Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Развитие методологических умений студентов технических специальностей при обучении физике 14
1.1. Теоретические основы формирования методологических знаний и умений 14
1.2. Роль методологических умений в подготовке специалистов путей сообщения при обучении физике 28
1.3. Вычислительный эксперимент в процессе обучения физике как средство формирования методологических умений 36
Выводы по первой главе 46
ГЛАВА 2. Методика развития методологических умений у будущих инженеров железнодорожного транспорта 47
2.1. Проектирование модели развития методологических умений при обучении физике с использованием вычислительного эксперимента 47
2.2. Содержание обучения физике будущих инженеров железнодорожного транспорта с использованием физического вычислительного эксперимента 70
2.3. Методика развития методологических умений на занятиях по физике на основе вычислительного эксперимента 86
Выводы по второй главе 123
ГЛАВА 3. Методика проведения педагогического эксперимента и его результаты 124
3.1. Характеристика этапов педагогического эксперимента 124
3.2. Содержание и результаты констатирующего и поискового этапов 127
3.3. Проведение и анализ результатов формирующего этапа педагогического эксперимента 131
Выводы по третьей главе 147
Заключение 148
Библиографический список 150
- Роль методологических умений в подготовке специалистов путей сообщения при обучении физике
- Вычислительный эксперимент в процессе обучения физике как средство формирования методологических умений
- Содержание обучения физике будущих инженеров железнодорожного транспорта с использованием физического вычислительного эксперимента
- Содержание и результаты констатирующего и поискового этапов
Введение к работе
Актуальность исследования. Модернизация различных отраслей экономики приводит к повышению требований к выпускникам технических вузов. Перед высшей технической школой стоит задача подготовки специалистов, способных самостоятельно ставить и решать практические задачи в широком контексте профессиональных ситуаций, готовых к саморазвитию и самореализации в сфере своей профессиональной деятельности.
Для достижения новых целей в процессе профессиональной подготовки необходимо вооружить студентов методами и современными средствами познания. Методологическая компонента обучения является фундаментальной и способствует совершенствованию знаний и умений в процессе учебно-познавательной и профессиональной деятельности. Необходимость методологической составляющей при подготовке будущих инженеров, обучающихся по специальностям «Подвижной состав железных дорог» и «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей», отражена во ФГОС ВПО в формулировках компетенций, в частности, «уметь применять методы математического моделирования, теоретического и экспериментального исследования», «уметь выдвигать гипотезы, строить математические модели технических объектов и процессов, определять границы их применимости», «уметь приобретать новые естественнонаучные знания с помощью современных информационных технологий» и др.
Общенаучная и дидактическая значимость методологической компоненты обучения, необходимость включения соответствующих знаний в содержание образования рассмотрены в работах С. В. Бубликова, Л. Я. Зориной, И. Я. Лернера, Р. В. Майера, А. М. Новикова, В. Г. Разумовского, Н. Ф. Талызиной, А. В. Усовой, Н. В. Шароновой и др. Авторы подчеркивают, что методология научного познания включает знания об организации деятельности, а организация любой деятельности невозможна без знания ее принципов.
В настоящем исследовании под методологическими умениями будем понимать умения организовывать самостоятельную познавательную деятельность и умения применять методы познания для решения практических задач.
Широким арсеналом средств, позволяющих формировать методологические знания и умения, обладает физика. В процессе обучения физике студенты усваивают знания о методах эмпирического и теоретического познания, направленных на осуществление практической деятельности. Эти знания служат информационной основой методологических умений. В то же время, как показывает практика, традиционно формируемых в физике знаний и умений оказывается недостаточно, поскольку объектами исследования в профессиональной деятельности инженеров путей сообщения являются сложные технические системы, в частности, узлы подвижного состава, механизмы и т. д. Их математические модели имеют вид нелинейных уравнений, решение которых аналитическими методами затруднено либо невозможно. Поэтому мощным современным средством исследования технических систем любой сложности становится вычислительный эксперимент.
Вопросам использования в процессе обучения физике математического моделирования и вычислительного эксперимента посвящены работы Е. И. Бутикова, А. С. Кондратьева, В. В. Лаптева, М. В. Ларионова, Р. В. Майера, С. Е. Попова, О. Г. Ревинской, М. И. Старовикова, А. И. Ходановича и др. В работах Е. И. Бутикова, М. В. Ларионова, О. Г. Ревинской и др. обсуждался вопрос использования в процессе обучения физике готовых моделирующих программ. В ряде других работ (О. А. Арюкова, Ю. Р. Мухина и др.) исследовался вопрос об использовании математического моделирования и вычислительного эксперимента с целью повышения качества подготовки по физике в вузе. В то же время методический аспект формирования методологических умений у будущих инженеров путей сообщения в процессе обучения физике средствами вычислительного эксперимента не рассматривался.
Анализ научно-методической литературы, педагогической практики позволяет сделать вывод о наличии следующих противоречий:
– на социально-педагогическом уровне – между требованиями, предъявляемыми обществом к инженеру путей сообщения, который должен обладать методологическими умениями для решения профессиональных задач, саморазвития и самореализации в сфере своей профессиональной деятельности, и недостаточной ориентацией образовательного процесса в техническом вузе на реализацию этих требований;
– на научно-педагогическом уровне – между возможностями вычислительного эксперимента для развития методологических умений будущих инженеров и недостаточной разработанностью в педагогической теории содержательно-процессуальных условий их формирования;
– на научно-методическом уровне – между возможностями физического вычислительного эксперимента для развития методологических умений студентов и недостаточной разработанностью методики его применения в процессе обучения физике инженеров путей сообщения.
Необходимость разрешения перечисленных противоречий обусловливает актуальность настоящего исследования и определяет его проблему: как должен быть организован процесс обучения физике будущих инженеров путей сообщения, чтобы он обеспечивал развитие методологических умений?
Актуальность, недостаточная теоретическая и методическая разработанность сформулированной проблемы обусловили выбор темы диссертационного исследования – «Развитие методологических умений будущих инженеров на основе физического вычислительного эксперимента».
Объект исследования – процесс обучения физике будущих инженеров путей сообщения.
Предмет исследования – развитие методологических умений студентов технических специальностей университета путей сообщения при обучении физике.
Цель исследования состоит в разработке и теоретическом обосновании методики обучения физике будущих инженеров путей сообщения, реализация которой обеспечит успешное развитие методологических умений.
Гипотеза исследования: формирование методологических умений у будущих инженеров путей сообщения в процессе обучения физике будет результативным, если:
– в содержание обучения физике будут включены методологические основания и технология физического вычислительного эксперимента, профессионально-направленные задачи, решаемые средствами вычислительного эксперимента;
– приоритетными методами обучения будут выступать методы организации индивидуальной исследовательской деятельности студентов.
В соответствии с целью и гипотезой были поставлены следующие задачи.
-
Проанализировать психолого-педагогическую, научно-методическую литературу по развитию методологических умений студентов и выявить состояние проблемы использования физического вычислительного эксперимента для формирования методологических умений будущих инженеров путей сообщения.
-
Разработать структурно-функциональную модель развития методологических умений студентов на основе физического вычислительного эксперимента, включающую мотивационно-целевой, содержательный, технологический, контрольно-оценочный компоненты.
-
На основе построенной модели разработать методику развития методологических умений будущих инженеров путей сообщения при обучении физике с использованием вычислительного эксперимента посредством организации индивидуальной исследовательской деятельности студентов.
-
Разработать диагностический инструментарий проверки результативности методики развития методологических умений студентов при обучении физике на основе вычислительного эксперимента.
-
Осуществить экспериментальную проверку результативности применения разработанной методики обучения физике в техническом вузе.
Теоретико-методологической базой исследования послужили психолого-
педагогические работы по теории деятельности (П. Я. Гальперин,
А. Н. Леонтьев), основные положения компетентностного подхода (В. И. Байденко,
Э. Ф. Зеер, И. А. Зимняя, А. П. Тряпицына, А. В. Хуторской), достижения и тенден
ции развития теории и методики обучения физике (С. В. Бубликов, С. Е. Каменец-
кий, Н. С. Пурышева, А. В. Усова, Т. Н. Шамало, Н. В. Шаронова), достижения в
области математического моделирования и вычислительного эксперимента
(Е. И. Бутиков, Х. Гулд, А. С. Кондратьев, Р. В. Майер, А. В. Могилев, Е. В. Оспен-
никова, Н. И. Пак, Я. Тобочник, Е. К. Хеннер, А. И. Ходанович).
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования: теоретический анализ нормативных документов, философской, психолого-педагогической, методической литературы, диссертационных работ, научных публикаций, посвященных проблеме исследования; наблюдение, анкетирование, обобщение положительного опыта преподавания, метод экспертных оценок, тестирование студентов; опытно-поисковая работа, обработка результатов опытно-поисковой работы методами математической статистики; анализ и интерпретация полученных данных.
Научная новизна результатов исследования.
1. В отличие от работ Ю. Р. Мухиной (в которой вычислительный эксперимент предлагалось использовать в качестве средства активизации учебно-познавательной
деятельности), М. В. Ларионова (где исследовалась проблема формирования экспериментальных умений как компонента информационной компетенции курсантов военного вуза) в настоящем исследовании обосновывается возможность использования вычислительного эксперимента в качестве современного средства развития методологических умений будущих инженеров путей сообщения.
-
Выявлен комплекс педагогических условий развития методологических умений студентов средствами физического вычислительного эксперимента: включение в содержание обучения методологических основ и технологии вычислительного эксперимента, реализация основного содержания через систему исследовательских проектов, включающую проекты профессиональной направленности, обязательное прохождение всех этапов технологии вычислительного эксперимента, увеличение доли самостоятельности в процессе реализации системы исследовательских проектов.
-
Разработана методика обучения физике, отличительными особенностями которой являются:
– направленность на усвоение методологических основ и технологии физического вычислительного эксперимента;
– ориентация на применение методологических умений для решения профессионально-направленных задач средствами вычислительного эксперимента.
Теоретическая значимость исследования заключается в следующем:
– обоснованы содержательно-процессуальные условия развития методологических умений будущих инженеров путей сообщения средствами физического вычислительного эксперимента – включение в содержание обучения методологических основ и технологии физического вычислительного эксперимента, профессионально-направленных задач; организация индивидуальной исследовательской деятельности студентов с обязательным прохождением всех этапов технологии вычислительного эксперимента;
– разработана структурно-функциональная модель развития методологических умений будущих инженеров путей сообщения средствами физического вычислительного эксперимента, включающая в себя мотивационно-целевой, содержательный, технологический, контрольно-оценочный компоненты;
– определены принципы отбора содержания обучения физике, направленного на развитие методологических умений у будущих инженеров путей сообщения средствами вычислительного эксперимента – целостности, технологической полноты, пропедевтической направленности, дифференциации предметного содержания, иерархии упрощенных моделей.
Практическая значимость исследования состоит в том, что теоретические результаты доведены до уровня практического применения, разработаны и внедрены в учебный процесс:
– учебно-методический комплекс по дисциплине «Физический вычислительный эксперимент» для будущих инженеров путей сообщения, содержащий учебную программу, лекционный материал, тематику и описание работ лабораторного практикума, список рекомендованной литературы;
– учебно-методическое пособие «Введение в Mathcad», предназначенное для подготовки студентов к проведению вычислительного эксперимента;
– учебно-методическое пособие «Введение в компьютерное моделирование» (в 2-х частях), являющееся методическим обеспечением обучения физике на основе вычислительного эксперимента;
– система профессионально-направленных заданий для организации исследовательской деятельности студентов при обучении физике средствами физического вычислительного эксперимента.
Достоверность и обоснованность научных результатов и выводов обеспечиваются теоретической обоснованностью исходных положений с опорой на фундаментальные работы в области педагогики, теории и методики обучения физике в вузе и дополняющей друг друга совокупностью методов исследования, адекватных поставленным задачам, и подтверждаются результатами проведенного педагогического эксперимента.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в филиале Уральского государственного университета путей сообщения (УрГУПС) в г. Нижнем Тагиле. Ход исследования, его основные положения и результаты докладывались на Международной научно-технической конференции («Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России», г. Екатеринбург, 2006 г.); на международных научно-практических конференциях («Проблемы качества образования в современном обществе», «Психология и педагогика современного образования в России», г. Пенза, 2008 г.; «Педагогические системы развития творчества», г. Екатеринбург, 2008 г.; «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM», г. Пенза, 2009 г.; «Реализация национальной образовательной инициативы «Наша новая школа» в процессе обучения физике, информатике, математике», г. Екатеринбург, 2010, 2011 г.; «Физика в системе современного образования (ФССО-11)», г. Волгоград, 2011 г.; «Вопросы образования и науки: теоретический и методический аспекты», г. Тамбов, 2012 г.; «Подготовка молодежи к инновационной деятельности в процессе обучения физике, математике, информатике», г. Екатеринбург, 2013 г.); на всероссийских научно-практических конференциях («Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения» г. Глазов, 2008, 2009, 2010 г.; «Техническое творчество как средство развития конкурентоспособности и повышения качества инженерной деятельности», Нижний Тагил, 2009, 2010, 2011 г.); на региональных научно-практических конференциях («Актуальные проблемы обучения физике», Нижний Тагил, 2009, 2010 г.; «Актуальные проблемы физико-математического образования в школе и вузе», Нижний Тагил, 2011 г.).
Основные положения исследования отражены в 19 публикациях, в том числе три – в журналах, рекомендуемых ВАК МОиН РФ, и в 3 учебно-методических пособиях.
Логика и этапы исследования. Исследование проводилось в три этапа в период с 2006 по 2014 гг.
На первом этапе (2006-2008 гг.) был проведен анализ нормативных документов, программ и стандартов для технических специальностей железнодорож-7
ного вуза, а также педагогической и методической литературы с целью констатации факта наличия проблемы, связанной с необходимостью развития методологических умений на основе физического вычислительного эксперимента у студентов технических специальностей железнодорожного вуза.
На втором этапе (2009-2010 гг.) осуществлялись проверка и уточнение рабочей гипотезы, цели, задач исследования, разрабатывались модель и методика обучения физике с использованием математического моделирования и вычислительного эксперимента.
На третьем этапе (2011-2014 гг.) проводился формирующий эксперимент, направленный на использование разработанной методики в учебном процессе, проводилась оценка и корректировка разработанной методики, осуществлялся комплексный анализ педагогического эксперимента, формулирование выводов исследования и оформление текста диссертации.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Подготовка будущих инженеров путей сообщения к решению профессиональных задач, к саморазвитию и самореализации в сфере профессиональной деятельности требует формирования у студентов умений осуществлять исследования с использованием современной вычислительной техники и умений организовывать самостоятельную учебно-познавательную и исследовательскую деятельность с помощью компьютера.
-
Соответствующие методологические умения, вносящие вклад в методологическую составляющую профессиональной подготовки будущих инженеров, возможно и целесообразно формировать в процессе обучения физике на основе использования технологии вычислительного эксперимента, включающей в себя как этапы, направленные на построение моделей исследуемых объектов, так и этапы проведения исследования моделей на компьютере.
-
Методика развития методологических умений будущих инженеров путей сообщения на основе использования физического вычислительного эксперимента содержит следующие компоненты:
– мотивационно-целевой компонент, включающий цели и задачи обучения, приемы формирования мотивации будущих инженеров к развитию методологических умений;
– содержательный компонент, определяющий содержание учебного материала – методологические основы и технологию физического вычислительного эксперимента, систему исследовательских проектов, дифференцированные по уровню профессионально-направленные задачи, решаемые средствами вычислительного эксперимента;
– технологический компонент, включающий основные методы, формы и средства обучения;
– контрольно-оценочный компонент, направленный на контроль и оценку самостоятельной исследовательской деятельности студентов, основанной на технологии вычислительного эксперимента.
4. При конструировании методики обучения физике, направленной на фор
мирование методологических умений у будущих инженеров путей сообщения,
необходимо учитывать следующие требования:
– в качестве инвариантной составляющей содержания обучения должны выступать методологические основы и технология физического вычислительного эксперимента;
– в содержание обучения должны быть включены профессионально-направленные задачи, решаемые средствами вычислительного эксперимента;
– приоритетными методами обучения должны выступать методы организации индивидуальной исследовательской деятельности студентов.
5. Комплекс критериев оценки сформированности методологических уме
ний включает в себя владение деятельностью по исследованию объектов в вы
числительном эксперименте, умение применять технологию вычислительного
эксперимента для решения профессионально-направленных задач по физике.
Роль методологических умений в подготовке специалистов путей сообщения при обучении физике
Модернизация различных отраслей экономики, разработка и внедрение современных технологий невозможна без адекватного кадрового обеспече-ния. Это нашло отражение в образовательных стандартах третьего поколе-ния. Новая структура и процедура формирования стандартов, ориентация на результат при высокой степени свободы выбора путей его достижения дают возможность образовательным учреждениям гибко и оперативно обновлять образовательные программы в соответствии с динамично меняющимися за-просами инновационной экономики [5].
Особенность стандартов третьего поколения заключается в реализации идей компетентностного подхода (В.И. Байденко, Э.Ф. Зеер, И.А. Зимняя, А.В. Хуторской), в рамках которого цели обучения любой дисциплине в сис-теме высшего образования задаются через систему компетенций – совокуп-ность знаний, умений, способов деятельности, которые должны быть сфор-мированы у выпускников. При этом обучение любой дисциплине в вузе должно готовить студента к дальнейшему использованию всех изучаемых дисциплин для решения профессиональных задач, к успешной адаптации и развитию специалиста в процессе профессиональной деятельности в услови-ях информационного общества. Социальные ожидания современного информационного общества на-правлены на подготовку специалиста, не только обладающего системой зна-ний, но и владеющего методами и средствами познания, умеющего быстро ориентироваться в нарастающей информации, обладающего потребностью и готовностью находить решение возникающих жизненных и профессиональ-ных проблем. Эффективность найденных решений во многом определяется уровнем сформированности у специалиста методологических знаний и уме-ний. Анализ литературы [92, 125, 126,180, 193] показал, что существует два основных подхода к определению методологических знаний и умений. В рамках первого подхода под методологическими знаниями понимают знания о методах познания, необходимые для сознательного усвоения основ наук, формирования мировоззрения и мышления (Л.Я. Зорина, И.Я. Лернер, А.В. Усова и др.), а под методологическими умениями – умения применять методы теоретического (идеализация, формализация, анализ, синтез, анало-гия, абстрагирование, индукция, моделирование и др.) и эмпирического (на-блюдение, эксперимент) исследований.
В рамках второго подхода под методологическими знаниями понимают знания об организации деятельности, направленной на получение объективно или субъективно нового результата (А.М. Новиков, Д.А. Новиков, Н.Ф. Та-лызина, В.И. Загвязинский и др.), а под методологическими умениями – уме-ния организовывать собственную познавательную и практическую деятель-ность, направленную на достижение оптимального практического эффекта.
Поскольку методология научного познания включает знания об органи-зации деятельности, а организация любой деятельности невозможна без зна-ния ее принципов, то под методологическими умениями будем понимать умения применять методы познания для решения практических задач и уме-ния организовывать самостоятельную познавательную деятельность.
Проблемы методологии традиционно разрабатывались в рамках фило-софии. Дифференциация современного научного познания, совершенствова-ние средств и методов познания, усложнение понятийного аппарата привели к выделению уровней методологии. В ходе исследования установлено, что довольно широко распространена структурная модель методологического знания, в которой выделено четыре уровня: философский, общенаучный, ча-стно-научный (конкретно-научный), технологический (И.В. Блауберг, Э.Г. Юдин и др.). Каждый из выделенных уровней методологического знания, выполняет свои особые, только ему свойственные функции в научном позна-нии. Благодаря этой своеобразной специализации все уровни методологии образуют сложную систему, в рамках которой между ними существует опре-деленное соподчинение [208].
Содержательной основой любого методологического знания, по мнению Э.Г. Юдина, служит высший (философский) уровень. На высшем уровне ме-тодология представляет собой систему философских идей, выступающих ос-нованием для развития наук, при этом методологические функции выполняет вся система философского знания: философские категории, законы, подходы [16]. Результатом обобщения достижений науки и практической деятельности стала система философских категорий – понятий, которые отражают общие черты и связи, стороны и свойства действительности, в частности, единичное и общее, сущность и явление, содержание и форма, часть и целое, причина и следствие, необходимость и случайность, возможность и действительность, материя, пространство и время, движение, система, структура, элемент и т. д.
Методы философского уровня определяют мировоззренческую позицию исследователя и представляют собой совокупность наиболее фундаменталь-ных принципов и приёмов, выступающих регуляторами познавательной и практической деятельности познающего субъекта. Основное назначение ме-тодов высшего уровня заключается в исследовании взаимосвязи и развития явлений, в соотношения материального и идеального, объективного и субъ-ективного.
Вычислительный эксперимент в процессе обучения физике как средство формирования методологических умений
Процесс обучения реализуется через взаимосвязанную систему целей, содержания, методов, средств и организационных форм обучения, т.е. мето-дическую систему (С.Е. Каменецкий, Н.С. Пурышева, А.А. Кузнецов). Мето-дическая система обучения представляет собой совокупность взаимосвязан-ных и взаимообусловленных методов, форм и средств планирования, прове-дения, контроля, анализа, корректирования учебного процесса, направленных на повышение эффективности обучения [95]. Разрабатываемая нами методика обучения физике с использованием вы-числительного эксперимента, направленная на развитие методологических умений, будет строиться на основе работ А.М. Пышкало, С.Е. Каменецкого, Н.С. Пурышевой и содержать в себе следующие элементы: цель, задачи, со-держание, методы, формы, средства обучения, контрольно-оценочную дея-тельность [154, 155].
Решение дидактических задач на пути совершенствования процесса обу-чения предполагает изучение связей между отдельными элементами учебно-го процесса. Для определения взаимодействия субъектов процесса обучения применяют метод моделирования процесса обучения. Метод моделирования позволяет изучить протекание процесса обучения на его модели с целью улучшения характеристик и свойств функционирования его отдельных эле-ментов.
Проектирование модели методики обучения физике с использованием вычислительного эксперимента, направленной на развитие методологических умений, включает решение следующих задач: 1. Обоснование цели обучения физике с использованием вычислитель-ного эксперимента. 2. Проектирование структуры содержания обучения. 3. Определение содержания обучения. 4. Выбор наиболее оптимальной формы и методов проведения занятий. 5. Подготовка материалов для проведения текущего и итогового контроля.
По мнению В.М. Жучкова [40], в модели должны быть представлены и описаны все взаимосвязанные элементы этой системы (содержание, формы, методы, средства учебной деятельности, средства контроля), а также сфор-мулированы требования к организации учебного процесса. Согласно принципу полноты частей системы, разрабатывая модель про-цесса обучения необходимо выделить совокупность компонентов, обладаю-щих самодостаточностью и работоспособностью. Таким образом, модель процесса обучения должна состоять из компонентов, отражающих сущест-венные стороны содержания исследуемого процесса обучения. В соответст-вии с рассмотренным принципом построим структурно-функциональную модель методики обучения физике с использованием вычислительного экс-перимента будущих инженеров путей сообщения, включающую мотиваци-онно-целевой, содержательный, технологический и контрольно-оценочный компоненты. Рассмотрим каждый из компонентов модели.
1. Мотивационно-целевой компонент. Цели обучения реализуются в процессе учебно-познавательной деятельности студентов, организуемой и активизируемой преподавателем, и являются определяющими по отношению к содержанию и технологиям обучения. Вопросы проектирования целей обу-чения обсуждались в работах ряда авторов [103, 105, 137].
Цели обучения физике будущих инженеров путей сообщения соотносят-ся с целями профессионального образования. В связи с этим цель обучения физике с использованием вычислительного эксперимента заключается в раз-витии методологических умений у будущих инженеров путей сообщения связанных с применением вычислительной техники в познавательной и бу-дущей профессиональной деятельности.
Достижение поставленной цели обучения связано с решением следую-щих задач.
1. Ознакомить студентов с методологией и технологией физического вычислительного эксперимента. В процессе обучения студенты знакомятся с методологией современного исследования и осваивают технологию его проведения. 2. Обобщить и углубить знания и умения будущих инженеров путей со-общения в области математического моделирования физических объектов и процессов. 3. Научить применять на практике методологию вычислительного экс-перимента для исследования моделей объектов и процессов. При проведении вычислительного эксперимента студенты проверяют, какое влияние на дан-ное физическое явление оказывает каждое в отдельности независимое уп-рощающее физическое предположение (гипотеза), например, пренебрежение отдельными взаимодействиями (видами сил). При этом, начиная с формули-ровки проблемы и заканчивая анализом полученных результатов, студенты находятся в роли исследователей, а инструментом исследования является ком-пьютер. В процессе обучения будущие инженеры должны не только уметь реализовывать на компьютере предложенную модель, но и представить по-лученные результаты. Таким образом, у студентов формируется умение ор-ганизовывать свою познавательную (исследовательскую) деятельность с ис-пользованием компьютера.
4. Углубить знания студентов в области физики с целью подготовки к успешному изучению дисциплин профессионального цикла и к дальнейшей профессиональной деятельности. Физический вычислительный эксперимент целесообразно применять в случаях, когда: рассматриваемая модель требует учета большого числа параметров и, как правило, не линейна; необходимо исследовать математическую модель явления, которую студенты самостоя-тельно не могут разрешить аналитически или модель не имеет строгого ана-литического решения; необходимо исследовать ряд усложняющихся моделей – иерархическую цепочку моделей объекта. Поэтому, в содержание обучения могут быть включены модели физических явлений и процессов, не рассмат-риваемые в традиционном курсе физики, но важные с точки зрения профес-сиональной подготовки студентов. Это позволяет конкретизировать, систе-матизировать, расширять, углублять, обобщать полученные ранее знания, осуществлять подготовку студентов к изучению профессиональных дисци-плин.
Для формирования методологических умений необходимо, чтобы в про-цессе учебно-познавательной деятельности студенты проявляли свою актив-ность и самостоятельность. Активная учебно-познавательная деятельность студентов вызывается потребностями, которые превращаются в мотивы, стимулирующие эту деятельность. Одним из наиболее действенных познава-тельных мотивов является познавательный интерес, источником которого при обучении физике с использованием вычислительного эксперимента мо-жет служить освоение современной методологии исследования и ее приме-нение для исследования моделей профессиональной направленности.
Содержание обучения физике будущих инженеров железнодорожного транспорта с использованием физического вычислительного эксперимента
В ходе работы над проектом «Кривошипно-шатунный механизм» сту-денты сталкиваются с тем, что, во-первых, модель «нефизического» объекта имеет физическое содержание, и его поведение описывается с помощью фи-зических законов, во-вторых, что вычислительный эксперимент – метод ис-следования, применяющийся в физике, можно использовать при решении за-дач профессиональной направленности.
Работа студентов над данным проектом носит пропедевтический харак-тер по отношению к изучению профессиональных дисциплин, например, дисциплины «теория машин и механизмов». В рамках данной дисциплины студенты графическим методом определяют скорости и ускорения поршня кривошипно-шатунного механизма и проводят динамический анализ меха-низма. Исследование математической модели механизма в ходе вычисли-тельного эксперимента вносит вклад в понимание того, как движутся элемен-ты механизма, от каких величин зависит перемещение, скорость и ускорение поршня, как движется шатун. Кроме того, графическое представление ре-зультатов исследования позволяет студентам лучше усвоить поведение объ-екта моделирования. Все это способствует повышению интереса студентов к физике и ее методам исследования, повышению значимости полноценных физических знаний и, как следствие, способствует развитию познавательной активности в процессе обучения.
Для организации самостоятельной работы студентов в процессе обуче-ния физике с использованием вычислительного эксперимента подготовлены три учебно-методических пособия. Первое «Введение в Mathcad» предназна-чено для подготовки студентов к проведению вычислительного эксперимен-та. Оно содержит описание интерфейса математического пакета Mathcad, принципы работы с основными редакторами пакета, а также примеры реше-ния задач и варианты заданий для самостоятельной работы.
Учебно-методическое пособие «Введение в компьютерное моделирова-ние» (в двух частях) является методическим обеспечением обучения физике с использованием математического моделирования и вычислительного экспери-мента. Каждое из этих пособий включает в себя теоретические сведения по проектам, примеры реализации технологии вычислительного эксперимента, индивидуальные задания для исследования к каждому из проектов и контроль-ные вопросы по проектам.
Вторая глава посвящена созданию методики обучения физике на основе вычислительного эксперимента, направленной на развитие методологических умений будущих инженеров.
1. Методологическую основу проектирования и отбора содержания обучения физике на основе вычислительного эксперимента составляют базо-вые дидактические принципы, дополненные системой соподчиненных прин-ципов: технологической полноты, целостности, пропедевтической направ-ленности, дифференциации предметного содержания, иерархии упрощенных моделей.
2. С учетом анализа традиционного курса физики и дисциплин профес-сиионального цикла выделены основные объекты изучения. Это позволило определить содержание теоретического материала и разработать систему ис-следовательских проектов, тематика которых направлена как на усвоение ме-тодологии проведения вычислительного эксперимента, так и на расширение и профессиональную ориентацию знаний по физике. 3. Обосновано, что контрольно-оценочная деятельность преподавателя должна осуществляться в форме мониторинга результатов деятельности сту-дентов при выполнении системы исследовательских проектов в соответствии с установленными этапами технологии проведения вычислительного экспе-римента. 4. Представлена методика развития методологических умений на занятиях по физике с использованием вычислительного эксперимента на примере обучающего и профессионально-направленного проеков.
Обучение физике на основе вычислительного эксперимента не может заменить традиционные практические и лабораторные занятия. Наши ожида-ния связаны с тем, что введение в содержание обучения будущих инженеров путей сообщения физического вычислительного эксперимента позволит вне-сти вклад в развитие методологических умений студентов.
В ходе педагогического эксперимента решались следующие задачи: 1. Определить условия внедрения методики обучения физике с ис-пользованием вычислительного эксперимента, направленной на развитие ме-тодологических умений будущих инженеров в учебный процесс техническо-го вуза. 2. Выявить недостатки предложенной методики и трудности ее практической реализации. 3. Внести необходимые коррективы и внедрить разработанную ме-тодику в практику подготовки будущих инженеров путей сообщения. 4. Определить результативность методики обучения физике с ис-пользованием вычислительного эксперимента.
Опытно-поисковая работа проводилась с 2006 по 2013 годы и включала три этапа: констатирующий, поисковый и формирующий. Общий охват сту-дентов филиала УрГУПС в г. Н.Тагиле, принимавших участие в опытно-поисковой работе составил 144 человека.
Цель педагогического эксперимента заключалась в проверке результа-тивности методики обучения физике на основе вычислительного экспери-мента, направленной на развитие методологических умений студентов. Для oцeнки рeзультативности предложенной методики обучения была выбрана совокупность критериев:
Содержание и результаты констатирующего и поискового этапов
Таким образом, по критерию владение деятельностью по исследова-нию объектов в вычислительном эксперименте за оба рассматриваемых года принимается гипотеза Н0 с уровнем значимости 0,05.
Следовательно, до реализации методики обучения показатели критерия владение деятельностью по исследованию объектов в вычислительном экс-перименте контрольной и экспериментальной групп в рассмотренные перио-ды совпадают.
Осуществим проверку критерия умение применять технологию вычис-лительного эксперимента для решения профессионально-направленных задач по физике. Для этого сформулируем статистические гипотезы:
Начальные показатели по критерию умение применять технологию вычислительного эксперимента для решения профессионально-направленных задач по физике контрольной и экспериментальной групп совпадают.
Начальные показатели по критерию умение применять технологию вычислительного эксперимента для решения профессионально-направленных задач по физике контрольной и экспериментальной групп различны.
Воспользовавшись формулой (56), вычислим эмпирическое значение критерия Манна-Уитни (Приложение 5) и представим вычисленные значения для второго критерия (умение применять технологию вычислительного экс-перимента для решения профессионально-направленных задач по физике) оценки результативности разработанной методики (таблица 9).
Критерий Умение применять техноло-гию вычислительного экс-перимента для решения профессионально-направленных задач по фи-зике Умение применять техноло-гию вычислительного экс-перимента для решения профессионально-направленных задач по фи-зике
Значение критерия 136 1 Определим эмпирические значение критерия Вилкоксона и сравним его с критическим значением (Таблица 10). Таблица 10
Расчет эмпирического значения критерия Вилкоксона для сравнения начальных характеристик групп до эксперимента 2011-2012 уч. год 2012-2013 уч. год Критерий Умение применять техноло-гию вычислительного экс-перимента для решения профессионально-направленных задач по фи-зике Умение применять техноло-гию вычислительного экс-перимента для решения профессионально-направленных задач по физике
Принятая гипотеза Н0 Н Таким образом, по критерию умение применять технологию вычис-лительного эксперимента для решения профессионально-направленных задач по физике для каждого года принимается гипотеза Н0 с уровнем значимости 0,05.
Значит, до реализации предложенной методики критерий умение при-менять технологию вычислительного эксперимента для решения профес-сионально-направленных задач по физике для контрольной и эксперимен-тальной групп в рассмотренные периоды совпадают.
По обоим критериям (владение деятельностью по исследованию объ-ектов в вычислительном эксперименте, умение применять технологию вы-числительного эксперимента для решения профессионально-направленных задач по физике) в 2011-2012 уч. год и в 2012-2013 уч. год принимается гипо-теза Н0 с уровнем значимости 0,05.
Таким образом, можно сделать вывод о совпадении начальных харак-теристик контрольной и экспериментальной групп в 2011-2012 уч. год и 2012-2013 уч. год. (Таблица 11).
Владение деятельно-стью по ис-следованию объектов в вычислитель-ном экспери-менте Умение приме-нять технологию вычислительного эксперимента для решения профес-сионально-направленных за-дач по физике Владение деятельно-стью по ис-следованию объектов в вычислитель-ном экспери-менте Умение приме-нять технологию вычислительного эксперимента для решения профес-сионально-направленных за-дач по физике
Принятаягипотеза Н0 Н0 Н0 Н С целью выявления динамики изменения критерия владение деятель-ностью по исследованию объектов в вычислительном эксперименте тести-рование и наблюдение в экспериментальных и контрольных группах было проведено дважды: первое – до реализации в учебный процесс разработан-ной методики, второе – после.
Проверяемые гипотезы были сформулированы следующим образом: Показатели критерия владения деятельностью по исследованию объектов в вычислительном эксперименте после реализации в учебный про-цесс разработанной методики обучения совпадают.
Показатели критерия владения деятельностью по исследованию объектов в вычислительном эксперименте после реализации в учебный про-цесс разработанной методики различны. Результаты расчетов критерия Манна-Уитни представлены в Приложе-нии 6, его эмпирические значения оценки результативности разработанной методики по критерию владение деятельностью по исследованию объектов в вычислительном эксперименте – в таблице 12.
Результаты сравнения позволяют сделать вывод о том, что по крите-рию владение деятельностью по исследованию объектов в вычислительном эксперименте за 2011-2012 уч. год и 2012-2013 уч. год должна быть принята гипотеза Н1 с достоверностью 95 %.
Следовательно, можно сделать вывод о том, что по критерию владение деятельностью по исследованию объектов в вычислительном эксперименте начальные характеристики контрольных и экспериментальных групп совпа-дают, а конечные – различаются. Таким образом, можно сделать вывод о том, что изменения обусловлены реализацией предложенной методики обучения.
Для выявления динамики изменения критерия умение применять технологию вычислительного эксперимента для решения профессионально-направленных задач по физике наблюдение в экспериментальных и кон-трольных группах было проведено дважды: до реализации в учебный про-цесс разработанной методики и после.
Проверяемые гипотезы имели формулировки: Показатель критерия умение применять технологию вычислитель-ного эксперимента для решения профессионально-направленных задач по фи-зике контрольной и экспериментальной групп после реализации разработан-ной методики обучения совпадают.
Показатель критерия умение применять технологию вычислитель-ного эксперимента для решения профессионально-направленных задач по фи-зике контрольной и экспериментальной групп после реализации разработан-ной методики обучения различны.
Результаты расчетов представлены в Приложении 7. Эмпирические значения критерия Манна-Уитни для критерия умение применять техноло-гию вычислительного эксперимента для решения профессионально-направленных задач по физике, направленного на определение результатив-ности разработанной методики, представлены в таблице 14.
