Содержание к диссертации
стр.
КИДОИЕ , 5
1. НАУЧЮ-ЖТОДИЧЕСЮЕ ОСНОВЫ ОБЩЕГО «ВИЧЕСХОГО ПРАКТИКУМА ВМСМЕЙ
ШС0Д1 N ОБОСНОВАНИЕ ВСЗМЕШМХ ПУТЕЙ ЕГО СОВЕРШЕНСТКЖАЮИ
Развитие теории общего физического практикума высшей школы 15
Анализ состояния общего физического практикума, Динашка применения ЭВМ в нем по итогам констатирующего педагогического эксперимента 30
1.3. Применение психолого-педагогических основ теории деятель
ности и положений дидактики к разработке концепции общего
физического практикума, использующего ЭВМ 43
1.4. Обоснование возможных методов применения ЭВМ в физичес
ком практикуме 50
2. МЕТОДИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЩЕГО «ЗИЧЕСКОГО ПРАКТИКУМА С ПРИМЕНЕНИЕМ
ЭВМ
2.1. Научно-методические принципы организации обучающей мо-дельно-экспериментальной среды (ОМЭС)
Описание структуры ОМЭС 56
Структура процесса обучения в ОМЭС
Основные этапы и виды деятельности в ОМЭС 60
Сравнение ОМЭС с традиционной лабораторной работой 64
2.1.3. Принципы отбора работ для ОМЭС 66
2.2, Применение ОМЭС в общем физическом практикуме
Решение задач физического практикума в ОМЭС... 68
Методика создания программных средств и лабораторных стендов для ОМЭС. Этапы создания конкретного
"физического практикума, применяющего ОМЭС 69
Общее описание работ 73
Реализация ОМЭС на примере лабораторного практикума по разделу "Электромагнетизм"
Работа "Эффект Холла. Определение концентрации носителей тока в полупроводниках*' 84
Работа "Изучение температурной зависимости сопротивления металла и полупроводника. Определение ширины запрещенной зоны полупроводника" 92
Работа исследование намагничивания ферромагнетика" 104
Работа "Изучение электроёмкости конденсатора и соединений конденсаторов ,114
Работа **Изучение явлений взаимной индукции и самоиндукции" 118
2.2.5. Основные выводы 122
3. ОРГАНИЗАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ИТОГИ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Общая характеристика и этапы педагогического эксперимента 124
Результаты обучающего эксперимента
3.2,1. Оценка уровня экспериментальных умений и навыков в
- A -
экспериментальных группах 127
3.2.2. Сравнительный анализ экспериментальных и контроль
ных групп по степени усвоения учебного материа
ла 134
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 145
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 147
ПРНЖИЕНИЕ I. Анкеты констатирующего педагогического эксперимен
та 161
ПРКЛОЯЕННЕ П. Программно-методическое обеспечение работы "Эффект
Холла. Определение концентрации носителей тока в полупроводниках"
11.1. фрагменты программного модуля на языке TurboPascal.. 164
IL2. Сценарий диалога со студентами 169
П.З. Список вопросов к студенту для защиты лабораторной рабо
ты 184
ПРИЛОЖЕНИЕ III. Варианты контрольных гаданий для определения
уровня усвоения темы 188
Введение к работе
В Государственном образовательном стандарте высшего профессионального [ЗІ]*0 образования подчеркивается.что обновлению содержания учебного процесса способствует применение новых образовательных технологий, ориентированных на активизацию роли студентов в образовательном процессе. Новые образовательные технологии тесно связаны с использованием современной вычислительной техники [13. В физическом практикуме персональные электронно-вычислительные машины (ПЭВМ) применяются и в качестве средства управления экспериментом, и в качестве средства обработки и отражения результатов эксперимента. Задачу реального повышения эффективности использования ПЭВМ в физическом практикуме (ФП) можно решить только при применении соответствующей методики проведения лабораторных работ. Опыт эксплуатации лаборатории электромагнетизма на кафедре физики Ивановского энергетического университета (ИГЭУ) привел к идеи создания особой информационной среды, служащей целям и задачам Ш.
В законе о высшей школе указываются задачи высшего образования настоящее время. Одной из них является курс на фундаментализацию образования. Физика является одной из базовых дисциплин в техническом вузе, что и определяет большое значение общего физического практикума (ОДШ для образования будущего инженера.
Диссертационное исследование посвящено совершенствованию мето-
*)
Здесь и далее в квадратных скобках даются ссылки на литературу. Первое число - номер источника в списке литературы, второе число через тире обозначает страницу. Разные источники разделяются точкой с запятой.
- б -
дики проведения ОФП в техническом вузе в соответствии с уровнем современной науки и требованиями широкого эффективного применения ПЭВМ в учебном процессе. Исследование связано с особой ролью ФП в преподавании предмета физики в инженерном вузе. Именно в лабораторных работах формируются практические умения и навыки, проверяется и подтверждается истинность теоретических положений, показывается применение теоретических моделей на практике, изучаются современные измерительные приборы и методы обработки экспериментальных данных. Для профессиональной деятельности инженеров это особенно актуально. Однако свою роль практикум выполнит только тогда, когда не нарушится целостность изучения предмета, достигаемая при реализации цепочки "лекция - семинар - практикум". В вузе изучение предмета идет дедуктивным путем с элементами индукции от общего (лекции) через частное (семинары) к конкретному (лабораторная работа).
Проведенные нами опрос и анкетирование преподавателей ряда вузов показали,что возможности современной вычислительной техники (ВТ) конкретно в ЯП используются недостаточно эффективно. В 70Z случаев это связывается с отсутствием соответствующих методик.
Одними из направлений применения ПЭВМ в процессе обучения в настоящее время являются обучающие среды и экспертные системы. Но вопросу применения обучающих сред в ОФП не уделено еще достаточное внимание.
Пути повышения эффективности практикума в вузе изучались Ахматовым А.С..Гершензоном Е.М.«Гольдиным Л.Л..Ивероновой В.И., Маловым Н.Н..Матвеевым л.Н., Сперантовым В.В. и др. Аналогичные проблемы в школе исследовались многими методистами и педагогами - Буровым В.А., Покровским А.А., Каменецким СЕ., Усовой А.В., Шамало Т.Н., Шахмаевым Н.М. и др. Различным аспектам применения ЭВМ в процессе
обучения физике посвящены исследования Извозчикова в.А., Лаптева В.В., Кондратьева А.С. и др. Методика составления обучающих программ разрабатывались Талызиной Н.Ф.» Робэрт И.В. и др.
Есть противоречие между необходимостью широкого применения современных возможностей ВТ и отсутствием методик применения обучающих сред в ОФП при изучении реальных физических явлений, что определяет актуальность разработки методических моделей применения обучающих сред в практикуме.
Проблемы исследования заключаются в определении того, какой должна быть методика ОФП, использующая обучающую среду; каковы пути активизации учебного процесса, реализации наглядности и доступности обучения, повышения качества самостоятельной работы студентов путем применения обучающей среды; каковы возможности формирования умений и навыков исследовательской деятельности в ходе работы с современной измерительной аппаратурой, комплексами и стендами в условиях обучающей среды.
Объектом исследования являлся учебный процесс, представленный в форме ОФП и направленный на формирование у студентов практических умений и навыков, способности применять теоретические положения в практике физического эксперимента и анализировать результаты опытов.
Предмет исследования - методическая реализация обучающей среды для физического практикума технического вуза с применением ЭВМ, организованная в виде обучающей модельно-экспериментальной среды (СМЭС).
Общая теоретическая идея заключалась в том, чтобы, используя возможности ВТ, создать обучающую среду, подчиненную цели повышения эффективности обучения и формированию исследовательских практичес-
ких умений и навыков будущих инженеров. Для этого требуется изложить материал доступно и наглядно, активизировать познавательную деятельность студентов в процессе обучения с помощью качественных экспериментальных установок и точного количественного эксперимента на линии с ЭВМ.
Гипотеза исследования формулировалась так - если использовать ОМЭС, то можно:
обеспечить глубокое и прочное усвоение учебного материала;
реализовать доступность и доказательность опытов;
сформировать умения и навыки для работы с современной измерительной аппаратурой, комплексами и стендами;
освободить дополнительное время для самостоятельной работы студентов за счет рационального использования учебного времени;
разгрузить преподавателя для обеспечения индивидуального подхода в обучении в ходе контроля знаний и умений, полученных путем самостоятельной работы.
Целями исследования являлись научное обоснование, разработка и апробация методической модели обучающей среды для ОФП технического вуза.
Достижение указанной цели требовало решения следующих конкретных задач:
изучить состояние вопроса о роли и месте в учебном процессе 0HI в педагогической науке и в практике преподавания;
исследовать теоретические концепции И;
проанализировать состояние лабораторных практикумов вузов разных профилей и практикумов в высшей школе зарубежных стран;
изучить возможности современной ВТ для практикума;
разработать научно-методические принципы организации практи-
кума, применяющего ПЭВМ, и модель ОМЭС;
провести отбор лабораторных работ для ОМЭС;
разработать лабораторные работы, необходимые и достаточные для приобретения и развития умений и навыков исследовательской деятельности путем ОМЭС;
разработать методику создания программных средств для ОМЭС;
разработать лабораторные стенды для ОМЭС;
экспериментально проверить эффективность предлагаемой методики.
Для решения поставленных задач применялись следующие методы исследования и виды деятельности:
а) изучение государственных и правительственных документов по
вопросам образования и реформы высшей школы;
б) анализ учебных планов и программ, изучение литературы и дис
сертационных исследований;
в) наблюдение учебного процесса и личное преподавание;
г) изучение и обобщение передового опыта работы преподавания
физики;
д) интервьюирование, анкетирование и беседы с преподавателями и
студентами;
е) педагогический эксперимент по проверке эффективности предла
гаемой методики;
ж) математическая обработка результатов педагогического экспе
римента;
з) обсуждение проблем на конференциях и семинарах.
Методологической основой исследования явились современная теория познания, ее диалектический метод» педагогическая теория развивающего обучения и деятельностного подхода в обучении, а также
главные положения личностно-ориентированной педагогики. Определение ОМЭС было дано с позиций системного подхода. Из конкретных психолого-педагогических концепций можно указать:
теория опорных образов для применения аналогий и моделей (С.Е.Каменецкий);
принцип ведущей роли теоретических знаний (В.В.Давыдов, Л.В.Занков, Д.В.Эльконин);
теория психологии восприятия (Б.г.Ананьев.Л.С.Выготский);
основные принципы программированного обучения(Н.Ф.Талызина, O.K. Тихомиров и др.) и дидактические основы компьютерного обучения (В.А.Извозчиков и др.).
В ходе проводимой работы гипотеза получила подтверждение, что позволило выдвинуть теоретическую концепцию нового типа 0ФІЗ. Ее суть заключается в том, что в ОМІ следует применять ОМЭС. Это ведет к повышению уровня изучения материала, ОМЭС рекомендуется для обеспечения устойчивой связи основных компонентов учебного процесса и рационального использования учебного времени.
Научная новизна исследования заключается в том, что:
сформулирована концепция ОФП для технического вуза с использованием ВТ;
разработана структурная схема аппаратных средств в виде ОМЭС, обеспечивающая связь ШШ с реальной средой исследования;
созданы обучающие и контролирующие программы для ОМЭС, позволяющие реализовать методику применения обучающей среды в ОЗИ;
предложены лабораторные работы с применением компьютера и созданных аппаратных средств.
Практическая значимость работы заключалась в разработке методики проведения ОФП путем ОМЭС для повышения уровня изучения материа-
ла и для обеспечения устойчивой связи основных компонентов учебного процесса и рационального использования учебного времени; в создании комплекса лабораторных работ ОЯ1 по разделу "Электромагнетизм", ор-ганизованных с помощью ОМЭС и внедренных в учебный процесс; в написании программ для ПЭВМ, поэволящих автоматизировать физический эксперимент; в создании стендов для качественных и количественных опытов.
Положения, выносимые на защиту: ~ концепция ОФП технического вуза, включающая обоснование методики проведения практикума путем ОМЭС;
- возможность реализации методики ОМЭС через аппаратные и программные средства.
Защищаемые.положения проверены педагогическим экспериментом и подтверждают гипотезу исследования.
Апробация и внедрение результатов работы осуществлялись в ходе проведения учебных занятий в лаборатории ''Электромагнетизм" Ивановского государственного энергетического университета (ИГЗУ_)_ в течении 1989-1997г.г.Результаты исследования докладывались на научно-практических конференциях в г.Москва, г,Иваново, г.Нижний Новгород, г.Судак, г.Ульяновск, на научно-методических семинарах кафедры методики преподавания физики МИГУ в 1993-1997г.г., кафедры физики ИГЭУ.
По теме исследования опубликовано 9 работ.
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии из 170 наименований. Работа содержит всего 199 страниц машинописного текста, из них 160 страницы основного текста,17 таблиц,22 рисунка,17 фотографий, 3 приложения.
Во ВВЕДЕНИИ формулируются актуальность темы, предмет, основные
задачи, объект, идея, гипотеза и цель исследования, определяются научная новизна, теоретическая и практическая значимости диссертационного исследования и указываются положения, выносимые на защиту. Также излагаются применяемые методы исследований, как осуществлялась апробация и внедрение результатов и дается краткое изложение содержания глав диссетрации.
В главе 1 "НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЩЕГО ФИЗИЧЕСКОГО ПРАКТИКУМА ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ПУТЕЙ ЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ" рассмотрено развитие теории общего физического практикума высшей школы. Исходя из роли физики в системе высшего технического образования, обосновавается значение ОФП в обучении. Исторически сложилось так, что теория ОФП складывалась стихийно. Анализ основных типов учебных занятий в вузе и аналогия со школьным ФП да$т возможность определить цели и задачи ОФП в вузе, требования к его оборудованию и содержанию работ. Предложена классификация ФП в вузе, и дан обзор литературы по современным ОФП. Теоретические положения концепции ОФП основаны на теориях деятельностного подхода и положениях личностно-ориентированной педагогики.Концепция определяет цели и задачи ОФП в вузе;объем и содержание работ 0И1;методику проведения работ ОФП,место ВТ и ПЭВМ в работах ОФП;условия проведения стандартного ОФП и требования к оборудованию;критерии отбора работ для ОФП; определение ролей преподавателя и студента и основные формы самостоятельной экспериментальной работы студентов, оптимальное соотношение между разными видами экспериментальной работы студентов; основные виды физического эксперимента в ОФП;место ОФП в преподавании предмета.Анализ состояния ОФП и динамика применения ЭВМ в нем по итогам констатирующего педагогического эксперимента обосновывает возможности для применения ЭВМ в ФП. Здесь же рассмот-
рены психолого-педагогические основы компьютерного обучения и общие положения дидактики для разработки концепции ОФП,использующего ЭВМ.Обосновывается вывод, что одним из современных направлений совершенствования ОФП является эффективное применение ЭВМ.Следовательно, в концепцию ОФП необходимо ввести понятие ОМЭС.
В главе 2 "МЕТОДИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЩЕГО ФИЗИЧЕСКОГО ПРАКТИКУМА С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭВМ" на основе научно-методических принципов педагогики определяется ОМЭС, рассматривается структура процесса обучения и приводятся основные виды деятельности преподавателя и студентов в ОМЭС, формулируются принципы отбора работ для организации обучающей среды.Проведено сравнение ОМЭС с традиционной лабораторной работой и предложена методика создания программно-методических средств и лабораторных стендов для ШЭС. Применение ОМЭС в ОМІ рассмотрено на примере лабораторного практикума по разделу "Электромагнетизм". Указано, какие задачи позволяет решить практикум в условиях ОМЭС и рассмотрены этапы создания конкретного ФП,применяющего ОМЭС. Работы практикума сначала описаны в общем виде,а затем приведены описания следующих конкретных работ:
Эффект Холла. Определение концентрации носителей тока в полупроводниках.
Изучение температурной зависимости сопротивлений металла и полупроводника. Определение ширины запрещенной зоны полупроводника.
Исследование намагничивания ферромагнетика.
Изучение электроёмкости конденсатора и соединений конденсаторов.
Изучение явлений взаимной индукции и самоиндукции.
В главе 3 "ОРГАНИЗАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ИТОГИ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА** дана общая характеристика педагогического эксперимента и
приведены результаты оценки уровня экспериментальных умений и навыков в экспериментальных группах. Выполнен сравнительный анализ экспериментальных и контрольных групп по степени усвоения учебного материала.
В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные выводы проведенного исследования.
В ПРИЛОЖЕНИИ I приведены анкеты констатирующего педагогического эксперимента для преподавателей и студентов.
ПРИЛОЖЕНИЕ II состоит из трех частей. В первой части даны фрагменты программных модулей, обеспечивающих связь ПЭВМ с экспериментальным стендом, и программа эксперимента по эффекту Холла. Во второй части приложения II предложен сценарий диалога студентов по работе "Эффект Холла.Определение концентрации носителей тока в полупроводниках". В третьей части приложения И приведена таблица вопросов по этой работе для преподавателя, принимающего отчет.
ПРИЛОЖЕНИЕ III содержит варианты контрольных заданий для определения уровня усвоения темы для контролирующего этапа педагогического эксперимента.
- 15 -1. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЩЕГО ФИЗИЧЕСКОГО ПРАКТИКУМА ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ПУТЕЙ ЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
1.1. Развития теории общего физического практикума высшей школы
Роль физики в системе высшего технического образования определяется особым значением предмета для современного инженера [71,793. Техника является практическим применением физических законов, и с другой стороны, существенно влияние физики на формирование общей культуры будущего специалиста.В последние годы физические представления и методы исследования широко проникли в самые различные области. Это нашло отражение в расширении физико-математической подготовки инженерно-технических работников всех отраслей промышленности [35, 933. Изучение лежащих в основе технических устройств физических явлений стало неотъемлемой частью высшего технического образования [57,1303.Нельзя забывать и о том,что изучение физики способствует развитию логического мышления и формированию научного ми-ровозрения. Задача педагогики и методики высшей школы - обучение и воспитание специалистов будущего десятилетия [7,13.203. Физика-одна из базовых дисциплин технического вуза. В настоящее время в вузах России вводится новая программа по общей физике, рассчитанная на 550 часов [1031. Реально в высших учебных технических заведениях объем курса общей физики составляет 220 - 270 часов аудиторных занятий за 3 семестра.
Физическое образование в высшей школе представляет собой систему физических знаний, которая способствует формированию фундаментальных научных понятий,усвоению основных физических законов и теорий, и служит пониманию основных методов физики - экспериментального и теоретического.Система физических знаний должна обеспечивать воз-
- іб -можность успешного выполнения профессиональной деятельности будущих инженеров. Эта система должна формировать и развивать экспериментальные умения и навыки по применению знаний в решении широкого круга практических задач."Уместно вспомнить,что основной целью преподавания общей физики в ВУЗе является, естественно,не только усвоение суммы фактов, не тренинг в вычислениях по формулами формирование у студента физического мышления, мировоззрения, способности делать простейшие оценки, создавать упрощенную модель явления и оценивать границы ее применимости" 151-27]. Цели и задачи физического образования определяют важную роль ОФП в преподавании физики в вузе.
Изучение курса физики в вузах является сложным и многогранным процессом. На всех его этапах использование компьютерной техники, позволяет не только облегчить и ускорить процесс обучения,но и сделать его более наглядным и углубленным [153]. Исторически сложилось так,что основными типами учебных аудиторных занятий в вузе являются лекции Е16], семинары и лабораторные работы [82,943.Дедуктивный метод изложения материала находит свое выражение в том, что каждое фундаментальное научное понятие должно логически вытекать из поставленной задачи и экспериментально обосновываться. При изучении физики лабораторные работы объединяются в ФП, который является логическим завершающим звеном в преподавании физики.
Единая педагогическая теория ФП в вузе в настоящее время находится на этапе осмысления.Практикум высшей школы развивался стихийно, опираясь на разные подходы к построению курса физики. Анализ литературы показывает, что с течением времени произошло разделение ФП на несколько групп:практикумы университетов [90,135,136,1393, педагогических [64,100],технических [63,65,993 и специальных вузовСнап-ример,медицинских). Структура ФП определяется особенностями задач и
- 17 -характеризуется определенной методикой проведения лабораторных занятий. В процессе развития практикума произошло выделение ОФП для младших курсов и спецпрактикумов.Практикум высшей технической школы - особый случай. Лабораторное занятие в технических вузах проводится один раз в две недели.
Анализ диссертаций, посвященных ОФП, приведен в таблице 1.1. Ряд исследований был посвящен проблемам формирования исследовательских умений и навыков средствами практикума [3,10,523. Концепция спецпрактикума по физике для педагогического вуза рассмотрена в работе [973. Профессиональная направленность изучения Физики в техническом вузе исследовалась в [11, 72, 78» 1413. Использование ВТ в практикуме изучалось в [8,30,66.733.
Для школы существуют хорошо разработанные методики проведения ФП. Можно ли использовать аналогию между школьным и вузовским прак-тикумом?По нашему мнению.ОФП в вузе и практикум в школе имеют сходные черты. ОФП проводится для студентов младших курсов, которые недавно закончили школу.Анализ теории ФП в школе привел нас к выводу, что для построения теории ОФП в вузе в современных условиях необходимо определить: место ОФП в учебном процессе; цели и задачи ОФП в вузе; объем и содержание лабораторных работ;методику проведения за-нятий;место ПЭВМ в 0ФП;условия проведения ОФП и требования к оборудованию; критерии отбора работ;роли преподавателя и студента в практикуме; основные формы самостоятельной работы студентов; оптимальное соотношение между разными видами экспериментальной работы студентов.
В теоретических основах методики преподавания физики для школы выделяют следующие формы самостоятельной экспериментальной работы учащихся:фронтальные лабораторные занятия и ФП.Первая форма имеет множество разновидностей: фронтальные лабораторные работы, лабора-
- 18 -Таблица 1Л Диссертационные исследования по физическому практикуму высшей
школы
- 19 -торные опыты и наблюдения, качественные опыты и наблюдения, фронтальные экспериментальные задачи и т.д. Все перечисленные виды занятий объединяет фронтальный метод проведения. Наблюдение физических явлений, включение в работу всех органов чувств, удовлетворение потребности учащихся в самостоятельном экспериментировании делает лабораторные занятия одним из важнейших средств активизации познавательной деятельности учащихся. Рассмотрение типов фронтальных лабораторных занятий дает ясное представление о том, что ФП находится отдельно от них. Практикум в школе тесно связан с ними, однако ФП не дублирует, а представляет вторую ступень занятий в лаборатории. Для вуза лабораторные занятия наиболее эффективно объединить в рамках ОФП.
"Преподавание общей физики является по существу своеобразной моделью научного познания. Это обстоятельство определяет место и значение эксперимента в курсе общей Физики. Эксперимент в курсе общей физики играет двоякую роль.
1)...8 физической лаборатории, где студенты самостоятельно решают экспериментальные задачи, преследуются две цели:
студент должен научиться самостоятельно воспроизводить и анализировать простейшие физические явления;
получить элементарные навыки работы в физической лаборатории.
2)...Велика роль лекционного эксперимента (качественного или количественного)" [25-153.
В литературе подчеркивается роль ОФП как такого вида занятий, на которых учащиеся должны приобрести практические навыки и умения в работе с инструментами, физическими и техническими приборами. Процесс формирования экспериментальных умений и навыков включает несколько этапов. Он начинается в школе, а затем продолжается в вузе. ОФП дает навыки и умения для непрерывного обучения и представ-
- 20 -ляет переходный этап к практикумам по специальности.Для физического практикума высшей технической школы методологической основой является профессиональная направленность формирования умений и навыков.
Для высшей школы предложены классификации СХйї по методам проведения лабораторных занятий [1423.Приведем анализ наиболее распространенных из них.
1 Кольцевая форма организации практикума (или система разных работ).Выполнение студентами программных лабораторных работ идт по графику,составленному преподавателем. Это позволяет проводить лабораторные работы с использованием разнообразного оборудования, частично индивидуализировать процесс обучения.готовить студентов к работе в научно-исследовательских лабораториях. Недостатки указанной формы ОФП связаны с тем,что ограничивается возможность индивидуального руководства и контроля за работой студентов со стороны преподавателя . Часто лабораторные занятия проводятся до лекций, и появляется необходимость включения достаточно большого объема теоретического материала в руководство к лабораторным работам.
їI. Циклическая форма организации лабораторных занятий предполагает разделение заданий на несколько групп по определенным разделам курса физики. Разновидностью этой формы является комплектование лабораторных работ по измеряемой физической величине.
Данная форма организации требует выработки оптимального варианта группирования лабораторных работ, который соответствовал бы синхронизации лекционного и лабораторного занятий.Необходима подготовка учебного пособия,облегчающего выполнение лабораторных работ.
Ш. Фронтальная форма организации физического практикума обеспечивает одновременное выполнение студентами одной и той же работы, причем лабораторные занятия следуют за лекциями.Последнее облегчает работу студентов. Однако эта форма организации имеет ОФП неко-
- 21 -торые недостатки. Трафаретность работ и приемов их выполнения,неизбежность заимствования студентами друг у друга техники измерения физических величин,обработки и объяснения результатов опыта отрицательно сказываются на развитии творческих мыслительных способностей студентов.
IV. Циклично-фронтальная и циклично-индивидуальная формы являются наиболее эффективными для организации ООП.Они наряду с закреплением теоретического материала способствуют развитию у студентов творческих и технических способностей, формированию некоторых инженерных умений и навыков. В [142] занятия предлагается проводить в два цикла - прибороознакомительный практикум и основной практикум. Занятия циклов комплектуются по физическому содержанию и называются системой лабораторных работ.
В С124] на примере МАИ рассмотрены две основные формы проведения ОФП - фронтальная и фронтально-тематическая ( студентам предлагается выбор из 5-6 работ из общей темы). Этот подход обеспечивает богатое содержание ОФП. Из материалов конференций.посвященных проблемам ОФП [121,122], следует, что фронтальность трудно реализовать как по финансовым причинам, так и по определенным методическим причинам.
В ряде вузов была предложена концепция многоуровневого физического практикума,которая предполагает дифференциацию процесса обучения студентов в учебных лабораториях кафедр физики [1213. В зависимости от ориентации студента ОФП должен обеспечивать организацию учебного процесса по трем уровням сложности. Первый уровень-это базовый уровень, на который ориентирован средний студент.Каждая работа в цикле лабораторных работ этого уровня имеет полное методическое обеспечение. Техника эксперимента предполагает использование надежных приборов и оборудования. Выполнение работ этого уровня ог-
раничено во времени, но работа может быть выполнена и без глубокого усвоения теоретического материала. В рамках первого уровня важное значение имеет реализация общепринятой последовательности обучения: лекция-семинар-лабораторная работа. При нарушении такой последовательности познавательный, обучающий эффект выполненной работы сводится к минимуму. Для первого уровня реализуется фронтально-тематический метод выполнения лабораторных работ,при котором студент слушает лекции,посещает семинары,а в заключении по данной теме выполняет лабораторную работу. Фронтально-тематический метод предполагает, что студенческая группа выполняет не одинаковую для всех работу, а несколько работ, объединенных одинаковой тематикой. В отличии от фронтального метода здесь более выражены черты самодеятельности и индивидуальности студента.
Второй уровень ОФП рассчитан на удовлетворение творческих и образовательных потребностей студента. Работы хорошо адаптированы к идее проблемного обучения и сочетают поисковую деятельность с усвоением готовых выводов науки. У студента, ориентированного на второй уровень,достаточно высок образовательный потенциал.Выполнение работ не регламентировано по времени. Студент выполняет достаточно сложную работу или цикл работ. Все стадии выполнения работы требуют углубленной самостоятельной подготовки.
Если первый уровень ОФП охватывает всех студентов, то второй -примерно каждого десятого. Третий уровень соответствует научно-исследовательской работе и предполагает одаренных студентов, число которых единицы. Третий уровень с элементами научных исследований находится вне сетки расписания.
Эффективность ОФП определяется следующими условиями: во-первых, "практикум должен быть завершающим звеном в логической цепочке, организующей изучение определенной темы:лекция- семинар- лабораторная
- 23 -работа; во-вторых.практикум должен содержать работы, в максимальной степени несущие творческое начало и в минимальной степени - задан-ность наперед,механичность,рутинность" [124-123. Первое условие реализуется в учебном плане в рамках фронтально-тематических лабораторных работ. Второму условию удовлетворяет второй уровень ОФП.
Результаты проведенного констатирующего педагогического эксперимента, в котором учтено мнение преподавателей ряда вузов (МПГУ, Станкин,МИФИ,МАИ,МЭЙ,ИГЭУ), позволяют сделать вывод,что многие преподаватели ставят вопрос об моральном и физическом износе существующих практикумов, об несоответствии работ ОФП уровню науки. Возможности современной ВТ не всегда способствуют эффективному выполнению работ ОФП.
Однако и вполне удовлетворительные работы ОВД не несут полезной методологической нагрузки. Нельзя перевести все работы на фронтальный метод организации занятий.К недостаткам данного метода относится прежде всего низкая степень самостоятельной работы студентов. В соответствии с анализом учебных планов большая часть учебного времени студентов планируется на их самостоятельную работу.Одно из основных требований для ОФП(опережающий характер) способствует развитию самостоятельности в изучении теоретического материала.Стандартных критериев для отбора работ ОФП не существует.
Основной критерий выбора работ для ОФП заключается в том, что физический эксперимент должен нести методологическую нагрузку и должен помогать формированию элементов физического мышления, ориентируя физический эксперимент на исследования профильных кафедр вуза. Однако, как подчеркивается в [253, надо противодействовать давлению со стороны спецкафедр,отстаивая в ОФП физический подход.Как отмечают преподаватели в анкетах, работы должны обязательно соответствовать современному уровню науки и отражать новое в физике.
В [1153 сформулированы основные требования к инженерному физическому практикуму и предложены стандарты ФП для эффективного инженерного образования.Практикум реализует концепцию интенсивного экспериментального обучения физики в системе многоуровневого образования. По мнению авторов, "современный физический практикум должен обеспечивать интенсивное развивающее обучение при высоком интересе к предмету учащихся и преподавателей. Для этого необходима реализация широкого набора экспериментов на каждом рабочем месте, быстрая постановка любого эксперимента, глубокие и качественные исследования в каждом эксперименте" [115-713. Основу данного практикума составляют модульные лабораторные комплексы. Реализованная концепция практикума представлена в системе стандартов для учебного оборудования практикума. Однако в концепции недостаточно рассматривается методика проведения работ ОФП, которая ограничивается перечнем функций, выполняемых экспериментальным оборудованием. Основным достоинством концепции является формулировка стандартов для оборудования 0$П, В основном предпочтение отдается фронтальному методу проведения лабораторных работ. Стандарты ОФП включают наиболее характерные общие признаки. В основе данного построения ОМІ лежит технология прямого доступа к объекту изучения. Подчеркивается, что компьютерные и мультимедийные информационные технологии не являются технологиями прямого доступа: "Между изучаемыми объектами (явление, процесс, устройство) и учащимися имеются промежуточные звенья (компьютер,программа,программист),что снижает качество информационного продукта'4115-723. Направлением развития ОФП может быть только направление к "настоящей реальности,которая с древних времен принимается лучшими педагогическими умами как идеальная учебная среда" [115-743.
В последнее время наблюдается тенденция к объединению традици-
- 25 -онного практического занятия и ФП в единое объединенное лабораторно- практическое занятие С263.
Отсутствие общей концепции мешает развитию практикума. Концептуально-методическим вопросам физического практикума посвящены I, II, III Конференции Стран Содружества "Современный физический практикум", где задачи физического практикума рассматривались как общие, так и специфические [121,1223.
Основными задачами ОФП являются: развитие практических навыков и умений; знакомство со сложными техническими устройствами; знакомство с методами исследований и измерений; развитие самостоятельности в обращении с измерительными приборами;развитие самостоятельно собирать установки и проводить эксперименты с ними. Особым требованием к работам является необходимость изучения измерительных приборов до того, как они потребуются в опыте.
Классификация лабораторных работ может быть разнообразной в зависимости от того, какие признаки кладутся в ее основу. Могут быть выбраны следующие признаки: время проведения работ;качественные работы, связанные с наблюдением физических явлений, и количественные^ которых выполняются и наблюдения,и измерения; работы,выполняемые по заранее предложенному плану,и работы,в которых учащимся предоставляется большая самостоятельность (элементы творчества) и т.д. Для обхвата разнообразия работ наибольший интерес представляет классификация работ по тем задачам и целям, которые ставит преподаватель при организации лабораторного занятия. К основным видам работ ОФП относятся: 1) наблюдение и изучение физических явлений; 2) изучение основных методов исследования и измерение величин; 3) установление количественных зависимостей между физическими величинами; 4) определение физических постоянных и знакомство с различными методами их определения; 5) знакомство с простейшими техническими приборами,
- 26 -устройствами и установками, в том числе электроники и автоматики.
Анализ существующих ОФП ряда вузов в ходе констатирующего эксперимента, привел к выводу, что наиболее приемлемой, на наш взгляд, является классификация работ общего физического практикума не по одному признаку, а по нескольким. К примеру, метод проведения лабораторной работы тесно связан с целями, задачами, которые ставит преподаватель.
В основу нашей классификации были положены известные основные методы проведения лабораторных работ ОФП: фронтальный, круговой (кольцевой), исследовательский. Эти методам соответствуют три уровня проведения лабораторных работ ОФП. Каждый уровень отличается от предыдущего по степени общности и сложности формируемых умений и навыков; по уровню самостоятельной работы студентов; по удельному весу теории; по роли преподавателя, затратам его времени и сил; по степени сложности оборудования; по объему и точности экспериментальных данных; по методам обработки; по функциям ПЭВМ в работе; по условиям проведения ОФП.
Уровень сложности при переходе от первого уровня к третьему повышается. Если в [1243 до третьего исследовательского уровня допускаются не все студенты, а единицы, то наша классификация относится к ОФП, обязательном для выполнения всеми студентами (таблица 1.2).
Примерное планирование ОФП на семестр будет иметь вид, условно изображенный на рис.1.1.
Проведенный анализ позволил сделать вывод о том, что необходима концепция ОФП, которая бы удовлетворяла требованиям и задачам высшего образования, педагогики, дидактики, психологии, МПФ и соответствовала современному уровню развития измерительной аппаратуры и ПЭВМ.
* w — -
» ш —
Таблица 1.2
Классификация работ ОФП
Продолжение таблицы 1.2.
IH-—ІИІ—
Форма проведения
неделя семестра
Г*1 р
АЗ—*—П4—*—
-Пб"
Форма проведения
неделя семестра
—Пдг
і 1 1 h
10 ! 11 ! 12 * 13 ! 14 ' 15
РИС.1.1.
Примерное планирование ОФП на семестр (время семестра - 15 недель): т»і -работы 1го уровня, выполняемые фронтально (1 - номер недели семестра)
-К
—работы 2го уровня, выполняемые фронтально-тематически или "кольцевым" способом (выбор из 5 работ)
N{—работы 3го уровня, выполняемые в СМЭС или на исследовательском уровне (выбор из 5 работ)
1.2. Анализ состояния общего физического практикума. Динамика применения ЭВМ в нем по итогам констатирующего педагогического эксперимента
Состояние ОФП определялось по итогам педагогического констатирующего эксперимента. Он проводился с помощью специальной программы Anketa и файлов с данными ответов. Программа, написанная на языке Turbo-Pascal 7.0, позволяла осуществлять выбор анкеты для студентов или для преподавателей, просмотр и редактирование анкет, просмотр файла ответов. Вопросы анкет для студентов и для преподавателей даны в ПРИЛОЖЕНИИ 1.
Констатирующий эксперимент проводился в 1989-92г.г. Анкетирование преподавателей МПГУ,ИГЭУ,ИТА,ИСЙ,участие в конференциях, посвященных проблемам ОФП [121, 1223, посещение лабораторий в МГУ, МЭЙ, МАИ, МИФИ позволили проанализировать состояние СОП в настоящее время. Со стороны студентов в анкетировании на первом этапе приняли участие 194 человека. На вопрос "Есть ли автоматизированные лабораторные работы в Вашем вузе",50% респондентов ответили "Да". Результаты опроса студентов приведены в таблице 1.3, а преподавателей в таблице 1.4.
Удовлетворены применением ПЭВМ в ОФП 787. от общего числа опрошенных. Если сравнивать мнения преподавателей и студентов, то удовлетворение среди преподавателей оказалось ниже - 67% и 76% соответственно. Преподаватели подчеркивали,что автоматизированные лабораторные работы нужны в вузе, но прежде всего для НИРС, АСНИ, курсовых и дипломных работ (50% опрощенных). В ОФП должны быть автоматизированы не все работы (65% ответов). Наиболее подходят для автоматизации лабораторные работы по электродинамике, атомной и ядерной физике, механике, и менее пригодны работы по молекулярной физике и
- за -
Таблица 1,3. Результаты опроса студентов
Таблица 1.4. Результаты опроса преподавателей
Продолжение таблицы 1.4.
- ол -
оптике (соответственно 88,74,50,34 и 17 ответов).
» В таблице 1.5 приведены сведения о том, как используются ПЭВМ в
практикуме.Из анализа этих данных можно сделать вывод,что ПЭВМ при
меняются достаточно широко. Часть вопросов была направлена на выяс
нение того,как используется ВТ в ОФП, а вторая часть вопросов - нас
колько эффективно применяются ПЭВМ в ФП. В таблице 1.6 даны оценки
студентами эффективности применения ПЭВМ в ФЛ, в таблице 1.7 - мне
ние преподавателей по этому вопросу.
f По итогам проведенного тестирования видно, что большая часть
1 опрошенных применяет ПЭВМ в ОФП для обработки экспериментальных
р данных и для проведения вычислительного эксперимента. Использование
компьютеров требует новой методики по мнению 91,5л опрошенных. Однако применение ПЭВМ в ОФП должно быть разумно ограничено. Отдельно подчеркивалась перспектива развития программных средств контрольно-обучающего типа.
Анализ анкет констатирующего эксперимента приводит к выводу, і что есть необходимость новых методик применения ПЭВМ в ОФП, спо-I собствующих повышению качества обучения. Опрос преподавателей физи-I ки технических вузов показал,что к основным недостаткам существую-|f щих ОФП в основном относятся следующие. При распространенных мето-* диках проведения работ недостаточно и не всегда эффективно изучается теоретический материал, который необходим для лабораторной работы. Это приводит к недостаточному умению студентов анализировать физическое явление, возникновению сложностей в изучении материала и практическом применении теории на практике. Все это вызывает трудности в формировании у студентов целостного представления об изучаемом разделе физики. Недостаточное развитие самостоятельности и отсутствие творческого подхода приводит к неумению строить и использовать физические модели в реальных опытах, неумению видеть приме-
Таблица 1.5. Основные направления применения ПЭВМ в практикуме
Таблица 1.6. Сравнение студентами эффективности обучения
Таблица 1.7. Сравнение преподавателями эффективности обучения
- 35 -нения физических законов в технике. Отсутствие связи с будущей специальностью инженера снижает интерес к работам практикума. Профессиональная ориентация практикума является важным мотивом к изучению физики. Существующая нефронтальность в ФП требует новой методики представления учебного материала и проведения лабораторной работы. Структура ОФП иногда не учитывает преемственности изучения дисциплин в вузе. В частности при переходе от физики к общеинженерным дисциплинам происходит дублирование учебного материала. Большая нагрузка на преподавателя по контролю деятельности студентов приводит к снижению эффективности и качества занятий. Невысокая точность измерений экспериментальных данных соответствует низкой степени достоверности результатов. Часто не используются математические методы обработки данных эксперимента из-за большого объема вычислений и громоздких расчетов.
В практикуме часто отсутствуют работы, которые по ряду причин требуют автоматизации.Это прежде всего те работы,где требуется особая точность эксперимента, и обрабатывается большой объем информации. При существующей автоматизации работ практикума наблюдается отрыв студента от реального объекта эксперимента. Многие работы не соответствуют уровню современной измерительной техники и возможностям ЭВМ, морально устарело техническое оснащение лабораторных занятий. Использование ПЭВМ ограничивается проведением только вычислительного эксперимента. В обучающих программах основной функцией компьютера является контролирующая. В ОФП особенно важно соблюдать чувство меры в применении ПЭВМ.
Массовость ПЭВМ и их доступность в настоящее время очевидна. Курс общества на формирование алгоритмического (компьютерного) мышления находит отражение в изменении взгляда на роль ПЭВМ в процессе обучения. Подробные классификации ПЭВМ, программно-педагогических
- 36 -средств (ППС), их функций, основных типов, достоинств и недостатков изучены достаточно подробно [27,40,553. ППС разрабатывается много и спектр применения ПЭВМ при изучении курса общей физики в вузе очень широк. Компьютер позволяет запомнить больший объем информации, хранить ее и использовать по мере надобности,позволяет проводить математические вычисления,графические работы, набирать, редактировать и печатать тексты, моделировать самые различные процессы.
Рассмотрим вопрос о роли ППС в ОФП. Отметим основные причины,по которым применение ПЭВМ в ОФП необходимо:
Общий курс на информатизацию процесса обучения находит отражение в применении новых технологий в традиционных формах обучения [34,104,1053. Развитие ВТ и успехи в области искусственного интеллекта тесно связаны с применением ПЭВМ в обучении [бО,1133."Автома-тизированные обучающие системы,разработанные в 70-х годах сменяются в настоящее время обучающими системами, базирующимися на интеллек-туалиэированных инструментальных средствах, воплощенных как в программном представлении, так и в электронных периферийных устройствах - интеллекту ализированными обучающими системами" [71-53,
Интенсификация процесса обучения достигается за счет внедрения новых технологий обучения [1293,
ПЭВМ помогают изучить любое физическое явление с разных сторон, одновременно представляя информацию во всех формах (семантической, образной, символьной, графической) [1143.
Знакомство с компьютерами в рамках ОФП подготавливает к применению ЭВМ в будущей профессиональной деятельности [803.
Интерес к компьютерным технологиям обучения со стороны студентов повышает эффективность занятий [503.
Компьютер как инструмент познания физической природы явлений может быть и измерителем, и средством для фиксации, и средством для
- 37 -обработки результатов эксперимента. С другой стороны, ПЭВМ является средством обучения [773. Объединение этих двух сторон создает новое качество ПЭВМ в ОФП.
С точки зрения применения ШІС в ОФП необходимо рассмотреть, какие ШІС соответствуют определенным этапам лабораторной работы. Структура лабораторного занятия достаточно традиционна и она имеет несколько этапов, каждому из которых можно поставить в соответствие определенный тип ППС.Как видно из таблицы 1.8,в основном ШІС применяются на отдельных этапах лабораторных работ. Наиболее широко ПЭВМ применяются в качестве калькулятора для обработки данных эксперимента. На втором месте идут ІШС контролирующего типа. ПЭВМ на линии с установкой также встречается,но не везде [96.1323. Только ряд работ ОФП требуют проведения автоматизированного эксперимента [1403.Однако есть тенденция к созданию единых комплексов с ПЭВМ и экспериментальной установкой. Такие комплексы предназначены для студентов старших курсов или для индивидуальных групп,занимающихся исследовательской деятельностью.Концепция универсального сценария проведения лабораторных работ предложена МАСИ,когда преподаватель создает графическую схему лабораторных установок, сценарий опроса и т.д tl223. Возникает вопрос о том, насколько нужен жесткий сценарий работы? По мнению методистов он необходим при изучении нового материала, т.к. можно что-то пропустить.
Наиболее полно систематизация различных направлений применения ВТ для физического образования представлена в [1533. Через несколько лет после выхода [1533 компьютеры предыдущего поколения были вытеснены из сферы разработки программных продуктов учебного назначения в связи со значительным расширением методических возможностей использования ВТ.Известные разработки по общему курсу физики приведены в [713. Процесс информатизации образования развивается с боль-
Таблица 1.8. Применение ППС в СШ
- 39 -шим ускорением.В таких журналах,как Amer.J.Phys. .Europ.J.Phys.,Computers In Physics, Physics Education. Compurters&Education, J. of Computer Assist. Learning, Computer Physics Reports и др. имеется много публикаций о компьютерных программах, используемых в процессе обучения физике С159.160]. Обсуждаются не только содержательная часть программ, но и методические, психологические, организационные вопросы [168, 169]. Как свидетельствует опыт учебных заведений США, Германии, Великобритании и др., применение компьютеров интенсифицирует процесс обучения, открывает новые методические возможности и вызывает повышенный интерес со стороны студентов Е157, 158, 162]. Последними тенденциями в этой области являются:использование систем Multimedia в учебных программах (включение в программы видеоизображения и звука), широкое использование электронных сетей баз знаний, экспертных систем, делающих доступными электронные конференции, обмен учебными программами и т.д. [161, 166],
Обобщая материалы последних конференций и по анализу литературы, можно сделать вывод, что применение ПЭВМ в ОФП развивается по следующим направлениям:
1) ППС, проводящие компьютерное моделирование [84,1583.
К примеру, в теплотехнике, где время установления начальных параметров идет долго,часто прибегают к имитации нагрева и исследованию модели явления. К этому же типу ППС относятся компьютерный эксперимент, под которым понимается моделирование физических явлений на ЭВМ, и численный эксперимент.Компьютерное моделирование особенно эффективно,на наш взгляд, в обучающих системах для визуализации физических процессов. Моделирующие компьютерные программы представляют собой не просто электронное дополнение к традиционному учебнику, а настольную лабораторию для индивидуальной интерактивной работы учащегося с математической моделью физического явления. В этом от-
- 40 -ношении моделирующие программы принципиально отличаются от традиционных скучающе-контролирующих, так как именно при моделировании физических явлений используются уникальные возможности компьютера. "Компьютер позволяет получать наглядную запоминающуюся иллюстрацию изучаемых физических явлений во всей их динамике, воспроизводить тонкие детали явлений, ускользающие обычно при непосредственном наблюдении, изменять временной масштаб явлений, строить одновременно с наблюдением процесса описывающие его графики. Особую роль играет возможность варьировать в широких пределах параметры изучаемой системы и условия вычислительного эксперимента, рассматривая в том числе и ситуации, которые по тем или иным причинам невозможно реализовать в натурном эксперименте. Работа с моделирующими программами во многом сходна с небольшим научным исследованием, в котором студент играет активную роль" [19-353. Однако от натурного эксперимента при обучении физике в вузе отказываться нельзя. Если убрать объект, то идет изучение "черного ящика" по цепочке: задание начальных условий опытам процесс в "черном ящике"-" получение результатов опыта.Использование компьютерного моделирования без натурного оправдано только там, где проведение реального невозможно или трудно реализуемо. Но в этом случае объективность и ценность результатов снижается.
2) Обучающие диалоговые программы [1533.
Создание подобных ІШС сложно [1043. Аппаратные возможности ПЭВМ расширили традиционные формы обучающих программ. В настоящее время оформилось новое научное направление, объединяющее специалистов-предметников и разработчиков в области информатики.Необходимо создавать индустриально унифицированные программные средства, рассчитанные на непрофессионального пользователя-методиста. Однако трудоемкость и экономическая неэффективность подобных разработок и их
- 41 -' Wift№**ir* методическая неуниверсальность во многом тормозят развитие и внедрение их в системе высшего образования. Число коллективов-энтузиастов увеличивается крайне медленно из-за ограниченности доступа к вычислительной технике как для индивидуального пользования, так и для коллективного поль зования. "Немаловажную роль в внедрении компьютерных технологий играет слабая подготовленность большого числа педагогов в силу недостаточной заинтересованности и объективно обусловленного отсутствия дополнительного времени на их освоение. Обучение в среде компьютерных технологий требует от педагога большей профессиональной подготовленности и соответствующей оценки освоения ими новых информационных технологий. Следует отметить недостаток на местах легко доступной и систематизированной информации и литературы о программных и методических разработках, а также методических центров обучения новым информационным технологиям** [71-63. Для преодоления указанных трудностей предлагается создавать специальные методические кабинеты на базе вузовских коллективов, обладающих опытом разработки компьютерных технологий обучения.
3) ПЭВМ как управляющий элемент установки [37, 86, 163].
Автоматизация эксперимента получила новый импульс в связи с
созданием измерительно-вычислительных комплексов [193. Подобные ШІС применяются в основном студентами старших курсов в курсовых и дипломных работах.
4) Контролирующие программы [563.
Хорошо разработана методика создания подобных ППС [1103. В настоящее время для контроля широко используются вопросы следующих двух типов:
выбор альтернатив с тенденцией увеличения выбора до 8-Ю вариантов соответствия ответа различным формулировкам;
оценка по времени ответа;
- 42 -- оценка ответа по правильности с помощью анализа отдельных
т СИМВОЛОВ.
Недостаточная эффективность таких вопросов связана с тем, что нужно давать ответы в соответствии с программой. Возможности современных ПЭВМ увеличивают свободу отвечающего в формулировке ответов. Вопросы могут быть символьного контроля (текст или число) или графического контроля по рисунку. В настоящее время разработаны среды і для создания контролирующих программ.
5) Компьютерные учебники и компьютерные задачники.
* Примером развития данных ШІС является электронный задачник EL-
т ZA, который входитв состав проекта по созданию компьютерной обучаю-
1 щей среды по курсу физики [71].
1 6) Игры-тренажеры [393.
Экспертные системы [83, 1653.
Обучающие среды [54,62,170
Концепция компьютерной обучающей среды СКОС) предложена С.Пей-пертом [953. Описание свойств программ, построенных по принципу КОС, даны в [613:
- Наличие "микромира", с которым работает обучаемый. Это может
быть и модель, и реальный объект, подключенный к ПЭВМ.
* - Интерактивность обучающей программы. Ученик может и воздейс
твовать, и формировать, и достраивать объект изучения.
Возможность выполнения разнообразных функций.
Отсутствие жестко заданного алгоритма выполнения программы, реализация различных сценариев работы и методик выполнения.
- Учебная направленность деятельности в среде.
Из анализа возможных применений ПЭВМ в процессе обучения видно,
что современными перспективными направлениями являются экспертные системы и обучающие среды. На наш взгляд, обучающие среды наиболее
- 43 -полно используют интеллектуальные возможности современной ВТ. Особо отметим перспективность оборудования некоторых лабораторных установок датчиками,сопряженными с АЦП.для связи ПЭВМ с установкой.
Нет исследований, посвященных вопросу применения обучающих сред в ОФП. КОС делает целесообразным и эффективным применение ПЭВМ в ОФП, при этом достигается индивидуализация обучения. На наш взгляд, концепция применения ПЭВМ в ОФП обязательно должна включать понятие обучающей среды как базисного элемента.
1.3. Применение психолого-педагогических основ теории деятельности и положений дидактики для разработки концепции общего физического практикума, использующего ЭВМ
Основываясь на современных педагогических и психологических исследованиях, можно сделать ряд выводов об основных принципах концепции ОФП вуза. Первым шагом на пути решения этой задачи должен стать всесторонний системный анализ проблемы [41,1563. Для выбора правильных положений очень важно учесть основные тенденции в развитии ОФП в последние годы,критически осмыслить опыт,накопленный разными вузами,оценить необходимые для достижения цели материальные ресурсы и средства.
Число аудиторных занятий по курсу физики не только не возросло за последние 5 лет, но даже сократилось. Доля самостоятельной работы студентов возросла. Перенос центра тяжести на самостоятельную работу студента требует коренных изменений в методике преподавания. Основными источниками фактических знаний для студентов становятся специальный учебник и сопровождающий его задачник, обучающе-контролирующая компьютерная система, специальные подборки материалов, подготовленные преподавателями по каждой теме ОФП. Студент приходит на лабораторную работу, проработав теоретический материал. Лекция
- 44 -носит установочный проблемный характер. Здесь разбираются только
* самые важные и сложные вопросы, и даются последние научные сведения. В ведущих вузах мира студент имеет доступ к видеозаписям лекций и семинаров лучших ученых мира и разнообразным специальным видеофильмам. Он имеет постоянную компьютерную связь со своим преподавателем и коллегами, поскольку каждый из них имеет персональный компьютер, встроенный в общую сеть [1663. Студент может пользоваться базами и банками научных данных, фондами компьютеризированных библиотек.
Наиболее примечательным в развитии методики преподавания явля-
» ется переход к модульному принципу построения курсов [263. Модуль -самостоятельный раздел курса, в котором разбирается одно основное фундаментальное понятие дисциплины (явление,закон,структурный тип) или группа родственных взаимосвязанных понятий. Модульное разбиение
| строится на основе системного анализа понятийного аппарата дисциплины. Такой подход позволяет выделить группы основных фундаментальных понятий, логично и компактно сгруппировать материал, избежать повторений внутри одного курса и в смежных курсах. По оценкам американских специалистов, без ущерба для полноты изложения и глубины освоения модульное построение позволяет сократить курс на 30% и более [167]. Для модуля составляется перечень основных понятий и умений, которые студент должен усвоить в ходе предварительного обучения. Этот перечень (характеристика входа) является основой для создания программы предварительного контроля. Такой контроль может быть осуществлен компьютерной системой или в виде письменной работы. Внутри одного курса завершающая контрольная работа по окончании одного модуля служит предварительным контролем для следующего модуля. Для модуля составляется также перечень основных понятий и умений, которые студент осваивает в данном модуле (характеристика выхо-
- 45 -да). Модуль имеет методическую разработку, описывающую логику, сог-
ласно которой понятия и умения,входящие в характеристику выхода, возникают из исходных понятий. Это "логическое дерево" заложено в основу соответствующей обучающе-контролирующей системы.Модуль снабжается вопросами и задачами двух типов: контрольные вопросы обзорного характера (для контроля памяти) и задачи (для упражнения), требующие активного владения материалом. Все вопросы и задачи введены в компьютерную обучающе-контролирующую систему. Для каждого модуля формируется набор справочных и иллюстративных материалов.Это материалы, в которые включаются заметки преподавателя, схемы и ри-
сунки, демонстрируемые на лекциях, некоторые страницы, ксерокопированные из малодоступных книг и научных статей, примеры решения типичных задач. Совершенно ясно,что новая интенсивная программа подготовки требует нового технического и ресурсного обеспечения.
1 Системный анализ проблемы привел нас к выводу, что модульное построение работ ОФП в вузе позволяет определить методику проведения работ ОФП и место ПЭЕМ в нем. Концепция ОФП технического вуза, по нашему мнению, должна включать следующие положения:
1) ОФП представляет целостную систему лабораторных работ, которые удовлетворяют определенным критериям;
' - тема и содержание работ должны соответствовать учебной образова-
ш тельной программе по данной инженерной специальности;
- лабораторная работа является необходимым звеном в цепочке "лек
ция- семинар - лабораторная работа";
| - основой лабораторной работы является исследование физической природы явлений;
в ОФП используются современные измерительные приборы и ПЭШ;
методика занятия соответствует основным дидактическим принципам обучения.
ОФП должен способствовать овладению исследовательских умений и навыков на уровне, необходимом для решения задач, имеющих естественно-научное содержание и возникающих при выполнении профессиональных функций.
ОФП должен способствовать формированию естественно-научной картины мира и научного мировоззрения. Практикум должен давать целостное представление о процессах и явлениях, происходящих в природе, обеспечивать понимание возможностей современных научных методов познания природы и давать представление об концепциях современного естествознания.
ВТ должна естественным образом применяться в ОФП на всех этапах для обучения, контроля, как средство управления экспериментом, как средство обработки и отражения результатов эксперимента. В ОФП используются современные измерительные приборы и ПЭВМ на линии с экспериментальной установкой, где это необходимо.
Демократизация системы образования привела к возникновению "проблемы нового подхода ко всем компонентам сложившихся до сих пор традиционных дидактических систем" 49-4]. Анализ работ ведущих специалистов в области общей дидактики и МПФ привели нас к выводу, что основу концепции ОФП должны составлять положения дидактики с точки зрения деятельностного подхода в обучении. Психолого-педагогические основы теории деятельности подробно изложены в трудах С.Л.Рубинштейна [1113, А.Н.Леонтьева [693 и др. Теория поэтапного формирования умственных действийС П.Я.Гальперин [243, Н.Ф.Талызина [127,1283. Д.Б.Богоявленская [153,Л.Н.Ланда [673, Е.И.Кабанова-Мел-лер [443 и др. требует включения в процесс обучения нескольких этапов. Учет принципов развивающего обучения (М.Н.Скаткин [1183, И.Я. Лернер [703, В.В.Давыдов [333) предъявляет особые требования к ППС. Содержательно-знаковая наглядность и применение моделей и аналогий
- 47 -в обучении (Л.П.Занков [38], С.Е.Каменецкий [48], А.В. Усова [133]) особенно ярко реализуются с помощью ППС.
Устранить противоречия между функционирующей до сих пор системой ОФП и новыми задачами, возникшими в результате изменений в системе физического образования,связанных с ПЭВМ,при обеспечении высокого уровня обученности,возможно, если применяя деятельностный подход, определить заново роль и место в процессе обучения главных элементов дидактической системы(преподавателя,студента,содержания обучения). При этом требуется оснастить преподавателя методикой и процедурами для самостоятельного планирования ОФП от формулирования целей обучения, структуры отдельных занятий до проверки результатов и отчета. Для решения этих проблем необходимо разработать дея-тельностную модель процесса обучения в ОФП путём ОМЭС.
"Действие как основная дидактическая категория есть новый подход к роли всех основных элементов дидактической системы" [49-7]. С точки зрения психологии действие определяется как "целенаправленное поведение,организованное так,чтобы обеспечить возможность удержать или добиться какого-то определенного положения вещей" [49-14]. При этом несколько отдельных действий, составляющих целенаправленную систему, образуют деятельность человека. Отсюда следует определение учения "как состава действий (процесс), предпринятых человеком,направленных на изменение своего поведения и своих возможностей до достижения определенного желаемого результата" [49-111. Желательные результаты учения (общие цели) определяются принятой системой качеств. "Чтобы пошел процесс учения, должна возникнуть определенная ситуация учения, обусловленная как внешними относительно учащегося, так и внутренними факторами** [49-133. Всякое учение начинается с восприятия какого-то внешнего импульса, действующего на органы чувств.Источником' "импульса*' являются вещи,явления,их символические
- 48 -представления - слово, письменный текст, чертеж и т.п. К внутренним факторам,необходимым для эффективного учения.относятся приобретенные и природные свойства учащегося: ранее усвоенные знания,интеллектуальные и практические умения,природные свойства, такие как общая интеллигентность, специальные способности, черты характера. Обучение является внешним по отношению к учащемуся и положительно влияет на учение. "Обучение - основная деятельность учителя, которая складывается из упорядоченного состава действий, которые, поддерживая внутренние процессы, облегчают учащимся учение" [49-13]. Сложный процесс обучения разбивается на моменты обучения.Эти звенья четко связаны с определенными этапами учения. Функции отдельных звеньев зависят от характера знаний и умений, предусмотренных для овладения учениками.
Обучающая среда дает возможность связать основные элементы процесса образования (учение, обучение и содержание обучения) в одно целое. Традиционно содержанием обучения является учебный материал. "Современные взгляды на то. чем должны овладеть ученики, склоняются к равноправной трактовке значимости как учебного материала, так и умственных и практических операций, выполняемых на этом материале" [49-143. По нашему мнению, в обучающих средах есть и учебный материал, и операции, которыми должны овладеть студенты. Наряду с традиционными навыками и умениями при работе в обучающей среде студенты овладевают навыками работы с ПЭВМ, современными измерительными приборами и навыками исследовательской деятельности.
Планирование оптимизирует человеческие достижения.Для этого необходимо создать возможность понять и одобрить цели, предпринять подходящие действия и средства для их достижения.Для проведения такого планирования надо установить и полностью осмыслить цели учения, а также нужны знания и умения планировать свое учение.Дели уче-
ния являются исходным пунктом всякого планирования и должны форму-
* лироваться в виде действий,которые в конце обучения могут выполнить
студенты, а в начале не могли. Соответствие критериям системного под
хода означает, что процесс состоит из определенных этапов, связи
между которыми обеспечивают сплоченность всей системы.
"Учение - действия,происходящие в уме ученика.составляющие процесс преобразования информации, воспринимаемой извне. Обучение -действия учителя, которые являются внешними условиями относительно ученика. Средства обучения - материальные средства, служащие для представления содержания обучения (знаний и умений), иначе-носители
* информации о действиях, являющихся целью учения, и о действиях учи
теля, помогающих учению" [49-193.
Структура экспериментальной деятельности рассмотрена в Е583 на примере школ гуманитарного и технического профилей. Учебная деятельность является частным случаем деятельности. Выделяя в экспери-1 ментальной деятельности ориентирующую, исполнительную и контрольную
части, можно поставить им в соответствие умения. Структура экспериментальной деятельности имеет вид: постановка задачи, планирование эксперимента, создание экспериментальной установки, проведение эксперимента, обработка и анализ результатов. Структура исследователь-ской деятельности аналогична вышеизложенной (кроме постановки проб-
L лемы). В ней используются специфические методы технических наук
і (проектирование, конструирование, структурно-морфологический и структурно-функциональный анализ технических объектов).Для формиро-
I вания понятийно-практического и пространственного мышления необходимы операции практические(измерение,вычисления,монтаж); мыслитедь-ные(анализ,синтез, дедукция); графические (чертежи,рисунки,схемы). Особенно актуально при разработке новых технологий обучения яв-
' ляется проблема проверки качества обучения. Качество обучения свя-
- 50 -зывается с теоретическим ядром [463: надо изучать не элементы учения, а основное. Например, надо изучать не элементы теории электричества, а "электродинамику - науку о связях и закономерностях электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между заряженными телами"[46-7]. "Чтобы материал был доступен, необходимо использовать средства повышения наглядности обучения (модели,аналогии.экранные пособия),а также активизировать познавательную деятельность учащихся в процессе обучения" [46-73. Для этого требуется создать условия для формирования с помощью физического эксперимента и ПЭВМ образного мышления учащихся.
Одним из современных направлений совершенствования ОФП является применение ПЭВМ. Следовательно необходимо в концепцию ОФП включить такие понятия, которые связаны с ПЭВМ и ППС. Диссертационное исследование показывает, что применение ПЭВМ в ОФП будет наиболее эффективным в виде особой формы организации учебного занятия путем обучающей модельно-экспериментальной среды (ОМЭС). ОМЭС удовлетворяет положению о том, что OKI в вузе является обязательным для всех студентов и носит опережающий, прогностический характер.
1.4. Обоснование возможных методов применения ЭВМ в физическом практикуме
Анализ накопленного опыта и сравнение с традиционными работами приводят к необходимости применения современных возможностей ПЭВМ в физическом практикуме. Нужно создание и разработка определенных методик для повышения качества и эффективности работ ОШ.
Практическое применение компьютерных технологий опережает теоретические исследования в этой области. Возможности компьютера являются важным стимулом для познавательной активности студентов. "Качество имеющихся в распоряжении преподавателя программных среде-
- 51 -тв обучения определяет успех учебного процесса в значительно большей степени, чем технические характеристики используемых компьютеров*1 [70-Ш.
Механически перенести дидактические приемы традиционных форм обучения на обучение с применением ВТ неэффективно, т.к. ПЭВМ изменяет характер учебной деятельности. "Созрела потребность рассмотрения проблемы использования компьютерных технологий с позиций концепции целостного системного подхода" С70-33. Почему компьютеризация учебного процесса часто не приносит результатов? Объяснение этого Факта связано с переносом центра тяжести на развитие алгоритмического мышления,не свойственного человеку,с чрезмерной математизацией информатики, с увлечением изучения языков программирования.
Компьютер как техническое средство исследовался в работах [27, 34,56]. Применение компьютеров при изучении физики наиболее перспективно в качестве инструментального средства,"в качестве эффективного инструмента получения знаний по физике в процессе дифференцированного обучения, ориентированного на приобретение навыков самостоятельной работы" [56-73. Экспертные системы и обучающие среды, как уже указывалось нами ранее, являются современными направлениями применения ПЭВМ в учебном процессе. Дидактические особенности компьютерных сред, применительно к разным направлениям образования, как сравнительно новое направление использования ЭВМ, рассматривалось в трудах Е53, 613.Понятие дидактической компьютерной среды (ДКС) как целостной системы определено в работе [533. "ДКС- целостная система, базирующаяся на единой методологической основе, определяющая выбор аппаратных,программных.методических средств,позволяющих реализовывать учебную деятельность учащихся на более высоких уровнях" [53-53. В данной работе особо подчеркивается необходимость формирования особого умения обучаться в ДКС. Для формулирования
- 52 -данного понятия необходимо использовать теории об целостности учеб-
но-воспитательного процесса [683 и основных методах его оптимизации [93;базисные принципы организации компьютерного обучения [27,74,773 и положения теории педагогических систем и педагогических технологий [13,213. По общей дидактике и теоретическим основам методики преподавания физики для определения особенностей обучающих сред при изучении физики анализировались работы[48,62.91,108,118,127.147,148, 1553,а также работы зарубежных авторов Европы и США [17.98,1573.
Основные направления включения компьютера в процесс познава-тельной деятельности студентов такие, как тесты, обучающий режим,
» тренажер для отработки элементарных навыков и умений, базы данных, графические иллюстрации, моделирование сложных процессов и измерительный режим, обычно используются в СШ отдельно (табл.1.8 на
j стр.38). Объединение этих возможностей на основе организации обучающей среды повышает эффективность ПЭВМ в практикуме.
і Процесс обучения идет в определенной социокультурной среде.
Среда обучения обобщенно есть "совокупность отношений, отражающих потребности общества в образовании и развитии подрастающего поколения" [53-103. Среда обучения определяется стандартами образования и учитывает общие цели образования, но не самих учеников. Целостный
' подход требует обучающую среду рассматривать с разных точек эре-
L ния:социальной,психолого-педагогической, эргономической,организационной, технической, экономической и др. ДКС - "ближнее окружение школьника в учебном процессе,использующем ВТ,часть информацион-
І но-учебной среды, тем или иным образом связанная с использованием компьютера в учебном процессе" С53-103. В основу теоретической модели ДКС положены методологические принципы Е.И.Машбица: деятель-ностное обучение,целостность,организованность систем, иерархичность
[773. К дидактическим принципам конструирования ДКС относятся:
»
»
- 53 -принцип целесообразности, принцип максимального приближения к потребностям, возможностям, особенностям ученика, принцип соответствия целям обучения и содержанию предмета, принцип приоритета гуманистического перед аппаратно-технологическим Сведущая роль принадлежит человеку, который сам решает задачу), принцип минимизации внепред-метной информации (без заучивания служебной информации), принцип личностной ценности знаний и умений, принцип обязательного использования продуктов учебной деятельности (в соответствии с концепцией личностноориентированного обучения), принцип интегративности, принцип вариативности (отсутствие жестких предписаний), принцип дифференциации целей обучения, принцип дружественного взаимодействия среды с участниками учебного процесса, принцип компьютерной безопасности, а также незамкнутость и динамичность ДКС, принцип е непрерывного обновления.
В [533 выделены ДКС общего назначения» ДКС предметноориентиро-ванные, ДКС личностноориентированные. При использовании ЭВМ в ДКС учебные действия по степени их изменения разделены на три группы: неизменяющиеся - неспецифические действия (например, приёмы логи-ческого мышления), сильно изменяющиеся - специфические действия (приемы математической обработки) и очень сильно изменяющиеся действия - по организации учебной деятельности.
Характерной чертой образования на современном этапе является возрастание объема поступающей информации и возникновение необходимости увеличения скорости ее обработки. Одним из современных требований к структуре знаний является наличие высокого уровня компьютерной грамотности, знания принципов работы и устройства ПЭем. функциональных возможностей ВТ, принципов применения ПЭВМ как инструментального средства, а также наличие умений и навыков программирования и алгоритмизации процессов. В современной практике дока-
- 54 -зано, что осуществление задачи обеспечения компьютерной грамотности возможно не только в рамках специальных курсов, но и при обучении другим предметам, например» физике.
Нами в частности изучался вопрос эффективного сочетания натурного и вычислительного эксперимента при решении исследовательских задач в рамках ОМЭС в ОФП. При этом была разработана методика проведения лабораторных занятий в сочетании с компьютерным моделированием изучаемого явления и проведением автоматизированного эксперимента через этап качественного опыта. Для СЙО высшей школы такого исследования еще не было выполнено, особенно важно было найти оптимальное соотношение между теоретическим, вычислительным и экспериментальным этапами лабораторной работы.
ВТ является мощным стимулом при обучении физике. Вычислительный эксперимент позволяет овладевать новыми знаниями и способствует формированию у обучаемых новых навыков и приемов учебной деятельности, которые отражают современные тенденции развития общества. Сочетание вычислительного и натурного экспериментов является моделью проведения современных научных исследований» что позволяет ввести студентов в мир новых информационных технологий. В [1343 предложена методика сочетания вычислительного и натурного экспериментов» которая позволяет овладеть методами и техникой физических исследований. Изучение идет от физической системы к физической модели, от которой переходят к математической модели. Модель есть приближенное описание физической системы, отражающее часть свойств системы. Это позволяет учесть действие отдельных факторов последовательно, проводя качественный анализ влияния каждого фактора в отдельности. Математическая модель - часть физической модели, позволяющая делать количественные оценки поведения системы и сравнивать их с экспериментальными данными. В математической модели содержатся
- 55 -эмпирические параметры, которые определяются в опыте. Методика проведения занятия такова. Первый этап - постановка задачи, определение схемы проведения опытов, выбор необходимого оборудования и материалов. Второй этап - построение компьютерной модели через физическую и математическую модели.Компьютерная модель дает возможность исследовать основные закономерности поведения системы и учесть влияние различных параметров на результаты. Компьютерная модель мдает позволяет наиболее полно отобразить объект исследования, выразить его сущность таким образом, что ученики получают достаточно полное представление об изучаемом объекте. Компьютерная модель, скрывая сложные аналитические взаимосвязи между элементами системы, позволяют проследить за влиянием отдельных параметров на поведение системы на качественном и количественном уровне" [134-113. Третий этап - оптимизация составных частей системы для наилучшего проведения эксперимента и получения наилучших характеристик. Четвертый этап -натурный эксперимент. Пятый этап - анализ результатов и выводы. Данная структура проведения работы позволяет автору говорить об "качественно новом типе лабораторных занятий" [134-12]. Заметим, что качественный анализ идет на уровне компьютерной модели, а не натурного эксперимента.
На первый взгляд, система оценки и организации учебного процесса с помощью ПЭВМ снижают роль личного прямого контакта студент-преподаватель. В действительности индивидуальные собеседования преподавателя после каждого контрольного испытания с целью разбора результата и анализа ошибок,и увеличение времени для консультаций и встреч вне часов аудиторных занятий.делает контакты более продолжительными и более содержательными.
Таким образом, возможности обучающей среды позволяют повысить эффективность применения ПЭВМ в CXHI.
