Повышение качества фундаментальной естественно-научной подготовки в общей системе учебных знаний повлекло и его многоплановое воздействие на субъекты и объекты всей педагогической системы и на внешнюю среду. Базовые функции педагогической системы и функциональные связи между отдельными ее компонентами наполняются дополнительным новым содержанием (рис.1), вследствие этого система переходит на более высокий уровень целостности.
Рис.1. Дополнительное содержание функциональных связей между компонентами компьютеризированной педагогической системы.
Индивидуализация и дифференциация обучения с одновременным повышением его эффективности, организация новых форм взаимодействия в процессе обучения, изменение содержания обучения, совершенствование управления образованием - это лишь небольшой перечень влияния, которое оказывает на объекты педагогической системы передача функций центрального элемента системы фундаментальным естественно-научным знаниям. Что касается субъектов этой системы - обучающихся, то изменение за счет компьютеризации процесса познания в направлении фундаментального естественно-научного образования обуславливает формирование способности к моделированию физических явлений, научного стиля исследования объектов, явлений и процессов, то есть формирование способной к самосовершенствованию всесторонне развитой личности. При обучении с использованием компьютера основные коммуникации проходят при невербальном общении, поэтому актуализируются требования герменевтического принципа методологии. Следование этому принципу должно быть направлено на то, чтобы обучаемый понимал смысл изучаемого материала. Герменевтика и переводится, как разъясняю, истолковываю.
Наши исследования и практический опыт работы выявили основные направления повышения качества фундаментальной естественно-научной подготовки современных студентов технического вуза:
§ углубление теоретической подготовки,
§ формирование материалистического мировоззрения,
§ формирование аналитико-синтетического подхода к исследованию закономерностей физических явлений,
§ формирование навыков моделирования физических явлений,
§ использование методов математической обработки результатов эксперимента,
§ развитие навыков автоматизации физического эксперимента,
§ приобщение студентов к активному участию в научной работе,
§ формирование компьютерной грамотности.
В разработанной нами модели фундаментальной естественно-научной подготовки инженеров в техническом вузе фундаментализация инженерного образования с использованием компьютерной поддержки преподавания кроме мотивационного фактора с учетом приведенной структуры учебных знаний обеспечивается:
§ изучением частных факторов, отдельных закономерностей явлений, понятий, теоретических положений, которое осуществляется на базе фундаментальных идей и принципов.
§ ориентацией на непрерывное и развивающее обучение при переходе от общей физики к специальным курсам выпускающих кафедр. Четко выраженный когнитивный характер и преемственность показаны на примере применения теории погрешностей к обработке результатов первых работ лабораторного практикума по физике.
§ переходом от анализа к синтезу рассматриваемых явлений и их математическому и имитационному моделированию. Это способствует более глубокому пониманию сущности явлений. формированием устойчивых навыков владения средствами и технологией информационной культуры, освоением студентами научных методов экспериментальных исследований.
§ результаты лабораторного практикума интерпретируются не только наглядным представлением функциональных зависимостей в виде гистограмм и графиков, описанием с помощью аналитических выражений, но и объяснением закономерностей с привлечением модельных представлений существующих теорий. Например, диодная модель p-n-перехода дает возможность определения количественных соотношений между параметрами прибора как с помощью машинной обработки и метода наименьших квадратов, так и с помощью применения графических экспресс-методов.
Учитывая большую роль мотивационно-ориентировочного направления на начальной стадии обучения физике в вузе, нужно определить формирование познавательного интереса как один из основных путей совершенствования фундаментальной естественно-научной подготовки и повышения творческой активности студентов.
Рис. 2. Концептуальная модель фундаментальной естественно-научной подготовки.
В предложенной модели (рис. 2) лабораторный эксперимент является источником получения знаний и методом обучения, сочетающим наглядность и деятельность Он сводится не только к иллюстрации физических явлений, доказательству научных положений, но и знакомит с методами измерений и применяемыми приборами, дает возможность студенту самому оценить вклад в погрешность различных факторов. При проектировании содержания лабораторного практикума по физике его методологическую основу составили идеи системно-деятельностного подхода - базой воспитательного и образовательного процессов является личная деятельность обучаемого, а функция преподавателя заключается в умении направлять и регулировать эту деятельность в направлении повышения качества фундаментальной естественно-научной подготовки. Определенные таким образом направления повышения качества фундаментальной подготовки реализованы в Воронежском государственном техническом университете на примере курса физики в комплексе компьютерных средств сопровождения учебного процесса
Наши исследования показали, что лабораторный практикум как форма обучения представляет широкие возможности для реализации деятельностного подхода:
§ обучаемые объединяются в относительно небольшие группы с близким уровнем знаний и умений,
§ в этом случае наиболее естественным образом создается обучающая и воспитывающая среда, которая связана со спецификой данной формы обучения: определенные правила обучения, методика, цели и задачи,
§ выполнение лабораторных работ практикума обеспечивает большую самостоятельность обучаемым, практически недоступную в других видах деятельности. В то же время преподаватель в случае необходимости может вмешаться в процесс обучения, осуществить индивидуальный подход к каждому учащемуся,
§ среда обучения в таком практикуме отличается наличием не только особого психологического климата, в ней явно реализуется комплекс педагогических, эстетических, технических и других компонентов.
В отличие от традиционной методики мы получили положительный результат при активизации самообразования студентов как за счет современного научного подхода к эксперименту и обработке его результатов, так и за счет тренинга внутренней мотивации путем изменения причинных схем. Расширенная возможность тренировки и самоконтроля в данной предметной области является особенностью данной работы.
Личностно-ориентированный подход в лабораторном практикуме осуществлен на основе многовариантности заданий, системе контекстно зависимой помощи, дружественном интерфейсе. Дифференцированный подход в обучении осуществляется на индивидуальном уровне, когда сам обучающийся, исходя из своих особенностей и возможностей, определяет личную "траекторию" своего продвижения по теме.
Выработке устойчивого интереса к учебно-исследовательской работе способствует богатый информационно-дидактический инструментарий компьютерных технологий для представления учебного материала. Управление познавательной деятельностью студентов и контроль процесса обучения производится по результатам оперативной диагностики и тестирования.
Программы носят разветвленный характер и алгоритм их прохождения, темп обучения или тренировки зависит от самого обучаемого. В них предусмотрена регистрация как конечных, так и промежуточных результатов, поэтому обучаемый может выполнять работу раздельно во времени. Такой подход применяется на фронтальных лабораторных занятиях для студентов всех специальностей с начала обучения в вузе.
С целью повышения качества фундаментальной естественно-научной подготовки и развития творческих способностей обучаемых нами разработана методика формирования навыков научно-исследовательской деятельности и развития творческой активности студентов в лабораторном физическом практикуме с элементами автоматизации физического эксперимента. Особенностью ее является усиление компонентов репродуктивного и продуктивного типов мышления компонентами творческого мышления (экспериментально-исследовательской деятельностью).
В процессе практической реализации этой методики были решены и эргономические проблемы для обеспечения органичности и удобства взаимодействия человека и машины. Эти проблемы рассмотрены на двух уровнях; прикладном и системном. В первом случае речь идет об эргономических характеристиках человеко-машинного общения, а во втором - об основных идеях и принципах построения и функционирования системы в целом.
Решение проблемы фундаментализации и повышения качества естественно-научной подготовки посредством компьютеризированного лабораторного практикума привело нас к созданию серии программ повышенной сложности, каждая из которых содержит концентрированный теоретический раздел, определяющий базовые понятия и поясняющий суть задачи, лежащие в ее основе закономерности. Затем следует демонстрационный раздел, показывающий в динамике в нужном темпе все фазы процесса. После этого обучаемый получает возможность экспериментировать самостоятельно - компьютерная система превращается в рабочий инструмент, причем не только инструмент математического моделирования, но и в измерительную систему.
Как показали наши исследования, применение в данной методике компьютерной метрологии предоставляет субъектам педагогического процесса и дополнительные дидактические возможности, которые:
§ создают у студентов положительную мотивацию, что активизирует учебную деятельность уже на этапе подготовки к лабораторной работе;
§ стимулируют самостоятельное изучение реально протекающих физических явлений, и приобщают студентов к экспериментально-исследовательской деятельности.
При измерениях вольтамперных характеристик нелинейных элементов оказывается возможным не только вычислить их параметры, но и объяснить физические процессы, которые приводят к нелинейности зависимостей и применить для объяснения явлений последние достижения квантовой механики.
Все это позволяет закрепить закономерности и выводы зонной теории, связать особенности внутреннего строения и свойств кристаллов с их внешними проявлениями, что значительно повышает как интерес к самостоятельной работе студентов с ЭВМ, так и качество фундаментальной подготовки специалистов.
Самостоятельная работа студентов в таком стиле не только снимает затруднения при восприятии нового материала, но и способствует анализу различных проблемных ситуаций и формированию самостоятельных выводов и обобщений, что увеличивает мотивацию познавательной деятельности при изучении физики.
Использованный автором подход, заключающийся во включении эспериментально-исследовательской работы уже на начальной стадии обучения, хорошо вписывается в решение вопроса о ранней специализации при изучении общеобразовательных дисциплин, поскольку формирует у студента ментальный опыт и такой уровень профессиональной компетентности, который обеспечивает правильное поведение инженера в конкретных ситуациях.
Методика реализована в разработанных алгоритмах и пакетах программ автоматизированных информационных, обучающих и контролирующих модулей, допускающих и внеаудиторную самостоятельную работу студентов по следующим темам курса физики: «Измерение вольтамперной характеристики терморезистора», «Изучение затухания люминесценции», «Исследование релаксационных явлений» и в компьютерном сопровождении темы «Основы зонной теории».
Разработанная программа обеспечивает возможность самоподготовки студентов без участия преподавателя. Статистическая обработка зафиксированных результатов по выполнению отдельных частей программы позволяет преподавателю корректировать самостоятельную деятельность студентов.
В третьей главе «Методика компьютерного сопровождения учебных занятий с элементами автоматизации физического эксперимента и математической обработки результатов» представлена вариативная составляющая дидактической системы совершенствования фундаментальной естественно-научной подготовки инженеров в техническом вузе на примере решения расчетно-графических задач по физике. С учетом установленных методологических и психологических положений формирования познавательной мотивации в компьютерной среде в диссертации детально описана авторская методика повышения качества фундаментальной подготовки при решении расчетно-графических задач на аудиторных практических занятиях и при самоподготовке студентов, раскрыты этапы формирования исследовательских умений и навыков и управления этим процессом.
Предложенная методика четко ориентирована на усиление базовой подготовки по естественно-научным дисциплинам и развитие творческой активности студентов и в отличие от традиционной методики практических занятий по физике включает:
§ эвристический подход и дополнение компонентов творческого мышления (экспериментально-исследовательскую работу с графиками),
§ воспитание аналитико-синтетического мышления специалиста за счет усиления связей между различными изучаемыми темами учебного плана. При исследовании процессов заряда-разряда конденсатора как отдельного элемента системы, обучаемые познают диалектику общего и частного, обобщают полученные закономерности на процессы релаксации любой системы при переходе ее в равновесное состояние, различные по природе, но имеющие общую сущность и подчиняющиеся одному математическому закону,
§ освоение студентами научных методов экспериментальных исследований.
Весь изучаемый материал с учетом системы дидактических показателей, использует третий уровень представления учебного материала - уровень математического описания явлений, который создает возможность количественного прогнозирования результатов физических явлений. Определены дидактические цели и средства для достижения второго или третьего уровня усвоения учебного материала. Элементы содержания учебного курса представляют логически целостный фрагмент этого курса и содержат мультимедийные средства представления информации, дидактические средства управления процессом познания, дидактические средства контроля и стимулирования познавательной деятельности.
Такая методика решения дидактических задач охватывает законченный фрагмент обучения, который включает изложение нового материала, постановку учебной задачи, контроль правильности ее решения и оказание помощи учащимся. Динамика решения рассматриваемых задач описывается на уровне способа действия, учитываются все наиболее существенные для решения этой задачи моменты.
Дальнейшее развитие получил эвристический метод получения знаний при использовании компьютерной обучающей среды в процессе проведения практических занятий по физике. Его особенность в самостоятельном поиске и приобретении знаний, умений, способов деятельности. В отличие от традиционного процесса обучения, обучение с использованием компьютеризированной образовательной среды подразумевает значительно более активную деятельность со стороны обучаемого при решении задач.
Методика реализована в виде пакета прикладных компьютерных программ интенсивного обучения для решения расчетно-графических задач по таким темам курса физики как «Движение тела, брошенного под углом к горизонту», «Затухающие колебания», «Механический резонанс», «Резонанс в колебательном контуре», «Цикл Карно». Во всех этих работах исследуемый график может быть получен двумя разными путями. Первый из них включает измерение конкретной зависимости на реальной установке и машинное построение графика с использованием метода наименьших квадратов. Во втором случае ЭВМ может выдать для обработки студентом один из готовых графиков.
Тот факт, что самые разнообразные явления описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями, позволяет изучать законы этих явлений на каком-либо одном примере. Это особенно важно, когда мы лишены возможности непосредственного восприятия того, что происходит в этом явлении. Использование аналогии позволяет, например, с помощью простейшей электрической схемы для зарядки-разрядки конденсатора изучать в курсе физики студентами всех технических специальностей процессы диффузии, теплопроводности, радиоактивного распада веществ и т.д. При этом поставлена задача не только познакомиться с закономерностями процесса релаксации, но и на конкретном примере научиться измерять параметры системы.
Целый ряд законов физических явлений (законы Ньютона, Гука, Ома и др.) констатирует линейную зависимость одной физической величины от другой. Постоянный математический коэффициент пропорциональности свидетельствует как о постоянстве внутреннего механизма протекания явлений, так и о наличии неизменяющихся внешних условий. Поэтому любые проявления нелинейности требуют всегда дополнительного изучения и понимания сущности изучаемых явлений. Именно на раскрытие глубинного механизма явлений на элементарном уровне направлены экспериментально-исследовательские работы по изучению вольтамперных характеристик диода и терморезистора. И если для исследования полупроводникового диода используются промышленные приборы, то для изучения терморезистора применены разработанные автором миниатюрные приборы на основе нитевидных кристаллов кремния. Это не только усиливает интерес к работе, но и позволяет показать значение и полезные качества новых технических решений.
Как установлено в процессе настоящих исследований, наиболее общими критериями повышения качества фундаментальности образования обучаемых и сформированности научного мировоззрения являются:
§ на частнонаучном уровне - степень владения основными современными методами экспериментального исследования, умения ввести новые условия в эксперимент, вычленить из графических данных связь физических величин и т.д. ;
