Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Состояние проблемы обучения студентов волновой оптике в условиях информатизации образования 16
1.1. Анализ современного состояния лабораторных практикумов по волновой оптике 16
1.2. Компьютерное моделирование как метод познания 32
1.3. Теоретические основы использования новых информационных технологий в профессиональном образовании 44
Выводы 59
ГЛАВА II Методика обучения студентов волновой оптике с использованием разработанной компьютерной программы поддержки лабораторного практикума 60
2.1. Теоретические основы создания компьютерной программы поддержки лабораторного практикума по волновой оптике и её содержание 60
2.2. Экспериментальная проверка закона Малюса 78
2.3. Исследование двухлучевой интерференции 85
2.4. Исследование многолучевой интерференции 92
2.5. Исследование свойств фазовых двоякопреломляющих пластинок 100
2.6. Исследование дифракции Фраунгофера на щели 111
2.7. Исследование суперпозиции электромагнитных волн с произвольной ориентацией их линий поляризации 118
2.8. Исследование суперпозиции электромагнитных волн с взаимно перпендикулярными линиями поляризации на примере опыта Араго и Френеля 135
2.9. Исследование суперпозиции электромагнитных волн с круговыми, линейными или эллиптическими поляризациями 148
2.10. Исследование суперпозиции электромагнитных волн с линейной и эллиптической поляризациями 165
2.11. Организация и проведение лабораторного практикума по волной оптике с использованием разработанной компьютерной программы поддержки 179
Выводы 195
ГЛАВА III. Описание педагогического эксперимента и его результаты 196
Выводы 204
Заключение 205
Список литературы 207
Приложение 1 220
- Анализ современного состояния лабораторных практикумов по волновой оптике
- Теоретические основы создания компьютерной программы поддержки лабораторного практикума по волновой оптике и её содержание
- Описание педагогического эксперимента и его результаты
Введение к работе
Качество профессионального образования определяется тем, насколько оно соответствует текущим и перспективным задачам социально-экономического развития общества.
«Образовательной политикой России на современном этапе (о модернизации образования)» определено, что высшие учебные заведения должны обеспечивать высокий уровень усвоения совокупности фундаментальных и специальных знаний и умений, гарантирующий формирование готовности студентов к будущей профессиональной деятельности.
Необходимость приоритетного развития образования в настоящее время обусловлена научно-техническим прогрессом и глобальной технологизацией передовых стран мира. Уровень современного производства, науки и техники, а также социальные преобразования определяют заинтересованность общества в подготовке конкурентоспособного, высококвалифицированного, интеллектуального и инициативного специалиста с развитым творческим мышлением.
Современное образование находится в стадии динамичного обновления, на пороге смены парадигм, причем, в соответствии с прогнозом развития и общества, и образования, наступивший век будет характеризоваться двумя основными тенденциями: гуманистичностью и технологичностью. Необходимость гуманизации как основной тенденции в модернизации образования точно сформулирована Д.Лихачевым: «Двадцать первый век должен стать веком гуманитарного мышления или его не будет совсем».
Однако гуманитаризация не означает уменьшение числа часов, отводимых на изучение естественных дисциплин по сравнению с гуманитарными. Тем не менее, образовательная практика очень часто идет именно по такому пути. К примеру, объем курса физики в технических вузах с конца 50-х и до начала 90-х гг. сократился в среднем вдвое, в 90-е гг. дальнейшее его сокращение продолжилось. Такой подход - абсолютно неправомерен, поскольку физика обладает громадным потенциалом для общего образования и интеллектуального
развития будущих специалистов. Кроме того, физика - дисциплина базовая, необходимая для формирования адекватного информационного образа мира в сознании человека. Возрастает актуальность повышения не только качества подготовки специалистов и уровня образованности людей, но и формирования нового типа интеллекта, иного образа и способа мышления, приспособленного к весьма быстро меняющимся экономическим, технологическим, социальным и информационным реалиям окружающего мира.
Для формирования современного специалиста способного осваивать и новое производство, и перспективные технологии, аккумулирующих передовые достижения научно-технической мысли, в первую очередь, следует обеспечить качественное изменение подготовки студентов, ориентируя ее на современные достижения науки и техники, углубленное изучение и понимание базовых дисциплин, развитие творческих и организационных навыков будущих специалистов. Так же важно воспитать потребность самостоятельно приобретать знание не только в вузе, но и в течение всей жизни.
Оптика как учение о свете занимает одно из важнейших мест в преподавании общего курса физики вузов. Теоретической базой изложения волновой оптики является теория электромагнитного поля и его взаимодействие с веществом. В связи с этим в процессе обучения ставится важнейшая задача: связать изучение оптических явлений с электромагнитной теорией Максвелла и утвердить взгляд обучаемых на оптические волновые явления как на электромагнитные, вскрыть глубокое физическое единство их и природы. Выполнению поставленной задачи в значительной степени может способствовать современный лабораторный практикум, в котором различные оптические явления экспериментально исследуются не только в области узкого оптического диапазона, но и в радиодиапазоне электромагнитных волн. Применение только одного оптического диапазона в качестве демонстрационного и лабораторного эксперимента является, по мнению многих методистов, недостаточным. Значительное распространение в физическом эксперименте по волновой оптике получило примене-
ниє радиофизического диапазона электромагнитных волн (А, = 3,2 см). Применению сантиметровых электромагнитных волн как экспериментальной базы в процессе обучения волновой оптики посвящены работы Н.И.Калитиевского, Н.Н.Малова, В.В.Майера, Н.Я.Молоткова, Б.ШПеркальскиса, НМ.Шахма-ева, С.Е.Каменецкого и др. Одна из первых исследовательских работ, посвященных разработке физического практикума по электромагнитным волнам, выполнена в МГУ в 1967 году Л.П.Стрелковой. В этих работах показано, что радиофизический диапазон в преподавании оптики позволяет повысить наглядность изучаемых процессов. Исследования Р.Арнхейм, Е.Ю.Артемьевой, В.В.Славина, С.Е.Каменецкого, Г.Г.Громыко, В.И.Евдокимова, Н.Я.Молоткова, В.П.Зинченко, Е.Н.Кабановой-Меллер, Н.С.Пурышевой, И.СЯкиманскои, А.А.Червовой и др. показывают, что наглядность не только способствует более успешному восприятию и запоминанию учебного материала, но и позволяет активизировать мыслительную деятельность, глубже проникать в сущность изучаемых явлений.
Использование в эксперименте двух диапазонов волн (оптического и радиофизического) позволяет выяснить то общее, что есть между электромагнитными и световыми волнами, показать, как знание одних может способствовать пониманию других. Следует также отметить, что радиофизический диапазон волн позволяет доступными средствами расширить круг оптических явлений, исследуемых экспериментально, что способствует глубокому пониманию студентами многих сложных оптических явлений. Эксперимент в сантиметровом диапазоне электромагнитных волн позволяет исследовать «механизмы» многих волновых процессов на отрезках сравнимых и меньших, чем длина волны.
Натурный лабораторный практикум по волновой оптике в СВЧ диапазоне электромагнитных волн, разработанный профессором НЯ.Молотковым [78], совершенствовался на протяжении 10 лет и успешно внедрён в учебный процесс Тамбовского государственного технического университета. Трудности в его широком распространении состоят в том, что промышленность выпускает лишь источ-
ники и приёмники сантиметровых электромагнитных волн, что недостаточно для постановки лабораторного практикума для студентов. Кроме того, ввиду ограниченности учебного времени и сложности изучаемых явлений студенты на базе натурного эксперимента успевают исследовать явление не в полной мере, например, получить две, три интерференционные картины и несколько полярных диаграмм.
Результаты проведённого нами констатирующего этапа педагогического эксперимента показали следующее:
Подавляющее большинство студентов обладает репродуктивным знанием. Результаты входного тестирования показали, что раздел физики «Волновая оптика» усвоен студентами «посредственно».
Преподаватели, проводившие лабораторные работы по волновой оптике, считали необходимым расширение арсенала технических средств исследования волновых явлений.
Анализ мнений преподавателей кафедр физик ТГТУ, ВПГУ, Волжского инженерно-педагогического института позволил сделать вывод о том, что применение современных информационных технологий в лабораторном практикуме по волновой оптике является целесообразным и важным элементов компьютерной подготовки студентов в условиях информатизации практически всех сфер деятельности.
Действительно, в настоящее время благодаря компьютерному моделированию и в целом широчайшим возможностям современных персональных компьютеров стало возможным как повторять на качественно новом уровне учебные эксперименты, по праву считающиеся классическими, так и разрабатывать принципиально новые демонстрации и лабораторные работы. Кроме того, компьютерная программа может быть легко размножена, выложена в сети Интернет, что делает её общедоступной.
Проблема моделирования - одна из важнейших методологических проблем, выдвинутых на передний план развитием ряда естественных наук XX в., в
особенности физики, химии, кибернетики. В настоящее время интерес к моделям и моделированию стал всеобщим, и теперь нет, пожалуй, ни одной науки, ни одной отрасли знания, где не пытались бы говорить о моделях, заниматься моделированием [20]. Естественно, что моделирование и модельный компьютерный эксперимент не обошел вниманием и процесс образования.
Проблемы компьютеризации обучения рассматриваются в работах Ю.А.Воронина, Б.С.Гершунского, В.А.Ефимова, Л.А.Растригина, И.В.Роберт, Л.Н.Бахтияровой и А.А.Червовой [20, 23, 29, 40, 105, 106, 134] и др. Методы обучения с использованием компьютерной техники и программных средств компьютерного моделирования при изучении технологических дисциплин стали объектом исследования в работах В.И.Андреева, Ю.А.Воронина, Ю.А.Грушевского и В.А.Каторгина, И.И.Дрига и Г.И.Раха, Д.М.Клеймана, Н.А.Клещеевой, Г.М.Коджаспировой и К.В.Петрова, М.Ф.Посновой, О.К.Филатова [3, 22, 33, 37,57,58,59, 124] и др.
Сегодня персональный компьютер является необходимым и неотъемлемым элементом процесса подготовки студентов. Персональный компьютер всерьез и надолго нашел свое применение в качестве инструментального средства в процессе подготовки студентов, особенно при выполнении учебного эксперимента. Однако компьютерное обучение должно и может быть взаимосвязано с классическими методами обучения.
Обоснование необходимости и целесообразности внедрения компьютерной и микропроцессорной техники в учебную практику содержит два основных, тесно связанных между собой слагаемых.
Во-первых, огромные технико-операционные возможности компьютера несут в себе несравнимый с ранее применявшимися техническими средствами обучения дидактический материал, который может и должен быть реализован в учебном процессе.
Во-вторых, подлинная действенность научно-технического прогресса (а широкое применение компьютеров - одно из ярчайших его проявлений) в ре-
шающей степени зависит от подготовки кадров на уровне современных требований. Изучение и использование компьютерной техники в учебном процессе -важнейший компонент подготовки студентов к дальнейшей трудовой жизни. Нельзя не учитывать того, что для большинства выпускников высших учебных заведений будущая профессия так или иначе будет связана с компьютерами.
Важно отметить следующее. Физическая теория остается одним из наиболее трудных для усвоения студентами элементов содержания курса волновой оптики вследствие наличия в ней большого объема абстрактного материала. Изучение теоретических моделей без применения компьютерной реализации, которое практикуется при традиционном преподавании физики, сопряжено с рядом трудностей, связанных с абстрактным характером моделей. Не каждый студент за математическим аппаратом, описывающим физическую модель, может увидеть физическое явление. Даже если математический аппарат хорошо освоен обучаемыми, часто возникают трудности с переносом результатов исследования на физические (пусть даже идеализированные) объекты. Программная реализация модели (компьютерная модель), сопровождающаяся ее визуализацией, позволяет представить, как бы вел себя реальный объект, если бы действительно подчинялся законам, описанным в теории. Компьютерная модель позволяет воспроизвести поведение модели с той же долей идеализации и абстрагирования, которая заложена в физической теории и лучше понять её.
Вопросу разработки современного лабораторного практикума по волновой оптике посвящены работы, И.А.Осиповой, А.Ю.Канаевой, В.А.Ильина, А.А.Егорова, А.В.Селиверстова, В.В.Сперантова и др. Тем не менее, вопросы модернизации методики обучения студентов волновой оптике в СВЧ диапазоне с использованием компьютерной программы поддержки на современном этапе не нашли ещё должного отражения в педагогической науке и практике и требуют дополнительного исследования.
На основе анализа научной, методической литературы и диссертационных исследований, а также результатов констатирующего этапа эксперимента выявлены противоречия между:
необходимостью комплексного исследования волновых процессов и нехваткой учебного времени для проведения сложного эксперимента;
возможностями компьютерной поддержки обучения студентов вуза волновой оптике в СВЧ диапазоне и недостатком методически проработанных компьютерных средств поддержки;
Эти противоречия определили актуальность исследования и выбор его темы: «Модельный компьютерный эксперимент в лабораторном практикуме по волновой оптике в вузе».
Объектом исследования является процесс обучения студентов вуза волновой оптике в условиях информатизации образования.
Предмет исследования - модельный компьютерный эксперимент в лабораторном практикуме по волновой оптике в вузе.
Целью исследования является теоретическое обоснование и разработка методики обучения студентов волновой оптике с использованием компьютерной программы поддержки в рамках существующего натурного лабораторного практикума.
Гипотеза исследования заключается в том, что если разработать и внедрить в учебный процесс компьютерную программу поддержки лабораторного практикума по волновой оптике в СВЧ диапазоне электромагнитных волн, дополняющую натурный эксперимент, то это приведёт не только к интенсификации процесса обучения, повышению заинтересованности студентов в использовании компьютерных средств поддержки в будущей профессиональной деятельности, но и позволит добиться повышения их уровня знаний.
Задачи исследования:
1. Проанализировать современное состояние лабораторных практикумов по волновой оптике.
Рассмотреть теоретические основы использования компьютерных обучающих программ в профессиональном образовании.
Установить образовательные задачи, которые должны решаться при обучении студентов волновой оптике с применением компьютерной программы поддержки.
Сформулировать и обосновать требования к компьютерной программе поддержки используемой в процессе обучения студентов волновой оптике.
В соответствии с требованиями и образовательными задачами разработать компьютерную программу поддержки существующего натурного лабораторного практикума.
Разработать методику обучения студентов волновой оптике в диапазоне СВЧ с использованием разработанной компьютерной программы.
7. Экспериментально проверить гипотезу исследования.
Методологической н теоретической базой исследования являются ре
зультаты психолого-педагогических исследований в области теории развития
мышления (П.Я.Гальперин, А.Н.Леонтьев Л.С.Выготский, Н.Ф.Талызина и
др); фундаментальные работы по дидактике (Ю.К.Бабанский, В.П.Беспалько и
др.); работы в области моделирования (В.А.Веников, Ю.А.Воронин,
Я.Г.Неуймин, А.И.Уемов, Р.М.Чудинский, В.А.Штофф и др.); результаты иссле
дований по использованию современного учебного физического эксперимента в
обучении студентов физике (В.А.Буров, Ю.И.Дик, Б.С.Зворыкин, В.В.Майер,
А.А.Пинский, А.А.Червова, НЯ.Молотков, Н.М.Шахмаев и др).
В ходе исследования применялись следующие методы исследования и виды деятельности:
анализ методической, научно-технической и учебной литературы по проблеме исследования, компьютерных учебных программ, в том числе доступных через сеть Интернет;
обобщение и систематизация личного опыта и опыта коллег в области создания и использования компьютерных средств поддержки обучения;
проектирование и написание компьютерной программы поддержки лабораторного практикума;
разработка методики обучения студентов волновой оптике с использованием компьютерной программы поддержки;
проведение педагогического эксперимента и анализ его результатов;
обобщение и распространение результатов работы посредством публикаций, проведения занятий и ассистирования на лабораторных занятиях, участия в научно-методических конференциях.
Организация и основные этапы исследования:
Исследование проводилось в ГОУ ВПО Тамбовский государственный технический университет. Экспериментом было охвачено более 200 студентов кон-структорско-технологического факультета специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств». Диссертационное исследование, проводившееся в период с 2004 по 2007 гг., проходило в 3 этапа.
На первом этапе (2004-2005 г.г.) была выделена проблема и намечена тема исследования, определены объект, предмет, цель, гипотеза и задачи исследования; изучалось состояние проблемы в педагогической теории и практике, а именно: проводилось изучение и анализ научных исследований по проблеме исследования, изучался опыт передовой педагогической практики по применению моделей в демонстрационном и лабораторном эксперименте по волновой оптике, выявлялась целесообразность разработки и внедрения в учебный процесс компьютерной программы поддержки лабораторного практикума по волновой оптике.
На втором этапе (2005-2006 г.г.) были созданы организационные, материальные и методические условия для экспериментальной работы; установлены требования к компьютерной программе поддержки; определены образовательные задачи, решаемые при обучении студентов волновой оптике; предложена идея построения компьютерной программы поддержки лабораторного практикума; разработана компьютерная программа поддержки лабораторного практикума по волновой оптике в СВЧ диапазоне электромагнитных волн; разработана и
экспериментально апробирована методика обучения студентов волновой оптике с использованием разработанной компьютерной программы в Тамбовском государственном техническом университете.
На третьем этапе (2006-2007 г.г.) анализировались и обобщались результаты опытно-экспериментальной работы по исследованию влияния разработанной методики обучения студентов волновой оптике с использованием созданной компьютерной программы поддержки лабораторного практикума на уровень знаний студентов. Проведена систематизация, обобщение и статистическая обработка результатов педагогического эксперимента. Сформулированы выводы, завершено оформление диссертации.
Научная новизна исследования состоит в том, что:
Обоснована необходимость дополнения натурного лабораторного практикума по волновой оптике компьютерной программой поддержки.
Разработана компьютерная программа поддержки натурного лабораторного практикума по волновой оптике в СВЧ диапазоне электромагнитных волн, в которой представлен ряд опытов, не получивших широкого распространения в учебном процессе: интерференция двух когерентных волн с эллиптическими или круговыми поляризациями; опыт Араго и Френеля по интерференции поляризованных волн; интерференция двух когерентных волн с произвольной ориентацией их линий поляризации.
Разработана методика обучения студентов волновой оптике с использованием компьютерной программы поддержки лабораторного практикума, дополняющей натурный эксперимент.
Теоретическая значимость исследования:
1. Предложен подход к построению компьютерной программы поддержки лабораторного практикума по волновой оптике, который предполагает создание не отдельных учебных фрагментов (компьютерных программ-модулей), а цельных программных комплексов, обеспечивающих полноценную проработку учебного материала и включающих теоретический раздел, раздел модельного компь-
ютерного эксперимента, раздел компьютерного тестирования, разработанные в соответствии с определёнными требованиями и образовательными задачами.
2. Получили дальнейшее развитие теоретические основы методики обучения студентов волновой оптике с использованием новых информационных технологий. Обоснована необходимость и определено место использования компьютерного модельного эксперимента в учебном процессе при обучении волновой оптике.
Практическая значимость исследования:
Разработано 9 компьютерных лабораторных работ по волновой оптике в СВЧ диапазоне, доступных из общей программы-оболочки.
Разработаны учебные материалы по подготовке к компьютерным лабораторным работам.
Разработаны задания репродуктивного, проблемного и исследовательского типа с использованием разработанной компьютерной программы поддержки.
Разработаны тесты для проверки уровня знаний студентов по волновой оптике.
Разработаны рекомендации для преподавателей, ведущих занятия лабораторного практикума с применением компьютерных лабораторных работ по волновой оптике.
Применение разработанных в ходе исследования учебно-методических материалов повышает уровень знаний и умений студентов по волновой оптике, а также интерес студентов к изучению волновой оптики и применению компьютерных средств в познавательной деятельности.
На защиту выносятся:
Подход к построению компьютерной программы поддержки лабораторного практикума по волновой оптике в СВЧ диапазоне.
Компьютерная программа поддержки лабораторного практикума по волновой оптике в СВЧ диапазоне.
3. Методика обучения студентов волновой оптике с использованием компьютерной программы поддержки лабораторного практикума, дополняющей натурный эксперимент.
Апробация и внедрение результатов исследования
Методика обучения студентов волновой оптике с использованием разработанной компьютерной программы поддержки натурного лабораторного практикума внедрена в ученый процесс Тамбовского государственного технического университета.
Материалы исследования обсуждались на: Международной научно-практической конференции: «Прогрессивные технологии развития» (Тамбов, 2004), VI Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2005» (Санкт-Петербург, 2005), Одиннадцатой всероссийской конференции «Учебный физический эксперимент: актуальные проблемы, современные решения» (Глазов, 2006), XIV и XVII Международной электронной научной конференции «Новые технологии в образовании» (Воронеж, 2006, 2007), 2-й Международной конференции «Составляющие научно-технического прогресса» ТГТУ (Тамбов, 2006), III Межвузовской научно-практической конференции «Проблемы профессиональной направленности естественнонаучного и технического образования» (Нижний Новгород, 2006), Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания» (Липецк, 2006), Двенадцатой всероссийской конференции «Учебный физический эксперимент: актуальные проблемы, современные решения» (Глазов, 2007), Девятой международной конференции «Физика в системе современного образования» (Санкт-Петербург, 2007), заседаниях кафедр «Теоретическая механика» и «Физика» ТГТУ (Тамбов).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованной литературы (149 наименований) и 5 приложений. Диссертация содержит 219 страниц основного текста (всего 235 страницы), 5 таблиц, 59 рисунков.
Анализ современного состояния лабораторных практикумов по волновой оптике
Курс физики всегда содержал немало понятий достаточно сложных, нелегких для восприятия. Стремительный темп развития науки приводит к тому, что количество подобных понятий, фактов, идей и закономерностей всё увеличивается. Для того чтобы новые понятии органически вошли в научный багаж студентов, чтобы они могли творчески их использовать и развивать в своей последующей практической деятельности, требуются большие усилия и непрерывное совершенствование методики преподавания курса физики.
В современной методике преподавания физики физический эксперимент является неотъемлемой частью целостного учебно-воспитательного процесса, где взаимно сочетаются теоретические и экспериментальные методы изучения и исследования физических явлений.
Профессор Н.Я.Молотков указывает, что «демонстрационный физический эксперимент выполняет важнейшую методологическую роль по осуществлению взаимосвязи понятийного концептуального аппарата обучаемых с эмпирическим базисом физической науки и техники, содействуя проникновению в сущность изучаемых явлений и процессов» [80, С.32]. Эта связь осуществляется в трёх направлениях. Во-первых, эксперимент «служит источником субъективно новых для обучаемых эмпирических фактов, которые служат исходным элементом в интерпретации их на основе концептуального содержания, что, в конечном счёте, содействует развитию и становлению теоретического знания обучаемых». Во-вторых, эксперимент «является необходимым фактором в формировании понятийного концептуального аппарата обучаемых и идеализированных объектов теоретического знания, на основе которого осуществляется генерация и воспроизведение субъективно нового знания». В-третьих, эксперимент «позволяет наглядно иллюстрировать теоретические построения и выводы, обеспечивая связь абстрактных концептуальных положений с объективной действительностью, обеспечивая выход «теоретического мира» обучаемых в сферу практической деятельности, применение теории на практике» [79, С.8].
В связи с этим роль лабораторного практикума в подготовке будущих специалистов исключительно важна, а создание современных лабораторных работ и разработка новых методик для их проведения весьма актуальна.
Цели и задачи лабораторного практикума заключаются в том, чтобы формировать у студентов продуктивное и творческое мышление, что является важным общеобразовательным аспектом учебного процесса. Кроме того, одним из основных этапов проведения лабораторно-практических занятий является повторение и закрепление учебного материала, а также выработка практических умений и навыков решения задач по изучаемой теме. Таким образом, лабораторный практикум позволяет осуществить взаимосвязь теории с практикой.
А.А. Лактионов [64] на основе анализа методической литературы установил, что лабораторный практикум является одновременно и источником знаний, и методом обучения, и видом наглядного представления закономерностей изучаемого процесса или явления. Основными целями лабораторного практикума являются:
добиться от студентов более полного и качественного усвоения основных понятий изучаемой науки, ее законов и теоретических положений;
сформировать у обучающихся умения применять полученные знания на практике, переносить их из одной предметной области в другую; научить студентов систематизировать и обрабатывать полученную информацию, уметь представлять отчет в удобной форме (в виде таблиц, графиков, диаграмм и т. д.);
стимулировать развитие интереса к изучаемой науке и умение применять новые формы и методы обучения, используя современные технические и компьютерные средства;
активизировать самостоятельную познавательную деятельность, творческое отношение к выполняемой работе, стремление не только отвечать на поставленные вопросы, но и, в большей степени, самим ставить перед собой задачи, выдвигать гипотезы и предложения.
Эксперимент в процессе обучения способствует формированию целого ряда умений и навыков не только сугубо практического, но и интеллектуального характера. Более того, овладение экспериментальным методом способствует развитию творческих способностей мыслительной деятельности.
По меткому определению профессора Р.П.Кренциса, физику наших дней следует называть мелодраматической: преподавание осуществляется меловым способом, усвоение знаний носит драматический характер, а всё вместе представляет собой настоящую мелодраму. Причин этому немало. Во-первых, хотя оборудование разработано и промышленное производство его освоено, оно почти не выпускается, так как созданные было мощности разрушены. Во-вторых, в новых экономических условиях оборудование стоит недёшево в сочетании с общей нищетой системы образования. В третьих, выросло новое поколение преподавателей физики, которым не нужно физическое оборудование, поскольку проще учить и выживать без опытов.
Теоретические основы создания компьютерной программы поддержки лабораторного практикума по волновой оптике и её содержание
В натурном лабораторном практикуме по волновой оптике Н.Я.Молоткова [78] определены следующие образовательные задачи:
1. Студенты должны утвердить взгляд на оптические явления как на электромагнитные и вскрыть глубокое единство их природы.
2. Студенты должны чётко понять особенности распространения электромагнитных волн и их свойства.
3. В процессе изучения курса студенты должны усвоить основные идеи волновой оптики, понимать их методологическое значение, знать и понимать на каких физических принципах основываются конкретные применения оптических явлений.
Опираясь на теоретически обоснованное положение о возможности использования компьютерного моделирования в учебном познании, отметим, что внедрение в существующий лабораторный практикум компьютерной программы поддержки вносит дополнительные образовательные задачи:
1. Студенты должны овладеть основными принципами проведения компьютерного модельного эксперимента, понимать его методологическое значение и специфические особенности.
2. Студенты должны приобрести навыки работы с компьютерной программой поддержки и осознать роль ЭВМ в современной науке.
Использование модельного компьютерного эксперимента в процессе выполнения студентами лабораторно-практических работ при изучении волновой оптики никоим образом не должно быть самоцелью, а строится на его рациональном соотношении с натурным экспериментом. Проблеме соотношения натурного и модельного эксперимента в учебном познании посвящены работы Ю.А.Воронина, Р.М.Чудинского, С.А.Феофанова [19, 123] и др.
Компьютерная программа поддержки лабораторного практикума по волновой оптике должна быть построена таким образом, чтобы она обладала всеми признаками методической системы (содержанием, структурой, целостностью, полнотой, иерархичностью).
Под содержанием этой системы понимаются её конкретные элементы -лабораторные работы, использование которых взаимосвязано и взаимообусловлено. Её структура отражает взаимосвязи между различными элементами. Важнейшим признаком любой системы выступает ее целостность — появление у данной совокупности элементов таких свойств, которых нет у каждого из них в отдельности. Целостность системы определяется полнотой состава элементов, взаимосвязями между ними, наличием целей у каждого из элементов и их связью с целью системы, которая не тождественна целям отдельных её элементов. Иерархичность проявляется во взаимодействии с другими методическими системами, например, системой лекций по данному разделу и т.п. Целью такой системы является повышение уровня и качества знаний студентов по волновой оптике на основе достижения дидактических целей, стоящих перед отдельными её элементами.
Использование компьютерной программы поддержки в учебном процессе обязательно должно опираться на ряд дидактических требований, установленных с учетом основных дидактических принципов.
Вопросу дидактических принципов посвящены работы Я.А.Коменского, Г.И.Песталоцци, К.Д.Ушинского, П.Ф.Каптерева, М.А.Данилова, Б.П.Есипова, Е.Н.Медынского, Ю.К.Бабанского, Л.В.Занкова, В.А.Сластенина и других исследователей. Наиболее полно содержание принципов, а также специфика их проявления в системе образования рассматривается в ряде исследований ученых-педагогов [5, 44, 99, 115 и др.]. Специфика проявления дидактических принципов в системе высшего профессионального образования рассматривается в работах [36, 43,100,114] и др.
На основе анализа ряда определений, приведенных в различных источниках, можно сделать вывод о том, что под принципами обучения в педагогике понимают такие руководящие положения, которые определяют ход учебного процесса в соответствии с целями развития, воспитания, образования и закономерностями процесса усвоения знаний, умений и навыков обучающихся. Принципы педагогического процесса отражают основные требования к организации педагогической деятельности, указывают ее направление, а в конечном итоге, помогают творчески подойти к построению педагогического процесса [91, с. 176].
Как отмечает И.А. Цвелая [129], следует признать малоубедительными попытки некоторых исследователей создать особую систему принципов обучения отражающих специфику учебного процесса с применением персонального компьютера. Данное положение вытекает из самой сущности дидактических принципов обучения как общих положений к действию, адекватных в любой педагогической ситуации. При этом персональный компьютер и компьютерная программа поддержки являются лишь средствами осуществления учебной деятельности, логика применения которых определяется дидактическими задачами, которые могут быть поставлены и в ситуации, когда компьютер и соответствующие программные средства не используются.
Обучение с использованием компьютерной программы поддержки наряду с другими средствами является одним из способов реализации общих дидактических принципов учебного процесса. В связи с таким подходом к разработке дидактических требований к обучению с использованием компьютерной программы поддержки необходимо говорить не о замене традиционных дидактических принципов, а об их конкретизации с указанием на возможность применения компьютерных средств поддержки в обучении. Общие дидактические принципы состоят из более конкретных принципов, которые в свою очередь и определяют ряд специфических требований и критериев применения компьютерной программы поддержки. Исходя из такого понимания дидактических требований к компьютерной программы поддержки сформулируем и представим основные из них.
Описание педагогического эксперимента и его результаты
Пример тестового задания входного контроля дан в приложении 1. Тестовые задания входного контроля подразделены на три категории сложности:
задания первого уровня сложности, являются заданиями на опознавание, различие или классификацию изучаемых объектов, они проверяют знание конкретных теории, терминов, правил, определений, физических величин, единиц измерения;
задания второго уровня сложности, должны выявлять умения обучаемых воспроизводить информацию без подсказки, по памяти и уметь использовать ее на практике, они требуют для ответа анализ принципов того или иного понятия, анализа событий на основе известных законов и формул, понимание функциональных зависимостей между величинами, входящими в закон;
задания третьего уровня сложности, представляют собой задачи, для решения которых необходимо уметь использовать законы физики для объяснения различных примеров из техники и жизни.
За правильный ответ первого уровня сложности студент получает один бал, второго уровня сложности - два бала, третьего - три бала.
Оценка выставляется в зависимости от числа набранных баллов [133] 18-16 баллов - отлично; 15-11 баллов - хорошо; 10-7 баллов - удовлетворительно; менее 7 баллов - неудовлетворительно.
Проверка преподавателем ответов на биллет-тест производиться с помощью таблиц кодов, а затем в течение 5-10 минут преподаватель беседует с каждым студентов по его билету, уточняя результаты ответа. В ходе беседы удается выявить погрешности в ответе студента, которые не позволили ему правильно ответить на вопрос, что повышает оценку студента. И наоборот, исключить как правильный тот ответ, который угадан студентом. Из опыта работы следует, что вероятность угадывания не превышает 2% [135].
Наибольшее число правильных ответов дается на вопросы первого уровня сложности, то есть вопросы, проверяющие знание конкретных понятий, положений теории, терминов, законов, правил. Наименьшее число ответов дается на задания третьего уровня сложности, то есть задания, проверяющие умение применять известные положения теории, законы и формулы для конкретных практических расчетов, умение использовать физические законы для объяснения различных примеров из техники и жизни. Это свидетельствует о том, что подавляющее большинство студентов обладает репродуктивным знанием. Данные о результатах теста представлены в таблице 4, из которой следует, что раздел физики «волновая оптика» усвоен студентами «посредственно».
В ходе констатирующего этапа педагогического эксперимента были получены следующие результаты:
1. Преподаватели, проводившие лабораторные работы по волновой оптике, считали необходимым расширение арсенала технических средств исследования волновых явлений.
2. Анализ мнений преподавателей кафедр физик ТГТУ, ВГПУ, ВИПИ позволил утверждать, что применение современных информационных технологий в лабораторном практикуме по волновой оптике является целесообразным и важным элементом компьютерной подготовки студентов в условиях информатизации практически всех сфер деятельности. Было высказано предположение о необходимости дополнения существующего натурного лабораторного практикума компьютерной программой поддержки, что позволит изучать волновые процессы более разносторонне, глубоко и системно, сочетая натурный и компьютерный эксперимент.
3. Подавляющее большинство студентов обладает репродуктивным знанием. Результаты входного тестирования показали, что раздел физики «волновая оптика» усвоен студентами «посредственно».
Результаты констатирующего этапа эксперимента подтвердили актуальность исследования. Определены цель и задачи исследования, сформулирована гипотеза.
