Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы активизации учебно-познавательной деятельности студентов it-направлений на занятиях по физике 20
1.1. Психолого-педагогический анализ проблемы активизации учебно-познавательной деятельности студентов 20
1.2. Проблема активизации учебно-познавательной деятельности студентов ГГ-направлений на занятиях по физике 34
1.3. Вычислительный эксперимент по физике на основе современных технологий компьютерного моделирования 51
Выводы по I главе 64
Глава 2. Методика активизации учебно-познавательной деятельности студентов it-направлений на практических занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента 68
2.1. Модель проектирования процесса активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента 68
2.2. Требования к физическим задачам, решаемым средствами вычислительного эксперимента 96
2.3. Методика проведения занятий по физике на основе вычислительного эксперимента 112
Выводы по II главе 134
Глава 3. Экспериментальная проверка эффективности методики активизации учебно-познавательной деятельности студентов it-направлении на практических занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента 137
3.1. Организация и задачи педагогического эксперимента 137
3.2. Методика проведения и анализ результатов констатирующего и пробного эксперимента 149
3.3. Методика проведения и анализ результатов обучающего и контрольного экспериментов 154
Выводы по 3 главе 169
Заключение 171
Библиографический список 177
Приложение 197
- Проблема активизации учебно-познавательной деятельности студентов ГГ-направлений на занятиях по физике
- Вычислительный эксперимент по физике на основе современных технологий компьютерного моделирования
- Требования к физическим задачам, решаемым средствами вычислительного эксперимента
- Методика проведения и анализ результатов констатирующего и пробного эксперимента
Введение к работе
В новой системе высшего профессионального образования основной целью обучения является подготовка компетентного специалиста, способного действовать не только в своей области, но и в смежных отраслях. Поэтому одним из требований стандартов третьего поколения является интеграция профессионального и предметного содержания при изучении всех дисциплин.
В данном исследовании рассматривается обучение физике студентов IT-направлений (бакалавры «Информационные системы и технологии» и бакалавры «Информатика и вычислительная техника»), для которых данный предмет не является профессиональным. В обучении физике студентов данных направлений существует ряд проблем. Во-первых, сокращение часов на изучение предмета «Физика» и, вместе с тем, большой круг вопросов, подлежащих рассмотрению, что делает необходимым интенсификацию процесса обучения физике. Во-вторых, отсутствие у студентов интереса к предмету, связанное с его трудностью для понимания и восприятия, а также кажущейся оторванностью от общей цели профессионального обучения.
Между физикой и информатикой (базовой наукой для студентов IT-направлений) есть тесная взаимосвязь. На основе физических закономерностей построены все аппаратные устройства компьютерной техники. Кроме того, в самой науке физики заложены основные методы исследования: теоретические (формализация, идеализация, моделирование и т.д.) и эмпирические (наблюдение, эксперимент). Умение применять данные методы хорошо развивается при решении физических задач и выполнении лабораторных работ. А способность проводить теоретические и экспериментальные исследования является одной из профессиональных компетенций выпускников 1Т-направлений.
Таким образом, возникает необходимость в разработке методики обучения физике будущих бакалавров в области информационных технологий, направленной на активизацию их учебно-познавательной деятельности. При этом в качестве основания для активизации целесообразно рассматривать интеграцию профессионального и предметного содержания.
Профессиональная деятельность специалистов в области IT-направлений носит прикладной характер, т.е. связана с информационной поддержкой производственных, экономических, управленческих и прочих процессов. Поэтому одним из основных требований к выпускникам IT-направлений является овладение способами применения информационных технологий для решения практических задач в различных предметных отраслях. Для выполнения данного требования целесообразно научить студентов использовать информационные технологии для решения физических задач. Таким образом, в качестве средства интеграции профессионального и предметного содержания мы предлагаем использовать вычислительный эксперимент как особый метод исследования физических
закономерностей через построение и изучение компьютерной модели объекта исследования.
Вопрос активизации учебно-познавательной деятельности учащихся широко рассмотрен в теории и практике обучения (Т.И. Шамовой, Г.И. Щукиной, Л.П. Аристова и др.). Активизация учебно-познавательной деятельности студентов рассматривается в трудах Р.А. Низамова, А.А. Вербицкого, С.С. Великановой, Г.А. Каменевой, А.В. Карпушева, Л.В. Павловой, Л.Н. Разумовой, Е.Д. Тельмановой и др. Одним из способов активизации учебной деятельности студентов является связь теоретического содержания предмета с практической профессиональной деятельностью. Данный аспект является основой контекстного обучения, предложенного А.А. Вербицким и положенного в основу педагогических исследований О.А. Григоренко, А.И. Жуковой, А.Н. Картежниковой, Н.В. Кузьминой, Е.М. Поповой, К.В. Шапошникова и др. Но проблема методики активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике остается недостаточно изученной, в то время как ее разработка и реализация могут существенно повысить интерес к предмету, а, следовательно, и качество подготовки в области физики.
Вычислительный эксперимент в методике обучения физике рассмотрен в работах А.А. Финагина, СЕ. Попова, М.И. Старовикова, Л.П. Глазовой, М.С. Таранова, Р.П. Федоренко и др. Большое число исследований посвящено использованию компьютерного моделирования при обучении физике (А.С. Кондратьев, Р.В. Майер, М.В. Ларионов, Н.В. Вознесенская, А.А. Оспенников, О.Г. Ревинская, Н.Б. Розова, Л.Х. Умарова и др.). В некоторых исследованиях рассматривается использование готовых компьютерных моделей или авторских компьютерных моделей. Данный подход не даст качественных результатов в обучении студентов ІТ-направлений, так как для развития профессиональных умений студентам необходимо научиться самостоятельно создавать модели, а не использовать готовые. Создание моделей возможно также с помощью систем программирования. Но в данном случае занятия по физике могут превратиться в занятия по программированию и, тем самым, отвлечь от сути изучаемых физических явлений. Поэтому наиболее адекватным является использование специализированных программ для создания компьютерных моделей физических процессов и явлений.
Несмотря на то что использование компьютерного моделирования в обучении физике рассматривается во многих исследованиях, до сих пор недостаточно проанализированы вопросы организации исследовательской деятельности студентов по изучению физических закономерностей средствами вычислительного эксперимента, основанного на современных технологиях компьютерного моделирования.
Таким образом, можно выделить ряд противоречий, существующих в обучении физике студентов ГТ-направлений:
на социально-педагогическом уровне: между требованиями к высшему профессиональному образованию, выраженными в необходимости активизации деятельности студентов и профессиональной направленности обучения, и недостаточной разработанностью путей и средств активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений через интеграцию профессионального и предметного содержания обучения физике;
на научно-теоретическом уровне: между высоким уровнем проработанности в науке различных аспектов использования вычислительного эксперимента и компьютерного моделирования при обучении физике и недостаточностью обоснования роли вычислительного эксперимента в качестве средства активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике;
на научно-методическом уровне: между целесообразностью и возможностью активизации учебно-познавательной деятельности студентов ІТ-направлений на занятиях по физике за счет интеграции профессиональных умений и предметного содержания курса средствами вычислительного эксперимента и слабой разработанностью соответствующих содержания, методов, средств и форм обучения;
на практическом уровне: между большим количеством методических пособий по созданию компьютерных моделей физических процессов и явлений и отсутствием методических рекомендаций по активизации учебно-познавательной деятельности студентов через организацию поэтапного овладения деятельностью по вычислительному эксперименту в области физики.
Необходимость разрешения выделенных противоречий определила актуальность исследуемой проблемы, которая заключается в поиске ответа на вопрос: «Каковы пути активизации учебно-познавательной деятельности студентов ІТ-направлений на занятиях по физике?», и выбор темы исследования: «Вычислительный эксперимент на занятиях по физике как средство активизации учебно-познавательной деятельности студентов ІТ-направлений».
Объект исследования: обучение физике студентов ІТ-направлений.
Предмет исследования: процесс активизации учебно-познавательной деятельности студентов ІТ-направлений на занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента.
В работе приняты ограничения:
элементы вычислительного эксперимента в качестве средства активизации учебно-познавательной деятельности студентов ІТ-направлений используются на практических занятиях по физике;
преподаватель физики должен владеть современными программами моделирования на уровне достаточном для создания учебных физических моделей;
кабинет физики должен быть оборудован компьютерами (или должна быть возможность проводить занятия по физике в компьютерном
классе), на которых установлены соответствующие программы моделирования.
Цель исследования: теоретически обосновать и разработать методику активизации учебно-познавательной деятельности студентов 1Т-направлений на занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента, а также выявить комплекс педагогических условий, обеспечивающих ее эффективное функционирование.
Гипотеза исследования. Использование вычислительного
эксперимента по физике приведет к активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике, если:
интегрировать предметное содержание курса физики и дисциплин профессионального цикла студентов IT-направлений на основе вычислительного эксперимента в области физики;
в качестве основы мотивационно-целевого компонента методики рассмотреть потребность студентов в профессиональном совершенствовании, в основе содержательного компонента -исследовательские физические задачи, решаемые с помощью вычислительного эксперимента, технологического компонента -организацию поэтапного овладения деятельностью по вычислительному эксперименту в области физики, а рефлексивно-оценочного компонента -различные способы самооценки и самоанализа деятельности по исследованию физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента;
выполнить ряд педагогических условий: отбор современных программ моделирования, которые будут выступать средствами реализации вычислительного эксперимента по физике; наличие методических рекомендаций для студентов по выполнению вычислительного эксперимента по физике в соответствии с этапами исследовательской деятельности; взаимодействие с преподавателями профессиональных предметов IT-направлений.
Исходя из цели и гипотезы, были выдвинуты следующие задачи исследования:
Выявить состояние проблемы исследования в теории и практике обучения физике студентов ІТ-направлений на основе анализа: нормативных документов (Федеральных государственных образовательных стандартов, учебно-методических планов и рабочих программ), психолого-педагогической и методической литературы.
Определить содержание и структуру деятельности студентов по исследованию физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента. Сформулировать требования к физическим задачам, решаемым средствами вычислительного эксперимента, осуществить отбор задач и разработать методические рекомендации для организации данной деятельности.
Разработать структуру и содержание учебных занятий, отобрать эффективные методы, приемы и формы обучения, направленные на активизацию учебно-познавательной деятельности студентов 1Т-направлений на занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента.
Выявить условия эффективного функционирования данной методики.
Осуществить педагогический эксперимент, в ходе которого проверить эффективность разработанной методики и условий ее успешного функционирования.
Методологическую основу исследования составляют: идеи системного подхода к анализу объекта исследования; идеи компетентностного подхода к подготовке студентов в высшей школе; исследования в области деятельностного подхода по организации учебно-познавательной деятельности студентов; исследования по активизации учебно-познавательной деятельности студентов; исследования по организации самостоятельной учебно-познавательной деятельности учащихся и студентов; работы по теории и практике вычислительного эксперимента; работы по организации, проведению и обработке результатов педагогического исследования.
Методы исследования: в работе применялись как теоретические методы исследования (анализ нормативных документов, психолого-педагогической и методической литературы по проблеме; обобщение педагогического опыта использования вычислительного эксперимента и компьютерных технологий на практических занятиях по физике), так и эмпирические (тестирование, анкетирование, опрос, наблюдение, педагогический эксперимент - констатирующий, пробный, обучающий, контрольный), методы моделирования.
Исследование осуществлялось в три этапа с 2007 по 2012 гг.
На первом этапе (2007 - 2008 гг.): проводились изучение и анализ психолого-педагогической и методической литературы, в том числе и диссертационных исследований по темам, близким к проблеме исследования, а также анализ нормативных документов; определились методологические основы исследования, подходы, методы и средства активизации учебно-познавательной деятельности студентов на занятиях по физике и роль вычислительного эксперимента в активизации учебно-познавательной деятельности студентов 1Т-направлений; проводился констатирующий и пробный эксперименты по определению исходного уровня активности студентов на практических занятиях по физике.
На втором этапе (2009 - 2010 гг.): разрабатывалась методика
использования вычислительного эксперимента в качестве средства
активизации учебно-познавательной деятельности студентов 1Т-направлений
на занятиях по физике; определялись методы, приемы, средства и формы
обучения, дидактические структуры организации занятий по физике на
основе вычислительного эксперимента; разрабатывались и
систематизировались лабораторно-практические работы по вычислительному эксперименту; проводился обучающий эксперимент по выявлению влияния использования вычислительного эксперимента на учебно-познавательную активность студентов и на сформированность общекультурной и профессиональных компетенций.
На третьем этапе (2011 - 2012 гг.): проводился контрольный эксперимент; осуществлялись анализ и обработка данных опытно-экспериментальной работы; проверялось соответствие гипотезы и экспериментальных результатов; формулировались выводы и практические рекомендации по итогам исследования.
Экспериментальная база исследования. Опытно-экспериментальная работа проводилась на базе Южно-уральского института управления и экономики. В эксперименте приняли участие студенты II—IV курсов, обучающиеся по следующим направлениям: бакалавры «Информационные системы и технологии», бакалавры «Информатика и вычислительная техника», специалисты «Информационные системы и технологии», специалисты «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем».
Научная новизна проводимого исследования состоит в том, что:
Определена роль вычислительного эксперимента на занятиях по физике у студентов IT-направлений как средства активизации учебно-познавательной деятельности студентов, позволяющего реализовать профессиональную направленность обучения физике.
Научно обоснована и разработана методика активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике, состоящая из четырех компонентов:
мотивационно-целевого, в котором актуализируется направленность обучения физике на применение и развитие профессиональных умений студентов ГГ-направлений;
содержательного, представленного банком исследовательских задач, решаемых средствами вычислительного эксперимента и описанием структуры деятельности по решению таких задач, состоящей из восьми этапов (постановка задачи, выдвижение гипотезы, формализация задачи, выбор технологии моделирования, создание и отладка модели, планирование и проведение экспериментов с моделью, анализ результатов, использование модели для решения физических задач);
технологического, представленного в активных методах обучения и формах самостоятельной работы, способствующих организации овладения деятельностью по вычислительному эксперименту в области физики, включающей вводный, репродуктивно-подражательный, поисково-исполнительский и творческий этапы;
рефлексивно-оценочного, представляющего нормативный, сопоставительный и личностный способы самооценки деятельности по
исследованию физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента.
3. Выявлен комплекс педагогических условий эффективного использования вычислительного эксперимента на занятиях по физике: отбор современных программ моделирования, которые будут выступать средствами реализации вычислительного эксперимента по физике; наличие методических рекомендаций для студентов по проведению вычислительного эксперимента по физике в соответствии с этапами исследовательской деятельности; взаимодействие с преподавателями профессиональных предметов ГТ-направлений.
Теоретическая значимость исследования выражается в том, что его результаты способствуют дальнейшему развитию теории и методики обучения физике как непрофильному предмету студентов ГТ-направлений:
обоснована целесообразность включения в процесс обучения физике студентов 1Т-направлений вычислительного эксперимента, обеспечивающего профессиональную направленность обучения физике и, как следствие, активизацию учебно-познавательной деятельности студентов;
разработаны требования к системе физических задач, решаемых с помощью вычислительного эксперимента, и способствующих организации поэтапного овладения деятельностью по вычислительному эксперименту в области физики;
разработаны четырехкомпонентная структурная модель методики активизации учебно-познавательной деятельности студентов 1Т-направлений на занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента, и процессная модель овладение студентами исследовательской деятельностью по изучению физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента на вводном, репродуктивно-подражательном, поисково-исполнительском и творческом этапах.
Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что его выводы и рекомендации способствуют совершенствованию процесса обучения физике студентов IT-направлений. Они представлены:
в методических рекомендациях для преподавателей по использованию вычислительного эксперимента в качестве метода исследования физических процессов и явлений;
в комплексе лабораторно-практических работ по проведению исследований физических процессов и явлений средствами вычислительного эксперимента;
в разработанных характеристиках уровней овладения учебно-исследовательской деятельностью по физике средствами вычислительного эксперимента и способах диагностики данной деятельности.
Достоверность результатов исследования обеспечивается: научной обоснованностью исходных теоретических положений; применением комплекса теоретических и эмпирических методов, адекватных объекту, цели
и задачам исследования; использованием статистических методов обработки результатов исследования.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в ходе опытно-экспериментальной работы, посредством публикаций статей в печати и участия в работе межвузовских и всероссийских научно-практических конференциях в гг. Челябинске и Смоленске, а также в международных научно-практических конференциях (гг. Челябинск, Караганда, Новосибирск); в ходе выступлений на семинарах «Лаборатория молодого исследователя» ЧГПУ, отчетов на заседаниях кафедры теории и методики обучения физике ЧГПУ и кафедр информационных технологий и систем и математических, технических и естественнонаучных дисциплин ЮУИУЭ.
На защиту выносятся следующие положения:
Низкий интерес к предмету «Физика», его трудность для понимания, оторванность от общей цели обучения для студентов IT-направлений свидетельствуют о необходимости активизации их учебно-познавательной деятельности, прежде всего, через профессиональную направленность обучения. Одним из способов решения данной проблемы является использование вычислительного эксперимента на занятиях по физике. Вычислительный эксперимент является средством интеграции предметного содержание физики и дисциплин профессионального цикла и реализуется на основе современных технологий компьютерного моделирования.
Учебно-исследовательская деятельность студентов по физике на основе вычислительного эксперимента состоит из восьми компонентов: постановка задачи, выдвижение гипотезы, формализация задачи, выбор программы моделирования, создание и отладка модели, планирование и проведение экспериментов с моделью, анализ и интерпретация результатов, использование модели. Каждый компонент состоит из четырех действий: ориентировка, планирование, исполнение и контроль. На основе данной структуры и содержания деятельности можно выделить четыре уровня овладения способами деятельности по вычислительному эксперименту в области физики: нулевой, репродуктивно-подражательный, поисково-исполнительский и творческий.
Методика использования вычислительного эксперимента в качестве средства активизации учебно-познавательной деятельности на занятиях по физике включает следующие компоненты: мотивационно-целевой, направленный на мотивацию студентов к изучению физики за счет профессиональной направленности обучения; содержательный, определяющий исследовательские физические задачи, решаемые с помощью вычислительного эксперимента, и, тем самым, способствующие интеграции предметного содержания физики и профессиональных умений студентов; технологический, определяющий активные методы обучения на основе самостоятельной работы и современные технологии моделирования для
организации активной исследовательской деятельности студентов по изучению физических закономерностей; рефлексивно-оценочный, направленный на организацию самооценки и самоанализа учебно-познавательной деятельности студентов. При этом занятия по физике организуются в четыре этапа (вводный, репродуктивно-подражательный, поисково-исполнительский и творческий этапы), что способствует поэтапному формированию способов учебно-исследовательской деятельности по физике средствами вычислительного эксперимента.
Методика использования вычислительного эксперимента в качестве средства активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике будет эффективно функционировать при выполнении ряда педагогических условий: отбор современных программ моделирования, которые будут выступать средством реализации вычислительного эксперимента по физике; наличие методических рекомендаций для студентов по проведению вычислительного эксперимента по физике в соответствии с этапами исследовательской деятельности; взаимодействие с преподавателями профессиональных предметов IT-направлений.
Использование вычислительного эксперимента на занятиях по физике у студентов IT-направлений позволяет повысить уровень активности студентов и уровень сформированности ряда общекультурных и профессиональных компетенций, проявляющихся в исследовательской деятельности по изучению физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка (186 наименований) и 6 приложений. Рукопись содержит 256 страниц текста, в том числе 197 страниц основного текста, включающего 22 рисунка и 31 таблицу.
Проблема активизации учебно-познавательной деятельности студентов ГГ-направлений на занятиях по физике
В педагогике, как и в других науках и областях знания, широко применяется системный подход. Он позволяет моделировать педагогические процессы. Системный подход, или системный метод, представляет собой эксплицитное выражение процедур определения объектов как систем и способов их специфического системного исследования (описания, объяснения, предсказания, конструирования и т.д.) [136, с.27]. В многочисленных исследованиях по системологии и системному подходу [3; 17; ЗО; 126; 136 и др.] даны различные определения понятия «система» и связанны с ним другими понятиями «элемент», «подсистема», «структура», «связь» и т.д. Мы не ставим задачей нашего исследования подробный анализ данных понятий. Под системой мы будем понимать «организованное множество элементов (произвольной природы), обладающее относительной целостностью и полифункциональностью, иерархической морфологией, включающей в себя составы и структуры (логические, пространственно-временные, стохастические и др.); динамикой охватывающей функционирование и развитие (историю); особенностями и условиями существования среди других систем» [148, с. 41].
На данном этапе развития науки педагогические явления рассматриваются именно с точки зрения системного подхода. Педагогические системы являются открытыми хорошо организованными социальными системами, которые имеют большое число элементов и подсистем, со сложными отношениями между ними.
Системный подход, являясь общенаучной основой системных исследований, позволяет моделировать педагогические процессы. В рамках системного подхода нам необходимо, прежде всего, определить структуры активности и активизации (как деятельности студента и педагога), выявить их внутреннюю организацию и их место в структуре учебной деятельности.
Система всегда находится во взаимосвязи с внешней средой. По отношению к педагогическим системам глобальной внешней средой является общество, которое выдвигает определенные требования к системе образования. Основной задачей высшего профессионального образования является подготовка компетентного специалиста, гражданина и человека. Мы рассматриваем обучение физике студентов IT-направлений как одну из множества подсистем системы высшего профессионального образования. К IT-направлениям мы будем относить направления подготовки бакалавров «Информационные системы и технологии», бакалавров «Информатика и вычислительная техника».
Прежде всего, необходимо выделить внешние факторы, влияющие на процесс обучения физике студентов данных направлений. Современное общество является информационным, при этом большинство информационных процессов реализуются с помощью компьютерной техники. Поэтому область деятельности 1Т-специалистов весьма широка: компьютерные сети, системное программирование, компьютерная графика, web-технологии, мультимедиа-технологии и т.д. Довольно широк и круг профессий 1Т-специалистов, от сетевого администратора и контент-менеджера до архитектора программного обеспечения и системного аналитика. При этом все больше профессий связано не с созданием новых технологий, а с использованием имеющихся технологий. Так О.Н. Граничин, В.И. Кияев и С.А. Немнюгин отмечают: «большинству 1Т-компаний требуются другие специалисты - инженеры, хорошо ориентирующиеся в современных технологиях и способные создавать качественные решения на основе имеющихся программных и технологических компонентов»[38, с. 12].
Анализируя работы [29; 62; 82; 107], можно выделить следующие особенности профессиональная деятельность выпускников 1Т-направлений: 1. Исследовательский характер деятельности - самостоятельное решение широкого круга задач, в том числе и нестандартных. 2. Постоянное профессиональное совершенствование, связанное с огромными темпами развития информационных технологий. 3. Деятельность связана с коллективным решением задач, с работой в команде и постоянным взаимодействием с другими специалистами. 4. Необходимость освоения дополнительных дисциплин из-за прикладного характера информационных технологий, которые выступают средством решения задач в различных предметных отраслях. При этом специалисты данных направлений обладают следующими психологическими особенностями: «более независимы, самостоятельны ставят перед собой высокие цели и неукоснительно их добиваются; самодостаточны - им необходима свобода в принятии решений; уверены, что отличаются от других отделов, - им необходимо «особое» отношение; имеют высокий уровень ответственности и лояльности; стараются планировать все заранее; предпочитают предсказуемость переменам» [62]. Многие исследователи отмечают также слабую коммуникабельность данных специалистов. В вузе различные дисциплины, в том числе и физика, должны имитировать будущую профессиональную деятельность студентов, тем самым помогая приобретать необходимые профессиональные знания и навыки, расширять свой кругозор, преодолевать психологические трудности, связанные, прежде всего, с общением в малых группах. Рассмотрим вопрос: как можно активизировать деятельность студентов IT-направлений при изучении физике, опираясь на выделенные особенности их будущей профессиональной деятельности? Изучение физики дается большинству студентов с трудом. Многие из них считают этот предмет ненужным, непригодным для их будущей профессии. При изучении данного предмета студенты с низкой и средней познавательной активностью еще меньше ее проявляют, а, следовательно, у них не формируются важные общекультурные и профессиональные компетенции. То есть, изучение предмета зачастую оторвано от общей цели высшего профессионального обучения. С другой стороны, физика - это наука, изучающая и объясняющая различные закономерности природы, которые современный образованный человек обязан знать и понимать. Многие физические закономерности положены в основу работы компьютерной техники, являющейся основным инструментом 1Т-специалистов.
Вычислительный эксперимент по физике на основе современных технологий компьютерного моделирования
Вычислительный эксперимент относится к особому виду деятельности, средством реализации которой является компьютерное моделирование. В свою очередь компьютерное моделирование - есть процесс построения модели реального объекта с помощью средств компьютерной техники.
На сегодняшний день нет однозначного определения понятия «модель». Разные исследователи (В.А. Веников, Р.В. Майер, Б.Я. Советов, Л.М. Фридман, Р. Шеннон, В.А. Штофф и др.) дают различные определения понятию «модель». Большинство определений основываются на выделении функций моделей. Так по Б.А. Глинский, Б.С. Грязнову и др. «модель - это объект, исследование которого является средством познания иного объекта» [34, с. 34]. Р. Шеннон дает следующее определение: «Модель является представлением объекта, системы или понятия (идеи) в некоторой форме, отличной от формы их реального существования, и служит обычно средством, помогающим нам в объяснении, понимании или совершенствования системы» [179, с. 15]. Следует отметить, что основной функцией модели большинство исследователей считают исследовательскую функцию, то есть изучение объекта-оригинала по его модели. Также одной из важных функций модели является ее наглядность.
Обобщая, можем сказать, что модель - это система произвольной природы, отражающая структуру, свойства и поведение исследуемого объекта, назначение которой является получение информации о моделируемом объекте, которую затруднительно или невозможно получить путем непосредственного исследования оригинала. Следует отметить, что модель должна отражать только существенные для решения данной задачи параметры объекта. При этом отсутствие в модели несущественных элементов не менее важно, чем присутствие в ней существенных.
Сам термин «моделирование» подразумевает процесс создания модели. Моделирование - это один из методов познания, суть которого состоит в замещении одного объекта другим с целью получения информации о свойствах исходного объекта путем изучения модели.
Моделирование широко используется во всех областях знания, в том числе и в процессе обучения физике. Это связано с тем, что при непосредственном наблюдении за физическими явлениями или процессами учащимся трудно выделить отдельные элементы целостной структуры. Модель делает более понятной общую структуру исследуемого объекта и вскрывает причинно-следственные связи.
Существует большое разнообразие моделей, поэтому трудно составить однозначную их классификацию. В.А. Веников, СЕ. Попов, В.А. Штофф делят все модели на два больших класса - материальные и идеальные (мысленные) модели. При материальном моделировании объект исследования заменяется материальным аналогом, т.е. объектом, который воспроизводит основные физические, геометрические, динамические и функциональные характеристики данного объекта. Примерами использования материальных моделей в физическом образовании является модели двигателя внутреннего сгорания, насосов, турбин, кристаллов и др. Идеальные модели основаны не на материальной, а на идеальной аналогии, т.е. конструируются мысленно. СЕ. Попов выделяет два основных типа идеального моделирования: интуитивное и научное. Интуитивное моделирование основано на интуитивном (не обоснованном с позиции формальной логики) представлений об объекте исследования, не поддающемся формализации или не нуждающемся в ней [123, с. 127]. Можно считать жизненный опыт каждого человека его интуитивной моделью окружающего мира. Научное моделирование - это всегда логически обоснованное моделирование, использующее минимальное число предположений, принятых в качестве гипотез на основе наблюдений за объектом моделирования [123, с. 127].
Любое исследование начинается с интуитивного моделирования, т.е. с некоторого предположения, идеи. Однако не все гипотезы выдерживают проверку экспериментом и методами формальной логики. Интуитивные модели строятся на основе определенных систем понятий, которые человек использует не напрямую, а опосредованно, например, в форме когнитивных моделей (мысленных образов). Носителем таких моделей является мозг человека, поэтому качество таких моделей определяется объемом знаний исследователя, особенностями его мышления, эмоционального состояния и рядом других причин.
При описании когнитивной модели на естественном языке мы переходим к вербальной модели. В физике для описания объектов, процессов и явлений используют систему понятий и терминов. Вербальную модель, построенную с помощью данных понятий, называют концептуальной или частично-формализованной моделью. Данные модели допускают некоторую неоднозначность описаний свойств и характеристик моделируемого объекта. СЕ. Попов отмечает, что в самом содержании физики уже содержатся модели - идеальные объекты - материальная точка, твердое тело, заряженная частица, система частиц, идеальный газ и т.д.
Концептуальная модель является основой для описания формальной модели. Для построения формальных моделей используют некоторые искусственные языки с однозначной семантикой и синтаксисом (язык математики, языки программирования). Таким образом, любое исследование есть построение системы сменяющих друг друга моделей.
Как правило, построению формальной модели на одном из языков программирования предшествуют построение математической модели изучаемого объекта, основанной на языке математики и математических методах. А реализация математической модели с помощью компьютеров поучило название компьютерного моделирования.
В процессе обучения используют познавательные модели, направленные на изучение объектов, процессов или явлений. Кроме познавательных моделей выделяют: модели управления системами с целью получения их желаемого состояния; прогностические модели, которые способны предсказать будущее состояние объекта или развитие процесса; модели диагностики состояния объекта, которые способны оценить текущее состояние объекта и рекомендовать выполнение различных работ, повышающих надежность его функционирования.
Познавательные модели в обучении являются источником информации: определение свойств и характеристик объектов, процессов и явлений; определение закономерностей протекания процесса, выявление причинно-следственных связей и т.д. Современные компьютерные технологии позволяют моделям выполнять также функцию наглядности.
Для построения компьютерных познавательных моделей физических процессов и явлений студентам необходимы: знание физических законов и умения применять их к конкретной ситуации, а также знания в области математики. Для организации вычислительного эксперимента на основе компьютерного моделирования необходимы умения выполнять основные этапы научного исследования.
Требования к физическим задачам, решаемым средствами вычислительного эксперимента
Перейдем к вопросу классификации и требований к физическим задачам, решаемым средствами вычислительного эксперимента. Фактически любую количественную задачу можно решить с использованием компьютерных технологий. Рассмотрим, какие именно физические задачи нужно решать с помощью вычислительного эксперимента, чтобы результат от их использования был наиболее полным.
Рассмотрим сначала определение, структуру и классификацию физических учебных задач. А.В. Усова и Н.Н. Тулькибаева дают следующее определение: «физическая учебная задача - это ситуация, требующая от учащихся мысленных и практических действий на основе использования законов и методов физики, направленных на овладение знаниями по физике, умениями применять их на практике и развитие мышления» [156, с. 6].
Так как мы рассматриваем физические учебные задачи, решаемые с помощью вычислительного эксперимента, то уточним это определение для нашего случая. Физическая учебная задача - это ситуация, требующая от студентов мысленных и практических действий на основе использования законов и методов физики, а также средств современных технологий компьютерного моделирования, направленных на овладение знаниями по физике, умениями применять их для построения компьютерных моделей и проведения экспериментов с ними, развитие мышления и формирование профессиональных компетенций.
В.М. Глушков в структуре задачи выделяет задачную и решающую систему. К задачной системе А.А. Оспенников относит [108, с. 60]: 1) условия задачи (перечень объектов и их характеристики: отношения, которые связывают данные объекты в задачной ситуации; в ряде случаев специальные указания относительно допустимых методов и средств преобразования ситуации); 2) требования задачи (искомые характеристики преобразованной ситуации: значения параметров объектов и процессов; требуемые отношения параметров; отношения (взаимодействия) объектов; требуемые способы преобразования ситуации и пр.). В решающую систему входят научные методы, способы и средства, с помощью которых задача будет решаться. Проблема классификации задач рассматривается многими исследователями (Б.С. Беликов, А.И. Бугаев, СЕ. Каменецкий, В.П. Орехов, А.А. Оспенников, Н.Н. Тулькибаева, А.В. Усова и др.). Выделяются разные основания классификации задач. Наиболее полный и системный перечень оснований для классификаций дан в работе А.В. Усовой, Н.Н. Тулькибаевой [156], которые основывают свою классификацию именно на деление задач на задачную и решающую систему. Их классификацию развил А.А. Оспенников [108]. Мы будем использовать именно его классификацию для определения требований к физическим задачам для вычислительного эксперимента. По степени полноты условия физические задачи для вычислительного эксперимента должны быть частично сформулированными. То есть, в задаче должно присутствовать описание какого-либо физического явления, процесса или объекта. А требования к задаче (т.е. конкретные значения параметров физического явления, процесса или объекта) должны быть представлены в открытом виде или в виде перечисления. Пример формулировки задачи: построить модель колебательного движения математического маятника: груз на невесомом жестком подвесе длиной / колеблется с большой амплитудой. От каких параметров зависит период колебания математического маятника? В данной задаче задано условие: груз на невесомом жестком подвесе колеблется с большой амплитудой. Требования задачи же представлено в открытом виде, то есть, указан только параметр /, а не его численное значение. То же касается и требований, в данном случае отношения объектов: периода колебаний и неизвестных параметров, которые студент должен определить самостоятельно. Еще один пример формулировки задачи: графически изобразите эквипотенциальные поверхности в пространстве между зарядами q\ и q2. Координаты зарядов соответственно равны (хь у\) и (х2, уг). Рассмотрите случаи: a) одинаковых положительных зарядов q\=q-2=q\ b) одинаковых отрицательных зарядов q\=qi= -q\ c) одинаковых разноименных зарядов q\= -qi\ d) произвольных зарядов qi nq2 В этой задаче также задано условие - взаимодействие двух зарядов. Требование задачи представлено в виде набора возможных вариантов этого взаимодействия. По характеру требования задачи мы выбираем задачи на конструирование/преобразование/построение, а именно на построение и исследование компьютерных моделей физических процессов и явлений. Рассмотренные выше основания для классификации относились к задачной системе. Теперь рассмотрим решающую систему. По содержанию деятельности мы будем использовать научно-исследовательские задачи. По уровню познавательной активности выбираем задачи поискового характера для организации исследовательской деятельности студентов. Соответственно, по дидактической цели - задачи на приобретение новых знаний и умений. По способу решения задач - компьютерно-ориентированные, которые в свою очередь делятся на задачи, решаемые с помощью различных видов компьютерных технологий (см. глава 1, 1.3). Таким образом, для проведения практических занятий по физике мы выбираем задачи на построение компьютерных физических моделей, классификацию которых мы представили в таблице 10. Выбор именно таких задач позволяет превратить их в учебные исследования на основе вычислительного эксперимента. То есть, студент не просто решает задачу, а строит физическую модель и проводит с ней эксперимент. Вычислительный эксперимент по физике на основе компьютерного моделирования целесообразно выполнять в следующих случаях: 1) если для изучения модели физического процесса или явления необходимо многократно повторять однотипные вычисления (вычисления по одной формуле при различных входных данных); 2) если построение модели физического процесса или явления основано на громоздких математических расчетах, требующих точности вычислений (аппарат сложных дифференциальных и интегральных исчислений, матричные методы, решение систем линейных и нелинейных уравнений и т.д.); 3) если необходимо графическое представление модели физического процесса или явления (графики, диаграммы, двумерные и трехмерные модели). Согласно критериям отбора задач, выделим два основных вида физических задач, которые можно решать с использованием информационных технологий (таблица 11).
Методика проведения и анализ результатов констатирующего и пробного эксперимента
Цель констатирующего эксперимента - выявить состояние подготовки студентов ІТ-направлений по физике, определить их базовый уровень учебно-познавательной активности. При проведении данного этапа эксперимента были использованы следующие методы: - анкетирование учащихся; - анализ нормативных документов (федеральные государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования, учебно-методические планы, рабочие программы); - наблюдение и анализ методики работы преподавателей физики, обучающих студентов ІТ-направлений, в ходе посещения занятий; - наблюдение за учебно-познавательной деятельностью студентов. В ходе исследования было проведено анкетирование студентов ІТ-направлений. В анкетировании участвовало 134 студента. Студентам было предложено ответить на ряд вопросов, которые направлены определить: - мотивацию студентов к изучению физики; - отношение студентов к дисциплине «физика»; - отношение к различным видам деятельности; - современные компьютерные технологии, с которыми студенты знакомы к моменту изучения дисциплины физики; - отношение к использованию компьютерных технологий на практических занятиях по физике. Результаты анкетирования представлены во второй главе в 2.1 и на их основе построена модель процесса активизации учебно-познавательной деятельности студентов. Выводы, полученные на основе анкетирования: 1. Основными мотивами к изучению физики являются внешние, а не личные, познавательные мотивы. Причем, среди них лидируют отрицательные мотивы, ориентированные не на усвоение знаний, а на успешную сдачу сессии с целью получения диплома. То есть, можно сказать, что фактически у студентов ІТ-направлений отсутствует мотивация к изучению дисциплины «Физика». Это связано, прежде всего, с тем, что студенты считают знания, полученные на занятиях по физике, малопригодными для будущей профессиональной деятельности, в связи с чем, считают предмет физики не интересным. 2.
Независимо от уровня подготовки в области информационных технологий, студенты фактически не используют свои профессиональные умения в области физики, но желают этому научиться. 3. Среди различных видов деятельности студенты предпочитают выполнение лабораторных работ и исследовательскую деятельность. 4. Студенты предпочитают групповые формы работы, хотя готовы работать и самостоятельно при поддержке преподавателя. Беседа с преподавателями физики и наблюдение за проведенными занятиями по физике позволили выявить следующие проблемы: - на лекционных занятиях по физике в основном используются мультимедиа-технологии, а на практических занятиях по физике, если и используются компьютерные технологии, то только специализированные учебные программы («Открытая физика», «Живая физика», «1С : Репетитор. Физика», ЦОР и т.п.); - студенты зачастую не обладают достаточными навыками решения физических задач и выполнения лабораторных работ; - слабая познавательная активность студентов на практических занятиях по физике; - самостоятельная работа реализуется на воспроизводящем и реконструктивно-вариативном уровнях. Наблюдение за общим характером и направленностью учебно-познавательной деятельностью студентов было направлено на изучение уровня активности студентов. Наблюдения проводились в четырех группах, общей численностью 98 человек. Результаты наблюдения представлены в таблице 23. В таблице видно, что большинство студентов, 49 человек, обладают низким уровнем активности, 20 студентов - средним и лишь 8 студентов - высоким уровнем активности. В 2008 году был проведен пробный эксперимент в двух группах студентов: бакалавры «Информатика и вычислительная техника» (набор 2007 года) и специалисты «Информационные системы и технологии» (набор 2007 года). Для исключения влияния случайных факторов эксперимент носил перекрестный характер: сначала экспериментальной была первая группа, вторая - контрольной, а затем наоборот, первая - контрольной, вторая -экспериментальной. Для практических занятий были выбраны следующие темы: 1) математический маятник; 2) закон распределения молекул по скоростям Максвелла. В экспериментальных группах проводились занятия по вычислительному эксперименту в педагогических условиях, описанных нами во второй главе в 2.1. В контрольных группах организовывались занятия по решению задач в обычных условиях. Деятельность студентов по изучению физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента осуществлялась под руководством преподавателя, и лишь отдельные этапы (создание и отладка модели физического объекта/процесса/явления, проведение вычислительных экспериментов с моделью) осуществлялись самостоятельно по образцу. То есть, учебно-познавательная деятельность осуществлялась на вводном уровне. Поэтому в ходе пробного эксперимента мы не проверяли третий критерий эффективности - владение деятельностью по вычислительному эксперименту в области физики. Мы измеряли показатели первого критерия «Общий характер и направленность деятельности» (таблица 24) и критерий «Сформированность знаний в области физики» (таблица 25).
