результатов исследования обеспечены опорой исходных положений на теоретические достижения психологии, общей педагогики, методики преподавания физики, информатизации образования и системный подход при рассмотрении дидактических принципов проектирования и использования компьютерных моделирующих лабораторных работ; внутренней непротиворечивостью логики исследования, результатами педагогического эксперимента, адекватностью применяемых методов целям и задачам исследования, использованием математических методов обработки результатов.
ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
Концепция поэтапного усвоения теоретического материала при выполнении компьютерных моделирующих лабораторных работ, основанная на теории поэтапного формирования умственных действий, заключается в том, что теоретический материал изучается не одномоментно (перед получением допуска к работе), а постепенно, в процессе всего выполнения лабораторной работы. Составляющими концепции являются: 1) постепенное освоение теоретического материала в практической материализованной деятельности; 2) активная познавательная деятельность студентов; 3) этапы освоения теоретического материала (ознакомление, детализация, обобщение); 4) система упражнений, стимулирующих регулярное обращение к теоретическому материалу; 5) средства контроля и самоконтроля выполняемой деятельности студентов, сопровождающие каждый этап выполнения работы.
Способ сочетания общедидактических принципов и принципов естественнонаучного и эмпирического обучения при проектировании и проведении компьютерных лабораторных работ для изучения физических теоретических моделей, выраженного в принципах интерактивности, ре-
15 альности результатов, максимальной выразительности, адаптивности,
аппаратной доступности, многовариантности, цикличности, методической обеспеченности, активации межпредметных связей.
Методики выполнения компьютерных лабораторных работ для изучения физических теоретических моделей, разработанные на основе предложенной концепции; адаптированная традиционная методика проведения занятий лабораторного практикума; методика фронтального выполнения работ с элементами метода проектов.
Результаты педагогического эксперимента.
Апробация и внедрение результатов исследования. Теоретические положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на: Международной конференции «Применение новых технологий в образовании», г. Троицк (2003-2005 г.), VIII конференции стран Содружества «Современный физический практикум», г. Москва (2004 г.), XII Международная конференция «Математика. Компьютер. Образование», г. Пущино (2005 г.), VIII Международной конференции «Физика в системе современного образования» (ФССО-05), г. Санкт-Петербург (2005 г.), Международной научно-технической конференции «Компьютерные и вычислительные технологии в задачах естествознания и образования», г. Пенза (2005 г.), VI Международной конференции «Компьютерное моделирование 2005», г. Санкт-Петербург (2005 г,), Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные процессы в высшей школе», г, Краснодар (2004, 2006 г.), X Всероссийской научно-практической конференции «Учебный физический эксперимент», г. Глазов (2005 г.), II Межрегиональной научно-практической конференции с международным участием «Открытое образование: опыт, проблемы, перспективы», г. Красноярск (2006 г.).
Материалы исследования опубликованы в журналах «Физическое образование в вузах», «Педагог», «Педагогическая информатика», «Информатика и образование», «Открытое образование». Созданные программные средства
учебного назначения зарегистрированы в ФГУП Всероссийском научно-техническом информационном центре под № 50200501393 [125]. Комплекс компьютерных моделирующих лабораторных работ используется в учебном процессе на кафедре теоретической и экспериментальной физики Томского политехнического университета с 2002 г., в Беловском филиале Томского политехнического университета с 2005 г.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения, изложена на 229 страницах, содержит 19 рисунков, 5 таблиц и список используемой литературы из 282 наименований.
Современные педагогические технологии
В соответствии с определением ЮНЕСКО [184] педагогическая технология - это системный метод создания, применения и определения всего процесса преподавания и усвоения знаний с учетом технических и человеческих ресурсов и их взаимодействия, ставящий своей задачей оптимизацию форм образования. Когда речь идет о педагогической технологии, в первую очередь следует иметь ввиду такую ее составляющую как технология обучения. Из российских педагогов наибольший вклад в разработку проблем технологии обучения внесли В.П. Беспалько, СЕ. Каменецкий, М.В. Кларин, Н.Ф. Маслова, О.П. Околелов, Н.С. Пурышева, А.Я. Савельев, Г.К. Селевко [217], В.В. Сериков, В.А. Сластин, Н.Ф. Талызина, Ю.Г. Татур, Н.В. Шаронова и др. [12,93, 167,184,230].
Технология обучения характеризуется научным (наука, изучающая и разрабатывающая цели, содержание и методы обучения, а также проектирующая образовательные программы и системы их обеспечения и сопровождения), процессуально-описательным (описание или алгоритм образовательного процесса, а также совокупности целей, содержания, методов и средств для достижения планируемых результатов обучения) и процессуально-реализационным (реализация образовательного процесса, функционирование совокупности всех личностных, инструментальных и методических средств) аспектами. Помимо обязательности наличия научной основы технологиям обучения должны быть присущи концептуальность, системность, управляемость, эффективность и воспроизводимость. Как и другие сложные системы, образовательные технологии не могут иметь линейной (по одному признаку) классификации [167]. В таблице 3 приведены классификации образовательных технологий по различным признакам. Учитывая развитые спектры учебных занятий, учебной деятельности, способов управления познанием, а также высокий уровень образовательных, личностно- и профессионально-ориентированных задач, приоритетными в сфере высшего образования являются комплексные образовательные технологии, сочетающие в себе признаки образовательных технологий разных видов.
В настоящее время сложились три основные направления научной разработки педагогических технологий. Первым направлением является доведение до технологического уровня практического использования ранее разработанных и, фактически, всем известных методов обучения, которые, так или иначе, используются в педагогической практике (например, методы, основанные на теории поэтапного формирования умственных действий П.Я. Гальперина и Н.Ф. Талызиной; на теории укрупнения дидактических единиц П.М. Эрдниева; на теории развивающего обучения и т.д.).
Второе направление - создание авторских технологий обучения. В основе этих технологий всегда лежит многолетний практический опыт работы автора, в них отражена присущая автору система взглядов (например, гуманно-личностная технология Ш.А. Амонашвили; личностно-формирующая технология Е.Н. Ильина; технология обучения на основе опорных сигналов В.Ф. Шаталова и т.д.). Третье направление - это создание механизмов модернизации и адаптации существующих технологий обучения. Приход в вузы новых аппаратных, программных и технических средств вызвал активное развитие информационных технологий обучения, исследованию которых посвящены работы таких педагогов как Б.С. Гершунский, А.Л. Денисава, А.Н. Тихонова, И.В. Марусева, И.В.Роберт, Е.Ю. Семенова и др. Информационные образовательные технологии - технологии обучения, научных исследований и управления, основанные на применении вычислительной и другой информационной техники, а также специального программного, информационного и методического обеспечения. Информационные технологии могут быть ориентированы как на технические средства общего назначения [203, 243], так и на специализированные технические средства, такие как электронные учебники [9, 38], автоматизированные обучающие системы [94, 85], мультимедийные системы [21, 119, 230, 235], электронные библиотечные каталоги [31], локальные и распределенные сети и т.д. Нельзя не отметить ведущую роль информационных технологий в системе дистанционного образования [14], Благодаря активному развитию и массовому внедрению информационных технологий в учебных заведениях концепция программированного обучения получила новый мощный стимул развития [92,93,225, 260].
Несмотря на то, что информационные технологии обучения сами по себе являются комплексными, весьма разнообразными и многогранными, они не заменяют и, тем более, не отменяют использование других технологий. В настоящее время существует большое количество общих и индивидуальных технологий обучения. Каждая из них имеет положительные стороны. Дополнение в той или иной мере других технологий элементами информационной технологии способствует наиболее быстрому и безболезненному внедрению информационной культуры в учебный процесс [278]. Более того, как показали исследования А.А. Машиньяна, многообразие типов и видов образовательных учреждений, вариативность образовательных программ, которые являются предпосылкой личностно-ориентированного обучения, с необходимостью ведет к созданию и реализации персональных технологий обучения, способных ориентироваться не на среднего, а на каждого конкретного ученика [170]. Наиболее эффективным методом разработки педагогических технологий является проектирование, основанное на адаптации и реализации специальных педагогических технологий. Эффективное использование информационной техники в повседневной жизни и всех сферах продуктивной деятельности человека подталкивает к необходимости первоочередной адаптации информационных технологий обучения в персональных технологиях различных педагогов.
Роль информационной техники в педагогическом процессе сегодня двояка: с одной стороны она является объектом изучения, с другой - важным дидактическим средством. С точки зрения педагогической науки наибольший интерес представляет вторая сторона данного явления. Как влияет внедрение информационной техники на педагогический процесс? Каким дидактическим требованиям должны соответствовать элементы информационных образовательных технологий, чтобы способствовать повышению качества образования? Ответу на эти вопросы посвящены исследования многих ученых [6, 146, 228, 232].
Согласно этим исследованиям применение современных компьютерных и телекоммуникационных технологий предоставляет средства для: организации и структурирования содержания образования; связи элементов образовательного процесса, таких как целевой, мотива-ционный, содержательный, операционно-деятельностный, контрольно-коррекционный, результативно-оценочный; использования различных видов информации; модульности и доступа к фрагментам содержания курса; систематизации материала курса; разработки каждого занятия как системы образовательных действий; представления образовательного действия как совокупности простых действий; разработки последовательности изучения материала; адаптации содержания учебного материала к особенностям обучаемых; ориентации в материале; использования профессиональных дискуссий в учебных целях.
При использовании информационных технологий качественно изменяется деятельность, как студентов, так и преподавателей [13]. Она приобретает характер сотрудничества, углубленного проникновения в учебную ситуацию. Образовательный процесс может интерпретироваться как процесс совместного развития, что в контексте теории деятельности ведет к прогрессивному изменению всех субъектов процесса.
Система учебного физического эксперимента
Влияние физики на формирование научного мировоззрения общества в целом недооценить невозможно. Достаточно упомянуть, что с открытиями в области физики ассоциируются многие поворотные моменты в истории человечества. Значительный вклад в развитие физической науки внесли российские и советские ученые. Доказательством этому служит присуждение
Нобелевских премий советским физикам [70, 172]: 1958 год - П.А. Черенко-ву, И.Е, Тамму, И.М. Франку за открытие и исследование эффекта Вавилова-Черенкова; 1962 год - Л.Д. Ландау за исследование по теории конденсированных сред, прежде всего жидкого гелия; 1964 год - Н.Г. Басову и A.M. Прохорову за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов нового типа - мазеров и лазеров. Нобелевская премия 1978 года присуждена П.Л. Капице за открытия и основополагающие изобретения в области физики низких температур. И наконец, Нобелевская премия 2000 года врученная российскому физику академику Ж.И. Алферову, отметила его работы в области создания гетерострук-тур - материалов, используемых при изготовлении оригинальных электронных устройств.
Традиционно в процессе научного познания выделяют [173] два основных аспекта: теоретический и эмпирический, которые взаимообусловлены и взаимосвязаны. Неразрывная связь теории и эксперимента является ведущей концепцией развития физики. Вся история развития физики подчеркивает это единство, взаимосвязанность и взиамодополняемость. «Нет ничего практичней, чем хорошая теория», - говорил известный физик Л. Больцман [172]. «Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденных только воображением», - писал М.В. Ломоносов. Даже великий теоретик А. Эйнштейн говорил: «Красивый эксперимент сам по себе гораздо ценнее, чем двадцать формул, добытых в реторте отвлеченной мысли». Взаимосвязь и взаимообусловленность физической теории и эксперимента привели, с одной стороны, к колоссальному росту числа явлений, изучаемых современной физикой, а с другой стороны, к неизмеримому росту систематизирующей и эвристической роли физики. Особенности физики как науки определяют в существенной мере и особенности физики как учебной дисциплины. Как опыт является критерием истинности всякой теории, так теория является направляющим началом всяких экспериментальных исследований. Ни в одной другой науке эта взаимосвязь не выглядит так очевидно. И, следовательно, ни в одном другом учебном предмете невозможно так полно исследовать влияние информационных технологий на методы обучения теоретическим и экспериментальным основам науки.
Преподавание физики в России насчитывает более 370 лет. Однако как самостоятельный учебный предмет физика получила признаний лишь в конце XVIII века. Первым учебником физики считается «Вольфианская экспериментальная физика» М.В. Ломоносова (1746). Первыми методистами-физиками были крупные ученые, которые понимали значение обучения, подготовки научных кадров, такие как М.В. Ломоносов, Э.Х. Ленд, К.Д. Крае-вич, Н.А. Любимов и т.д. К началу XX века проблемы и методы преподавания дисциплин естественнонаучного цикла выделились в отдельное направление. Изучению этих вопросов уделялось внимание на II Менделеевском съезде 1911 г., в решениях «Дидактической комиссии», первом Всесоюзном съезде преподавателей физики, химии и космографии 1913-1914 г., Всероссийском экстренном совещании 1917 г. [113, 197]. В это время впервые был обоснован тезис о необходимости включения в учебный процесс лабораторных работ.
Учебный физический эксперимент в тесной связи с преподаванием теории продолжает интенсивно развиваться. Дидактической роли физического эксперимента, как в школе, так и в вузе посвящен ряд диссертационных исследований, например, Т.Е. Балабановой [26], И.А. Илядьева [106], Н.М. Са-япиной [216], P.M. Чудинского [271].
Учебный физический эксперимент прочно вошел в систему методов обучения. Слово «эксперимент» происходит от латинского experimentum (испытание). Эксперимент - это наблюдение и анализ исследуемого явления в определенных условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздавать его всякий раз при фиксированных условиях [197].
Цели изучения теоретических моделей посредством компьютерных лабораторных работ
Решение проблемы повышения эффективности компьютерных лабораторных работ видится в переносе центра тяжести с виртуального изучения натурных экспериментов на теоретическое объяснение различных процессов и явлений. Теоретическое описание процессов и явлений - это воплощение идеализированных представлений о них. Идеализация, как правило, состоит в пренебрежении влияния некоторых «внешних» факторов. К сожалению, чем проще изучаемая теория, тем больше приближений она содержит, и тем сложнее в натурном эксперименте воспроизвести условия, при которых нивелируются все нежелательные факторы. Поэтому чем проще теория, тем труднее реализовать подтверждающий ее эксперимент. Но знание комплекса простых теорий является необходимым базисом для формирования компетенций современного физика. Компьютерные моделирующие работы позволяют воспроизводить идеальные теоретические модели в чистом виде (без искажений и поправок), поэтому могут наилучшим образом иллюстрировать как сложные, так и простые теории. Изучая теоретические модели с помощью компьютерных моделирующих лабораторных работ систематически от простых к сложным, у учащиеся формируются навыки изучения физических моделей. Если моделировать только сложные процессы, нарушается принцип систематичности в изучении моделей (возникает неверная ассоциация: моделирование - атрибут сложных, не решающихся аналитически процессов), формируется однобокость в восприятии такого универсального метода как моделирование. Сопоставление аналитических выкладок с компьютерной реализацией данной модели раскрывает физический смысл абстрактного математического аппарата физической теории; формирует физическую интуицию. Так закладываются основы компетентности физического моделирования. В развитии данной компетентности нуждаются как будущие теоретики, так и экспериментаторы. Имея опыт изучения различных теоретических моделей, экспериментатору будет легче сопоставить полученные им оригинальные результаты с одной из существующих теорий, обосновать границы применимости выбранной им теории, тем самым активно продвигаясь по пути неизведанного в науке.
Поэтому основной целью компьютерных моделирующих лабораторных работ следует считать формирование навыков целостного исследования теоретических моделей в частности и теоретического материала данной учебной дисциплины вообще [200, 201], не замещая лекционные и практические занятия, а, дополняя их новой формой учебной деятельности, которая до сих пор мало применялась при изучении теоретического материала. Данная цель является конкретной, узко специфической. Но через ее реализацию открываются возможности для реализации более общих педагогических целей преподавания физики [176]: развить интеллект обучаемого, его творческую индивидуальность; сформировать научное мировоззрение и активную жизненную позицию; научить глубоко и правильно понимать сущность физических явлений на основе логически упорядоченных знаний; помочь понять единство и стройность физического мира, логику и взаимосвязь явлений природы; сформировать фундаментальный базис, необходимый для изучения общетехнических и специальных дисциплин.
Для реализации поставленной цели необходимо учесть, какие мотиваци-онные факторы могут способствовать ее достижению [227]. Факторы, влияющие на повышение мотивации и активации познавательной деятельности, можно условно разделить на три категории: предшествующие, текущие и перспективные. Очевидно, что если в предлагаемой учебной деятельности учащиеся находят опору на свой предыдущий жизненный, учебный, научно-исследовательский опыт, субъективная ценность такой деятельности повышается. В этой связи хочется выделить роль межпредметных связей [186] и компьютерной грамотности обучаемых [38,262].
Одним из основных достоинств компьютерных лабораторных работ долгое время считалось формирование компьютерной грамотности учащихся (А.В. Худякова). Социологические исследования (например, Э. Фаустова, МГУ [254]) показали, что благодаря всеобщей информатизации среднего образования выпускники средних школ достаточно свободно владеют компьютером. Поэтому компьютерная грамотность из цели применения компьютерных лабораторных работ превратилась в ее базис [86, 54, 182, 221]. Поэтому предлагаемая при выполнении компьютерных лабораторных работ учебная деятельность должна открывать возможности применения навыков работы на компьютере, то есть характер общения обучаемого с учебным программным средством должен предполагать определенный уровень компьютерной грамотности. При разработке компьютерных моделирующих лабораторных работ необходимо учитывать, что уровень компьютерной грамотности обучаемых постоянно растет. При подготовке к работе многие действия, связанные с выполнением определенных операций на компьютере, являются для обучаемых очевидными. Поэтому перед началом проектирования необходимо достаточно отчетливо представлять базовый уровень компьютерной грамотности обучаемых, которые будут выполнять данную работу. Отметим в этой связи, что в Институте дистанционного образования ТГУ в 1998 г. был разработан комплект виртуальных лабораторных работ [60, 62, 208] с учетом имевшегося на тот момент уровня компьютерной грамотности. Несмотря на непродолжительный срок, прошедший с того времени, уровень грамотности студентов по использованию компьютерной техники существенно возрос, поэтому активность и заинтересованность студентов при выполнении данных работ упала. Для повышения мотивации выполнения данных работ (а, следовательно, и их педагогической ценности) может быть полезна модернизация программного продукта на той же содержательной основе, но с учетом нового уровня компьютерной грамотности студентов.
Аналогично обстоит дело и с использованием межпредметных связей. Когда учащиеся видят необходимость применения имеющихся у них знаний, полученных в процессе изучения других дисциплин, интерес, а, следовательно, мотивация и активизация учебной деятельности возрастает. В процессе изучения теоретических моделей наиболее очевидными являются межпредметные связи с математическими дисциплинами, но при осмыслении физической модели большое значение также играют философские рассуждения.
Среди мотивационных факторов, предшествующих деятельности связанной с изучением физических дисциплин, первостепенное значение имеет физический опыт [144]. Как правило, большинство студентов, придя в вуз, уже имеет некоторый опыт выполнения физических опытов, который был ими приобретен в средней школе. Этот опыт накапливался как путем наблюдения за демонстрационными экспериментами учителя, так и в рамках школьного лабораторного практикума. Опыт проведения экспериментальных исследований в школе, конечно, не может считаться достаточным, он требует развития и совершенствования, но адекватная его оценка способствует повышению мотивации опирающейся на него деятельности.
Для повышения активации и мотивации изучения физических моделей не достаточно учитывать только предыдущий опыт обучаемых. Необходимо, чтобы перед началом выполнения учебных действий с компьютерной программой обучающийся осознал новизну теоретического материала, находящуюся в зоне его ближайшего развития. Эти новые качества могут относить ся и к физическому содержанию, и к наполнености межпредметных связей, и к развитию компьютерной грамотности [50, 174,231].
Субъективное психологическое восприятие студентами компьютерных моделирующих лабораторных работ по физике
Для изучения влияния компьютерных моделирующих лабораторных работ на психологическое состояние учащихся среди студентов, обучающихся на кафедре ТиЭФ, проводился опрос «Субъективная оценка учебного содержания компьютерных моделирующих лабораторных работ по физике». В опросе принимали участие студенты первого-второго курса следующих факультетов: АВТФ, ЭЛТИ, ЭФФ. Опрос носил выборочный характер и проводился в течение всего периода обучения. Из 350 студентов было опрошено 118. Студентам предлагали ответить на вопросы анкеты сразу после выполнения компьютерной лабораторной работы.
В ходе опроса студентам было предложено ответить на следующие вопросы: 1. Узнали ли Вы что-то новое при подготовке к компьютерной лабораторной работе? 2. Показался ли Вам трудным теоретический материал компьютерной лабораторной работы? 3. Стал ли теоретический материал более понятным после выполнения работы? 4. Показалось ли Вам выполнение компьютерной лабораторной работы интересным? 5. Хотели бы Вы выполнить еще одну компьютерную лабораторную работу? 6. Какое количество компьютерных лабораторных работ Вы уже выполнили? Статистическая обработка результатов опроса позволила получить следующие результаты и сделать следующие выводы.
Предлагаемый комплект компьютерных лабораторных работ обладает определенной информативностью поскольку, несмотря на то, что большинство тем, рассматриваемых в компьютерных работах, являются традиционными для курса общей физики, примерно треть (34%) опрошенных отметили, что узнали много нового при подготовке к работе. Подготовка к работе осуществлялась путем изучения методических пособий, составленных автором диссертационного исследования в соавторстве с Кравченко Н.С. и под редакцией профессора Москалева В,А.. Большинство студентов (59%) при изучении методических пособий выделили некоторое количество новых знаний при опоре на известные им аспекты. Следует отметить, что именно это направление было выбрано ведущим при разработке методических пособий. Полученные результаты можно считать подтверждением правильности выбранной авторами концепции разработки методических пособий.
Только 8% студентов считают изложенный в методических пособиях материал трудным. Для основной массы (92%) самостоятельное изучение материала оказалось посильным. 57% испытали некоторые трудности при подготовке к работе, что хорошо коррелирует с наличием определенной доли нового материала. Более трети опрошенных (35%) сочли теоретический материал простым, что говорит о его логической выстроенности и доступности.
Как и при выполнении натурных лабораторных работ, после изучения теоретического материала и получения допуска к выполнению лабораторной работы не все вопросы, относящиеся к данной работе, становятся до конца понятыми. В процессе выполнения работы студент должен окончательно разобраться с изучаемым материалом. Для компьютерных моделирующих лабораторных работ, направленных на изучение физических теоретических моделей, это особенно актуально. После выполнения компьютерных лабораторных работ 63% студентов подтвердили, что теперь (после выполнения работы) полностью поняли теоретический материал, на котором основана работа. 31% опрошенных отметили, что теоретический материал стал немного понятнее, но остались неясности. Это связано с тем, что опрос проводился непосредственно после выполнения работы на компьютере. В это время большинство студентов еще не выполнили окончательную обработку результатов.
Опрос выявил явный интерес студентов к выполнению компьютерных моделирующих лабораторных работ. Студенты отметили, что выполнять работу было: очень интересно -23%; интересно - 57%; не очень интересно -17%; не интересно - 2% и скучно - 1 %.
Поскольку респонденты для опроса из всех выполнявших компьютерные моделирующие лабораторные работы выбирались случайным образом, на момент опроса каждый студент имел различный опыт выполнения компьютерных моделирующих работ. Студенты опрашивались как после выполнения первой работы, так и в середине цикла (после 2-Зх работ), и в конце цикла - после выполнения всех работ. Приведенные на диаграмме результаты (Рис. 15) говорят не о том, что в большинстве своем опрашивались студенты, сделавшие 2-3 работы. В опросе участвовали студенты разных факультетов. На лабораторный практикум на каждом факультете отводится разное количество часов. Поэтому в отведенных рамках одни студенты могут выполнить по две, другие по три-четыре, а третьи даже по пять-шесть работ. Никаких ограничений на количество и долю компьютерных лабораторных работ в рамках лабораторного практикума не накладывалось. Преподаватели могли назначать любое количество компьютерных работ. Полученные результаты свидетельствуют о распределении количества компьютерных лабораторных работ по кафедре в целом. В основном преподаватели назначают 2-3 компьютерные моделирующие лабораторные работы, что составляет примерно 30-40% от общего количества лабораторных работ в семестре.
Несмотря на то, что многие студенты (40%) на момент опроса сделали уже более двух работ, подавляющее большинство (73%) хотели бы выполнить еще одну компьютерную лабораторную работу. Такие результаты говорят о высоком потенциале такого программного дидактического средства как компьютерные моделирующие лабораторные работы.
Из полученных результатов вытекает следующая задача педагогического эксперимента. Приведет ли повышение интереса к выполнению компьютерных лабораторных работ к повышению интереса к изучаемому в них материалу, и как это отразится на усвоении этого материала.
Для проверки влияния выполнения компьютерных лабораторных работ на усвоение материала по отдельным темам был проведен пробный педагогический эксперимент, который включал в себя тестирование студентов по материалу одной темы. Для проведения эксперимента были выбраны две темы «Движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях» и «Колебания». Тестовые задания по этим темам включали как материал школьного курса физики, так и материал курса общей физики вуза. Первый этап тестирования проводился после того как лекционный материал по данной теме был прочитан. Второе контрольное тестирование проводилось после выполнения лабораторных работ (в конце семестра). Для нивелирования влияния преподавателя на результаты тестирования для проведения эксперимента были выбраны группы, занятия в которых ведут разные преподаватели.
