Содержание к диссертации
Введение
1. Роль индивидуальных творческих заданий в формировании специалиста 11
1.1. Понятие индивидуального творческого задания 11
1.2. Акмеологический аспект индивидуальных творческих заданий 12
1.3. Индивидуальные творческие задания как средство формирования личности 16
1.4. Индивидуальные творческие задания как средство углубления знаний физики и информатики 19
1.5. Индивидуальные творческие задания как средство интеграции физики и информатики 20
1.6. Задачи и проблемы компьютерных обучающих систем 24
1.7. Спецификация заданий по разработке элементов обучающих систем -основная проблема ИТЗ 32
Выводы 34
2. Базовые составляющие спецификации ИТЗ по разработке элементов обучающих систем 36
2.1. Информационные потоки и пространства, кванты информации и другие понятия 37
2.2. Спецификация ИТЗ по разработке обучающих систем на основе понятия информационного потока 41
2.2.1. Разметка информационного пространства 42
2.2.2. Форматирование СИЛО 44
2.2.3. Квантование СИЛО 47
2.2.4. Распределение СИЛО 54
2.2.5. Конкатенация СИЛО 56
2.2.6. Шлюзование информационных потоков 57
2.2.7. Слияние информационных потоков 58
2.3. Задачи организации процесса виртуального обучения 58
2.3.1. Режиссура в компьютерных обучающих системах 58
2.3.2. Куски и задачи 60
2.3.3. Круги внимания 64
2.3.4. Темпоритм 65
2.3.5. Сверхзадача и сквозное действие 66
2.4. Спецификация задач разработки информационных систем на основе
принципа инвариантности 68
2.4.1. Мощность и энергия информационного потока 68
2.4.2. Семантическая сущность обучающих систем 70
2.4.3. Геометрический подход к описанию семантической информации 73
Выводы 79
3. Экспериментальная оценка роли спецификации индивидуальных заданий в творческой активности студентов 80
3.1. Методические и психолого-педагогические основы спецификации при разработке систем мультимедийной поддержки лабораторного практикума по физике 80
3.1.1. Использование виртуального лабораторного практикума в учебном процессе на примере моделирования лабораторной работы «Определение момента инерции маятника Обербека» 81
3.1.2. Реализация основных дидактических принципов обучения с помощью виртуальной модели лабораторной работы «Исследование зависимости упругих колебаний от массы тела» 87
3.2. Стимулирующая роль ИТЗ по разработке обучающих систем в освоении курса общей физики 94
3.3. Методы оценки творческой инициативы студентов при разработке обучающих систем96
3.4. Анализ примеров индивидуальных творческих заданий по разработке автоматизированных обучающих систем по физике 99
3.5. Количественное описание спецификации 115
3.6. Индивидуальные творческие задания и студенческие научные конференции 122
3.7. Согласование выполнения заданий по разработке элементов обучающих систем с учебным графиком физики и информатики в техническом вузе 126
Выводы 135
Заключение 136
Литература 138
Приложение 1. Итоги проверки глубины знаний по темам свободные, затухающие и вынужденные колебания 161
Приложение 2. Тематика докладов студентов факультета КТАС (ОАПП) в
студенческих научных конференциях КубГТУ в 1995-2004 годах 165
Приложение 3. Оценка средних значений показателя степени спецификации на основе работ участников студенческих конференций 184
Приложение 4. Примеры функциональных элементов обучения в студенческих разработках 186
- Понятие индивидуального творческого задания
- Информационные потоки и пространства, кванты информации и другие понятия
- Методические и психолого-педагогические основы спецификации при разработке систем мультимедийной поддержки лабораторного практикума по физике
Введение к работе
Актуальность исследования. Положение министерства образования РФ об образовательном учреждении высшего профессионального образования гласит: «основными задачами высшего учебного заведения являются:
а) удовлетворение потребности личности в интеллектуальном, культурном и нравственном развитии посредством получения высшего и послевузовского профессионального образования;
б) удовлетворение потребности общества и государства в квалифицированных специалистах с высшим образованием и научно-педагогических кадрах высшей квалификации».
Усиливающаяся в последнее время дифференциация уровня базовых знаний по физике и математике среди студентов естественнонаучных и технических специальностей ставит перед методикой преподавания физики задачу сохранения и умножения творческого потенциала студентов. Именно решение этой задачи должно обеспечить отечественную науку элитой научной и технической интеллигенции, творчески мыслящей, способной решать задачи государственного уровня.
Сложившаяся за последнее десятилетие практика разработки студентами обучающих систем с использованием информационных технологий дает в руки преподавателя физики инструмент привлечения к творческой работе высокого уровня студентов младших курсов уже на начальном этапе обучения, стимулирует более глубокое освоения и физики, и информатики. В сущности, речь идет о естественном процессе интеграции физики и информатики на основе индивидуальных творческих заданий по разработке элементов автоматизированных обучающих систем по физике.
Однако на пути такой интеграции все больше проявляется противоречие между широкими возможностями информационных технологий в развитии методики обучения физике и практически полным отсутствием методов спецификации заданий по разработке информационных обучающих систем.
Спецификация как последовательность подлежащих решению задач является обязательным атрибутом заказа на изготовление любого изделия, отвечающего заранее заданным свойствам. Между тем, терминологическая база, необходимая для описания задач, подлежащих решению при разработке обучающих систем, практически отсутствует. Нет даже достаточно полного исследования области определения такой терминологии. В разработке терминологии заинтересованы, прежде всего, преподаватели физики, являющиеся заказчиками наиболее трудоемких, насыщенных сложными конструктивными решениями задач. Существенным препятствием является и отсутствие какой-либо согласованности между курсами физики и информатики. Индивидуальные творческие задания по разработке обучающих систем по физике представляют собой один из путей согласования этих курсов.
Отмеченное противоречие определило цель исследования: разработка методики разработки индивидуальных творческих заданий по курсу общей физики в высшей школе.
Актуальность поставленной задачи определяется необходимостью повышения уровня физического образования в технологических вузах.
Объектом исследования явился процесс обучения курсу общей физики в техническом вузе.
Предмет исследования — индивидуальные творческие задания по курсу общей физики высшей школы в технологическом вузе.
Гипотеза исследования заключалась в предположении, что исследование индивидуальных заданий по разработке элементов обучающих систем определит пути стимулирования творческой активности студентов в области информационных технологий, обеспечит более глубокое понимание моделируемых физических процессов, и создаст, в конечном итоге, условия для формирования специалистов высокого уровня.
Сформулированная гипотеза определила задачи исследования: - произвести теоретическое и экспериментальное исследование целесообразности использования индивидуальных творческих заданий по разра ботке информационных обучающих систем как средства подготовки специалистов высокой квалификации;
- разработать методы спецификации индивидуальных творческих заданий по разработке элементов информационных обучающих систем;
- разработать методы экспериментальной оценки творческой активности студентов при выполнении индивидуальных заданий и их влияния на глубину изучения физики.
Методологическую основу исследования составили:
- системный подход к проблеме подготовки высококлассных специалистов в условиях возрастающей дифференциации базовой подготовки студентов, включающий в себя акмеологию в качестве теоретической основы целесообразности индивидуальных творческих заданий;
- методология описания информационных семантических систем (Солома-тин Н.М.);
- работы по исследованию научно-методических основ применения информационных технологий в обучении (Колягин Ю.М., Околелов О.П., Столяров Б.А.);
- работы по методологии педагогических исследований (Арсеньев A.M., Данилов М.А., Есипов Б.П., Новожилов Э.Д.);
- работы в области психологии восприятия (Рубинштейн С.Л.).
Для решения поставленных задач использовались следующие методы. 1. Теоретические: анализ путей формирования личности в процессе обучения в вузе; поиск условий активизации усилий студентов по ликвидации личного дефицита необходимых знаний; анализ роли индивидуальных творческих заданий в повышении уровня подготовки специалистов; анализ педагогических и методических задач, решаемых в процессе разработки автоматизированных обучающих систем; анализ методов описания информационных семантических систем и их сравнение с геометрическими характеристиками Риманова пространства.
2. Эмпирические: индивидуальное собеседование, анкетирование; анализ недостатков в подготовке индивидуальных творческих заданий по разработке элементов обучающих систем; экспериментальное исследование роли спецификации заданий в проявлении творческой активности студентов. Научная новизна и теоретическая значимость работы состоит в том, что:
1) Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена положительная роль индивидуальных творческих заданий по разработке элементов обучающих систем по физике в повышении уровня подготовки по физике, развитии творческого воображения и формировании чувства гражданской ответственности - личных качеств, необходимых для профессионального роста специалиста;
2) определены новые понятия и уточнены уже использовавшиеся ранее понятия, составляющие основу спецификации индивидуальных творческих заданий.
Практическая значимость работы состоит
1) в обосновании возможности развития творчества студентов, подготовки высококлассных специалистов путем их привлечения к разработке обучающих систем по курсу общей физики высшей школы;
2) в разработке методики подготовки индивидуальных творческих заданий по курсу общей физики высшей школы;
3) в разработке методов оценки реального творческого роста студентов в процессе выполнения индивидуального творческого задания: «коэффициент творческой активности» и количественная характеристика спецификации.
Результаты исследования внедрены в учебный процесс Кубанского государственного технологического университета, опубликованы в центральной и региональной печати, обсуждались на региональных, всероссийских и международных научных и научно-практических конференциях.
На защиту выносятся:
1. Теоретическое и экспериментальное обоснование целесообразности индивидуальных творческих заданий по разработке обучающих систем по курсу общей физики высшей школы как средства подготовки специалистов высокого уровня.
2. Методы спецификации индивидуальных творческих заданий, ориентированных на разработку элементов информационных обучающих систем по физике.
3. Методы экспериментальной оценки творческой активности студентов в процессе работы над интегрированным творческим заданием по физике и информатике по разработке элементов автоматизированных обучающих систем.
4. Апробация результатов работы. Основные результаты работы опубликованы в центральной печати (в сборниках научных трудов РГПУ им. Герцена, С.-Петербург, в журналах Российской Академии Естествознания: «Успехи современного естествознания» и «Современные наукоемкие технологии»); в региональной печати (ОИПЦ «Перспективы образования», г. Краснодар); на всероссийских научных и научно-методических конференциях (V, VI и VII научно-практические конференции, Краснодар, КубГТУ, 1999, 2000 и 2001, V научно-практическая, Краснодар, КубГУ, 2000); международных конференциях (Чернигов, ОИППРО, 1996, «Человек в информационном пространстве», Краснодар, 2000, VI международной конференции «Экология и здоровье. Экологическое образование. Математические модели и информационные технологии», Краснодар, 2001». XV Международная Конференция «Применение новых технологий в образовании», г. Троицк, 2004), заочные электронные конференции РАЕ в октябре — ноябре 2004 г.
Результаты работы использовались при разработке систем компьютерной поддержки лабораторного практикума по физике в Кубанском государственном технологическом университете.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 19 работах - 1 учебное и 1 методическое пособие, 17 научных и методических статей.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 188 с. состоит из введения, трех разделов, заключения и трех приложений. Список литературы включает 186 наименований. Основной объем диссертации - 137 с, включая 46 рисунков и 24 таблицы.
Понятие индивидуального творческого задания
Понятие индивидуального творческого задания, несмотря на чрезвычайно широкое использование в педагогической практике, является одним из трудно определяемых понятий в силу свойств любого задания. В самом деле:
1) любое задание предполагает индивидуальные усилия по решению поставленных задач;
2) решение любого задания носит отпечаток индивидуальности ее исполнителя;
3) любая задача для каждого ее исполнителя является творческой, т.к. предполагает наличие неопределенности хода своего решения.
Тем не менее, педагогика выделяет творческие задачи в особый класс задач, исходя, прежде всего, из уровня неопределенности хода решения. В «Современном словаре по педагогике» Е.С. Рапацевича [35] творческая задача определяется как задача, «для решения которой в науке или в голове человека до сих пор (до ее решения) нет общепринятых правил и положений, определяющих точную программу ее решения».
В качестве собирательного слова, обозначающего общепринятые правила, положения, последовательность действий и т.п., удобно, на наш взгляд, использовать заимствованное из французского, но получившее широкое распространение в русском языке, слово «регламент». В толковом словаре русского языка под редакцией Б.М. Волина и Д.Н. Ушакова [98] это слово разъясняется как «устав, свод правил, устанавливающий порядок работы или деятельности».
Под индивидуальным творческим заданием (ИТЗ) мы будем понимать последовательность частично регламентированных задач, имеющих уникальное решение, определяемое индивидуальными способностями исполнителя (знаниями, умениями, навыками и природными способностями). Мы говорим о последовательности, а не о простом перечне задач, т.к. возможности творческого развития процесса моделирования часто определяются предшествующим порядком исполнения задания.
Частичное регламентирование задач определяет фарватер, в русле которого должен следовать исполнитель, применяя свои способности для достижения поставленной цели. Излишняя регламентация препятствует естественному проявлению индивидуальных способностей исполнителя, а отсутствие или недостаточность такой регламентации по отношению к поставленной задаче порождает непрофессиональное решение.
Если речь идет об информатике как учебной дисциплине, то творческая составляющая даже в учебных задачах на применение компьютерных технологий может быть очень высока в силу множественности путей их решения. Основным отличием ИТЗ по разработке обучающих систем по физике от учебных задач с множественным набором путей их решения мы будем считать полную неопределенность конечного результата до завершения всех этапов творческого поиска. Очевидно, что такого рода студенческая деятельность нуждается в более сильной мотивации, чем работа над обычными учебными заданиями. Одним из сильнейших мотивов особенно в студенческом возрасте можно считать социальный заказ, дающий ощущение собственной полезности и, следовательно, состоятельности как личности, как специалиста.
Роль, которую должны играть ИТЗ в процессе профессионального становления специалиста, достижения им высшей точки профессиональной подготовки, заставляют считать их составной частью акмеологии - науки, изучающей феноменологию, закономерности и механизмы развития человека на ступени его профессиональной зрелости [7, 21, 71, 150].
Информационные потоки и пространства, кванты информации и другие понятия
При описании обучающих систем часто используются многочисленные понятия, смысл которых предполагается авторами очевидным и не требующим каких-либо определений. К ним относятся понятия информационных потоков, информационного пространства, информационного поля и совсем уж физическое понятие кванта информации.
В большинстве случаев эти понятия не определяются вовсе и лишь в некоторых случаях из контекста можно догадаться о смысле, вкладываемом автором в то или иное понятие.
Рассмотрим сначала понятие информационного потока. В кибернетике, в которой, по-видимому, следует искать формальную основу для описания средств управления обучением, информационный поток не определяется строго, но, тем не менее, его трактовка представляется достаточно ясной [46]. Под информационным потоком (потоком информации) понимается входной сигнал x(t) (входной поток) и получающийся в результате переработки информации выходной поток y{i), т.е. множество параметров (функций времени), определяющих входную или выходную информацию.
Между тем ни эти, ни какие-либо другие свойства информационного потока, как правило, не используются при описании и разработке информационных обучающих систем [29].
В обучающей же системе, особенно, если рассматривать ее как последовательное воздействие методами традиционных и информационных технологий, информационный поток нельзя рассматривать в отрыве от задач образования и воспитания. Информационный поток в обучении обязан иметь сложную структуру, так как направлен на повышение эффективности процесса обучения. Цели и задачи обучения могут быть достигнуты и решены только на пути учета всего множества факторов, влияющих на восприятие учащимся учебного материала.
О сложности и недостаточной ясности в структуре информационного потока в обучении достаточно четко сказано в работе [38].
«Проблемы развития познавательной самостоятельности в рамках новых технологий нельзя отнести к числу хорошо изученных. В частности, в научной литературе мы не нашли ответов на следующие вопросы становления субъектности студента:
как зависят перцептивные, мнемонические и ментальные методы учения от разновидности технологий обучения;
как именно влияют методы учения на его мотивацию;
каким именно способом влияют методы учения на уровень овладения изучаемым предметом;
как именно рост самостоятельности в принятии решений влияет на уровень самооценки и в целом способствует личностному росту».
И это только небольшая часть вопросов, на которые следует ответить, прежде чем говорить о действительно эффективной информатизации процесса обучения.
Следующее понятие, заимствованное из физики и весьма часто употребляемое по отношению к учебному материалу в автоматизированных обучающих системах, — это понятие кванта информации. Большинство авторов не пытаются дать определение или как-нибудь разъяснить, какой смысл они вкладывают в понятие «кванта информации». Одно из немногих разъяснений этого понятия содержится в работе [29]. «Учебный материал разделен на кванты (в форме страниц, абзацев, фраз, терминов, рисунков, схем, алгоритмов, видеофильмов, мультфильмов), содержащие обыкновенную и ключевую информацию». Или: «Кванты обучающей информации — информация, подлежащая восприятию, переработке и усвоению с целью ее дальнейшего использования в процессе выполнения заданий. Задания - кванты информации, требующие от обучаемого не только визуального восприятия и переработки, но и выполнения самостоятельных действий».
В сущности, большинство исследователей вкладывают в понятие кванта информации «доквантовые» - квазиклассические - представления о нем, как о порции чего-то. Между тем уже в полуклассической Боровский теории атома понятию кванта приписывается гораздо более глубокий смысл, который больше соответствует задачам обучения. Квант в понимании квантовой физики — это свойство всей системы, а не только электромагнитного излучения, поглощаемого или испускаемого атомом. В соответствии с задачами обучения под квантом информации следует понимать наименьшую дозу информации, восприятие которой возможно только во всей совокупности ее составляющих (подобно энергетическому кванту, который поглощается только целиком).
Методические и психолого-педагогические основы спецификации при разработке систем мультимедийной поддержки лабораторного практикума по физике
При изучении физики на физическом факультете университета, где физика является как дисциплиной общего курса, так и дисциплиной специализации, на лабораторный практикум отводится в среднем 4 академических часа (две пары) в неделю. Обычно четырехчасовое лабораторное занятие посвящено выполнению одной лабораторной работы, включая эксперимент, обработку результатов и защиту проделанной работы. При таком количестве времени студент успевает выполнить в аудитории все виды работы, необходимые для освоения практической части курса физики. В технологическом университете физика является дисциплиной общего курса и по учебным планам на лабораторно-практическую часть отводится от 18 до 36 академических часов в семестр, в зависимости от специальности, то есть от одной пары в неделю до 1 пары в две недели. На каждом лабораторном занятии (2 академических часа или 1 пара) предусмотрено выполнение и отчет по одной лабораторной работе. Распределение рабочего времени студента по видам деятельности при выполнении одной лабораторной работы приведено в табл. 6.
Тенденция к сокращению аудиторного времени, отводимого на изучение дисциплин общего курса, приводит к проблеме пересмотра методики проведения лабораторного практикума по физике. Одним из возможных решений может быть вынесение некоторых этапов проведения лабораторной работы на самостоятельную работу. Понятно, что сборка лабораторной установки и, собственно, экспериментальная часть работы не может быть проведена вне аудитории. Из аудиторного времени может быть выведен только подготовительный этап проведения и защиты работы, т.е. знакомство с теоретической частью эксперимента и описанием установки и ответы на контрольные вопросы. Время, необходимое на выполнение эксперимента, зависит от изучаемой темы и не всегда ограничивается цифрами, приведенными в табл. 6. Защита лабораторной работы традиционно проводится в форме собеседования, и в отведенный 7 минут могут уложиться только очень подготовленные студенты, безупречно выполнившие эксперимент и идеально оформившие результаты. Реально преподавателю часто приходится не только разъяснять студенту теоретические основы работы, но и перепроверять результаты эксперимента. Иногда студент после собеседования отправляется на повторное выполнение эксперимента. В этом случае студент попадает в разряд «задолжников», что создает определенные психологические трудности. Возникает задача отработки такой методики подготовки студента к лабораторной работе, которая позволит ему максимально эффективно использовать время, отведенное на выполнение эксперимента и защиту результатов. Одним из возможных решений поставленной задачи является создание виртуального лабораторного практикума, моделирующего реальный лабораторный эксперимент.
Основной задачей выполнения виртуального лабораторного эксперимента является подготовка студента к выполнению реального эксперимента. При разработке компьютерного практикума моделируется не только каждый этап выполнения работы, но и процесс защиты результатов. Нередко студенты начинают «изучение» описания лабораторной работы с пункта «порядок выполнения работы», что приводит к непониманию задачи работы. Выполнение каждой лабораторной работы призвано подтвердить справедливость теории, изложенной в лекционном курсе, а при таком подходе к обучению студент превращает практический этап изучения физики просто в еще один элемент отчетности.
