Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Теоретико-методологические основания системной интеграции в образовательном процессе .33
1.1 Современные тенденции развития высшего профессионального технического образования .33
1.2 Проблемы и перспективы геометро-графического образования в техническом университете .47
1.3 Объективные основы системной интеграции, влияющие на структуру и содержание геометро-графического образования .67
Выводы по первой главе .78
ГЛАВА 2 Концепция формирования геометро-графическо-го образования в техническом университете .81
2.1 Современные подходы к геометро-графическому
образованию в техническом университете .81
2.2 Концепция системной интеграции как основа целостности процесса обучения в техническом университете .98
2.3 Принципы формирования структуры и содержания геометро-графического образования 114
Выводы по второй главе 130
ГЛАВА 3 Структура и содержание геометро-графического образования в техническом университете 133
3.1 Модель и моделирование как ключевые понятия геометро-графического образования 133
3.2 Язык графики, как язык геометрического моделирования 149
3.3 Геометрическое моделирование как обобщение начертательной геометрии 162
Выводы по третьей главе 182
ГЛАВА 4 Оптимизация технологии учебного процесса 183
4.1 Условия оптимизации общеинженерного образования 183
4.2 Дедуктивное строение начертательной геометрии 196
4.3 Педагогические условия реализации геометро-графического образования в техническом университете 207
4.4 Экспериментальная реализация основных положений 219
Выводы по четвертой главе 246
Заключение 248
Библиографический список
- Проблемы и перспективы геометро-графического образования в техническом университете
- Концепция системной интеграции как основа целостности процесса обучения в техническом университете
- Язык графики, как язык геометрического моделирования
- Педагогические условия реализации геометро-графического образования в техническом университете
Проблемы и перспективы геометро-графического образования в техническом университете
Одним из таких средств является реализация принципа системной интеграции, обеспечивающего систематизацию, обобщение и «уплотнение» знаний. Это способствует повышению научного уровня знаний будущего специалиста, развитию его теоретического мышления и умения использовать знания из различных научных областей при решении профессиональных задач. Принцип системной интеграции работает в двух вариантах: средство обучения – возможность объединения знаний по разным дисциплинам и цель обучения – построение целостной картины мира у студентов.
Актуальность поставленной проблемы подтверждается на государственно-правовом уровне – важность подготовки конкурентоспособного, профессионально мобильного специалиста отражена в Стратегии инновационного развития Российской Федерации на период до 2020 года [144] и в Федеральном Законе «Об образовании в Российской Федерации» [151].
Более того, введение уровневого высшего профессионального образования является важным элементом комплексного преобразования сферы высшего образования. Принятие федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования (ФГОС ВПО) третьего поколения, реализующих компетентностную парадигму в образовании, позволяет учесть возросшие требования к адаптированности и профессиональным компетенциям специалистов. От образования сегодня ожидают результатов, характеризующих качественное формирование компетентностей обучающихся. С одной стороны, это включает получение организованных и систематизированных знаний, умений и навыков (в соответствии с направлениями профессиональной подготовки), а с другой – развитие у обучающихся особых интеллектуальных качеств – способности широкого переноса знаний на новые дисциплины. Интеграция наук в разнообразных формах имеет важное значение для формирования профессиональных компетентностей (личностная, интегративная, формируемая характеристика способности и готовности будущего выпускника успешно применять знания, умения, опыт и личностные качества в стандартных и изменяющихся ситуациях профессиональной деятельности).
Системная интеграция имеет принципиальное значение для развития научных основ педагогики и для практической деятельности преподавателей. Она связана с отбором и структурированием содержания образования, выделением структурных элементов содержания образования и определением системообразующих связей между ними.
Особое место в разрешении этой проблемы занимают учебные дисциплины, предназначенные, по своей сути, обеспечивать системные связи высшего технического образования. К ним относится инженерная графика, обеспечивающая преподавание целого ряда общеинженерных и специальных учебных дисциплин в техническом образовании. Инженерная графика, как комплексная дисциплина, включающая в себя начертательную геометрию, инженерную и компьютерную графику, а также другие разделы инженерной геометрии, определяет освоение теоретических основ компьютерной геометрии и графики и является базой для геометро-графической подготовки специалистов в техническом университете.
В современных условиях значимость геометро-графической подготовки существенно увеличивается. Овладение методами геометрического моделирования явлений, объектов и процессов способствует развитию образного и рационального мышления.
Следующая группа проблем обусловлена повышением требований к характеру и качеству профессиональной подготовки специалистов, вследствие возрастания скорости информационных процессов, сопровождающихся изменениями в социально-экономическом, техническом и культурном развитии общества. Эти проблемы выражаются в появлении новых теоретических и практических задач, отличающихся системным характером, нестандартностью, глобальностью возможных последствий. Эти задачи не имеют простых и стандартных решений. Они требуют существенного изменения характера всей профессиональной деятельности будущих специалистов, обусловливают необходимость подготовки специалистов (бакалавров, магистров), способных мыслить творчески, строить модели, структурировать инварианты знаний. Подчеркнем, что и в этом случае геометро-графические модели с возможностью визуализации на практике более эффективны, чем чисто аналитические модели. Динамика жизни требует освоения методов творчества в короткие сроки. В настоящее время активно ведутся работы по созданию современной модели специалиста и по реализации этой модели на практике. Все это свидетельствует об актуальности представленного исследования на методологическом и теоретико-педагогическом уровне.
Следует отметить группу проблем, порожденных расширением направлений профессиональной деятельности, связанных с современным уровнем развития науки, техники и технологий. В них ярко выражена интеграция естественно-научных, общественных, технических и специальных дисциплин, которая уже не позволяет использовать в процессе обучения имеющиеся методические наработки в готовом виде. В частности, учебник, который по-прежнему выступает как основа методического обеспечения и основной источник знаний, должен быть не только обучающим, но и развивающим, предлагая студенту на основе ранее усвоенных знаний формировать новые знания, которые в дальнейшем входили бы в интеллектуальный аппарат личности и применялись в процессе самостоятельной деятельности. Требуется разработка нового учебно-методического обеспечения уровня современного образования с возможно новой нетрадиционной организацией изучаемого материала (носители, формы изложения).
Выявленные проблемы объективно порождены процессами, происходящими на современном этапе развития общества. Они отражаются не только на общей концепции формирования высшего профессионального образования, но и на стиле и характере преподавания любой учебной дисциплины.
Концепция системной интеграции как основа целостности процесса обучения в техническом университете
Методы исследования, используемые для решения поставленных задач, были комплексными, взаимодополняющими и адекватными рассматриваемой теме и включали совокупность психолого-педагогических и общенаучных методов теоретического уровня: историко-сравнительный анализ и структурно-логический анализ, систематизация, обобщение фактов и концепций; эмпирического уровня: диагностирование (беседы, тестирование и анкетирование); экспериментальные (констатирующий эксперимент, формирующий, обобщающий); анализ нормативных документов, литературных и научно-методических источников; математическая обработка данных эксперимента. Исследование проводилось в несколько этапов.
Первый этап (2002 – 2004 гг.) – конкретизация проблемы, постановка задачи исследования.
Второй этап (2005 – 2006 гг.) – изучение проблемы, степень ее разработанности. Определялась методология исследования. Были выявлены проблемы в области геометро-графической подготовки, требующие своего решения в свете новой образовательной парадигмы.
Третий этап (2007 – 2010 гг.) – углубление и расширение теоретических основ рассматриваемой концепции обучения, уточнение теоретических позиций, определение методологических позиций, построение гипотезы исследования, что позволило уточнить проблемы преподавания геометро-графических дисциплин. Разрабатывались учебно-методические комплексы дисциплин, проводился педагогический эксперимент. В процессе совершенствования технологии обучения начертательной геометрии и инженерной графике разрабатывались и внедрялись в учебный процесс новая дисциплина «Компьютерная графика» и ее дидактическое обеспечение.
Четвертый этап (2011 – 2013 гг.) – систематизация и теоретическое обобщение результатов исследования, их количественный и качественный анализ, публикация научных результатов. Продолжение внедрения результатов исследования. База исследования. Исследования проводились на базе Московского государственного индустриального университета и Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана.
Достоверность полученных результатов исследования и обоснованность выводов подтверждается: - теоретическими и методологическими позициями работы, базирующимися на фундаментальных трудах современной науки и соответствующих проблемам, целям, предмету и задачам исследования; - общим методологическим подходом (целостным, междисциплинарным, системным, синергетическим, деятельностным, компетентностным, личностно-ориентированным, информационно когнитивным) к процессу обучения по дисциплинам инженерной графики; - итогами педагогического эксперимента и практикой внедрения в учебный процесс; - апробацией результатов исследования, результаты которого обсуждались на всероссийских и международных конференциях, форумах и семинарах; - многолетним положительным опытом работы автора как преподавателя дисциплин «Начертательная геометрия», «Инженерная графика», «Компьютерная графика».
Научная новизна исследования заключается в разработке методологического и научно-теоретического обоснования интеграционных функций геометро-графического образования (с ядром обучения – теорией геометрического моделирования и геометро-графической моделью как системообразующим фактором) в учебном процессе технического университета.
Основными положениями, отражающими научную новизну: 1. Определена сущность системной интеграции и интеграционная составляющая геометро-графического образования для инженерно-технических специальностей технического университета. Системная методология учитывает множественность подходов к понятию моделирование, приводит к современной трактовке традиционных проблем, среди которых одной из главных является проблема представления всей структуры учебных дисциплин подготовки специалиста в виде целостной информационной системы на основе геометро-графического образования.
2. Основными компонентами интеграционной концепции геометро графического образования с ядром обучения – теорией геометрического моделирования являются: - комплекс взаимосвязанных и взаимодополняющих методологических подходов (целостный, междисциплинарный, системный, синергетический, деятельностный, компетентностный, личностно-ориентированный, информационно-когнитивный) при формировании содержания геометро графического образования в техническом университете, характеризуемый совместным действием этих подходов, позволяющий изучать педагогические системы в различных аспектах и получать разноплановые характеристики исследуемых явлений; - владение компьютерными технологиями геометро-графического моделирования и визуально-образным геометрическим языком и; - реализация основных дидактических принципов (фундаментальности, научности, связи теории с практикой, системности, систематичности и последовательности, профессиональной направленности, наглядности и доступности и др.) с учетом интеграционного подхода, также специальных принципов (наблюдаемости, открытости, нелинейности, иерархичности,). 3. Интеграционные функции геометро-графического образования предполагают смену вектора направления обучения в сторону развития общеинженерных компетентностей студентов – овладение методами научного познания, приемами эвристической деятельности, развитие визуально-образного геометрического мышления, приобретение опыта комплексного применения геометро-графических компетенций при изучении других дисциплин.
Язык графики, как язык геометрического моделирования
Принцип доступности является важным в процессе обучения в техническом университете. Любой учебный материал, если он ориентирован на его успешное освоение, должен быть доступным. Основания, которые обеспечивают доступность, исходят из того, что учебный материал должен опираться на известные уже знания, но это не означает приспособления к уровню актуального развития студентов, а ориентирует на ближайшие перспективы развития. Границы доступности обучения постоянно изменяются. Начинать изложение курса нужно, четко представляя, какие знания в области геометро-графических дисциплин были получены студентами в школе. Известно, что такие знания практически отсутствуют. Поэтому рассмотрим принцип доступности в контексте познавательных затруднений студентов, их выявления, профилактики и коррекции.
Познавательные затруднения были всегда актуальны для всех форм высшего образования. Познавательные затруднения – это такие препятствия в обучении, которые возникают по различным причинам в процессе учебной деятельности в осознанном усвоении, воспроизведении, использовании различных фрагментов учебного материала, сущностных связей и отношений между изучаемыми объектами, явлениями, фрагментами описывающего их знания.
Проблема разработки конкретных методик по преодолению познавательных затруднений студентами обусловливает решение вопросов: что необходимо предусмотреть при разработке рабочих программ обучения, учебников, пособий, чтобы, с одной стороны, при обучении не пропал интерес студентов к трудному материалу, а с другой стороны, чтобы учебный процесс не преобразовался в рутинную, не требующую никаких усилий учебную деятельность.
Стержнем содержания геометро-графического образования является система учебных задач по конструированию геометро-графических моделей и определения их характеристик (позиционных, метрических, комплексных). Эти задачи обусловливают основную учебную деятельность студентов по овладению содержанием учебного курса, по осуществлению главной цели обучения как средства воспитания и развития личности. Следовательно, построение содержания курса в аспекте доступности должно базироваться на освоении студентами приемов и методов решения геометро-графических задач и применения их в профессиональной деятельности.
При представлении учебного материала следует обратить внимание на то, что умение правильно (корректно) формулировать условие задачи должно формироваться на всех стадиях обучения, поскольку правильно сформулированная задача позволяет определить количество параметров искомого объекта, что облегчает решение задачи. Обязательным логическим этапом обучения, особенно на начальной стадии, является решение задачи в физическом пространстве (процесс физического моделирования), что обеспечивает определение последовательности действий при решении задачи – алгоритма. Например, решая геометро-графическую задачу, студенту постоянно приходится переводить имеющуюся информацию с «языка оригиналов, натуры» на «язык изображений» и наоборот, все время держать в голове соответствие: «на изображении – в пространстве, в пространстве – на изображении». Причем изображение визуально представлено, а «в пространстве» – нужно представить, вообразить, мысленно увидеть. Однако такой перевод является не целью, а только средством. Цель – решить задачу. Поэтому вначале нужно представить, как решается эта трехмерная задача, затем составить план-алгоритм построения стереометрической конструкции, а затем переходить к реализации этих действий, к переводу этого алгоритма на язык изображений.
Поэтому для реализации принципа доступности обучения оптимальным может быть следующая последовательность действий при проведении учебных занятий: - преподаватель подбирает и формулирует задачу (задачи) на конкретный алгоритм; - задача решается совместными усилиями преподавателя и студентов; 129 - после первой решенной задачи преподаватель именует использованный алгоритм и формулирует его, фиксируя каким-либо визуальным способом его суть. При решении последующих задач студенты стараются использовать этот алгоритм самостоятельно; - преподаватель показывает прикладное значение представленного алгоритма решения геометро-графической задачи.
При составлении учебных пособий по решению задач следует опираться на представленную последовательность действий. Таким образом, принцип доступности предполагает формирование у студентов основных понятий курса в процессе решения геометро-графических задач, а обучение должно строиться как движение по спирали от центра к периферии, где в центре находится абстрактно-общее представление о формируемом понятии и его конструирование при решении геометро-графических задач, а на периферии это общее представление конкретизируется, обогащается частными представлениями фактами, примерами, обусловленными профессиональной деятельностью.
При обучении геометро-графическим дисциплинам важное место занимает принцип наглядности. Наглядность обеспечивает чувственную основу овладения абстрактными понятиями. Поэтому проблема разработки представления учебной информации, подлежащей усвоению, связана с проблемой наглядности в обучении. Поскольку любое знание, вырабатываемое в ходе изучения разных дисциплин, обычно квалифицируется как сложное, то проблема наглядности чаще всего понимается как проблема упрощения научного знания. Упростить научное знание можно, представив его как инвариант меньшего многообразия предметных ситуаций, обеспечив при этом функционирование адекватного когнитивного образа
Педагогические условия реализации геометро-графического образования в техническом университете
Элективные курсы: - изучение различных графических пакетов; - изучение начертательной геометрии на базе проективной; - изучение многомерной начертательной геометрии и ее приложений; - изучение языка графики в контексте культуры и др. Блочно-модульное построение курса, представленное укрупненными, системными единицами знания, создает опору на интегративное мышление.
Генерализация содержания образования подразумевает включение в учебный процесс информационно емкого материала, обобщающего частные вопросы, концентрирующего внимание на «артериях», пронизывающих и питающих курс как целостное единство [122]. Затронем лишь две из таких тем. 1. Использование фигур-посредников. Традиционно понятие геометрической фигуры-посредника связывают с введением вспомогательной поверхности при решении задач на определение линии пересечения двух поверхностей. Однако способ введения фигур-посредников красной нитью проходит через весь строй задач как метрических, так и позиционных. Покажем это: точка-посредник – при откладывании отрезка заданной длины на прямой; линия-посредник – при определении инцидентности точки поверхности; плоскость-посредник – при определении точки пересечения линии с поверхностью; две линии как посредники на поверхности – при построении касательной плоскости; линия наибольшего наклона как посредник – при определении угла наклона плоскости к плоскостям проекций; две пересекающиеся прямые, параллельные двум заданным скрещивающимся, угол между которыми подлежит определению; поверхность-посредник – при определении линии пересечения двух поверхностей; призма-посредник, аппроксимирующая цилиндрическую поверхность при построении развертки и т.д. Этот общий прием стимулирует у студентов вариативное мышление в самостоятельном поиске его частных проявлений. 2. Роль частных положений геометрических фигур. Приведем «азбуку» частных положений точек, прямых и плоскостей, которые играют особую, рационализирующую роль в способе ортогональных проекций. Частные положения точки имеют значение при определении следов прямых и плоскостей. Опора на второе инвариантное свойство, описывающее вырожденные свойства проецирующих фигур, дает ключ к простейшему решению большинства позиционных и метрических задач. Например, вопрос о принадлежности точки или линии проецирующей фигуре решается без дополнительных построений, так как сразу известна искомая проекция: онапринадлежит следу проецирующей фигуры; вопрос о пересечении фигур, если одна из них проецирующая, решается простейшим образом, так как сразу известна хотя бы одна проекция фигуры пересечения: она принадлежит следу проецирующей фигуры и т.д. Опора на третье инвариантное свойство дает возможность сразу определить истинные величины (расстояния, углы, площади) фигур, параллельных какой-либо плоскости проекций. В случае, если фигуры занимают общее положение, рационально привести их в частное способами преобразования чертежа. При этом самостоятельный процесс поиска наиболее простого пути решения уже является увлекательным творческим процессом, активизированным духом соревновательности на практических занятиях, а сравнение полученных результатов стимулирует дальнейшую творческую активность. Ушинский писал, что «в дидактике сравнение должно быть особенным приемом», и считал его основой всякого понимания и всякого мышления. Классификация как система соподчиненных понятий (классов объектов), используемая как средство для установления связей между этими понятиями или классами объектов, играет большую роль в развитии познавательного процесса. В начертательной геометрии значительное место отводится классификации поверхностей. В этой связи следует задуматься о цели, с какой проводится классификация поверхностей в курсе начертательной геометрии. Цель должна соответствовать сути предмета как теории графического отображения, а именно установить, как наиболее просто с учетом принципов полноты и наглядности отобразить поверхность на чертеже необходимым и достаточным числом простейших линий или, что более верно, линий, имеющих простейшие проекции. В начертательной геометрии за основной принят так называемый кинематический способ образования поверхностей, при котором поверхность рассматривается как совокупность всех последовательных положений некоторой перемещающейся в пространстве линии [161]. Линия, создающая, формирующая, образующая при своем движении некоторую поверхность, называется образующей. Ее движение может определяться: 1) законом перемещения; 2) опорой на некоторые другие линии, которые направляют ее перемещение и поэтому называются направляющими. С прикладной точки зрения эта классификация оправдана тремя основными видами движений, обеспечиваемых станочным парком: поступательным движением суппорта; вращательным движением оси; их композицией – винтовым движением. Что же касается вопроса о единой классификации поверхностей, то выскажем гипотезу, что она должна войти в самостоятельный интегральный курс на стыке теории поверхностей, начертательной, аналитической, дифференциальной, вычислительной геометрий и информатики. Этот курс должен базироваться на традиционных и новых знаниях о глубинных, фундаментальных свойствах поверхностей в сочетании с концептуальными положениями новых информационных технологий. Классифицирование – мощный инструмент в организации процесса познания. Оно предполагает анализ свойств изучаемых объектов, их синтез по различным основаниям, дающий общую картину исследуемого раздела дисциплины, выявляет логику движения его изучения, открывает возможность предсказания свойств и, следуя наставлению Декарта, помогает «делать настолько полные обзоры, чтобы ничего не было упущено». Алгоритмизация. По определению А. Моля: «Алгоритм – точное предписание к выполнению некоторого процесса вычисления, ведущего от варьируемых исходных данных к искомому результату» [100, с. 11]. Применение общих алгоритмов при обучении графическим дисциплинам соответствует дидактическому принципу «от общего к частному», упорядочивает логику, дает стратегию решения и тренирует мышление студента в поисках рациональной тактики в каждом конкретном случае. При этом отбор информации, подлежащей алгоритмизации, связан с рационализацией логической системы изложения учебного материала.
