Введение к работе
Актуальность исследования. Современное производство испытывает потребность в высококомпетентных специалистах в области автоматики, энергетики, машиностроения, строительства и др. и предъявляет сегодня высокие требования к подготовке специалиста – выпускника технического вуза. Основной задачей высшей технической школы является формирование у выпускников системы необходимых знаний и умений, а также развитие способности применять эти знания в профессиональной деятельности. И поскольку знания специалистов технического профиля базируются на естествознании, роль курса физики в плане развития и становления будущего инженера высока. Одним из направлений профессиональной деятельности выпускника технического вуза является математическое моделирование физических процессов, лежащих в основе технологий и технологических процессов. Это один из основных методологических подходов, предназначенный для изучения реальных процессов. Математическое моделирование позволяет исследовать свойства и поведение объекта или характер процесса в различных ситуациях инженерной деятельности. Следовательно, для эффективной подготовки студентов технических вузов необходимо формирование фундаментальных физических знаний и профессиональных умений при обучении физике с применением метода математического моделирования.
Однако анализ учебных планов и программ по дисциплинам математического и естественнонаучного циклов, стандартов для инженерных специальностей, проведенный констатирующий эксперимент показали, что студенты не обладают умением применять физические законы к объектам профессиональной деятельности. Многие студенты не осознают цели применения математического моделирования при обучении физике, для большинства из них применение математического моделирования не становится актуальным и необходимым в данный момент времени, и выпускники оказываются не готовыми к решению профессиональных задач инженера с применением математического моделирования. При этом число часов на изучение физики сокращается, в то время как объем учебного материала увеличивается. В то же время увеличивается число часов, отведенных на вариативную часть, которые в настоящее время нерационально используются и не реализуют свой потенциал в качестве средства совершенствования подготовки по физике.
Анализ исследований (А.Е. Айзенцон, Г.В. Ерофеева, В.В. Ларионов, Л.В. Масленникова, И.А. Мамаева, О.В. Мирзабекова, А.А. Червова и др.) касающихся проблемам повышения качества подготовки по физике студентов в техническом вузе, показал, что, несмотря на значительное число работ, при подготовке студентов по физике не уделяется должного внимания применению математического моделирования при решении профессионально направленных задач.
Таким образом, существуют противоречия:
- между характером современной профессиональной деятельности инженера, в основе которой лежит применение математического моделирования, и существующей методикой подготовки инженера по физике, в которой применению математического моделирования не уделяется должного внимания;
- между значительным количеством работ, посвященных применению математического моделирования при обучении физике и математике в школах, педагогических и аграрных вузах, и практическим отсутствием разработок, связанных с инженерной специальностью;
- между возможностями вариативного компонента учебного плана в повышении уровня подготовки студентов по физике, связанных с применением математического моделирования, и существующей системой физического образования в технических вузах, которая использует вариативный компонент без должного учета актуальных задач, встречающихся в инженерной деятельности.
Выделенные противоречия определили актуальность и тему нашего исследования: «Подготовка при обучении физике в вузе будущих инженеров к применению математического моделирования в профессиональной деятельности», проблемой которого является поиск ответа на вопрос, какой должна быть методика подготовки при обучении физике будущих инженеров к применению математического моделирования в профессиональной деятельности?
Объектом исследования является процесс обучения физике студентов технических вузов в современных условиях.
Предметом исследования является методика подготовки будущих инженеров к применению математического моделирования в профессиональной деятельности при обучении физике.
Цель исследования состоит в теоретическом обосновании и разработке методики подготовки при обучении физике в вузе будущих инженеров к применению математического моделирования в профессиональной деятельности.
Гипотеза исследования. Если разработать методику подготовки при обучении физике будущих инженеров к применению математического моделирования в профессиональной деятельности, основанную на междисциплинарной интеграции, на принципах фундаментальности и профессиональной направленности, то можно повысить уровень фундаментальной подготовки студентов по физике за счет сформированности умения математически моделировать технологические процессы при решении физических задач с профессиональным содержанием.
Исходя из сформулированной гипотезы, для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи:
-
Выявить состояние исследуемой проблемы на основании теоретического анализа научной, психолого-педагогической и методической литературы, а также выявить реальный уровень подготовки по физике студентов технических вузов и определить их готовность применять математическое моделирование при решении физических задач и в профессиональной деятельности.
-
Теоретически обосновать и разработать модель методики подготовки при обучении физике в вузе будущих инженеров к применению математического моделирования в профессиональной деятельности.
-
Разработать методику проведения и содержание практических и лабораторных занятий по физике с применением математического моделирования, задания для самостоятельной работы и исследовательской деятельности, направленные на усвоение фундаментальных знаний и формирование умений математически моделировать технологические процессы при решении профессиональных задач.
-
Разработать учебно-методический комплекс для осуществления фундаментальной и профессионально-направленной подготовки по физике студентов инженерных специальностей с применением метода математического моделирования.
-
Осуществить экспериментальную проверку гипотезы исследования.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы:
- теоретические - изучение и анализ естественнонаучной, философской, психолого-педагогической, научно-технической литературы, диссертационных исследований; анализ образовательных стандартов высших учебных заведений и других методических документов; моделирование, проектирование и конструирование методики; проведение сравнений и аналогий, обобщение, синтез, интеграция, системный подход, системный анализ; моделирование педагогических ситуаций; анализ инновационного педагогического опыта;
- экспериментальные - наблюдение, интервьюирование, анкетирование и тестирование студентов и преподавателей, экспертная оценка разработанных материалов, педагогический эксперимент.
Теоретическую основу исследования составляют философские аспекты и психологические проблемы моделирования (Н.М. Амосов, А.Н. Кочергин Г.И. Рузавин, Н.Г. Салмина, В.А. Штоф, и др.); исследования по методике применения моделирования (математического и оптимизационного) в курсах физики и математики в педагогических и аграрных вузах (В.Р. Беломестнова, Д.А. Погонышева и др.); исследования по проблеме применения моделирования физических явлений в школе (Т.И. Демидова, С.А. Живодробова, Е.С. Кощеева и др.); исследования по осуществлению межпредметных связей физики и математики в школах и вузах (В.И. Жилин, Жмодяк, О.Е. Кириченко, Ж.С. Максимова и др.); исследования по проблеме математической подготовки инженеров (И.Н. Гридчина, А.А. Ермакова О.В. Зимина, Н.В. Скоробогатова и др.); исследования по проблеме применения компьютерного моделирования в курсе физики для общеобразовательных учреждений (Исаев Д.А., Ревинская О.Г, Саватеев Д.А. и др.); исследования по методике преподавания физики в общеобразовательной школе (С.Е. Каменецкий, В.В. Мултановский, Н.С. Пурышева, А.В. Усова и др.); исследования по методики преподавания физики в технических вузах (А.Е. Айзенцон, Н.В. Вознесенская, Г.В. Ерофеева, Л.В. Масленникова, И.А. Мамаева, Ж.У. Можанов, А.А. Червова и др.).
Этапы исследования
Диссертационное исследование проводилось с 2006 по 2012 гг. и осуществлялось в три этапа:
1 этап (2006-2007 гг.). Осуществлялся анализ состояния подготовки студентов инженерных специальностей, включающий изучение Государственных стандартов высшего профессионального образования, квалификационных характеристик, учебных планов и программ по физике и математике для инженерных специальностей, проведение анкетирования студентов и выявление уровня их теоретических знаний по физике и умений применять полученные знания при решении физических задач с профессиональным содержанием и определение степени готовности студентов к применению математического моделирования при обучении физике.
2 этап (2007-2009 гг.) Определялись теоретические основы построения методики подготовки при обучении физике в вузе будущих инженеров к применению математического моделирования в профессиональной деятельности. Разрабатывалась модель данной методики, определялись организационные формы и методы обучения физике. Разрабатывались рабочая программа курса физики, содержание практических и лабораторных занятий, заданий для самостоятельной работы и исследовательской деятельности студентов инженерных специальностей.
3 этап (2007-2012гг.). Проводились педагогический эксперимент по проверке выдвинутой гипотезы исследования, статистическая обработка результатов эксперимента, оформление текста диссертации.
Научная новизна исследования
-
Обоснована необходимость и возможность подготовки студентов к применению математического моделирования в профессиональной деятельности при обучении решению задач по физике с профессиональным содержанием в техническом вузе.
-
Выделены специальные компетенции (общенаучные и инструментальные) в области математического моделирования, которыми должен обладать инженер для решения профессиональных задач и которые могут быть сформированы при обучении физике.
-
Показано, что в качестве теоретических основ методики подготовки при обучении физике будущих инженеров к применению математического моделирования с учетом специфики профессиональной деятельности инженера, могут выступать следующие положения:
процесс подготовки будущих инженеров к применению математического моделирования при обучении физике в техническом вузе должен рассматриваться, как методическая система, включающая цели, содержание, методы, формы и средства;
основная цель применения математического моделирования при обучении физике студентов технических вузов – это сформировать умение у студентов математически моделировать технологические процессы при решении физических задач с профессиональным содержанием;
проектирование содержания обучения физике следует осуществлять на основе интеграции физических, математических и технических теорий, при этом отбор содержания учебной дисциплины заключается в отборе такого учебного материала, который обладает профессиональной направленностью инженера и в процессе которого применяется математическое моделирование;
- деятельность по разработке содержания курса физике для студентов технических вузов с применением математического моделирования должна включать следующую последовательность действий: рассмотрение и описание конкретного технологического процесса, выявление его физических основ, представление инженерной задачи как физической задачи с профессиональным содержанием, с учетом конкретных параметров реального объекта (процесса) получить математическую модель объекта (процесса), в основе которой лежит физический закон;
- выделенные в содержании курса физики основные этапы математического моделирования (I этап. - Постановка проблемы и её качественный анализ, II этап – Формализация, III этап – Реализация, IV этап - Интерпретация, V этап - Проверка адекватности модели, VI этап - Модификация модели), способствуют формированию умений математически моделировать технологические процессы при решении физических задач инженерного характера, и повышают уровень фундаментальной и профессионально направленной подготовки студентов при обучении физике;
- методы, формы и средства обучения, наряду с традиционными, должны включать такие, которые адекватны деятельности инженера соответствующей специальности. Например, такая деятельность студентов, в процессе которой формируются умения математически моделировать, конструировать объекты профессиональной деятельности на основе фундаментальных физических теорий.
4. Разработана модель методики подготовки при обучении физике будущих инженеров к применению математического моделирования в профессиональной деятельности, включающая цели, содержание, методы, формы и средства обучения. Содержание курса физики, включает инвариантный (фундаментальные физические законы, понятия и теории) и варьируемый (математическое моделирование физических процессов при решении профессиональных задач) компоненты.
5. Разработана методика подготовки при обучении физике будущих инженеров к применению математического моделирования в профессиональной деятельности:
- выделены этапы математического моделирования, которые могут быть реализованы на различных формах занятий, содержащие последовательность действий студентов при решении физических задач, выполнении лабораторного практикума и курсовых работ;
- выделены типы физических задач, при решении которых применяется математическое моделирование;
- выделены задачи для выполнения лабораторного практикума;
- определены требования к постановке физических задач с профессиональным содержанием для курсовых и научно-исследовательских работ, которые заключаются в следующем: постановка задачи должна быть максимально приближенной к возникающим профессиональным проблемам инженера; расчетная часть должна включать решение различного рода уравнений и систем (нелинейных, дифференциальных и др.); решение задачи должно обеспечивать исследовательский характер учебного процесса;
- разработаны задания для аудиторных занятий и самостоятельной работы студентов, включающие физические задачи с профессиональным содержанием, при решении которых используется математическое моделирование.
Теоретическая значимость результатов исследования определяется вкладом в теорию и методику обучения физике в техническом вузе за счет:
- выделения специальных компетенций (ОНК - общенаучные компетенции и ИК - инструментальные компетенции) в области математического моделирования, которые необходимы для формирования решения профессиональных задач и которые могут быть сформированы при обучении физике;
- расширения содержания фундаментальной и профессионально-направленной подготовки путем введения математического моделирования в процесс обучения физике;
- выделения этапов математического моделирования для каждой формы занятий, освоение которых способствуют формированию профессиональных умений при обучении физике.
Результаты проведенного исследования могут стать в дальнейшем основой для создания вариативного курса физики для различных инженерных специальностей.
Практическая значимость исследования состоит в том, что разработан учебно-методический комплекс, способствующий подготовку по физике студентов инженерно-технических специальностей к применению метода математического моделирования, включающий рабочую программу курса физики, задания для практических, лабораторных занятий и курсовых работ по физике, реализующие взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы студентов.
Реализация данного УМК в рамках общей системы подготовки студентов обеспечивает усвоение фундаментальных знаний, формирование умений применять эти знания при решении инженерных задач или математически моделировать технологические процессы, встречающиеся в профессиональной деятельности инженера.
Апробация и внедрение результатов исследования. Для апробации материалы исследования были представлены:
на IV и V международной научно-методической конференции «Новые технологии в преподавании физики: школа и вуз» (Москва, 2007, 2009);
на X международной конференции «Физика в системе современного образования» (Санкт – Петербург, 2009);
на международных, всероссийских, региональных научно - методических и научно-практических конференциях: Москва, МПГУ, («Физическое образование: проблемы и перспективы развития», 2006 – 2011);
на Всероссийской научно-практической конференции «Машиностроение: наука, техника, образование» (Саранск, 2007, 2009);
на Всероссийской научно-практической конференции «Организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств» (Саранск, 2006, 2007);
ежегодно на научно-методических семинарах кафедры общенаучных дисциплин Рузаевского института машиностроения (Рузаевка, 2007 - 2011);
на VIII научной конференции молодых ученых Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева (Саранск, 2003);
Исследовательская работа осуществлялась со студентами инженерных факультетов Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева и Самарского университета путей сообщения.
На защиту выносятся следующие положения:
-
В процессе обучения физике необходимо и возможно формировать у будущих инженеров специальные компетенции, связанные с применением метода моделирования при решении профессиональных задач (общенаучные и инструментальные компетенции).
-
Модель методики подготовки при обучении физике будущих инженеров к применению математического моделирования в профессиональной деятельности должна отражать междисциплинарную интеграцию, фундаментальность и профессиональную направленность знаний и умений и включать мотивационно-целевой, содержательный, процессуально-технологический и диагностический компоненты.
-
Основой методики подготовки при обучении физике будущих инженеров к применению математического моделирования в профессиональной деятельности являются выделенные шесть этапов обобщенной деятельности математического моделирования студентов и конкретизированные для различных по характеру деятельности видов заданий и организационных форм обучения, на которых они выполняются.
-
Обучение будущих инженеров применению математического моделирования к решению профессиональных задач в рамках разработанной методики позволяет не только формировать умения применять метод моделирование, но и способствует повышению качества фундаментальных физических знаний и умений применять эти знания при решении профессиональных задач.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений. Общий объем диссертации 213 страниц, основной текст диссертации составляет 175 страниц. Работа включает 32 рисунка, 28 таблицы и 3 схемы. Библиографический список содержит 185 наименований.
Похожие диссертации на Подготовка при обучении физике в вузе будущих инженеров к применению математического моделирования в профессиональной деятельности
