Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Психолого-педагогические и профессионально-технические аспекты обучения студентов втузов оперированию электрическими схемами 25
1.1. Роль и место электрических схем в структуре графической конструкторской документации на радиоэлектронную аппаратуру 26
1.1.1. Стадии и этапы разработки РЭА 26
1.1.2. Особенности оперирования электрическими схемами в процессе разработки РЭА 29
1.2. Психолого-педагогические основы обучения оперированию электрическими схемами 32
1.2.1. Электрические схемы как графические объекты 32
1.2.2. Электрические схемы как иерархическая система обобщённых геометрических образов 37
1.2.3. Анализ познавательной деятельности человека при формиро- вании системы ОГО в процессе профессионального обучения 46
1.3. Роль и место темы "Электрические схемы" в системе профессиональной подготовки специалистов телекоммуникаций 53
1.3.1. Роль и место электрических схем в учебном процессе вузов, готовящих специалистов в области телекоммуникаций 53
1.3.2. Внутрипредметные связи темы "Электрические схемы" в курсе инженерной и компьютерной графики 58
1.3.3. Межпредметные связи темы "Электрические схемы" с общенаучными, общетехническими и специальными дисциплинами 64
1.3.4. Электрические схемы как составная часть языка науки и техники в области телекоммуникаций 72
1.4. Выводы 76
ГЛАВА 2. Проблема обучения оперированию электрическими схемами на современном этапе 78
2.1. Анализ динамики формирования знаний и умений студентов в области оперирования электрическими схемами в вузах телекоммуникаций 79
2.2. Анализ преподавания раздела "Электрические схемы" в современном курсе инженерной и компьютерной графики 86
2.2.1. Общая характеристика раздела "Электрические схемы" в курсе инженерной и компьютерной графики 86
2.2.2. Очерк сложившейся практики преподавания темы "Электрические схемы" 90
2.3. Анализ литературы, используемой в процессе обучения студентов, как источника формирования графической грамотности в области оперирования электрическими схемами 98
2.3.1. Анализ содержания и особенностей формируемых в школе специальных знаний, необходимых для оперирования электрическими схемами 99
2.3.2. Анализ литературы, используемой при изучении темы "Электрические схемы" в учебном процессе графических кафедр вузов 105
2.3.3. Анализ литературы, используемой в учебном процессе общенаучных, общетехнических и специальных кафедр вузов 111
2.4. Выводы 113
ГЛАВА 3. Экспериментальные констатирующие исследования знаний и умений студентов в области оперирования электрическими схемами 117
3.1. Общая характеристика методов научных исследований и способов оценки их результатов, используемых для экспериментального определения знаний и умений студентов в области электрических схем 118
3.1.1. Обзор методов научных исследований 118
3.1.2. Общая характеристика способов оценки знаний и умений студентов 120
3.2. Экспериментальное исследование динамики развития знаний и умений студентов в области оперирования электрическими схемами, формируемых в процессе обучения в вузе 123
3.2.1. Методика проведения педагогического эксперимента 123
3.2.2. Прогнозирование ожидаемых результатов констатирующего эксперимента 128
3.2.3. Результаты анализа данных констатирующего эксперимента... 136
3.3. Экспериментальное исследование знаний и умений в области электрических схем, формируемых у студентов на графических кафедрах (на примере кафедры ИКГ МТУСИ) 152
3.3.1. Методика педагогического эксперимента 153
3.3.2. Прогнозирование ожидаемых результатов констатирующего эксперимента 154
3.3.3. Описание констатирующего эксперимента 164
3.3.4. Анализ результатов констатирующего эксперимента 165
3.3.5. Общие выводы по результатам констатирующего эксперимента 179
3.4. Выводы 182
ГЛАВА 4. Разработка комплексной системы обучения оперированию электрическими схемами 185
4.1. Теоретические основы разработки комплексной системы обучения оперированию электрическими схемами 185
4.1.1. Системный подход как основа разработки систем управления учебной деятельностью 185
4.1.2. Особенности применения системного подхода к обучению графическим дисциплинам 191
4.2. Основные положения комплексной системы обучения оперированию электрическими схемами (КСООЭС) 195
4.2.1. Обоснование многоступенчатой структуры комплексной системы обучения оперированию электрическими схемами 195
4.2.2. Общая характеристика структуры и содержания комплексной системы обучения оперированию электрическими схемами 200
4.3. Разработка теоретических аспектов базовых подсистем, обеспечивающих функционирование комплексной системы обучения оперированию электрическими схемами 212
4.3.1. Классификация типичных ошибок в электрических схемах, допускаемых студентами при выполнении графических работ 214
4.3.2. Разработка классификации методических опор, используемых при обучении оперированию электрическими схемами 221
4.3.3. Разработка учебно-методической литературы для обучения оперированию электрическими схемами 225
4.3.4. Разработка учебно-методических материалов для мониторинга знаний и умений студентов в процессе обучения оперированию электрическими схемами 237
4.4. Разработка основных принципов системного подхода к преподаванию темы "Электрические схемы" в курсе "Инженерная и компьютерная графика"
4.5. Выводы 254
ГЛАВА 5. Результаты экспериментальной проверки комплексной системы обучения оперированию электрическими схемами 258
5.1. Обоснование методической базы для экспериментальной проверки КСООЭС 258
5.1.1. Выбор методов экспериментальной работы 258
5.1.2. Очерк используемых методов организации учебной работы студентов 260
5.2. Педагогический эксперимент по внедрению пропедевтического обучения по теме "Электрические схемы" в курсе инженерной и компьютерной графики 264
5.2.1. Описание целей и педагогических условий эксперимента 264
5.2.2. Описание содержательной части эксперимента 267
5.2.3. Описание ожидаемых результатов контрольных срезов 270
5.2.4. Результаты экспериментального пропедевтического обучения. 272
5.3. Педагогический эксперимент по внедрению 3-й ступени обучения оперированию электрическими схемами 284
5.3.1. Описание целей и педагогических условий эксперимента 285
5.3.2. Описание содержательной части эксперимента 287
5.3.3. Описание ожидаемых результатов контрольных срезов 289
5.3.4. Результаты экспериментального обучения 291
5.4. Выводы 303
Рекомендации по дальнейшим направлениям
Научной работы 304
Заключение 308
Список литературы
- Психолого-педагогические основы обучения оперированию электрическими схемами
- Анализ преподавания раздела "Электрические схемы" в современном курсе инженерной и компьютерной графики
- Экспериментальное исследование динамики развития знаний и умений студентов в области оперирования электрическими схемами, формируемых в процессе обучения в вузе
- Разработка классификации методических опор, используемых при обучении оперированию электрическими схемами
Введение к работе
Проблема исследования и её актуальность. Повышение качества образования в настоящее время является одним из приоритетных направлений деятельности высшей школы. Это особенно актуально для вузов, осуществляющих подготовку в различных областях радиоэлектроники и техники связи, и в первую очередь – для вузов телекоммуникаций. Действительно, нет ни одной стороны жизни современного человека, где ни нашли бы применение достижения того или иного направления телефонной, телеграфной и подвижной связи, радиовещания и телевидения, бытовой радиоэлектронной и вычислительной техники. Все эти замечательные достижения человеческой мысли стали возможны благодаря изобретению и постоянному совершенствованию РЭА, которая является материальной базой радиоэлектроники.
Круг задач, решаемых выпускниками вузов телекоммуникаций в их практической деятельности, очень широк - от разработки радиоэлектронных систем до их производства и эксплуатации. Соответственно, основной целью учебной работы этих вузов является реализация комплексной системы профессиональной подготовки специалистов высокой квалификации, позволяющей им быть востребованными в любом из отмеченных направлений инженерной деятельности.
Целью высшего технического образования в вузах телекоммуникаций является формирование студентов как специалистов:
ясно представляющих принципы работы радиоэлектронных систем и РЭА;
глубоко понимающих суть физических явлений, положенных в основу функционирования этих систем;
разбирающихся в электрических процессах, протекающих как в системах в целом, так и в их отдельных функциональных частях;
умеющих грамотно оперировать радиоэлектронными системами.
Естественно, что для освоения всего перечисленного комплекса знаний студенты должны обладать не только технической подготовкой, но и графической грамотностью. При этом специфика связных и радиотехнических специальностей диктует необходимость включения в программу обучения наряду с общими вопросами инженерной графики вопросы изучения графики электрических схем.
Электрические схемы играют исключительно важную роль в профессиональной деятельности радиоинженеров и инженеров-связистов, выступая в качестве средства отображения инженерной мысли, а также одного из важнейших компонентов конструкторской документации на РЭА, который дает представление об ее функциональном составе и принципах работы. Поэтому умение оперировать электрическими схемами, а именно – выполнять и читать их, является неотъемлемой составляющей графической грамотности инженеров, работающих с РЭА. Действительно, инженер должен правильно составлять электрические схемы, исходя из тех электрических процессов, которые необходимо реализовать в разрабатываемой аппаратуре. Кроме того, ему необходимо владеть навыками чтения готовых схем для того, чтобы разбираться с их помощью в принципах работы РЭА.
На протяжении всего времени пребывания студентов в вузах телекоммуникаций как выполнение, так и чтение электрических схем являются непременными и весьма важными составляющими их повседневной учебной деятельности. Однако опыт работы преподавателей вузов свидетельствует о том, что при оперировании электрическими схемами студенты испытывают большие трудности. Они допускают много ошибок в графике функциональных частей РЭА, не могут грамотно оформить схему в виде ГКД, затрудняются при определении необходимой информации о работе устройств на основании их электрических схем.
В настоящее время целенаправленное формирование графической грамотности в области электрических схем осуществляется только на первом курсе в рамках учебной дисциплины “Инженерная и компьютерная графика”. При этом вследствие низкой пропедевтической подготовки студентов в области основ электромагнетизма (то есть содержательной составляющей схем) им, главным образом, прививают умения выполнять схемы как ГКД. Обучение чтению происходит позже на других технических кафедрах и является сопутствующим элементом преподавания общетехнических и специальных дисциплин. Соответственно, образовательная деятельность различных кафедр в рассматриваемой области в рамках всего вузовского учебного процесса носит бессистемный характер. В результате этого нарушаются такие важные принципы дидактики, как сознательность, доступность и последовательность обучения, что приводит к снижению эффективности учебной работы студентов.
Таким образом, налицо явное противоречие между всё возрастающими требованиями к уровню профессиональной подготовки специалистов и сложившейся практикой обучения, не позволяющей эффективно осуществлять эту подготовку, что во многом происходит из-за неумения студентов грамотно оперировать электрическими схемами.
Это противоречие подтверждает актуальность исследования, выявляющего особенности педагогического процесса, в котором задействованы электрические схемы. Необходимость такого исследования в значительной мере усиливается в связи с тем, что проблема обучения оперированию схемами ранее практически не изучалась.
Объект исследования: учебный процесс вузов телекоммуникаций, в котором электрические схемы являются важнейшим фактором, объединяющим все звенья технической подготовки специалистов.
Предмет исследования: психолого-педагогические и профессионально-технические аспекты обучения оперированию электрическими схемами в вузах телекоммуникаций.
Цель исследования: решение проблемы повышения качества графической грамотности студентов вузов телекоммуникаций в области оперирования электрическими схемами.
Гипотеза исследования заключается в предположении, что уровень профессиональной подготовки студентов в вузах телекоммуникаций может быть существенно повышен, если:
обучение оперированию электрическими схемами будет осуществляться непрерывно на протяжении всего времени профессиональной подготовки в вузе;
у студентов будет сформировано четкое понимание того, что электрические схемы, как средства условного отображения физических процессов, протекающих в электрических цепях, относятся к разряду основополагающих факторов, которые обеспечивают взаимосвязь и преемственность всех общетехнических и специальных дисциплин;
процесс обучения будет проходить целенаправленно в рамках специально разработанной комплексной системы, учитывающей возрастание компетентности студентов в области содержательной основы электрических схем;
система будет носить многоступенчатый характер и охватывать все звенья учебного процесса - от пропедевтической подготовки первокурсников вплоть до дипломного проектирования, а также включать соответствующее повышение квалификации преподавателей общетехнических и специальных кафедр.
Выполнение перечисленных условий приведёт к повышению графической грамотности студентов в области оперирования электрическими схемами и, как следствие, - к повышению качества образования выпускаемых специалистов, потому, что в этом случае учебный процесс будет строиться с учетом принципов дидактики.
Задачи исследования:
-
Теоретически и экспериментально исследовать процесс обучения оперированию электрическими схемами в высшей технической школе на современном этапе;
-
Выявить основные профессионально-технические и познавательные аспекты процесса оперирования электрическими схемами;
-
Определить роль и место электрических схем в системе профессиональной подготовки специалистов телекоммуникаций;
-
Разработать комплексную систему обучения оперированию электрическими схемами, обеспечивающую полноценное формирование графической грамотности студентов в этой области;
-
Определить педагогические задачи общенаучных, общетехнических и специальных кафедр в рамках предлагаемой системы;
-
Провести экспериментальную проверку разработанной системы обучения в целях доказательства её эффективности;
-
Разработать рекомендации по дальнейшим направлениям исследований.
Методологическая основа исследования:
В области теоретических основ педагогики и дидактики – труды Ю.К. Бабанского, В.П. Беспалько, И.Я. Лернера, Б.Т. Лихачева, В.Г. Разумовского, М.Н. Скаткина, И.Ф. Харламова и др.
В области педагогики высшей школы – идеи С.И. Архангельского, В.П. Бес-палько, В.С. Леднева, А. Мелецинека и др.
В области теории технического образования и основ инженерного творчества - идеи, изложенные в трудах Н.А Аитова, Г.С. Альтшуллера, Б.П. Вельгольского, В.С. Леднева, А. Мелецинека, А.И. Половинкина, А.Ф. Эсаулова, И.С. Якиманской и др.
В области основ преподавания графических наук – результаты исследований таких ведущих специалистов, как Л.Н. Анисимова, А.Д. Ботвинников, И.С. Вышнепольский, В.А. Гервер, В.О. Гордон, Е.Н. Кабанова-Меллер, В.С. Кузин, Б.Ф. Ломов, С.П. Ломов, И.А. Ройтман, С.А. Фролов, А.А. Чекмарев, Н.Ф. Четверухин, Е.В. Шорохов, Л.М. Эйдельс, И.С. Якиманская, В.И. Якунин и др.
В области психолого-педагогических и психофизиологических вопросов – исследования П.Я. Гальперина, В.П. Зинченко, Е.Н. Кабановой-Меллер, А.Н. Леонтьева, Б.Ф. Ломова, Н.А. Менчинской, С.Л. Рубинштейна, Н.Ф. Талызиной и др.
В области общей теории системного подхода – труды А.Н. Аверьянова, П.К. Анохина, В.Г. Афанасьева, И.В. Блауберга, Т.А. Ильиной, Д. Клиланда и В. Кинга, Н.В. Кузьминой, А.И. Уемова и др., а также вопросов построения систем обучения графическим дисциплинам – диссертационные исследования К.А. Бездудного, В.А. Гервера, Ю.Ф. Катхановой, В.И. Ниловой, В.В. Степаковой, А.С. Семенова и др.
В области теории межпредметных связей учебных дисциплин – труды С.И. Архангельского, Ю.К. Бабанского, В.П. Беспалько, Р.А. Блохиной, А.И. Ерёмкина, Т.А. Ильиной, И.Я. Лернера, Н.А. Лошкаревой, В.Н. Максимовой, Э.И. Моносзона, Ю.А. Самарина, М.Н. Скаткина и др.
В основу методологии экспериментального обучения положены идеи развивающего обучения, содержащиеся в трудах Л.В. Занкова, Е.Н. Кабановой-Меллер, И. Я. Лернера, Н.А. Менчинской, Д.Б. Эльконина, И.С. Якиманской и др.
В работе использовались следующие методы научных исследований: теоретические исследования; наблюдение и беседа; экспериментальное обучение и экспериментальные уроки.
Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждается:
-
Сочетанием различных методов исследования в ходе констатирующих экспериментов: наблюдения, беседы и теоретических исследований;
-
Массовостью данных констатирующих и обучающих экспериментов, проводимых на разных факультетах;
-
Сопоставлением однородных экспериментальных данных за несколько лет;
-
Комплексным подходом к оценке знаний и умений студентов в контексте триединой природы электрических схем: а) – их содержательной основы (отображаемых электрических процессов), б) - схем как графических объектов и в) - схем как графических конструкторских документов;
-
Использованием при оценке уровней знаний и умений студентов двух независимых способов измерения результатов - относительного и абсолютного;
-
Высокой степенью корреляции:
результатов теоретического анализа и экспериментальных констатирующих исследований динамики формирования графической грамотности студентов;
предварительных оценок и результатов обучающих экспериментов.
На защиту выносятся:
-
Разработанные психолого-педагогические и профессионально-технические аспекты обучения студентов втузов оперированию электрическими схемами.
-
Многоступенчатая комплексная система обучения оперированию электрическими схемами, учитывающая уровни усвоения знаний и охватывающая все аспекты учебного процесса в высшей технической школе (на примере вузов телекоммуникаций).
-
Главные теоретические и практические составляющие предлагаемой системы обучения:
основные принципы системного подхода к преподаванию темы “Электрические схемы” в курсе “Инженерной и компьютерной графики” вузов телекоммуникаций;
классификация методических опор, являющихся основой для создания учебных заданий, используемых в процессе обучения оперированию электрическими схемами;
классификация типичных ошибок в выполняемых студентами электрических схемах, без которой невозможно эффективная проверка работ, а значит и обучение оперирования ими;
структура и содержание пропедевтической информации, необходимой для успешного обучения оперированию электрическими схемами;
комплекс учебно-методической документации, содержащей необходимые теоретические сведения для системного формирования как содержательной, так и графической составляющих электрических схем;
системы рабочих приемов выполнения и чтения электрических схем, основанные на выявленной общности этих схем с чертежами общего вида многодетальных изделий радиоэлектроники.
-
Комплекс учебно-методических материалов для мониторинга знаний студентов в процессе обучения оперированию электрическими схемами.
-
Иерархическая система обобщенных геометрических образов, выдвигаемая в качестве теоретической основы научного познания всего комплекса проблем, связанных с оперированием электрическими схемами.
Научная новизна исследования.
-
Предложена и обоснована модель триединой природы электрических схем в контексте: содержательной основы; схем, как графических объектов; схем, как графических конструкторских документов.
-
Представлена модель взаимодействия в сознании человека ОГО различных ступеней иерархии при оперировании электрическими схемами изделий РЭА.
-
Раскрыта роль электрических схем как связующего звена для всех технических дисциплин вузов телекоммуникаций.
-
Выявлена структура внутрипредметных и межпредметных связей электрических схем в системе профессиональной подготовки специалистов в вузах телекоммуникаций.
-
Введено обобщенное понятие языка науки и техники в области радиоэлектроники.
-
Разработаны структура и содержание многоступенчатой комплексной системы обучения, а также её основных базовых подсистем, обеспечивающих эффективное формирование графической грамотности студентов в области оперирования электрическими схемами на протяжении всего времени пребывания студентов в вузе.
Теоретическая значимость исследования.
-
Определены роль и место электрических схем в структуре графической конструкторской документации на РЭА, исследованы особенности оперирования электрическими схемами в процессе разработки этой аппаратуры.
-
Установлена триединая природа электрических схем; дана общая характеристика этих схем, как графических объектов; предложена их интерпретация как иерархической системы обобщённых геометрических образов.
-
Разработаны основы теории межпредметных связей в области обучения оперированию электрическими схемами при профессиональной подготовке специалистов вузов телекоммуникаций.
-
Подтверждено, что в настоящее время уровень пропедевтических знаний студентов первого курса недостаточен для полноценного изучения темы “Электрические схемы” в рамках учебной дисциплины “Инженерная и компьютерная графика”, а также выявлены причины этого явления.
-
Осуществлено дальнейшее развитие идей системного подхода в области обучения графическим дисциплинам применительно к таким специфическим объектам, как электрические схемы.
Практическая значимость результатов исследования состоит в том, что:
-
Разработанная система обучения оперированию электрическими схемами является эффективным средством реального улучшения качества профессионального образования в вузах телекоммуникаций. При этом она гармонично вписывается в рамки существующей структуры учебного процесса за счет формирования соответствующих педагогических условий.
-
Предлагаемая классификация методических опор расширяет возможности подготовки учебных заданий для обучения на разных ступенях КСООЭС, а также в других технических дисциплинах.
-
Созданные методика проведения занятий и система заданий для пропедевтического обучения оперированию электрическими схемами нашли применение в учебном процессе кафедр инженерной графики вузов телекоммуникаций.
-
Комплекс учебно-методических материалов для мониторинга знаний студентов в области оперирования электрическими схемами внедряется в процессы текущего, итогового и отсроченного контроля на разных этапах обучения.
-
Предложенная система классификации типичных ошибок в электрических схемах может использоваться: при подготовке специалистов в различных областях телекоммуникаций; в редакционно-издательском деле; в проектных и конструкторских разработках. Чёткая дифференциация типичных ошибок открывает возможности для написания программ автоматизированного нормоконтроля схемной документации.
-
Сформулированная концепция представления электрических схем как иерархической системы ОГО позволяет: разработать алгоритмы выполнения и чтения электрических схем, адаптированные к общепринятой в отрасли радиоэлектроники и телекоммуникаций терминологии; создать инновационные объектно-ориентированные САПР РЭА.
Организация и ход исследования. Работа осуществлялась в течение 2000-2008 гг. на базе Московского технического университета связи и информатики в несколько этапов:
1 этап (2000-2003 гг.). Подбирался, классифицировался и изучался теоретический материал в области педагогики, психологии, оперирования электрическими схемами. Выявлялась актуальность исследования, формулировалась гипотеза, обосновывались цели и задачи. Разрабатывались основные профессионально-технические и психолого-педагогические аспекты оперирования электрическими схемами. Проводился констатирующий эксперимент по исследованию эффективности существующей системы преподавания темы “Электрические схемы” на графических кафедрах вузов телекоммуникаций.
2 этап (2003-2005 гг.). Теоретически и экспериментально исследовалась динамика формирования знаний и умений студентов в области оперирования электрическими схемами на протяжении всего времени обучения в вузах телекоммуникаций. Определялась роль конкретных технических кафедр в обучении конкретным формам оперирования электрическими схемами. Анализировалась школьная и вузовская учебная литература на предмет определения информативности с точки зрения возможностей обучения выполнению и чтению электрических схем.
3 этап (2005-2006 гг.). Разрабатывалась концепция КСООЭС и основных базовых подсистем, обеспечивающих её функционирование. Подготавливалась и выпускалась соответствующая УМД. Осуществлялась экспериментальная проверка предлагаемой системы.
4 этап (2006-2008 гг.). Проводились анализ и обобщение полученных результатов, вырабатывались рекомендации по внедрению КСООЭС и дальнейшим направлениям исследований. Подводились итоги работы, публиковались основные результаты исследований, осуществлялись написание и оформление диссертации.
Диссертационное исследование проводилось в соответствии с планом НИР кафедры ИКГ МТУСИ в рамках ГБ НИР по проблемам высшей школы “Исследование динамики развития у студентов МТУСИ знаний и умений по выполнению электрических схем” (№ Гос. регистрации 0120020472; науч. рук. В.А. Гервер; отв. исполнитель А.А. Рывлина).
Апробация и внедрение результатов исследования. Основные положения, выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертации, докладывались и обсуждались в 1998-2008 гг. на научно-методических и научно-технических конференциях МТУСИ (16 докладов), а также излагались в общей сложности в 16 докладах на:
VI - IX Международных НМК вузов и факультетов телекоммуникаций (Йошкар-Ола - 2000 г.), (Ульяновск - 2002 г.), (УФА - 2004 г.), (С.- Петербург - 2006 г.);
Семинарах-совещаниях заведующих кафедрами ИКГ вузов телекоммуникаций (Москва, МТУСИ, 2-13 декабря 2002 г. и 22 октября – 2 декабря 2007 г.).
IV международной конференции “CAD/CAM/PDM – 2004. Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта”. Москва, 2-5 ноября 2004г.;
4-ой НМК “Инновационные методы и средства оценки качества образования”. 20-21 апреля 2006 г., Москва;
1-й и 2-й Московских отраслевых научных конференциях «Технологии информационного общества» (Москва, 2007-2008 гг.);
Результаты диссертационной работы внедрены следующим образом:
-
Разработанные в диссертации идеи и дидактические материалы составили основу 3 части “Электрические схемы” учебного пособия [1], рекомендованного НМС по начертательной геометрии, инженерной и компьютерной графике при Министерстве образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов технических специальностей. Они также вошли в конспекты лекций [2,3] и лабораторный практикум [4].
-
“0 … 3” ступени КСООЭС в включены в программы учебных дисциплин “Инженерная и компьютерная графика” и “Компьютерная графика” ведущих вузов телекоммуникаций – МТУСИ и СибГУТИ.
-
Предложенные дидактические материалы для мониторинга знаний в области электрических схем нашли применение в аттестационной деятельности Центра тестирования профессионального образования, а также в учебном процессе графических кафедр МТУСИ и СибГУТИ.
-
Учебные пособия [1-4] и монография [6], классификация ошибок, тестовые материалы используются при обучении и аттестации инженерно-технического персонала компании ЗАО «АмРуссТел", а также в её проектной и конструкторской деятельности.
Структура диссертации. Диссертация содержит два тома и состоит из введения, пяти глав с выводами, рекомендаций по дальнейшим направлениям исследований, заключения, библиографии и приложений. Кроме текстовых материалов в работу включены схемы, таблицы, иллюстрации, графики и гистограммы.
Психолого-педагогические основы обучения оперированию электрическими схемами
Нет необходимости доказывать, что в современном мире роль профессий, связанных с разработкой, производством и эксплуатацией радиоэлектронной техники, то есть техники телекоммуникаций, средств радиолокации и радионавигации, бытовой радиоэлектронной аппаратуры, медицинского оборудования и т.п., постоянно возрастает.
Человек, решивший посвятить себя работе в любой из перечисленных областей, на протяжении всего времени обучения в вузе или колледже имеет дело с электрическими схемами. При этом: в одних учебных дисциплинах схемы используются для иллюстрации электрических процессов, в других -являются основой для расчета параметров электрических цепей, в третьих - это графические конструкторские документы, отражающие структуру изделий радиоэлектроники.
Что же на самом деле представляют собой электрические схемы? Какова их природа? Какие психолого-педагогические процессы лежат в основе оперирования ими? Какие знания и умения в области электрических схем необходимо формировать в процессе обучения у специалистов, работающих с РЭА? Для получения ответов на эти вопросы, непременно возникающие при постановке задачи разработки эффективной системы обучения в вузах и колледжах, необходимо выяснить: а Роль и место электрических схем в структуре графической конструкторской документации на радиоэлектронную аппаратуру; Что собой представляют электрические схемы как графические объекты; а Каковы психолого-педагогические основы обучения оперированию электрическими схемами; а Какова суть познавательной деятельности человека при формировании знаний в области электрических схем в процессе профессионального обучения; а Какое место занимает тема "Электрические схемы" в системе профессиональной подготовки специалистов в области радиоэлектроники; а Какие связи тема "Электрические схемы" имеет с изучаемыми в вузе дисциплинами; Чем являются электрические схемы в общей системе понятий и языка общения специалистов в области радиоэлектроники. Настоящая глава посвящена исследованию обозначенных аспектов проблемы. Материальной базой радиоэлектроники и в том числе техники телекоммуникаций, по мнению Б.Ф. Высоцкого, А.К. Лосева, А.П. Ненашева, Э.Т. Романычевой, В.И. Сифорова, Н.И. Чистякова и многих других ведущих специалистов этой области науки и техники [66,67,113,182,219,233,250,266,312], является радиоэлектронная аппаратура. Она представляет собой некоторое обобщающее название совокупности различных устройств и приборов, обеспечивающих выполнение определенных задач по приему, обработке, хранению и передаче информации методами радиотехники и электроники.
Особенностью промышленной разработки радиоэлектронных систем и устройств является то, что она: = С одной стороны, происходит в рамках стандартной структуры стадий, регламентируемых ГОСТ 2.103-68 [4,66,219,233,250], а именно технического предложения, эскизного проекта, технического проекта, разработки рабочей конструкторской документации. Данные стадии промышленного проектирования определяют выработанную практикой логическую последовательность создания нового изделия в любой отрасли науки и техники. = С другой стороны — в практике проектирования РЭА может быть выделен ряд этапов, обусловленных спецификой процессов, которые лежат в основе её функционирования [66]: системотехническое проектирование; схемотехническое проектирование; конструкторское проектирование. Для выяснения роли и места электрических схем в процессе создания РЭА необходимо предварительно дать характеристику содержания отмеченных стадий и этапов проектирования, а также определить их взаимосвязи. А. Стадии разработки изделий согласно ГОСТ 2.103-68: 1. Техническое предложение — совокупность проектных документов, содержащих: - обоснование целесообразности разработки изделия на основе анализа технического задания и различных вариантов возможных решений изделия; - результаты библиографических и патентных исследований; - итоги сравнительной оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий. 2. Эскизный проект — совокупность конструкторских документов, которые содержат принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а также данные, определяющие его назначение, основные параметры и габаритные размеры. 3. Технический проект — совокупность конструкторских документов, которые содержат окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве изделия, и исходные данные для разработки рабочей документации.
Анализ преподавания раздела "Электрические схемы" в современном курсе инженерной и компьютерной графики
Радиоэлектроника общепризнанно стоит в одном ряду с математикой и теоретической физикой по степени абстрактности понятий, законов, суждений. В её основе лежат электромагнитные взаимодействия, носителями которых являются невидимые для человеческого глаза электромагнитные волны, электрические и магнитные токи и заряды. В связи с этим специалисты, работающие в данной области, должны обладать высоким уровнем абстрактного мышления, а также развитым воображением. Для выражения же своих профессиональных технических идей они должны иметь соответствующий инструментарий. Таким инструментарием, позволяющим графически отображать процессы, протекающие РЭА, как было показано выше, являются электрические схемы. Соответственно, формирование рациональных рабочих приёмов оперирования схемами является актуальной проблемой профессиональной подготовки указанных специалистов.
Для более полного и объективного раскрытия психолого-педагогических аспектов оперирования электрическими схемами рассмотрим сначала, какой смысл в настоящее время вкладывается в понятия «схема» и «схематизация».
Согласно определению, приводимому в "Современном толковом словаре русского языка" [272], «схема» - это "совокупность взаимосвязанных частей какого-либо устройства, прибора, узла; чертеж, разъясняющий принцип его работы; графическое изображение расположения или взаимоотношения чего-либо; общий план действий; изложение, описание чего-либо в самых общих, основных чертах, без деталей, подробностей". «Схематизировать» - значит "обобщить что-либо в какой-либо схеме; представить в схематическом, упрощенно-обобщенном виде". Суммируя выявленные О.С. Анисимовым, М.Э. Боцмановой, В.М. Гамезо, Л.Л. Гуровой, В.В. Давыдовым, В.П. Зинченко, А.Н. Леонтьевым, Б.Ф. Ломовым, Н.А. Менчинской, Л.Ф. Обуховой, Р.А. Пономаревой, В.Ф. Рубахиным, Э.Г. Серебряным, А.В. Славиным, Г.С. Сухобской, Н.Ф. Талызиной и др. психологами общепсихологические и логико-психологические свойства схем, можно выделить, что они:
Иными словами, в самом общем смысле «схему» можно интерпретировать как некую систему, позволяющую расчленить явление, конструкцию, процесс и наглядно показать взаимосвязи отдельных логически законченных функциональных частей. В результате получается визуализация структуры, дающая возможность проследить, выяснить логику построения и функционирования исследуемой системы. Такая процедура может быть осуществлена в разных областях познавательной деятельности человека. В частности, как показано в диссертации О.С. Анисимова [8], в лингвистике - для создания эффективных методик изучения языков.
В педагогической науке схемам вообще и электрическим в частности до настоящего времени особого внимания практически не уделялось. Ведущие специалисты в области теории и практики преподавания графических дисциплин А.Д. Ботвинников, В.О. Гордон, В.Д. Жижин, Б.Ф. Ломов, Н.Ф. Четверухин, Л.М. Эйдельс, И.С. Якиманская и др. рассматривали схемы в общем контексте графических объектов и изображений [46,48,51,52,81,104,180,311,329,334-336]. Тем не менее, имеющиеся наработки позволяют сделать новый шаг по пути развития теории оперирования схемами.
С точки зрения графической деятельности человека схемы представляют собой одну из разновидностей так называемой "наглядности", означающей, по определению И.С. Якиманской [335], доступность визуальному наблюдению. Они относятся к категории условных графических изображений, поскольку отражают объекты (функциональные части РЭА) посредством системы условных обозначений. На основе условных графических изображений могут создаваться схематизирующие обобщения, которые в закодированном виде передают общие, существенные связи и отношения объектов, скрытые от непосредственного восприятия. На схемах может присутствовать также и знаковая наглядность в виде различных символов и обозначений. В совокупности вся приводимая на схемах информация даёт вполне целостное представление о структуре отражаемых ими объектов. Однако для оперирования схемами "необходимы специальные знания. Без этого часто даже трудно представить, какой объект изображён" [335, стр. 36]. В свою очередь А.Д. Ботвинников рассматривает схемы с точки зрения "доступности для учащихся ... сознательно оперировать условными и символическими обозначениями, входящими в состав схематического чертежа и создавать по нему образ объекта" [48, стр. 28]. Исследование схем как графических объектов, проведенное в диссертации Л.С. Кожуновой [147], показало, что по характеру передаваемой информации схемы можно отнести к физически-подобным изображениям, а по форме отражения действительности — к образно-знаковым моделям. Кроме этого отмечалось [147, стр. 8], что "схема передаёт взаимосвязи объектов, взаимодействие же их выясняется с помощью логического мышления на основе подвижных пространственных представлений и знания соответствующих физико-технических закономерностей". В публикации того же автора [148, стр. 21] говорится, что "большую роль при формировании приёмов чтения и выполнения схем играет наличие ... обобщенных образов деталей и элементов, наиболее часто встречающихся в схемах".
Психофизиологические исследования в области оперирования условными графическими изображениями как разновидностью наглядных средств усвоения знаний (А.Д. Ботвинников, Е.Н. Кабанова-Меллер, Б.Ф. Ломов [48,51,52,127,128,130,180]) и конкретно схемами (Т.В. Кудрявцев, Э.Г. Серебряный, И.С. Якиманская, [163,264,335]) свидетельствуют - "основная трудность у учащихся состоит в том, что за статическим изображением схемы они «не видят» динамических изменений объектов. Они без труда воспроизводят схему, но не могут представить по ней объект — движущийся, видоизменяющийся, преобразующийся, что ведёт нередко к «рассогласованию» образа схемы и объекта" [335, стр. 37]. Поэтому необходимы специальные исследования по выработке оптимальных методик обучению работе как с условными графическими изображениями, так и с различными схемами.
В отношении же главного объекта настоящего исследования, а именно -электрических схем, следует отметить крайне малую разработанность психологических и методических аспектов теории обучения работе с ними. Библиографический поиск выявил результаты лишь двух исследований, проведенных:
Экспериментальное исследование динамики развития знаний и умений студентов в области оперирования электрическими схемами, формируемых в процессе обучения в вузе
На основе анализа литературы, используемой в процессе обучения студентов, установлено: а) — в области пропедевтической школьной подготовки: - за годы обучения в школе учащиеся имеют возможность приобрести определенный опыт рассмотрения электрических цепей и изучения принципов их работы с помощью только принципиальных электрических схем; - школьников специально не учат понимать, читать и выполнять схемы; - перенос знаний из области электроники в графическую деятельность практически отсутствует; - учебники имеют существенные недочеты с точки зрения обучения оперированию электрическими схемами; - вследствие всего перечисленного студенты 1 курса к сознательной работе даже с простыми электрическими схемами на практике не готовы. б) - при обучении на графических кафедрах вузов: - используемая в настоящее время в процессе обучения студентов первого курса типовая учебная и справочная литература по инженерной графике не обеспечивает уровень и объем информации, необходимые для полноценного освоения раздела "Электрические схемы; - УМД графических кафедр содержит необходимую информацию для обучения студентов выполнению и графическому оформлению электрических схем, однако она не предназначена для обучения чтению этих схем; - необходима разработка УМД, обеспечивающей: расширение пропедевтических знаний студентов в области радиоэлектроники и создания у них целостной системы представлений об электрических схемах; перенос знаний из области электроники в графическую деятельность; обучение основам чтения электрических схем. 116 в) — при изучении общенаучных, общетехнических и специальных дисциплин: - используемая в учебном процессе литература предназначена для освоения содержательной составляющей электрических схем и не ориентирована на формирование графической грамотности; - в этой литературе наблюдаются многочисленные отклонения от регламентирующих стандартов в графических и буквенных обозначениях элементов и устройств РЭА, что негативно сказывается на способности студентов к оперированию электрическими схемами; - влияние отмеченных факторов в результате приводит к тому, что основы графической грамотности, заложенные в курсе ИКГ при изучении темы "Электрические схемы", не закрепляются и не дополняются. Это должно приводить к снижению уровня знаний и умений. 4. Результаты теоретических исследований различных аспектов современного состояния проблемы обучения оперированию электрическими схемами в технических вузах свидетельствуют: - в настоящее время имеют место серьёзные недостатки в организации учебного процесса, приводящие к разрыву в формировании знаний и умений студентов в области выполнения и чтения электрических схем; - в вузах не существует целостной системы целенаправленного формирования графической грамотности студентов в области оперирования электрическими схемами; - необходимы дальнейшие исследования с целью создания комплексной системы, учитывающей все выявленные особенности педагогического процесса вузов, учебный процесс которых зиждется на использовании электрических схем. Для этого в первую очередь следует провести констатирующий эксперимент по определению динамики формирования знаний и умений студентов в области оперирования электрическими схемами в процессе обучения на графических кафедрах и в вузе в целом.
В предыдущей главе было проведено комплексное теоретическое исследование педагогического процесса в вузах телекоммуникаций, направленное на определение различных аспектов современного состояния проблемы обучения оперированию электрическими схемами. Его результаты свидетельствуют, что в настоящее время отсутствует целостная система целенаправленного формирования графической грамотности студентов в области оперирования электрическими схемами как на графических кафедрах, так и в рамках вузовского учебного процесса в целом. Последнее, в свою очередь, приводит к неспособности студентов грамотно отображать техническую мысль и, как свидетельствует анализ графических материалов выпускных квалификационных работ, - к весьма низкой профессиональной подготовке выпускаемых молодых специалистов в области выполнения и чтения электрических схем.
Для выявления причин такого положения дел было проведено экспериментальное исследование динамики формирования знаний и умений студентов в рассматриваемой области. При этом в целях получения целостной картины учебного процесса работа осуществлялась по двум направлениям: = определение динамики формирования знаний и умений в области оперирования электрическими схемами студентов в процессе всего времени их обучения в вузе телекоммуникаций; = исследование эффективности существующей системы преподавания темы
Разработка классификации методических опор, используемых при обучении оперированию электрическими схемами
Одним из важнейших условий обучения в соответствии с разрабатываемой системой является наличие учебной литературы, которая бы соответствовала поставленным целям, включала в себя фактический материал, необходимый для изучения на том или ином этапе учебной работы.
Определим в общих чертах содержание учебной литературы для различных ступеней КСООЭС.
На пропедевтическом этапе обучения (уровень усвоения знаний "Понимание", см. табл. 4.1) студенты должны получить адекватную, то есть доступную для восприятия и понимания при их уровне развития и в то же время необходимую для последующего сознательного обучения, информацию: - о том, что такое радиоэлектроника и РЭА; - об общих принципах построения основных систем телекоммуникации; - об истории и общих принципах построения УГО радиоэлементов и устройств связи; - о том, как из отдельных УГО составить простейшую электрическую схему той или иной электрической цепи.
В сознании первокурсников должны сложиться четкие связи между названиями, назначением, внешним видом, УГО и буквенными кодами отдельных наиболее часто используемых радиоэлементов и типовых устройств РЭА.
На первом этапе (уровень усвоения знаний "Запоминание") студенты должны получить представление о принципах построения электрических схем разных типов, об основных правилах их выполнения, об оформлении их как графических конструкторских документов. Должно сформироваться понимание того, что такое маркировка элементов, какая информация в ней заложена, для чего она нужна.
На втором этапе, соответствующем уровню усвоения знаний "Применение знаний по правилу", студенты должны иметь перед глазами примеры выполнения схем разных типов и научиться выполнять схемы на основе заданий с использованием различных методических опор.
На 3 ... 5 ступенях обучения (уровень усвоения знаний "Решение творческих задач, требующих применение знаний в новых условиях") перед студентами старших курсов и аспирантами ставится задача научиться пользоваться ГОСТами и специальной литературой, посвященной выполнению и оформлению графической конструкторской документации на РЭА и в частности, на аппаратуру связи.
И наконец, на 6, высшей ступени системы преподаватели помимо отмеченной специальной технической литературы должны уметь пользоваться пособиями по методике преподавания, а также создавать свои собственные УМД, описывающие правила оперирования электрическими схемами конкретных устройств и систем, изучаемых на их специализированных кафедрах.
Многообразие перечисленной учебной и учебно-методической литературы обуславливает необходимость индивидуальных подходов к её содержанию, составлению и методике предъявления учебного материала. Такая работа требует больших затрат времени и высокого профессионального уровня авторов как в области дидактики, так и в соответствующих предметных областях. Поэтому остановимся на рассмотрении особенностей разработки УМД и учебной литературы для 0 ... 3 ступеней КСООЭС как наименее разработанной и практически отсутствующей в учебной литературе и учебном процессе вузов телекоммуникаций.
Разработка учебных пособий для изучения электрических схем в рамках учебной дисциплины "Инженерная и компьютерная графика".
Ступени обучения с 0 по 2 КСООЭС могут быть реализованы в рамках единой учебной дисциплины "Инженерная и компьютерная графика" при изучении темы "Электрические схемы" на графических кафедрах вузов телекоммуникаций. Для этого в программе данной дисциплины должен быть предусмотрен специальный раздел, содержащий: пропедевтические занятия, соответствующие нулевой ступени КСООЭС; основной блок занятий, обеспечивающий обучение согласно требованиям первой и второй ступеней обучения. Этот блок практически совпадает с разделом "Электрические схемы", изучаемым в настоящее время на графических кафедрах вузов телекоммуникаций, о чём свидетельствуют результаты теоретического анализа, проведенного нами в главе 2.
В ходе вышеназванных исследований также было установлено, что в используемой в настоящее время в процессе обучения студентов первого курса типовой учебной и справочной литературе по инженерной графике, а также в УМД графических кафедр отсутствуют необходимые для полноценного освоения раздела "Электрические схемы" пропедевтические материалы, а также сведения о том, как читать схемы. Поэтому нужна разработка учебной литературы, отвечающей требованиям системного подхода и содержащей перечисленную ранее информацию, необходимую для успешного усвоения учебного материала на 0 ... 2 ступенях обучения.
Примерами такой литературы могут служить изданные коллективом кафедры ИКГ МТУСИ конспект лекций по курсу инженерной и компьютерной графики [342], а также учебное пособие [344], содержащие написанный лично диссертантом специальный блок учебной информации, посвященной электрическим схемам. Перечень тем этого блока дан в таблице 4.5.
Из приведенного оглавления разделов видно, что разработанные нами учебные пособия в своем роде уникальны. Содержащегося в них материала нет не только в учебной литературе по инженерной графике, но и во всей существующей специальной технической литературе в области оперирования электрическими схемами (в частности, [4,113,136,247,250]). В этих пособиях имеется практически вся необходимая информация для пропедевтической подготовки студентов к сознательному изучению графики электрических схем. Для этого в целях достижения большей наглядности: даны словесные описания и наглядные изображения самых известных телекоммуникационных систем, без которых невозможно представить жизнь современного человека; прослежена история формирования УГО самых распространенных радиоэлементов (рис. 4.2 ... 4.4); подробно описаны назначение и принципы формирования маркировки элементов РЭА; в приложениях приведена справочная информация, формирующая целостное представление о внешнем виде, наименованиях, функциональном назначении, условных графических и буквенных обозначениях типовых радиоэлементов (табл. 4.6) и устройств связи (табл. 4.7).
