Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы разработки многоуровневого лабораторного практикума в техническом вузе
1.1. Анализ современных педагогических технологий подготовки будущего специалиста 15
1.2. Повышение качества лабораторного практикума средствами использования компьютерных технологий 32
1.3. Основные положения создания многоуровневого
компьютеризированного лабораторного практикума в техническом вузе 49
Глава 2. Технология проведения лабораторных работ с использованием методов компьютерной метрологии
2.1. Психолого-педагогические аспекты компьютерной метрологии в лабораторном практикуме технического вуза 63
2.2. Возможности использования измерид'вль-но-.аычислительного комплекса ИВК-З/Э в лабораторном практикуме; 75
2.3. Технология проведения лабораторных работ с использованием методов компьютерной метрологии 85
Глава 3. Методика проведения комплексных лабораторных работ и анализ педагогической эффективности проведения многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума по физике
3.1. Дидактические возможности комплексных лабораторных работ 104
3.2. Методика проведения комплексных лабораторных работ 115
3.3. Оценка педагогической эффективности проведения многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума по физике в техническом вузе 128
Заключение 149
- Анализ современных педагогических технологий подготовки будущего специалиста
- Психолого-педагогические аспекты компьютерной метрологии в лабораторном практикуме технического вуза
- Дидактические возможности комплексных лабораторных работ
Введение к работе
Человечество вступило в XXI век - век невиданного научно-технического прогресса, технологизации всех сторон социально-экономической жизни, культуры, образования, провозглашенный ЮНЕСКО веком ЧЕЛОВЕКА, веком гуманитарной эпохи. Обществом востребован ЧЕЛОВЕК-ТВОРЕЦ - пользователь и созидатель новых информационных технологий [52,148,165].
Вызовы XXI века ставят перед современной системой образования ряд задач, которые сформулированы в виде новой образовательной парадигмы [82,87,103].
1. Опережающий характер всей системы образования, ее нацеленность на проблемы будущей постиндустриальной цивилизации, развитие творческих способностей человека и его умений самостоятельно принимать ответственные решения в условиях неопределенности.
2. Фундаментализация системы образования за счет все большей ориентации на изучение новейших достижений науки.
3. Доступность системы образования, повышающая общий уровень интеллектуального и духовного развития общества, обеспечивающая его стабильность.
4. Широкая образованность человека, а не подготовка из него специалиста узкого профиля, что позволяет изменять направление трудовой деятельности человека из-за быстрого развития технологий.
Потребности информационного общества обращают и российскую высшую школу к необходимости коренной реформы в системе подготовки будущего специалиста. Педагогическая наука видит выход из создавшегося положения в качественном изменении стратегических принципов обучения, усилении инновационных процессов в преподавании, в том числе и общетехнических дисциплин. По мнению К.К. Колина, С.Д. Смирнова, Д.В. Чернилевского, O.K. Филатова и др., в учебном процессе высшей школы в настоящее время все еще доминирует знаниево-ориентированный подход с авторитарной системой пре подавання, хотя в современной педагогике разработаны личностно-ориентированные педагогические технологии, позволяющие утвердить систему опережающего образования.
Разработанные личностно-ориентированные педагогические технологии (метод проектов, обучение в сотрудничестве и др.) пока еще мало используются в учебном процессе вуза [78,117]. Хотя они могут быть эффективно реализованы в малых и больших группах обучающихся с помощью средств информационных технологий [124,142]. Их быстрому внедрению в учебный процесс препятствует недостаточная оснащенность компьютерной техникой многих вузов (особенно в провинции), довольно низкий уровень компьютерной грамотности обучающихся. Несмотря на это, компьютерные технологии широким фронтом проникают во все структуры педагогической деятельности. Не составляет исключения и система подготовки специалистов в техническом вузе.
Компьютеризация образования добавила целый спектр новых вопросов к проблеме организации обучения в вузах технического профиля [51,30]. Компьютер, как интерактивный элемент системы обучения, может обеспечить все необходимые прямые и обратные связи, в то время как роль педагога сводится к постановке задач, общему управлению и контролю педагогического процесса. Следовательно, проблемой компьютеризации учебного процесса, как отмечают многие методисты и педагоги-практики, является разумное и оптимальное сочетание традиционного общения с преподавателем и преимуществ компьютерных технологий обучения [35,101].
Помимо общих дидактических и эргономических принципов применения компьютеров в учебном процессе [86,92,138], чрезвычайно важен учет особенностей изучаемых дисциплин, которые диктуют свои основные направления компьютеризации учебного процесса [76,91]. Эффективность компьютерных методов в процессе обучения существенно возрастает при изучении сложных для понимания фундаментальных и технических дисциплин, где требуется умение строить и анализировать модели процессов и явлений. К ним относятся естественнонаучные, технические дисциплины, открытия в которых обеспечили небывалый прогресс XX века и подготовили дальнейшее развитие науки и техники в XXI веке.
Современный уровень подготовки будущих специалистов технического вуза требует развития у них исследовательских навыков работы, что можно осуществить в процессе изучения естественнонаучных и технических дисциплин, методами лабораторного практикума. Эксперимент, в частности, лабораторный практикум по своему назначению обладает большими возможностями для развития будущего специалиста. Однако многими исследователями (В.А. Извозчиков, В.В. Лаптев, В. Роберт, А.В. Смирнов и др.) констатируется проблема несовершенства традиционного эксперимента, лабораторного практикума. Наши собственные наблюдения также показали, что лабораторные занятия, проводимые по традиционным практикумам и методикам, достаточно формализованы и консервативны, поэтому высокий творческий потенциал данного вида занятий используется в технических вузах не в полной мере.
Одним из направлений совершенствования лабораторного практикума является его информатизация. Теоретический анализ педагогической, методической и специальной технической литературы показал, что существуют разработки, посвященные методам компьютерного контроля выполнения лабораторных работ [66,116], автоматизации процессов измерений [66,39,45,116], компьютерному моделированию [23,28,58]. В последние годы И.К. Турыще-вым, А.А. Бессоновым, И.М. Нуркаевой, В.В. Дубининым и др. были созданы методики применения компьютеров в лабораторном эксперименте общеобразовательной школы, вузовском лабораторном практикуме, относящиеся к отдельным темам, разделам физики, теоретической механики и других технических дисциплин.
Недостаточно разработанным остается сочетание компьютерных методов и традиционного эксперимента, хотя использование компьютерных технологий в лабораторном практикуме позволяет показать процессы, неосуществимые в реальном эксперименте, расширить его границы. Мало изучена и проблема единого системного подхода компьютеризации всего лабораторного практикума, обоснования психолого-педагогической целесообразности комплексного сочетания лабораторных работ по целям, сложности, тематике, дидактическим задачам, методике их проведения с использованием современных педагогических технологий, направленных на развитие самостоятельности, теоретического мышления, творческого потенциала будущего специалиста.
Мы считаем, что компьютеризация лабораторного практикума должна решать следующие задачи:
? реализовывать традиционные цели: обучение методологии измерений, анализ результатов и оценка погрешностей измерений;
? обучать использованию компьютера в качестве мультимедийного прибора в целях автоматизации рутинных измерений и обработки их результатов;
? формировать у обучающихся модельное мышление путем наглядного моделирования на компьютере изучаемых процессов и явлений;
? оперативно контролировать уровень знаний и умений обучающихся: на входе - допуск к лабораторной работе, а на выходе - отчетность по работе.
Для решения вышеуказанных задач, реализующих развивающее обучение, необходимо создание компьютеризированного лабораторного практикума с многоуровневой иерархической организацией лабораторных работ.
По нашему мнению, современный лабораторный практикум для технического вуза должен быть многоуровневым, содержащим лабораторные работы разного уровня, различающиеся сложностью решаемых предметных и дидактических задач, методикой их проведения. Мультимедийные возможности персонального компьютера позволяют расширить границы реального эксперимента, провести комплексную компьютеризацию всех лабораторных работ с целью предоставления обучающимся разнообразных способов получения информации об изучаемых процессах и явлениях, создания наиболее благоприятных условий для учебно-исследовательской деятельности, развития их творческого потенциала, коммуникативных способностей.
Анализ имеющихся исследований показал, что проблема разработки многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума в техническом вузе до сих пор не выступала в научных педагогических изысканиях предметом специального рассмотрения. Она лишь обозначена в работах ряда авторов (В.А. Извозчикова, В.В. Лаптева, И. Роберта, С.Л. Светлицкого, В.И. Сельдяева и др.). В дидактике высшей школы недостаточно изучена проблема технологии многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума в условиях технического вуза, ее психолого-педагогическое и методическое обеспечение. Таким образом, новизна во взглядах на проблему исследования определяется по меньшей мере двумя факторами:
1. Социальными изменениями, происходящими в обществе и диктующими необходимость усиления личностно-ориентированного подхода к профессиональной подготовке будущих специалистов технического вуза.
2. Внедрением в дидактический вузовский процесс педагогических и информационных технологий.
Это позволило выявить следующие противоречия между:
? современными требованиями подготовки специалистов с высшим образованием и возможностями традиционной организации учебного процесса в техническом вузе;
? широкими возможностями компьютеризации лабораторного практикума и традиционным его проведением в условиях технического вуза;
? дидактическими возможностями инновационных педагогических и информационных технологий в развитии самостоятельности мышления, способностей обучающихся и недостаточным их использованием в учебном процессе вуза.
Эти противоречия определили выбор темы нашего диссертационного исследования «Разработка многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума в техническом вузе».
Целью исследования является научно-методическое обоснование, разработка и оценка педагогической эффективности проведения многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума в техническом вузе, ориентированного на активизацию учебного процесса.
Объект исследования - подготовка будущего специалиста в высшем техническом учебном заведении.
Предмет исследования - процесс разработки и применения многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума как средства повышения эффективности обучения в техническом вузе.
Гипотеза исследования состоит в том, что уровень знаний, умений и навыков, способностей будущих специалистов будет выше, если в учебном процессе технического вуза:
разработать многоуровневый компьютеризированный лабораторный практикум, реализующий мультимедийные возможности персонального компьютера в реальном эксперименте;
разработать и внедрить в учебный процесс методическую систему проведения лабораторных работ разного уровня;
реализовать при выполнении лабораторного практикума педагогические технологии - обучение в сотрудничестве и метод проектов.
Исходя из сформулированной гипотезы, в соответствии с выбранными объектом и предметом исследования и для достижения намеченных целей, определены следующие задачи исследования:
1. Выявить перспективные направления компьютеризации лабораторного практикума и разработать психолого-педагогические и технические требования построения многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума для технического вуза.
2. Разработать методику многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума с соответствующим техническим и программным обеспечением.
3. Определить систему критериев для оценки эффективности многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума в ходе проведения педагогического эксперимента.
4. Опытным путем проверить результативность проведения лабораторных работ в многоуровневом компьютеризированном лабораторном практикуме в техническом вузе.
Методологическая основа исследования определяется поставленными целями и задачами и базируется на:
? философских, психолого-педагогических концепциях развития личности в образовательном процессе (Э.В. Ильенков, Л.С. Выготский, А.Н. Леонтьев);
? теории развивающего обучения (Д.Б. Эльконин, В.В. Давыдов);
? принципах построения и использования личностно-ориентированных педагогических технологий (Е.С, Полат, Г.Л. Ильин и др.);
? принципах использования средств компьютерных технологий в образовании (Б.С. Гершунский, А.В. Смирнов, Т.С. Назарова, Ю.А. Воронин и др.);
? дидактических особенностях обучения естественнонаучным и техническим дисциплинам, в частности, посредством лабораторного эксперимента.
Для решения поставленных задач и проверки гипотезы исследования были использованы следующие методы:
? теоретический анализ проблемы на основе изучения психолого-педагогической, методической и специальной технической литературы;
? анализ и обобщение опыта внедрения инновационных педагогических и компьютерных технологий в образовательный процесс, в лабораторный практикум;
? педагогическое наблюдение за реальным учебным процессом, беседы и тестирование обучающихся;
? естественный педагогический эксперимент;
? анализ экспериментальных данных с использованием методов математической статистики.
Опытно-экспериментальной базой исследования являлся Воронежский военный авиационный инженерный институт (ВВАИИ) в период с 1993 по 2001 гг. Исследованием были охвачены курсанты первого курса в количестве 245 человек.
Организация и этапы исследования.
Исследование проводилось в три этапа.
На первом этапе (1993-1997 гг.) была выделена проблема и намечена тема исследования, определены объект, предмет, цели, задачи, научный аппарат и база исследования; рассматривалось состояние проблемы в теории и практике, а именно: изучалась и анализировалась психолого-педагогическая, методическая и специальная техническая литература, опыт применения инновационных педагогических и информационных технологий в учебном процессе вуза, лабораторном практикуме. Проводился анализ содержания традиционного лабораторного практикума в техническом вузе, определялись направления его компьютеризации. Обоснованы общие психолого-педагогические и технические требования построения многоуровневого компьютеризированного практикума в техническом вузе. Проектировались методики проведения лабораторных работ. Намечена программа и методика эмпирической проверки гипотезы. Выполнен констатирующий и начат поисково-прогнозирующий эксперимент.
На втором этапе (1997-1999 гг.) были созданы лабораторные установки и разработана методическая система проведения лабораторных работ разного уровня, тестового контроля их выполнения. Определены критерии оценки обученное™ будущих специалистов в ходе выполнения разработанного многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума. Завершен поисково-прогнозирующий и проведен формирующий эксперимент.
На третьем этапе (1999-2001 гг.) окончательно проверены результаты эксперимента по исследованию влияния разработанной методической системы проведения многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума на обученность по физике. Проводился качественный, количественный анализ и теоретическое обобщение всех результатов, полученных в ходе опытно-экспериментальной работы. Осуществлена систематизация, обобщение и статистическая обработка полученных данных. Сформулированы выводы.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования состоит:
? в создании современного многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума для технического вуза;
? в определении нового направления компьютеризации лабораторного практикума - постановке комплексных лабораторных работ, сочетающих в себе реальный эксперимент с вариационным компьютерным моделированием изучаемого явления или процесса;
? в разработке технологии проведения лабораторных работ с использованием методов компьютерной метрологии;
? в определении системы критериев оценки обученности будущих специалистов в ходе выполнения ими многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума.
Практическая значимость исследования заключается в следующем:
? созданы лабораторные установки для проведения лабораторных работ с использованием методов компьютерной метрологии и моделирования с соответствующим программным обеспечением;
? разработана и внедрена в учебный процесс система методических рекомендаций по проведению лабораторных работ разного уровня в многоуровневом компьютеризированном лабораторном практикуме в техническом вузе, которая может быть использована при проведении лабораторных работ по различным дисциплинам;
? разработан и издан лабораторный практикум, обеспечивающий проведение лабораторных работ в техническом вузе с использованием методов компьютерной метрологии и моделирования;
разработаны дидактические материалы для текущего и итогового тестового контроля результатов выполнения многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума.
Достоверность и обоснованность научных результатов педагогического исследования обеспечивается:
? всесторонним анализом проблемы исследования;
? использованием методов исследования, адекватных поставленным целям и задачам;
? длительностью эксперимента, сравнительным анализом качества знаний, уровня продуктивной и творческой деятельности обучающихся на начальном и конечном этапах педагогического эксперимента;
? согласованностью прогнозов исследования и результатов, достигнутых в ходе педагогического эксперимента в Воронежском военном авиационном инженерном институте.
На защиту выносятся :
1. Синтез традиционного лабораторного практикума с мультимедийными возможностями современных компьютерных средств обучения на базе создания многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума с целью реализации развивающего обучения.
2. Технология проведения лабораторных работ с использованием методов компьютерной метрологии (второй уровень), позволяющих автоматизировать многие технические измерения и визуализировать их результаты.
3. Методика проведения комплексных лабораторных работ (третий уровень), позволяющих в интерактивном режиме реализовать такие параметры исследуемого явления, процесса, которые не могут быть получены в реальном эксперименте, что способствует комплексному и всестороннему изучению исследуемого явления, процесса, служит базой приобщения будущих специалистов к проективной учебно-исследовательской деятельности.
4. Показатель эффективности организации и проведения многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума для технических вузов, характеризующий улучшение обученности будущих специалистов, развитие их творческого потенциала и выражающийся:
• в положительной динамике развития познавательного интереса обучающихся;
• в количественном и качественном изменении уровня предметных знаний, их действенности;
• в повышении уровня самостоятельности в выполнении заданий и их сложности;
• в формировании навыков освоения новых способов получения информации и овладения новыми видами учебной деятельности, что приводит к развитию способностей будущего специалиста;
• в изменении творческого мышления.
Педагогические, методические и технические требования к созданию многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума являются общими для всех естественнонаучных и технических дисциплин. Конкретную проверку и оценку эффективности проведения такого лабораторного практикума целесообразно провести на примере физического образования в техническом вузе по следующим причинам:
1. Физика является фундаментальной базой для всех технических дисциплин, теоретической подготовки будущего специалиста, без которой невозможна его успешная практическая деятельность.
2. Повышение обученности по физике позволит более успешно реализовать предлагаемые инновационные методики проведения многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума по другим техническим дисциплинам.
3. Проведение многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума на первом курсе обучения в техническом вузе является реализацией не только развивающего, но и опережающего обучения, так как формируются умения работы на компьютере, использования его мультимедийных возможностей.
4. Выполнение предлагаемого многоуровневого компьютеризированного лабораторного практикума по физике в техническом вузе позволяет на более ранней стадии обучения выявлять и развивать возможности будущих специалистов.
Апробация и внедрение результатов исследования
Основные положения и результаты исследования докладывались, обсуждались и получили одобрение на Всероссийских научных конференциях Воронежского военного авиационного инженерного института (1997,1999 гг.), II Всероссийском симпозиуме «Математическое моделирование и компьютерные технологии» (Кисловодск, 1998 г.), IX Международной конференции «Применение новых технологий в образовании» (Троицк, 1998 г.), первой Межвузовской научно-методической конференции «Проблемы совершенствования учебно-воспитательного процесса в высших военных учебных заведениях» (ВИРЭ, 1999 г.), на съезде российских физиков - преподавателей «Физическое образование в XXI веке» (Москва, МГУ, 2000 г.), в отчете НИР «Разработка и методика применения комплексных лабораторных работ по физике с использованием компьютерного моделирования» (2000 г.), в «Лабораторном практикуме по физике с использованием методов компьютерной метрологии» (Воронеж ,ВВАИИ, 2001 г.).
По теме диссертационного исследования опубликовано 15 работ, 1 НИР, 1 учебное пособие.
Структура и объем диссертации: введение, три главы, заключение. 168 страниц. Список используемой литературы составляет 182 источника.
Анализ современных педагогических технологий подготовки будущего специалиста
Дидактические возможности комплексных лабораторных работ Для современного периода развития общества и образовательной системы характерно существование традиционной парадигмы образования с ее авторитарной системой преподавания, знаниево-ориентированным подходом. Как показывают исследования К.К. Колина [87], реализуемый в настоящее время учебный процесс в высшей школе более чем на 90% построен именно по традиционной схеме: знания -умения-навыки. Предполагается, что в ходе усвоения знаний студент приобретает умения, но многочисленные исследования показали неэффективность обучения, построенного по такой схеме [3,4,50,81]. Традиционная система образования вполне отвечала потребностям индустриального общества, она создавалась как поточная система массового, а затем и всеобщего образования и не формирует у обучаемых опыт творческой деятельности, умение самостоятельно добывать знания, готовность свободно включаться в любую сферу деятельности, т.е. не готовит их к жизни в новом информационном обществе.
Одновременно с системой традиционного образования на наших глазах создается концепция опережающего образования, учитывающая потребности современного общества в человеке-творце. Она должна учитывать и современные требования общественного развития, и работать на перспективу - на зону ближайшего развития, т.к. только таким образом можно полноценно подготовить молодого человека к новым быстро изменяющимся условиям жизни. Причем целью новой философской концепции образования должна быть признана прежде всего высокая образованность человека, а не подготовка из него специалиста узкого профиля, что имеет место сегодня в большинстве вузов. Перспективная система образования, по мнению авторов концепции [52,165,88], должна сформировать у учащихся такие качества: системное научное мышление, экологическую и информационную культуру, творческую активность, толерантность и высокую нравственность. Только тогда молодые люди смогут успешно адаптироваться, жить и работать в наступившем веке. Это приоритетные цели для системы опережающего образования.
Каким образом будет осуществляться переход к системе опережающего образования Конечно, эволюционным путем развития. Это связано с тем, что, во-первых: моментальный отказ от традиционной формы обучения может просто разрушить всю систему образования и, во-вторых, для успешного утверждения новой концепции образования нужны условия, соответствующие новому постиндустриальному или информационному обществу.
Технологизация промышленности, информатизация научных, промышленных исследований не могли оставить в стороне сферу образования, это закономерный процесс, хотя в настоящее время процесс информатизации высшего технического образования развивается явно недостаточными темпами (высокая стоимость компьютерной техники, программного обеспечения и сетевого оборудования). Информатизация образования, по мнению А.В. Смирнова [152], - это новая методология и технология учебно-воспитательного процесса, основанная на кибернетической практике и теории управления педагогическими системами. Системы и средства информатизации могут существенно повысить качество образования и его доступность для значительной части населения. При этом в последнее время средства информатизации все чаще рассматриваются не только как высоко эффективный педагогический инструмент, но и как средство оперативного доступа педагогов и учащихся к научной и учебно-методической информации [148].
Таким образом, информатизация является не только необходимым условием утверждения системы опережающего образования, но и важным фактором достижения ее главных целей - повышения уровня образованности и воспитанности людей, формирования у них нового научного мировоззрения, которое должно соответствовать условиям и проблемам развития общества в XXI веке [51]. Решение такой педагогической задачи современности возможно лишь общими усилиями гуманитарных, естественнонаучных, технических, специальных дисциплин. Физика как основа современного естествознания и общетехнических дисциплин, обладает всеми необходимыми возможностями для успешной реализации новых требований к подготовке современного инженера. Она служит тем фундаментом, на котором инженер может самостоятельно усваивать новые идеи, понять тенденции в развитии многих областей науки и техники. Задача преподавателей физики в техническом вузе - не упустить эти возможности.
Образование можно представить как процесс продвижения от целей к заранее запланированному результату, следовательно, он должен быть достаточно технологичным как по содержанию, так и по методам и средствам достижения целей, поэтому можно говорить об образовательных и педагогических технологиях. Что означает это понятие Если исходить из этимологического значения древнегреческого слова «техне » - «искусство», то педагогическая технология означает науку о педагогическом мастерстве. Технология в современном понимании - это наука о способах, прежде всего, механического, машинного производства вещей, иначе говоря, искусство работы машин. Такое понимание технологии представляет педагогическую технологию как искусство обучения посредством машин [78]. По мнению Г.Л. Ильина, важно видеть, что в основе понимания техники обучения как объективного процесса лежит естественнонаучное представление о мире: существуют объективные закономерности процесса обучения, их следует изучить и использовать необходимым образом в соответствии с целями обучения.
Психолого-педагогические аспекты компьютерной метрологии в лабораторном практикуме технического вуза
Как показал наш анализ (1.2), одним из наиболее перспективных направлений компьютеризации лабораторного практикума, способным интенсифицировать процесс выполнения лабораторной работы, повысить качество самого эксперимента, создать условия для развития самостоятельности, творческого потенциала будущего специалиста является автоматизация измерений и обработки их результатов. Это направление можно назвать компьютерной метрологией. Что понимать под компьютерной метрологией?
Компьютерная метрология - это способ получения, автоматизированной обработки и визуализации экспериментальных данных. Реализация этого направления использования средств информационных технологий в учебном процессе основана на интеграции возможностей сенсорики (техники конструирования и использования датчиков физических величин) и учебного оборудования, сопрягаемого с ЭВМ [151,155,39], детальное рассмотрение технической стороны вопроса будет дано в следующем параграфе.
Компьютерная метрология как новый способ получения и преобразования информации дает возможность:
автоматизировать процесс сбора, регистрации природной информации (прямых измерений величин), получаемой в реальном эксперименте;
автоматизировать процесс обработки полученной информации (получение косвенных измерений);
осуществить нужное число экспериментов (или отдельных фрагментов эксперимента) за сравнительно небольшой промежуток времени при незамедлительной обратной связи;
визуализировать результаты каждого отдельного эксперимента на экране монитора;
сохранить в памяти ЭВМ результаты нескольких экспериментов и работать с ними;
визуализировать на экране монитора результаты и графики нескольких экспериментов для их сравнения, выявления закономерностей, анализа полученных закономерностей и их объяснения [42,43].
Эти наиболее существенные технические аспекты компьютерной метрологии мы использовали при постановке лабораторных работ второго уровня в многоуровневом компьютеризированном лабораторном практикуме, в которых проверяются определенные закономерности, исследуются физико-технические процессы и явления. Лабораторные работы второго уровня предполагают сопряжение лабораторной установки с персональным компьютером, что технически осуществимо с помощью специальных интерфейсных блоков, выступающих связующим звеном между ЭВМ и датчиками физических величин.
При отборе таких работ по их предметному содержанию и дидактическим задачам мы исходили еще и из чисто экономических соображений - компьютер и блок сопряжения должны, по возможности, с минимальной модернизацией вписываться в существующие лабораторные установки. В условиях скудного финансирования вузов это немаловажное обстоятельство позволит сравнительно легко тиражировать новую компьютерную технологию проведения подобных лабораторных работ, многие из которые имеются в традиционном лабораторном практикуме любого технического вуза.
Компьютеризация таких лабораторных работ осуществляется по двум направлениям:
1) использование методов компьютерной метрологии в реальном физическом эксперименте;
2) компьютерный контроль на стадиях допуска и отчетности по выполнению лабораторной работы.
К лабораторным работам второго уровня в нашем физическом практикуме мы отнесли часть работ из разделов «Электричество и магнетизм», «Колебания и волны», «Основы квантовой физики», перечень которых приведен в параграфе 1.3. Это является реализацией нашего замысла - компьютерные методы автоматизации измерений должны способствовать углубленному изучению наиболее сложных разделов естественнонаучных и технических дисциплин, процессов и явлений, сложных и трудоемких с точки зрения метрологии эксперимента [167,41].
Методы компьютерной метрологии предоставляют субъектам педагогического процесса широкие психолого-педагогические возможности. Как известно, важнейшим аспектом осуществления воспитывающей функции образования является формирование мотивов учебной деятельности, что представляет немалую сложность для преподавателя в традиционной системе обучения. При выполнении компьютеризированных лабораторных работ второго уровня непосредственно побуждающим мотивом является новизна технологии проведения таких работ - использование лабораторного оборудования, сопрягаемого с ЭВМ, предоставляет участникам педагогического процесса инструмент исследования окружающей действительности в виде персонального компьютера, датчиков физических величин.
Дидактические возможности комплексных лабораторных работ
В соответствии с разработанным критерием выбора явлений или процессов (1.3, 3.1), при изучении которых комплексирование компьютерной и экспериментальной части может дать наибольший эффект, на этапе поисково-прогнозирующего педагогического эксперимента нами были определены пять комплексных лабораторных работ, перечень которых приведен в параграфе 1.3. Методические рекомендации по проведению лабораторных работ третьего уровня в многоуровневом компьютеризированном лабораторном практикуме для технического вуза мы приводим для лабораторной работы по исследованию статистических распределений. Этот выбор объясняется следующими соображениями:
1. Эта лабораторная работа, выбранная в качестве модели на примере физики, может быть выполнена в курсах и других общетехнических дисциплин.
2. Особой сложностью для понимания данной лабораторной работы в учебной программе курса физики. Законы молекулярной физики нельзя свести к законам механики. Для решения задач молекулярной физики необходимо пользоваться методами статистической физики, т.е. использовать статистические закономерности. Данный материал представляет большую сложность в силу абстрактности многих понятий, тем более, что часто он не обеспечен еще соответствующей математической подготовкой будущих специалистов первого курса обучения.
3. Проводя реальный лабораторный эксперимент обучающиеся имеют дело не с самими физическими объектами (молекулы), а с их моделями (достаточно большое число маленьких шариков), моделируют движения молекул и столкновения между ними и т.п. Из-за этого неизбежно возникают затруднения в понимании сути физических процессов, а сложный вид статистических законов усугубляет эти искажения между реальными объектами и их физическими моделями.
4. Компьютерное моделирование в данной лабораторной работе существенно поясняет и расширяет возможности реального физического эксперимента, позволяет провести углубленный анализ получаемых закономерностей, визуализировать на экране монитора графики, соответствующие различным ситуациям, часто неосуществимым в реальном эксперименте.
5. Дополнительная информация, получаемая методами компьютерного моделирования, трансформируемая в знания, безусловно, способствует более глубокому пониманию статистических распределений, развитию аналитико-индуктивных способностей, теоретического мышления, индивидуального творческого потенциала обучающихся.
Рассматривая методику проведения данной комплексной лабораторной работы, мы опускаем довольно сложные и громоздкие общие сведения из теории (они подробно излагаются в учебниках по общей физике). Остановимся более подробно на описании самой лабораторной установки, заданиях на реальный эксперимент, а также на особенностях компьютерного моделирования статистических распределений, его программной обеспеченности.
Организационно лабораторные работы третьего уровня проводятся по методике, отработанной при проведении лабораторных работ первого и второго уровней, т.е. обучающиеся работают в сотрудничестве, как правило, уже сложившимися малыми группами-триадами, осуществляя в ходе лабораторного занятия заранее проектируемые различные виды учебной деятельности (2.1, 2.3).
