CC BY
70
УДК 372.853
Мухина Юлия Рамилевна
Аспирант кафедры «Теория и методика обучения физике» Челябинского государственного педагогического университета, julia-bantik@mail.ru, Челябинск
АКТИВИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬКОЙ ДЕЯТЛЬНОСТИ СТУДЕНТОВ 1Т-СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ НА ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЯХ ПО ФИЗИКЕ
Mukhina Yuliya Ramilevna
Postgraduate student of department «The theory and methods of teaching physics» The Chelyabinsk state pedagogical university, julia-bantik@mail.ru, Chelyabinsk
IT SPECIALTIES STUDENTS RESEARCH ACTIVITY’S INTENSIFICATION ON THE PRACTICAL LESSONS IN PHYSICS
Исследовательская деятельность является высшей формой учебно-познавательной деятельности студентов. Знания и умения, полученные с помощью самостоятельного решения проблем, отличаются глубиной, прочностью и действенностью. Новые стандарты высшего профессионального образования для инженерных специальностей включают в себя требования к формированию компетенций в области научно-исследовательской деятельности. Не исключение и IT-специалисты (направления обучения «Информатика и вычислительная техника», «Информационные системы и технологии»), для которых умения самостоятельно анализировать проблему, осуществлять поиск и анализ информации по проблеме, решать проблему с помощью современных информационных технологий являются основой их будущей профессиональной деятельности независимо от ее направления. Кроме того, для студентов, работа которых в будущем будет связана с решением производственных или научно-технических задач, крайне важно овладение компетенцией в области планирования и проведения экспериментальных исследований.
Будущая профессиональная деятельность IT-специалистов имеет следующие особенности:
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 или с 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.
В связи с данными особенностями профессиональной деятельности 1Т-специалистов мы видим необходимость в разработке нового подхода к обучению, основанного на исследовательском методе обучения и интеграции предметного и профессионального содержания. В данной статье рассмотрена методика обучения физике студентов 1Т-специальностей. В качестве основной цели данной методики выступает формирование не только ЗУНов по физике, но и профессиональных компетенций через активную исследовательскую деятельность на основе вычислительного физического эксперимента.
Физика - это наука, изучающая и объясняющая различные закономерности природы. Она является основой многих инженерных дисциплин. Содержание вузовского курса физики неизменно включает в себя решение большого числа задач и проведение лабораторных работ. В тоже время все дисциплины профессионального цикла направлены на изучение различных информационных технологий, одной из которых является технология компьютерного моделирования. В физике как науке на современном этапе широко используется особый метод познания - вычислительный эксперимент, основанный на компьютерном моделировании. Поэтому целесообразно интегрировать исследовательские физические задачи и вычислительный эксперимент.
Анализируя особенности профессиональной деятельности, требования к подготовке 1Т-специалистов [1;2] и специфику предмета физики мы построили следующую модель компетентности, которую студенты могут достигнуть при обучении физике на основе вычислительного эксперимента (рисунок 1).
Основной целью обучения физике в таком случае является активизация исследовательской деятельности через использование вычислительного эксперимента для решения исследовательских физических задач.
На основе исследований по активизации учебно-познавательной деятельности [3-5], а также специфики обучения физике 1Т-специалистом можно построить модель активности и активизации деятельности студентов (рис. 2).
Таким образом, в основу активизации мы положили связь физического содержания предмета с профессиональными навыками. В связи с особенностями профессиональной деятельности 1Т-специалистов, мы полагаем, что наиболее приемлемым является метод проектов. Проекты будут основаны на особом методе познания - вычислительном эксперименте, суть которого состоит в создании компьютерной модели изучаемого процесса (явления) и проведения с данной моделью экспериментов с целью изучения объекта моделирования.
Итак, основой нашей методики являются интеграция предметного содержания физики (исследовательские физические задачи) и профессиональных умений (методы вычислительного эксперимента) на основе метода проектов.
Компетентность в области вычислительного физического эксперимента
Компетенции:
в области использования информационных технологий для решения практически задач; в области проведения научных исследований.
Знания, умения, навыки:
1. Знания о:
- физических понятиях, законах, теориях;
- современных информационных технологиях;
- методах научного исследования.
2. Умения в области исследовательской деятельности на основе вычислительного эксперимента:
- умение ставить задачу и выдвигать гипотезы ее решения;
- умение производить сбор и анализ информации;
- умение решать физические задачи в общем виде (формализация);
- умение использовать программные средства для создания и отладки компьютерных физических моделей;
- умение планировать и проводить вычислительный эксперимент;
- умение анализировать результаты экспериментов и представлять результаты в виде выводов, графиков, таблиц, обобщенных схем.
3. Умения и навыки работать в коллективе:
- умение распределять задания внутри группы;
- умение оценивать свои возможности и брать ответственность за свою деятельность;
- умение выступать перед аудиторией;
- умение задавать и отвечать на вопросы.
Обобщенные способы деятельности:
1. Использование вычислительного эксперимента в качестве метода исследования.
2. Сотрудничество и кооперация с коллективом при разработке проектов (создание и исследование компьютерных физических моделей)
Личностные и профессионально важные качества:
1. Активность в познавательной и профессиональной деятельности.
2. Ответственность и исполнительность.
3. Готовность к сотрудничеству и кооперации с коллегами.
4. Стремление к постоянному профессиональному совершенствованию, пополнению знаний и навыков.
Рис. 1. Структура компетентности в области вычислительного физического
эксперимента
Рис. 2. Модель активизации исследователь ской деятельности 1Т-специалистов на практических занятиях по физике
Согласно Е. СО. Полат [(5] к использованию метода проектов предъявляются определенные требования. Рассмотрим их применительно к практи-
АКТИВИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СТУДЕНТОВ... ческим занятиям по физике с использованием элементов вычислительного эксперимента:
1. Наличие значимой в исследовательском, творческом плане проблемы (задачи), требующей интегрированного знания, исследовательского поиска для ее решения. В нашем случае мы будем использовать физические задачи с проблемным содержанием, решение которых осуществляется на базе знаний по физике и по информационным технологиям.
2. Практическая, теоретическая, познавательная значимость предполагаемых результатов. В нашем случае результатом является компьютерная модель физического процесса (явления), которую можно использовать для изучения этого процесса (явления) и для решения целого класса задач.
3. Самостоятельная (индивидуальная, парная, групповая) деятельность учащихся.
4. Структурирование содержательной части проекта (с указанием поэтапных результатов). В решение задач по физике на основе вычислительного эксперимента можно выделить шесть этапов:
- постановка задачи и ее анализ;
- формализация задачи;
- выбор информационных технологий и программных средств для решения задачи;
- реализация решения с помощью выбранных программных средств;
- планирование и проведение экспериментов с моделью;
- анализ и интерпретация результатов.
5. Использование исследовательских методов. Для решения физических задач на построение компьютерных моделей исследовательская деятельность должна состоять из следующих этапов:
- постановка проблемы и определение задач исследования;
- выдвижение гипотезы;
- сбор данных;
- формализация задачи;
- выбор современных информационных технологий и программных средств;
- реализация модели с помощью программных средств;
- тестирование и верификация модели;
- проведение эксперимента с моделью;
- анализ полученных данных;
- оформление конечных результатов;
- подведение итогов, выводы и выдвижение новых проблем исследования.
Рассмотрим структуры занятий по физике на основе метода проектов. В таблице приведены различные виды деятельности студентов на основе метода проектов.
Таблица
Структуры организации деятельности студентов 1Т-специальностей на занятиях по физике при создании проектов на основе вычислительного эксперимента
Э тапы вычислительного эксперимента Цель деятельности
Углубление и систематизация знаний, совершенствование умений Обобщение и систематизация знаний, совершенствование умений Самостоятельное приобретение знаний и умений
Виды деятельности по преобладающему типу самостоятельной работы
Эвристиче ская Эвристиче ская Творческая
Постановка задачи Проблемная беседа по выдвижению гипотезы Беседа по выдвижению гипотезы Создание проектов - внеаудиторная групповая самостоятельная работа
Формализация задачи Аудиторная групповая самостоятельная работа Подготовка к конференции -внеаудиторная индивидуальная самостоятельная работа
Выбор ИТ
Создание модели
Планирование и проведение эксперимента Аудиторная и внеаудиторная индивидуальная самостоятельная работа
Анализ результатов
Подбор и решение задач
Защита проектов Обсуждение результатов эксперимента Организация конференции Организация защиты проектов
Контроль Проверка решения задач Проверочная работа по решению задач
Деятельность по первой структуре направлена на освоение методики создания проектов на основе физического вычислительного эксперимента. Основные этапы создания проектов выполняются под контролем преподавателя. Вторая структура направлена на самостоятельное создание проектов отдельными студентами по заданию преподавателя и выступление с данными проектами на конференции. Деятельность по последней структуре направлена на создание групповых семестровых проектов всеми студентами и отчетом по данным проектам на итоговой конференции в конце семестра.
Рассмотрим основные методические особенности организации таких занятий. Во-первых, для первого вида деятельности необходимы методические рекомендации по выполнению проектов, которые включают:
- цели и задачи проекта,
- теоретическое введение,
- описание ключевых этапов создания модели,
- контрольные вопросы, на которые студенты должны дать ответ после выполнения экспериментов (вопросы служат ориентиром для планирования экспериментов с моделью).
Для данной деятельности подойдут задания по изучению основных явлений и процессов, входящих в стандарт изучения физики. Например, статистические распределения Максвелла и Больцмана, гармонические и затухающие колебания и др. Задания лучше делить на варианты, так в случае изучения статистических распределений группу можно разделить на подгруппы с отдельными заданиями: изучение распределения Максвелла, распределения Больцмана, барометрической формулы, а в случае изучения колебаний - на подгруппы: колебания на примере пружинного маятника, физического маятника, математического маятника и колебательного контура. На первом занятии студенты выполняют под руководством преподавателя первые четыре этапа, затем в индивидуальном порядке во внеаудиторное время следующие три этапа с помощью методических рекомендаций. На следующем занятии преподаватель организует обсуждение результатов работы каждой группы по следующему плану:
1. Формулировка задачи.
2. Небольшое теоретическое описание задачи (основные формулы, законы, теории, положенные в основу создания модели).
3. Описание основных этапов создания модели с помощью программного средства.
4. Правила работы с моделью.
5. План проводимых экспериментов.
6. Выводы по результатам экспериментов.
7. Подбор классов физических задач, которые можно решить с использованием данной модели. Возможные способы использования модели.
8. Допущения принятие при построение модели и ограничения, с которыми можно использовать модель.
9. Возможные направления усовершенствования и развития модели.
После обсуждения модели выкладываются в общий доступ, и преподаватель организует контрольную работу в виде задач, которые студенты должны решить с помощью моделей. При этом задачи должны быть направлены на использование всех моделей.
Вторая структура деятельности направлена на подготовку к занятию-конференции, которая включает выполнение всех этапов вычислительного эксперимента. Преподаватель раздает задания отдельным студентам, обсуждает план создания модели и проведения вычислительного эксперимента, при необходимости консультирует их во внеаудиторное время. Студенты самостоятельно выполняет все этапы с помощью дополнительной литературы и средств Intemet. Для конференции лучше выбирать задания входящие в
курс физике, но не достаточно раскрытые на семинарских и практических занятиях. Например, изучение различных видов соударения шаров или графическое представление электростатического и магнитного полей.
На самой конференции студенты представляют свои модели как проекты по представленному выше плану, а слушатели осуществляют контроль по плану:
1. Все ли этапы решения задачи выполнены?
2. Правильно ли осуществлена формализация задачи (аналитическое решение)? Например, за счет проверки размерности.
3. Правильно ли выбрана информационная технология и программное обеспечение для решения данной задачи? Является ли этот выбор оптимальным?
4. Корректно ли осуществлена реализация решения в выбранной программе? Использованы ли необходимые функциональные возможности программы?
5. Проведено ли тестирование корректности работы модели?
6. Реализован ли вычислительный эксперимент? Насколько правильно спланирован эксперимент?
7. Сопоставимо ли полученное решение реальному протеканию физических процессов(явлений)?
После осуществляется проверочная работа, как и в предыдущей структуре деятельности.
Последний вид деятельности предполагает выполнение достаточно крупного по объему проекта, возможно выходящего за рамки стандарта изучения курса физики. Например, создание модели ускорителей заряженных частиц, модели опыта Милликена, модели аттракциона Лоренца, модели работы различных оптических устройств и пр. Задания раздаются в первой части семестра, чтобы у студентов оставалось 1,5-2 месяца на создания проектов. Студенты делятся на группы по 3-5 человек. По завершению проекта, кроме самого проекта студенты должны предоставить подробный отчет о выполненной работе с указанием ответственных за каждый этап проекта. На итоговую конференцию необходимо пригласить преподавателя по информационным технологиям для экспертной оценки создания проектов. Защита проектов осуществляется по тому же плану, что и в предыдущей структуре.
Организация исследовательской деятельности на основе вычислительного эксперимента по методу проектов позволит:
- сформировать научно-исследовательские компетенции, входящие в стандарт обучения;
- подготовить студентов к будущей профессиональной деятельности;
- показать возможность применения профессиональных навыков к конкретной предметной области (физике).
Кроме того, активная исследовательская деятельность, связанная с будущей профессией, должна вызвать интерес у студентов к достаточно сложной науке физики, тем самым повысить активность студентов и качество обучения. Так в ходе педагогического исследования нами были получены следующие показатели:
1. Увеличились полнота усвоения знаний и полнота сформированности умений в области физике;
2. Возрос уровень самостоятельности студентов;
3. Повысился интерес к предмету физика;
4. Возросли коммуникативные качества студентов;
5. Произошел перенос знаний не только с профессиональных предметов в физику, но и на оборот: знания и умения по моделированию и вычислительному эксперименту стали использоваться по дисциплинам профессионального цикла (информационные технологии, моделирование систем, основы теории управления и др.).
Библиографический список:
1. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника» / Утвержден министерством образования и науки РФ 9.11.09 №553.
2. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 230400 «Информационные технологии и системы» / Утвержден министерством образования и науки РФ 16.02.10 №25.
3. Вербицкий, А. А. Активное обучение в высшей школе: контекстный подход [Текст]: метод. пособие / А. А. Вербицкий. - М.: Высшая школа, 1991. - 207 с.
4. Каменева, Г. А. Педагогические условия активизации учебно-познавательной деятельности студентов физико-математического факультета (на примере изучения базовых дисциплин) [Текст]: дис. ... кандидата педагогических наук / Г. А. Каменева. - Челябинск, 1999. - 181с.
5. Низамов, Р. А. Дидактические основы активизации учебной деятельности студентов [Текст] / Р. А. Назимов. - Казань: изд-во Казан. ун-та, 1975. - 202 с.
6. Полат, Е. С. Новые педагогические и информационные технологии в системе образования: учеб. пособие для студ. пед. вузов и системы повыш. квалиф. пед. кадров [Текст] / Е. С. Полат, М. Ю. Бухаркина, М. В. Моисеева, А. Е. Петров; под ред. Е. С. Полат. - М.: Издательский центр «Академия», 2002. - 272 с.
