Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ состояния проблемы систематиации и обобщения знаний студентов по физике
1.1.Основные аспекты систематизации знаний студентов для втузов 14
1.2. Систематизация и обобщение как факторы формирования системы физических знаний 17
Выводы по главе 1 22
ГЛАВА II. Основы построения методической системы обучения физике студентов втузов
2.1. Содержательная, концептуальная и методологическая составляющие системы обучения 25
2.2. Теоретические предпосылки обучения систематизации и обобщения знаний студентов втузов 35
2.3. Сущность технологии системно-модульного обучения студентов 39
2.4. Структурно-логическая схема курса физики как средство формирования целостной системы физических знаний 44
2.5. Психолого-педагогические особенности учебного процесса во втузе 50
Выводы по главе II 61
ГЛАВА III. Методика систематизации и обобщения знаний студентов втузов
3.1. Методика систематизации и обобщения знаний студентов посредством схем ключевых понятий физических теорий 63
3.2. Модель технологии систематизации и обобщения знаний по физике 194
3.3. Методика организации самостоятельной работы студентов 200
3.4. Методика организации учебного процесса при проведении лекций 203
3.5. Методика проведения лабораторных работ 206
3.6. Методика организации семинарских занятий 208
Выводы по главе III 220
ГЛАВА IV. Экспериментальная проверка эффективности методики систематизации и обобщения знаний студентов
4.1. Организация и проведение педагогического эксперимента 223
4.2. Результаты педагогического эксперимента 246
Выводы по главе IV 248
Заключение 250
Библиографический список 251
Приложения:
- Систематизация и обобщение как факторы формирования системы физических знаний
- Теоретические предпосылки обучения систематизации и обобщения знаний студентов втузов
- Модель технологии систематизации и обобщения знаний по физике
- Методика организации семинарских занятий
Введение к работе
Актуальность исследования. Естествознание является основой научно-технического прогресса. Поэтому естественнонаучное образование имеет большое значение для будущего страны. Этот факт осознается в промышленно развитых странах и во всем мире.
Окружающий нас мир развивается по законам и циклам независимо от деятельности человека и его сознания. Наука в обществе представляет одну из определяющих особенностей современной культуры и является самым динамичным ее компонентом.
Физика входит в федеральный компонент цикла математических и естественнонаучных дисциплин учебного плана и является обязательной для изучения. В процессе ее изучения делается упор на физический смысл явлений, наблюдаемых в окружающем мире, и для студента важно научиться использовать фундаментальные закономерности как теоретическую основу новых научных технологий.
Теоретическое отношение к миру предполагает выработку понятий, реконструирующих важнейшие характеристики объектов.
Особенность преподавания и изучения физики связана с много-плановостью материала, который трудно организовать из-за многообразия терминов (понятий). Проблема систематизации физических понятий в школьном и вузовском курсах физики рассматривается в работах В.А. Бетева, Н.Е. Важеевской, Л.Я. Зориной, В.В. Мултановского, М.В. Потаповой, Н.С. Пурышевой, Ю.К. Саурова, Ю.А. Селезнева, А.А. Синявиной, Т.И. Трофимовой, А.В. Усовой, Л.С. Хижняковой, Т.Н. Шамало, Н.В. Шароновой, Б.М. Яворского и др.
Вопросам обновления содержания курса физики в вузах посвящены работы Г.А. Бордовского, Ю.А. Гороховатского, А.Д. Суханова и др. (совершенствование содержания курса физики), Т.И. Трофимовой (методические основы построения опережающего курса физики), В.А. Извозчикова, В.В. Лаптева (обновление содержания физического образования) и др.
В учебниках для вузов, где физика является основным предметом, отражена объективная связь природных явлений с процессами мышления, поскольку мышление протекает в различных формах (понятиях, категориях и теориях), в которых закреплен и обобщен познавательный и социально-исторический опыт человечества, отражены общие требования к усвоению знаний о явлениях, величинах, законах, теориях, приборах, опытах и технологических процессах.
Анализ педагогической и методической литературы по проблеме высшего технического образования (А.Н. Лавренина, И.А. Мамаева, А.Б. Ольнева, О.И. Полещук, Н.И.Резник, Н.И. Стасюк, А.А. Червова и др.) выявил необходимость применения при изучении дисциплин в техническом университете системного подхода, когда всякая изучаемая система рассматривается как структура, состоящая из элементов с определенными связями между ними.
Анализ содержания и структуры учебников по физике А.Е Айзенцона, Г.А. Бордовского, Ю.А. Гороховатского и А.Д. Суханова, Е.И. Бутикова и А.С. Кондратьева, Е.М. Гершензона, Н.Н. Малова и А.Н. Мансурова, И.В. Савельева, Д.В. Сивухина, Т.И. Трофимовой, Б.М. Яворского и др. показывает их логичность, внутреннюю согласованность и структурированность по разделам и темам. Организация учебного материала в этих учебниках позволяет взглянуть на устройство курса физики с позиции способов его структурирования.
Признавая важность результатов исследования известных ученых по проблеме структурирования курса физики, следует отметить, что проблема систематизации и обобщения физических знаний студентов в форме иерархической системы понятий для вуза не разработана в содержательном и в процессуальном планах.
Практика вступительных экзаменов в вузы показывает, что у большинства абитуриентов отсутствуют элементарные навыки классификации и систематизации материала, а знания многих из них фрагментарны.
Существует противоречие между пониманием необходимости формирования у студентов знаний фундаментальных теорий дисциплины и недостаточной разработанностью способов организации элементов, состав-ляющих структуру физических теорий как системы.
Одним из методов разрешения этого противоречия может служить анализ и синтез понятийного аппарата курса физики, потому что понятия физики входят в структуру языка, на котором ведется обсуждение со студентами явлений и свойств объектов.
Практика показала, что технология организации учебного процесса на основе системы понятий позволяет студентам лучше и точнее понимать термины и содержание материала изучаемого курса, ясно представить себе, как и что можно будет использовать в практической деятельности, сократить сроки усвоения физических явлений, увидеть конкретные плоды объединения усилий педагогики и андрагогики.
Опыт показывает, что к числу эффективных средств обучения относятся структурно-логические схемы, позволяющие привести в систему приобретенные знания (исследования В.А. Бетева, А.Н. Лаврениной и др.). Структурно-логические схемы имеют решающее значение для усвоения физических теорий не только как системы научных знаний, но и, в первую очередь, как метода познания определенной области материальной действительности.
Системно-структурный анализ понятийного аппарата общей физики основан на современном положении о равнозначности методов системного анализа и синтеза компонентов учебного процесса, а также на исследовании логических схем представления учебного материала в курсах физики для высших учебных заведений, где синтез осуществляет ограничение числа элементов системы.
Синтез понимается как интеграция всего предшествующего опыта познания и как совокупность сложных нелинейных процессов. Проведен-ный нами системно-структурный анализ курса физики позволил заклюю-чить: преемственность, системность и теоретическое обобщение в обуче-нии - три тесно связанные категории, фиксирующие опорные знания о соответствующих объектах и явлениях. Обобщение рассматривается как переход от конкретного эмпирического знания к абстрактной форме знания, позволяющий различать физический объект и его модель, постула-ты и законы, рассматривать явления в развитии, в системе, во взаимосвязи. Поиску методических приемов структурирования учебного материала на основе логических схем умственной деятельности, ответственных за анализ, синтез, сравнение, обобщение и перенос знаний студентов на более высокую ступень абстракции, посвящено данное исследование.
Вышеизложенное определило тему диссертации: «Систематизация и обобщение знаний студентов втузов на основе системно-структурного анализа общего курса физики».
Проблема исследования состоит в поиске ответа на вопрос, какой должна быть методика систематизации и обобщения знаний студентов втузов по физике на основе фундаментальных физических теорий?
Объект исследования: процесс обучения физике студентов высших технических учебных заведений, включая слушателей курсов подготовки к поступлению в вузы.
Предмет исследования: методика систематизации и обобщения знаний студентов втузов на основе структурно-логической схемы курса физики
Цель исследования: обосновать и разработать методику система-тизации и обобщения знаний студентов на основе системно-структурного анализа курса физики.
Гипотеза исследования: если структуру курса физики представить в виде структурно-логической схемы и на основе базовых логических моделей физических теорий построить методику систематизации и обобщения знаний студентов, то будут обеспечены повышение качества знаний (объем, системность) студентов и уровень мотивации их учебной деятельности.
Задачи исследования:
1. Провести анализ состояния проблемы систематизации и обобщения знаний студентов втузов по физике.
2. Разработать теоретические основы систематизации и обобщения физических знаний студентов втузов.
3. Создать структурно-логическую схему курса физики как средство формирования инженерного типа мышления студентов (с учетом преем-ственных связей разделов школьного и вузовского курсов физики).
4. Разработать методику систематизации и обобщения знаний студен-тами втузов на основе системно-структурного анализа курса физики.
5. Провести педагогический эксперимент по проверке гипотезы исследования.
Методологическую основу исследования составили идеи систем-ного подхода (С.И. Архангельский, В.Г. Афанасьев, В.И. Бельтюков, В.П. Беспалько, И.В. Блауберг, В. И. Загвязинский, Л.Я. Зорина, Т.А. Ильина, А.Н. Лавренина, И.А. Мамаева, В.С. Степин и др.).
Исследование опиралось на методологические исследования (В.В. Краевский, И.Я. Лернер, В.В. Мултановский, М.Н. Скаткин, В.Г. Разумовский); концепцию базовой структуры содержания образования и идею культуросообразного подхода (B.C. Леднев, И.Я. Лернер); концепцию усвоения физических понятий (С.В. Бубликов, И.Е. Литхштейн, А.А. Синявина, Т.И. Трофимова, Л.С. Хижнякова, А.В. Усова, и др.); методики и технику учебного физического эксперимента (В.В. Майер, Р.В. Майер, Г.Г. Никифоров, Т.Н. Шамало); теорию развивающего обучения (В.В. Давыдов и др.); методики обучения физике (Н.Е. Важеевская, Н.С. Пурышева, Ю.К. Сауров, Л.С. Хижнякова, Н.В. Шаронова); таксономию педагогических целей (В.П. Беспалько, Б. Блюм, О.Е. Лебедев).
Методы исследования
Теоретические методы. Анализ философской, психологической и методической литературы, отражающий проблемы формирования теорети-ческих обобщений в виде системы понятий, законов, принципов, идей физической картины мира в физике, взаимосвязи систем научных знаний и методов познания. Анализ содержания образовательных стандартов, учебных планов, программ, учебников и методических разработок по физике для вузов. Анализ организации процесса преподавания физики в практике работы вузов. Моделирование учебного процесса по физике, анализ и обобщение передового опыта педагогов.
Эмпирические методы. Накопление научных фактов, их отбор, анализ, синтез и количественная обработка; личное преподавание в нескольких втузах, на факультете до вузовской подготовки, в системе обучения студентов дистанционным методом; наблюдение учебного процесса; устный опрос студентов; проведение письменных проверочных работ и практических занятий; анкетирование и тестирование студентов, беседы с педагогами и студентами; математическая обработка результатов исследования на основе поэлементного анализа письменных проверочных работ.
Апробация и внедрение результатов исследования
Идеи и результаты работы докладывались на конференциях, семинарах:
- международных научно-практических конференциях «Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов» Челябинский государственный педагогический университет, г. Челябинск, 2007; «Проблемы взаимосвязи эмпирических и теоретических методов познания в учебном процессе по физике», «Целеполагание и средства его достижения в процессе обучения физике», «Проблемы развивающего обучения физике в условиях предметной информационно-образовательной среды» МГОУ г. Москва, 2005-2007, «Преподавание физики в высшей школе», «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» МПГУ г. Москва, 2007, 2009; «Физика в школе и вузе» РГПУ г. Санкт-Петербург, 2008 – 2009;
- YIII-ХII всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы учебного физического эксперимента: Актуальные проблемы. Современные решения», Глазовский государственный педагогический институт, г. Глазов, 2003-2008;
- региональных и внутривузовских научно-методических конференциях «Модели и моделирование в методике обучения физике», Вят.ГПУ г. Киров, 2007; «Актуальные проблемы естествознания. Фундаментальная наука и транспорт» г. Нижний Новгород, 2009; «Физика в системе инженерного образования стран ЕврАзЭС » – М: ВВИА им. проф Н.Е. Жуковского, г. Москва, 2007, 2010.
Методика систематизации и обобщения знаний студентами втузов на основе структурно-логической схемы курса физики с использованием схем ключевых понятий физических теорий апробирована в АГЗ МЧС, внедрена в Московской сельскохозяйственной Академии (РГАУ-МСХА), в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) и в Нижегородском техникуме железнодорожного транспорта (НТЖТ).
Научная новизна исследования
1. Разработан способ систематизации и обобщения физических знаний студентов втузов, позволяющий реализовать принцип последовательного изучения физических теорий, который обеспечивает повышение объема и системности знаний, а также уровня мотивации учебной деятельности.
2. Создана структурно-логическая схема (СЛС) курса физики, отражающая причинно-следственные связи между понятиями физических теорий, внутрипредметные связи которой обеспечивают развивающую функцию, определяющую мышление инженерного типа, формирующую функцию - средство творческой активности и самостоятельности обучаемых, методологическую функцию, ответственную за познание теоретических основ физики.
3. Создана методика систематизации и обобщения знаний студентами втузов, содержащая этапы познания: освоение основ предмета (пропедевтику), углубленное изучение физических законов (методологию); достижение профессиональных целей обучения (научную деятельность).
4. Предложены методические приемы изложения физики (использующие, в частности, связной граф, составленный из триад физических понятий), которые повышают уровень системности и обобщенности знаний студентов.
5. Предложена диагностика качества знаний основанная на оценке объема предметных знаний (системности знания, методов исследования) и уровня мотивации учебной деятельности.
Теоретическая значимость результатов исследования
Результаты исследования вносят вклад в развитие теории и методики обучения физике во втузе в условиях сокращенного времени на предмет и двух уровневое образование:
- обоснован новый подход к систематизации и обобщению знаний студентов втузов на основе системного анализа структуры физических теорий и триад понятий.
- разработаны теоретические основы систематизации и обобщения физических знаний студентов втузов посредством метода «анализа иерархий структуры учебной информации», служащие источником отбора и структурирования содержания курса физики;
- систематизирован понятийный аппарат учебной дисциплины «Физика» с использованием ключевых понятий физических теорий, причем систематизация служит способом организации элементов и определения связей системы;
- обобщение представлено как процедура, определяющая цикл развития познания будущего инженера (понятие, суждение, умозаключение), который удовлетворяет основным дидактическим требованиям: простота, доступность, однозначность и объективность;
- создана методическая система обучения студентов на основе структурно-логической схемы курса физики;
Практическая значимость исследования работы состоит во внедрении разработанных учебно-методических материалов в педагогическую прак-тику, что позволяет повысить эффективность обучения физике во втузе.
Исследования использованы для:
- создания учебной программы по физике для студентов втузов;
- разработки структурно-логической схемы курса физики;
- разработки схем внутрипредметных связей разделов курса;
- разработки и создания методического пособия «Физика в понятиях, таблицах и формулах»;
- разработки методических указаний к лабораторным работам по разделу "Волновая оптика" (дифракция и интерференция);
- разработки методических указаний к фронтальной лабораторной работе "Законы Ома и уравнения Кирхгофа для постоянного тока".
Положения, выносимые на защиту
1. Систематизация и обобщение знаний студентов технических вузов целесообразно осуществлять на основе системного анализа структуры физических теорий и триад физических понятий.
2. Структуру курса физики целесообразно представить в виде структурно-логической схемы, внутрипредметные связи которой обеспечивают развивающую, формирующую и методологическую функции обучения.
3. Систематизация и обобщение знаний по физике студентами втузов должны осуществляться поэтапно: освоение основ дисциплины (пропедевтика), углубленное изучение физических законов (методология), достижение профессиональных целей обучения (научная деятельность).
4. Систематизация и обобщение знаний студентов втузов могут быть повышены при использовании таких методических приемов, как построение связного графа, составленного из триад физических понятий и схем внутри-предметных связей фундаментальных физических теорий.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений. Объем диссертации составляет 320 страниц, в том числе 250 страниц основного текста. Диссертация содержит 10 схем, 20 таблиц, 26 рисунков, 5 диаграмм. Библиография включает 260 источников.
Систематизация и обобщение как факторы формирования системы физических знаний
Важным элементом обучения физике является развитие у обучаемых умений раскрывать физический смысл величин и законов.
Систематизация направлена на выявление субординации, функции зависимостей и построение системы знаний. Систематизация служит способом организации элементов и определения связей системы.
В настоящем исследовании уточнены понятия: системный подход, система, система знаний, систематизация, обобщение.
Идеи системного подхода широко представлены в работах СИ. Архангельского, В.Г. Афанасьева, В.И. Бельтюкова, В.П. Беспалько, И.В. Блауберга, В. И. Загвязинского, Л.Я. Зориной, Т.А. Ильиной, А.Н. Лаврениной, И.А. Мамаевой, B.C. Степина и др. [9, 10, 23 ,27,74 ,75 ,85 ,107, 125, 206].
Системный подход подразумевает, что всякая изучаемая система рассматривается как структура, состоящая из элементов с определенными связями между ними, а каждый элемент понимается как новая система, раскрывающая ее свойства до заданного уровня глубины погружения (И.В. Блауберг [30, С. 5]). В своем исследовании «Общество: системность, познание и управление» А.В. Афанасьев отмечал, что «Системный подход это переход от познания от дельного к общему, от однозначного к многозначному, от абстрактного к конкретному, от одномерного к полимерному, от линейного к нелинейному» [13].
Под «системой» понимают множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которые образуют определенную целостность, единство. «Элемент» - составная часть какого-нибудь сложного целого. Основным признаком системы как целого является приобретение специфических интегральных качеств, которые не были присущи каждому элементу системы.
Под «системой знаний» понимают верное отражение действительности в мышлении человека и результат деятельности, представленный в виде научной дисциплины. В.Г. Разумовский и Л.С. Хижнякова рассматривают обобщение как сложный мыслительный процесс, выступающий в двух аспектах: как результат изучения учебного материала и как процесс усвоения знаний [159, 234].
Под «обобщением» принято понимать такую логическую схему представления учебных знаний по физике, которая отражает структуру системы знаний, входящих в состав фундаментальных физических теорий - классической механики, молекулярной физики и термодинамики, электродинамики, квантовой физики (исследования В.В. Мултановского [132]). Таким образом, мировоззренческая направленность преподавания физики проявляется в разработке определений физических величин, логической структуры теорий и в установлении сущности физических законов. Исследованием проблемы, связанной с понятием обобщения, занимался Л.С. Рубинштейн. Он считал, что обобщение всегда связано с выделением существенных свойств явлений, а также с анализом и абстракцией. Занимаясь исследованием проблемы, связанной с мышлением, он утверждал: мышление внутренне связано с обобщениями, оно совершается в них, ведет к обобщениям более высокого порядка. Обобщение выступает в качестве средств мыслительной деятельности [166, с. 142-143]. Л.С. Рубинштейн различал эмпирическое и теоретическое обобщение как основу разных уровней мышления (наглядного и отвлеченного теоретического) [165, с. 150-151]. Эмпирическое обобщение результат сравнения и выделения сходного, внешне одинакового в объектах. Теоретическое обобщение - продукт особого анализа и абстракции, связанные с преобразованием исходных чувственных данных с целью обнаружения и выделения их сущности. Л.С. Рубинштейн выделяет три пути обобщения. Первый путь - элементарное эмпирическое обобщение. Второй путь - это обобщение через анализ и абстракцию. Третий — способ обобщения заключается в самом процессе выведения или индукции [165, с. 170]. Различают обобщение знаний в рамках теории: а) локальный уровень - отдельных элементов теории — научных фактов, понятий и величин, законов, частных теорий; б) общий уровень - общих понятий, методологических принципов и идей; в) обобщение в рамках физической картины мира: общих понятий, методологических принципов и идей, фундаментальных теорий, собственно -физическая картина мира. Умение обобщать как усвоенный способ деятельности включает в себя следующие действия (исследования Е.А. Дьяковой [71]). Обобщение на уровне физического понятия: - выделение главного, существенного в объекте, явлении; - соотнесение его с другими объектами (явлениями), поиск связей; - формирование «словесной» модели, обладающей существенными чертами и связями; - включение понятия о явлении в систему существующих понятий. Обобщение на уровне наиболее общих физических понятий: обнаружение конкретизации понятия в отдельных областях науки-физики; выявление общенаучного (общего для нескольких областей) смысла понятия; выяснение философского смысла понятия. Обобщение на уровне физической теории: - определение круга явлений, охватываемых теорией; - выбор системы основных понятий, определение основных законов; - выявление или получение «выводных» законов, применение теории для объяснения рассматриваемых (частных) явлений; - упорядочение полученных знаний в систему. Обобщение на уровне физического закона (принципа, постулата): - обнаружение существенных закономерностей, характеризующих объект, явление; - выражение этих закономерностей в знаковой (словесной) форме; - определение места закономерности в существующей системе знаний и установление границ ее действия. Обобщение на уровне фундаментального (методологического) принципа или идеи: - выделение связи или отношения, которые подтверждают справедливость принципа; - оценка возможности применения принципа, применение принципа для характеристики связей между единицами знания. Обобщение на уровне физической картины мира: - выделение основных компонентов картины мира на основе какого-либо признака; - определение связей между компонентами, организация их в систему. Выделенные компоненты умения поэтапно формируются в определенным образом организационной деятельности. Реализация описанных умений (действий) обеспечивает формирование обобщенных знаний. Для определения уровня усвоения студентами умения (действия) используют систему параметров проверки ее достижимости. Ниже приведены основные этапы усвоения обобщенных знаний. этап ориентировки — знакомства с системой действий, из которых состоит умение данного уровня; этап применения в знакомой ситуации по образцу - открытая рефлексия состоит в необходимости данной системы действий для построения знания о понятии, законе и др.).
Теоретические предпосылки обучения систематизации и обобщения знаний студентов втузов
Смещение акцентов в обучении физике в технических вузах на организацию самостоятельной работы студентов сопряжено с необходимостью задания ориентиров для такой работы (Т.Г. Ваганова [42]). Опыт преподавания физики показывает, что такими компактными и наглядными ориентирами могут служить структурно-логические схемы (СЛС). Структурно-логические схемы в виде логико-графических моделей позволяют раскрыть содержание отдельных разделов и целых учебников. Эта их особенность подтверждается в исследовании В.П. Беспалько [28, С. 87], В.А. Бетева [29] и др. Разновидностью структурно-логических схем являются широко известные «опорные сигналы» и «опорные конспекты» В.Ф. Шаталова и его последователей, они так же отражают логическую структуру устных и письменных развернутых учебных текстов [245, 246 с. 45-63].
Структурно-логические схемы используются для оформления теоретического материала, решения задач, вывода уравнений, проектирования эксперимента (В.А. Бетев [29], В.И. Коломия [96], В.Г. Крысько [106], А.Н. Лавренина [107], И.С. Лихтштейн [117] Н.Ф. Талызина [211] и др.). В.А. Бетев в каждую структурно-логическую схему вводит физические величины, стрелки связей, отражающие функциональные и причинно-следственные зависимости между величинами и краткие указания [29, С. 138-140].
«Структурно-логическая схема - логическая структура, содержащая систему элементов учебного материала, составляющих единое целое на основе причинно-следственных связей и правил формальной логики.
Структурно-логическая схема является средством наглядности и дает обозримую картину связей между элементами знаний, "материализует" эти связи в сознании обучаемых, переносит акцент с механического заучивания на глубокое осознание изучаемого материала и, благодаря этому, обеспечивает причинное усвоение основ физических знаний»- отмечает в своих исследованиях Т.Г. Ваганова [42]. Структурно-логическая схема курса понимается нами как средство, с помощью которого моделируются основные свойства системы знаний. В нашем исследовании структурно-логическая схема курса физики для студентов втузов представлена как единая система знаний в форме связного графа (см. рис. 1, Глава 3). Эта схема выполнена в форме «Иерархической структуры понятий научной дисциплины» и обеспечена функциональными связями между различными разделами курса (см. рис. 2, Глава 3). Структурно-логическая схема курса физики состоит из трех секторов, по 40 понятий, отражающих понятийный аппарат научной дисциплины. Содержание тем физики сведено в «Учебные модули», что уменьшает первоначальную сложность сообщения. Общее число тем-модулей 27 (поз.3,7,11,16,20,24,29,33,37,43,47,51,56,60,64,69,73,77,83,87,91,96,100, 104,109,113,117). Структура учебных модулей раскрывает эволюцию физической картины мира как смену механической, статистической, электродинамической и квантово-релятивистской. Структурно-логическая схема курса физики не претендует на безупречность и включение всего изучаемого материала, она скорее способствует рационализации процесса самоподготовки студентов. Мы выделяем следующие функции структурно-логических схем: мотивационную и ориентирующую, обучающую и управляющую, развивающую и контролирующую. Триады понятий, присутствующие в структурно-логической схеме, обеспечивают функциональную связь между различными разделами курса физики и отражают взаимосвязь целого и частей. Триады понятий удобны для построения структурно-логических схем курса. Существенное внимание триаде уделял в свое время Гегель [51, 52]. В исследовании В.И. Бельтюкова отмечается особенность триадной структуры понятий: «Триада лежит в основе не только системной организации элементов материи, но и системной организации эволюционного процесса в целом: вещество - энергия - информация, причем последней в этом процессе принадлежит организующая и регулирующая роль. Триада -единица универсальной системы знаний, она создает условия для постоянного изменения и развития при сохранении ее целостности» [23, С. 277, 280, 282]. Цель инновационной технологии обучения студентов на основе триадного метода построения семантической сети (иерархической структуры) курса физики состоит в том, что этот метод позволяет систематизировать понятийный аппарат физических теорий, а связи понятий позволяют оптимизировать планирование и управление деятельностью студентов и педагогов в учебном процессе. Алгоритм решения задачи построения сети понятий дисциплины «Физика» основан на методе анализа иерархии. Метод состоит в декомпозиции проблемы понимания знания на все более простые составные части учебного материала и дальнейшей обработки последовательности суждений специалиста, принимающего решение по парным сравнениям, с последующим представлением учебных элементов в виде иерархической структуры. По парные сравнения проводятся в терминах доминирования одного понятия над другим, учета степени значимости определений понятий и связей, изложенных в "Физическом энциклопедическом словаре", изданном под редакцией академика A.M. Прохорова [229]. Метод анализа иерархии является замкнутой логической конструкцией, которая обеспечивает решение многокритериальных задач, включающих как качественные, так и количественные факторы [94].
Модель технологии систематизации и обобщения знаний по физике
В психологии разрабатывается общая структура процесса обучения как процесса восприятия, осмысления и применения, в который включены такие психологические процессы как ощущение, восприятие, представление, мышление, воображение, память [45, 50, 68, 133, 134].
Болонский процесс инициировал переход от формально знаниевой к компетентностной ценности в системе образования. Образовательный процесс, ориентированный на студента и его компетентность, обусловлен требованиями Федеральной целевой программы развития профессионального высшего образования на 2006 - 2010 гг. и нормами, выработанными в ходе Болонского процесса.
Компетентностный подход рассматривается как результат подготовки специалиста и как самостоятельно реализуемая способность к практической деятельности нового поколения людей (Т.Г. Ваганова [42], Ю.Г. Татур [212]).
Задача естествознания состоит в том, чтобы воспроизвести по возможности точную картину изучаемых явлений и представить их обозримыми и упорядоченными. Первый этап на пути познания явлений природы составляют ощущения, которые соответствуют объективно существующим свойствам окружающего мира. Восприятие окружающего мира при помощи органов чувств является исходным пунктом всякого знания и мышления \11, 152, 164, 202, 211, 214].
Начальным звеном любого процесса получения информации является ощущение. Сигналы от рецепторов через систему нейронов поступают в кору головного мозга, так в сознании находят отражение соответствующие внешние свойства того или иного объекта. Объем научной информации растет быстро, но способности студентов к ее восприятию растут лишь в ограниченной степени, поэтому бережное отношение педагогов к ресурсу памяти обучаемого становится очень важным фактором в реальном a процессе [26, 71, 127, 140, 146, 150]. В сознании человека свойства объекта отражаются комплексно. Восприятие - это достаточно целостное отражение объекта, возникающее на основе ощущений благодаря синтезирующей деятельности головного мозга. Восприятие отражает действительность непосредственно на чувственном уровне [154, 155, 248, 250, 252]. Представление является чувственным отражением объектов с элементами логического познания. В формировании представлений участвуют не только отдельные анализаторы, но и создаваемые ими на основе первой сигнальной системы временные связи, а также и вторая сигнальная система, поскольку содержание представлений облекается в языковую форму [80]. Остановимся на важном, с нашей точки зрения, принципе формирования понятий на феноменологическом уровне. Под феноменом понимают переживание восприятия в форме совершенно определенной понятийной обработки. Оно объективно отражает мир и предваряет наше осмысление законов природы [57, 229]. Под научным понятием мы будем понимать систему знаний, словесно обозначенную и представляющую результат выделения и обобщения предметов или явлений того или иного класса по достаточно существенным признакам. В работах большинства отечественных ученых отмечается, что формирование понятий является не пассивным актом отражения окружающего мира, а активным процессом познавательной деятельности объекта. Под формированием понятия понимают этап, который начинается с первоначального восприятия объекта и завершается образованием абстрактного понятия. Основные закономерности процесса усвоения понятий: [11,64,65,86,118]: 1) содержание понятий усваивают не сразу, а постепенно по частям, причем у разных индивидов процесс усвоения происходит с разной скоростью и часто растягивается на очень длительный срок; 2) научные признаки некоторых понятий искажаются, сочетаясь с донаучными; 3) разделение главных и второстепенных признаков понятий и систематизация их устанавливаются лишь постепенно; 4) постепенно происходит и обобщение понятия, которое у неуспевающих студентов часто остается совершенно недостаточным. Если формирование научных понятий начинать на ранних этапах их обучения, то это помогает контролировать учебный процесс усвоения. Различают пять уровней усвоения понятия [91, 223, 224]. Первый уровень характеризуется «диффузно-рассеянным» представлением о предмете, явлении. При этом обучаемый способен только отличать один объект от другого, но не может назвать понятия, отражающие отдельные признаки объекта. Второй уровень отражает отдельные понятия, но не отличает существенные признаки от несущественных. Третий уровень соответствует усвоению обучаемым существенных признаков объекта, но понятие еще не обобщено. Четвертый уровень усвоения понятия - когда понятие обобщено, усвоены его существенные связи с другими понятиями, обучаемый свободно оперирует понятием в решении учебных задач. Пятый уровень: установлены связи между понятиями различных систем и предметов на основе межпредметных связей. Этот уровень характеризуется высокой степенью обобщения понятия и умением оперировать им в решении задач творческого характера. Формирование и развитие научного представления следует рассматривать как первый этап формирования и развития соответствующего научного понятия. Научное представление является научным понятием, находящимся на начальном уровне сформированности. Под развитием понятия понимают процесс совершенствования сформированности понятия, заключающийся в переходе от более низкого уровня усвоения понятий на более высокий. Для решения проблемы обобщения знаний у студентов им предлагается освоить три уровня познания. На первом уровне обучаемые должны переходить от прямого чувственного восприятия к научно-теоретическим обобщениям. На втором уровне обучаемые должны переходить от эмпирических обобщений к научно-теоретическому уровню мышления. На третьем уровне обучаемые должны осуществлять переход к категориальному синтезу теорий путем подведения фактов под категориальную структуру мышления, привлечения интуиции и открытия новых знаний. В. В. Давыдов формулирует логико-психологические требования к процессу формирования понятий [64]: - понятия, конструирующие данный учебный предмет или его основные разделы, не должны даваться обучаемым как готовое знание.
Методика организации семинарских занятий
Студенты детально разбирают вопросы кинематики и динамики свободных незатухающих и затухающих колебаний, вынужденных колебаний (п.24), явления резонанса, автоколебания, (п.71-72). Разбирают случаи сложения гармонических колебаний, модуляцию колебаний, получение фигур Лиссажу. При изучении темы "Электромагнитные волны" (п.73) вводится понятие о векторе Умова-Пойнтинга - плотности электромагнитной энергии (п.76).
Считают, что эмпирические знания (п.82) отражают область фактов и образуют относительно самостоятельную подсистему знаний, которая требует от студентов индивидуального углубленного изучения, в т.ч. аппарата аналитической геометрии пространства (п.95). Математические методы физики служат инструментом структурного анализа учебного материала. Эти две подсистемы являются связующим звеном между понятиями и законами физических теорий. Освоив эти методы, студенты изучают процессы поглощения света полупроводником, фотопроводимости, люминесценции, фотоэффекта в / -и-переходе, вынужденного излучения, принцип работы лазеров, явление сверхпроводимости.
Содержание разделов курса физики сведено в учебные модули, что уменьшает первоначальную сложность сообщения. Общее число тем-модулей 27: (поз.3,7,11,16,20,24,29,33,37,43,47,51,56,60,64,69,73,77,83,87,91,96,100,104,109 ,113,117). Структура модулей раскрывает эволюцию физической картины мира как смену механической, статистической, электродинамической и квантово-релятивистской картины.
В процессе обучения обращается внимание студентов на способ изложения теорий, ибо существуют две модели для реальных веществ (две концепции описания природы): дискретная модель, используемая в статистической физике, и модель континуума, принятая в механике сплошных сред. Дискретная модель (состоящая из молекул, атомов, электронов т.д.) позволяет определить средние величины, которые точно удовлетворяют законам сохранения. Модель континуум отличается возможностью упрощенного описания процессов и получить большое количество информации.
В целом процесс обучения студентов физике организован в течение двух семестров и разбит на четыре части и два временных интервала. В течение первого семестра студенты изучают две части курса физики -"Классическую механику" и "Молекулярную физику с термодинамикой". В течение второго семестра студенты изучают другие две части курса физики - "Электродинамику. Колебания и волны" и "Квантовую механику".
Содержание первой части курса физики составили: а) - ключевые физические понятия классической механики, б) — применение этих понятий для описания законов природы, в) - применение физических законов для решения инженерных задач, усвоение определенных правил и методологических приемов при проведении физических экспериментов.
Содержание второй части курса физики составили: а) — понятийный аппарат молекулярной физики, структуры веществ, и термодинамики, б) -теоретические основы фундаментальных теорий - молекулярной физики и термодинамики, в) - применение законов термодинамики для проектировании современных подвижных транспортных средств, гидравлических систем, тормозных устройств.
Содержание третьей части курса физики составили: а) - понятийный аппарат: электростатики, электромагнетизма, постоянного и переменного токов, б) законы электродинамики, уравнения Максвелла, уравнения геомет У рической и волновой оптики, в) - практическое использование голографии-ческих методов кодирования служебных документов, особенности проектирования и эксплуатации электродвигателей и линий высокого напряжения, использование оптико-электронных устройств, средств связи и их принципов в астрофизических исследованиях. В состав третей части курса физики также входит: а) - понятийный аппарат свободных, затухающих, вынужденных колебаний и волн различной природы: поперечных и продольных (звуковых), б) - характеристики колебательного движения: механических колебаний пружинного, математического, физического маятников, электромагнитные колебания в последовательном, параллельном контуре, системах с распределенными параметрами; дифференциальные уравнения свободных, затухающих и вынужденных колебаний, в) - техническое приложение линейных, нелинейных колебаний в системах импульсной техники и современных аппаратах аудио-теле-радиосвязи, в медицине.
Содержание четвертой части курса физики составили: а) - понятийный аппарат теории теплового излучения, фотоэффекта, постулаты Бора, спонтанное и вынужденное излучения, б) законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина, Планка, Эйнштейна, основных положения квантовой механики: гипотеза де Бройля, волновая функции Борна, уравнения Шредингера, соотношение неопределенностей Гейзенберга, квантовая статистика, зонная теория полупроводников, модели атома и атомного ядра, а также физика элементарных частиц, фундаментальные взаимодействия в природе, в) -практическое использование идей квантовой механики для связи физики с техникой и другими науками.
Выполнением лабораторных работ, сдачей студентами зачетов и экзаменов должны заканчиваться два семестра овладения знаниями всего курса физики, критерием которых служат умения, знания и навыки владения математическим аппаратом теорий при решении физических задач.
Разработанное нами пособие по физике структурировано по тематическому признаку в виде системы понятий, таблиц, формул, что облегчает студентам поиск справочного материала, необходимого при выполнении лабораторных работ и подготовке к экзамену [194]. Примечание. В качестве литературных источников нами рекомендуются учебные пособия авторов Айзенцона А.Е. [4], Трофимовой Т.И. [218, 221], Хавруняка В.Г. [230]. Автор старался давать ссылку везде, где изложение не содержало тривиального объяснения, имеющегося во всех учебниках. Причинно-следственные связи между понятиями СЛС курса нами дополнительно представлены двумя структурными схемами «Внутри-предметные связи физических теорий» (Рис. 4 и Рис. 5). Эти структурные схемы поэтапно отражают два уровня системного усвоения теорий физики в течение первого и второго семестров обучения студентов. Приводим рекомендации к «Методике систематизации и обобщения знаний студентов посредством схем ключевых понятий физических теорий». Обучение студентов физики начинается с механического движения (ньютоновской механики) и знакомства с ее понятийным аппаратом. I часть «Курса физики» "Классическая механика "
