CC BY
96
УДК 378
Antifeeva E.L., Cand. of Sciences (Pedagogy), senior teacher, Military Space Academy n.a. A.F. Mozhaysky (Saint Petersburg, Russia),
E-mail: [email protected]
Petrova D.G., Cand. of Sciences (Pedagogy), senior lecturer, Herzen State Pedagogical University of Russia (Saint Petersburg, Russia),
E-mail: [email protected]
Fomicheva E.E., Cand. of Sciences (Physics, Mathematics), senior teacher, Military Space Academy n.a. A.F. Mozhaysky (Saint Petersburg, Russia),
E-mail: [email protected]
PHYSICAL MODELING AND FORMATION OF RESEARCH SKILLS OF STUDENTS. The article discusses issues related to training future engineers for research activities, to development of professional competencies that contribute to the formation of scientific thinking in students when solving quality problems in a physics course. The relationship between the experiment and the educational and research activities of students has been determined, and their importance for the preparation of future engineers to solve professional problems defined by the Federal State Educational Standard of Higher Education. The stages of constructing a physical model of the phenomenon as stages of a scientific experiment are considered, and examples of tasks of a research orientation are given, which can be included in the program of practical and laboratory classes in physics at a university. The application of the Matlab software package in a laboratory practice for visualization of research results is substantiated. The material presented in the article is a generalization of the experience of solving problems of applied materials science in a physics course for the formation of professional competencies of students of the Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky.
Key words: approaches in education, professional competencies, research activities, physical modeling.
Е.Л. Антифеева, канд. пед. наук, преп., Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург, E-mail: [email protected]
Д.Г. Петрова, канд. пед. наук, доц., Российский государственный педагогический университет имени А.И. Герцена, г. Санкт-Петербург,
E-mail: [email protected]
Е.Е. Фомичева, канд. физ.-мат. наук, преп., Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург, E-mail: [email protected]
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ НАВЫКОВ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОБУЧАЮЩИХСЯ
В данной статье рассматриваются вопросы, касающиеся подготовки будущих инженеров к научно-исследовательской деятельности, развития профессиональных компетенций, способствующих формированию научного мышления у обучающихся при решении качественных задач в курсе физики. Определена связь эксперимента и учебно-исследовательской деятельности обучающихся и их значение для подготовки будущих инженеров к решению профессиональных задач, определенных ФГОС ВО. Рассмотрены этапы построения физической модели явления как этапы научного эксперимента, а также приведены примеры заданий научно-исследовательской направленности, которые могут быть включены в программу практических и лабораторных занятий по физике в вузе. Обосновано применение пакета прикладных программ Matlab в лабораторном практикуме для визуализации результатов исследования. Материал, представленный в статье, является обобщением опыта решения задач прикладного материаловедения в курсе физики для формирования профессиональных компетенций обучающихся Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского.
Ключевые слова: подходы в образовании, профессиональные компетенции, научно-исследовательская деятельность, физическое моделирование.
Одним из видов общепрофессиональных компетенций, которыми должны обладать выпускники инженерных вузов, является научно-исследовательская деятельность. Компетенции, отражающие готовность будущих инженеров к данному виду деятельности, начинают формироваться уже на начальном этапе обучения в рамках дисциплин математического и естественнонаучного цикла [1; 2], в частности при изучении курса общей физики.
Являясь «модельной» наукой - наукой, рассматривающей процессы, объекты и явления с точки зрения моделей, наиболее полно описывающих эти явления, физика является основой практически всех инженерных наук. О применимости физического моделирования для описания различных процессов опубликовано достаточно много материалов [3; 4; 5]. Ярким примером тому могут служить работы академика Российской академии образования Кондратьева А.С., который одним из первых российских физиков ввел понятие физического моделирования в преподавание физики и являлся основателем одной из научных школ Российского государственного педагогического университета имени А.И. Герцена [6].
Также стоит отметить, что единство и баланс качественного и количественного подходов в образовании наиболее полно видны в комплексе дисциплин математического и естественнонаучного цикла (в частности, в преподавании физики), в рамках которых и возможно формирование научного мышления и компетенций, необходимых для решения исследовательских задач. Результатом такой исследовательской деятельности должно стать качественное описание процесса, его количественная оценка, экспериментальное подтверждение выдвинутой гипотезы, а также определение границ применимости разработанной модели. Только в этом случае можно говорить о завершенном научном исследовании.
Для определения значимости физики в формировании компетенций, позволяющих продуктивно заниматься научно-исследовательской деятельностью, достаточно проанализировать ФГОС ВО. Можно с уверенностью сказать, что научно-исследовательская деятельность будущих специалистов инженерных вузов напрямую связана с преподаванием физики и общепрофессиональными компетенциями, которые могут быть сформированы у обучающихся в рамках этой дисциплины. Научно-исследовательская деятельность предполагает построение новых моделей явлений и объектов, выбор оптимальных средств и методов их исследования, а также построение математической модели, подтверждающей ее корректность и обоснованность.
Когда мы говорим о связи физического и математического моделирования, то мы сообщаем о единстве качественного и количественного описания
одного и того же явления или объекта. Таким образом, соединив физическую и подтверждающую ее математическую модель, мы получаем конечный результат - завершенное научное исследование, имеющее практическое подтверждение. И если у обучающихся сформированы умения как физического, так и математического моделирования, то с уверенностью можно сказать, что они готовы к самостоятельной научно-исследовательской деятельности.
Стоит отметить, что умение решать количественные задачи (манипулировать физическими величинами) не всегда связано с пониманием сути физического явления, о котором говорится в задаче. Это расхождение хорошо видно при анализе успеваемости обучающихся. Очень часто при выполнении лабораторных работ по физике обучающиеся достаточно хорошо проводят измерения и расчеты, но при этом не могут ответить на вопрос, что произойдет при изменении некоторых параметров эксперимента. Таким образом, возникает необходимость в рамках практических занятий (а не только лабораторного практикума) решать не только количественные, но и качественные задачи, которые помогут понять суть физического процесса, а также на более глубоком уровне прогнозировать явления, т.е. создавать динамически изменяемую физическую модель явления.
Таким образом, физическое моделирование будет выступать одним из инструментов формирования качественного понимания физического явления у обучающихся.
Надо отметить, что построение физической модели явления - это не спонтанный процесс, это процесс, состоящий из логических операций анализа, сравнения, синтеза и обобщения. Для того чтобы разработанная модель была полной, т.е. включала в себя зависимости от всех параметров системы и внешних условий, необходимо определить этапы и последовательность построения модели:
- описание (особенности, характеристики);
- выявление главного с точки зрения условий задачи;
- выдвижение гипотезы о механизме явления;
- экспериментальная проверка гипотезы.
Если говорить о физическом моделировании как части учебной деятельности обучающихся, то его можно включить в учебный процесс как исследовательские задания в рамках практических занятий. Но если построение самой модели явления можно рассматривать в рамках практических занятий, то экспериментальная проверка гипотезы выходит за рамки практических занятий. Таким образом, решение комплексных задач, включающих в себя различные виды учебной деятельности (и практическую, и лабораторную), требует достаточно больших
временных затрат и не всегда может быть включено в аудиторную работуобу-чающихся.
Решение этой проблемы можно найти в ФГОС ВО. Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования на самостоятельную работу обучающихся предусмотрен достаточно большой объем часов, который представляет сумму инвариантной и вариативнуу составляющих. И если инвариантная часть является обязательной в полном объеме для всех и, как правило, представлена заданиями, направленнымана формирование основных компетенций, то в рамках вариативной самостоятельной работы нам представляется возможным формирование дополнительамх навыков, развитие умений физического моделирования у обучающихся, о которых мы говорим, формирование которых представляется нам обязательным у выпускников инженерных специальностей вузов для подготовки последних к научно-исследовательской деятельности. Вариативная часть самостоятельной работы может содержать ряд исследовательских заданий, выполнение которых предусматривает решение качественных и количественных задач, в которых итогом будет построение физической модели явления.
Для того чтобытакиезадания,представленныеввариативнойчасти образовательной программы, носили характер полного научного исследования и были интересны для обучающихся, неибходимо, чтчбы интйылиираитедочори-ентированными, требующими не только точных расчетов, но и экспериментальной проверки. Онидолжны пнеысчдвеять комчлепсиую грактидесеуезедичу в которой будет отражено качественное и количественное изменение состояния объекта или системы (возможно, отдельных параметров системы или объекта) при изменении каких-либо внешних условий или параметров самой системы. Такие задания должны подбираться с учетом интересов обучающихся, и отражать их профессиональную направленность. Так, для специальности 210000 «Электронная техника, радиотехника и связь» интересными могут стать задачи прикладного материаловедения, отражающие специфику их профессиональной деятельности [7; 8].
Примером такого задания может быть объяснение изменения вида температурной зависимости электропроводимости п-типа германия (Се) при различной концентрации донорной примеси фосфора от 1013 см-1 до 1019 см-1.
Обучающимся предлагается проанализировать представленные температурные зависимости. Если оснащение лаборатории позволяет провести измерения, то экспериментальные данные могут быть получены ими самостоятельно.
Из экспериментальных данных следует, что при достижении определенной концентрации примеси (порядка 1017 см-1) проводимость германия является достаточно высокой (слабо зависит от температуры, что соответствует переходу вещества из неметаллического (полупроводникового) в металлическое состояние).
Первый вопрос, который может возникнуть, - почему при такой малой концентрации примеси происходит металлизация вещества? При столь малой концентрации примеси материал обладает достаточно высокой электропроводимостью. Если сравнить концентрацию примеси (1017 см-1) с концентрацией атомов в металле (1022 см-1), то мы увидим расхождение порядка 105. Это противоречие может стать основой для проведения исследования и установления причины столь высокой электропроводимости.
-3 дан-омслучон дну тТхнающиххя зотанте мооетТли нформаонотвхна не только как количественная оценка крууи чеьконконцтотдау и и донотУод п р-о меси, но и качественное объяснение изменения электропроводимости, т.е. раз-на°отка фиаичесмойуоуено авоунно.
Как дополнение для решения данной задачи, обучающимся должны быть ицеумттвлено (тлд уооучноы идх номоитеянолннд) н°ько°нметда°оныц уауноо по температурным зависимостумпостеянмтх Xоола и кунцентооцикллeктыоноы ддя датхых oТнлзкну уегидннауногд гертуния.
Для построения модели явлтхия обухающтеоя доужхы oоаeдeмктн,кукай налнотах °унооа сиоаому. Оородееив, хто систелу явхоонцу охкпоуяночцннар примесной на основании тнгд.чотхадиус псиоосногосостояная в совуерово-ынина тоньше, чнм °Уо°°к ооoЦoоуoгo панмеcнoгo утома, о^1ояен^нноо такого поведения системы может ыложиот модоря пеооходн ноте у одyьoрядoчдннмй оци°ecмд° сисуемо, ьaзгыЦотьннcй им в шкд надо оВонноыннноснь втщвпнуцоо гипотезы можно проверить га осеовошо фидерея М^т^^, cr)цлыeмцeмoгы йоpдз льммиуу<гукю мтинеянтаиню, нао кcкьйцЯ иуcкькуяиу кцьнузм оз ннмeкaпоикыcкo-го состояния в металличеслoмл(,ибoм>тзгиктадиycводоцоыoомдoдкorмуни-месндго цеитра аБ.
Nr
-0,02.
Таким образом, при условии выполним критеризМопз,п рлелозоиния модель бувзт ерззментииз^зна и смиимтеся действителокий
223 323 423 К
223 323 423 К
Рис. 1. Температурнвяз ависимост ь удельноСялектрияесеоЙр ровидиврсви германия(Ge) n-типа
О 100 200°С о 100 200°С
а) б)
Рис. 2. Взинтимискь уделлнкИ элскупнтемиой нремоиимоемн фзмния
а) кремний n-типа; б) кремнийр-типа
В продолжение иаычно-рссеидойнтедиипыН рдбиыобучающимся может быть предложено спрогнозировать значеное фкочеокуй киуцектмлцйк зегиеею-щей поимпчи здя дуккзи йолупкивмонккмоых эзууитеО-
В качестве базовых мoозMкоьпоeмooзe ны экмпзннмзртамьномлсн ныркм оемуккотзоыо (зписнмояипм козрлиммостк фймуря (Бйп-киии т|4йиме.
Алгоритм создания фп(и4ескоемкддлибмоенарапогэчепмпивзденным еасикидуенкям. Н для Полой номузго поквиопио эирнепомеуга о моемолоосси прогнозирования протекания процессов можно предложить обучающимся разработать математическую модель явления, т.е. смоделировать данное исследование при помощи различных пакетов прикладных программ, используемых для решения прикладных задач. В качестве таких программных продуктов могут быть использованы Matlab и Mathcad, широко применяемые в учебном процессе. Плюсом использования данных продуктов является их универсальность и наглядность.
Используя пакет System Identification, являющийся профессиональным приложением Matlab, можно на основе входных и выходных экспериментальных данных построить математическую модель (уравнение), описывающую данное явление. Результаты экспериментальных данных, представленные графически, будут аппроксимированы, найдены общие точки исследуемых явлений, определены коэффициенты, являющиеся едиными для всех рассмотренных процессов [9].
Но единственным минусом данной системы будет то, что она не даст физического объяснения интересующих нас процессов.
Несмотря на то, что сегодня для решения экспериментальных задач имеются широчайшие возможности, позволяющие сделать процесс научного исследования современным, полным, наглядным, он не будет завершенным, если
исследователь не будет обладать определенным набором компетенций, позволяющих не только просчитывать, но и объяснять изучаемые процессы, явления и объекты.
Объяснение механизма явления, создание адекватной физической модели остается частью научно-исследовательской работы, которую никто, кроме самого
исследователя, выполнить не может. Таким образом, мы снова вернулись к вопросу формирования исследовательских компетенций у будущих специалистов, необходимости их развития в рамках научно-исследовательских задач, а также к проблеме подбора учебного материала, на основе которого эти компетенции и будут формироваться.
Библиографический список
1. Алтухов А.И., Калинин В.Н., Чебурков М.А. Об опыте формирования и оценивания компетенций по дисциплинам профессионального цикла в системе военного образования. Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. 2016; № 650: 204 - 209.
2. Алтухов А.И., Головина В.В., Калинин В.Н. Формирование и критерии оценивания общекультурных и профессиональных компетенций в цикле математических и естественнонаучных дисциплин. Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. 2014; № 642: 210 - 215.
3. Голубева О.Н., Лебедев В.В., Суханов А.Д. Физическое моделирование как универсальный подход к построению концептуальных естественнонаучных курсов. Вестник Нижегородского университета имени Н.И. Лобачевского. Серия: Инновации в образовании. 2000; № 1: 205 - 220.
4. Суппес В.Г Физическое моделирование при изучении электростатических полей в курсе общей физики. Современные наукоемкие технологии. 2004; № 5: 54 - 55.
5. Михалев М.А. Развитие основ физического моделирования в гидравлике. Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники имени Б.Е. Веденеева. 2006; № 245: 60 - 68.
6. Кондратьев А.С. Физическое моделирование и иерархия временных масштабов. Физическое образование в ВУЗах. 1996; № 3: 1 - 11.
7. Ханин С.Д., Хинич И.И. Развитие исследовательских умений соотнесения эксперимента, теории и практики в обучении физическим основам твердотельной электроники. Известия Российского государственного педагогического университета имени А.И. Герцена. 2008; № 48: 146 - 155.
8. Антифеева Е.Л., Ханин С.Д. Физическое моделирование в решении задач электроники конденсированных сред. Физика конденсированного состояния и электроника: проблемы науки и образования. Российский государственный педагогический университет имени А.И. Герцена. Санкт-Петербург, 2000: 174 - 185.
9. Калмычков В.А., Курганская Л.В., Шестова Е.А., Егошин А.В., Шумков Д.С. Моделирование операторов физических величин в Matlab. Современные проблемы науки и образования. 2013; № 1: 110.
References
1. Altuhov A.I., Kalinin V.N., Cheburkov M.A. Ob opyte formirovaniya i ocenivaniya kompetencij po disciplinam professional'nogo cikla v sisteme voennogo obrazovaniya. Trudy Voenno-kosmicheskoj akademii imeni A.F. Mozhajskogo. 2016; № 650: 204 - 209.
2. Altuhov A.I., Golovina V.V., Kalinin V.N. Formirovanie i kriterii ocenivaniya obschekul'turnyh i professional'nyh kompetencij v cikle matematicheskih i estestvennonauchnyh disciplin. Trudy Voenno-kosmicheskoj akademii imeni A.F. Mozhajskogo. 2014; № 642: 210 - 215.
3. Golubeva O.N., Lebedev V.V., Suhanov A.D. Fizicheskoe modelirovanie kak universal'nyj podhod k postroeniyu konceptual'nyh estestvennonauchnyh kursov. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta imeni N.I. Lobachevskogo. Seriya: Innovacii v obrazovanii. 2000; № 1: 205 - 220.
4. Suppes V.G. Fizicheskoe modelirovanie pri izuchenii elektrostaticheskih polej v kurse obschej fiziki. Sovremennye naukoemkie tehnologii. 2004; № 5: 54 - 55.
5. Mihalev M.A. Razvitie osnov fizicheskogo modelirovaniya v gidravlike. Izvestiya Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta gidrotehniki imeni B.E. Vedeneeva. 2006; № 245: 60 - 68.
6. Kondrat'ev A.S. Fizicheskoe modelirovanie i ierarhiya vremennyh masshtabov. Fizicheskoe obrazovanie v VUZah. 1996; № 3: 1 - 11.
7. Hanin S.D., Hinich I.I. Razvitie issledovatel'skih umenij sootneseniya 'eksperimenta, teorii i praktiki v obuchenii fizicheskim osnovam tverdotel'noj elektroniki. IzvestiyaRossijskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta imeniA.I. Gercena. 2008; № 48: 146 - 155.
8. Antifeeva E.L., Hanin S.D. Fizicheskoe modelirovanie v reshenii zadach elektroniki kondensirovannyh sred. Fizika kondensirovannogo sostoyaniya i 'elektronika: problemy nauki i obrazovaniya. Rossijskij gosudarstvennyj pedagogicheskij universitet imeni A.I. Gercena. Sankt-Peterburg, 2000: 174 - 185.
9. Kalmychkov V.A., Kurganskaya L.V., Shestova E.A., Egoshin A.V., Shumkov D.S. Modelirovanie operatorov fizicheskih velichin v Matlab. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2013; № 1: 110.
Статья поступила в редакцию 22.07.20
УДК 378.14
Shendrikova S.P., Doctor of Sciences (History), Professor, Department of History, Local History and Methods of Teaching History of the Humanitarian and Pedagogical Academy, Branch of Crimean Federal University n.a. V.I. Vernadsky (Sevastopol, Russia), E-mail: [email protected] Bogush T.V., teacher, Department of Preschool, Primary and Special Education of the Humanitarian and Pedagogical Institute, Sevastopol State University (Sevastopol, Russia), E-mail: [email protected]
READINESS DIAGNOSTICS OF THE FUTURE PRIMARY SCHOOL TEACHERS FOR THE EDUCATIONAL CONTENT DESIGN. The article describes the readiness diagnostics of the future primary school teachers to design educational content. The purpose of the article is to define a program for diagnosing the readiness of future primary school teachers to design educational content and demonstrate its results. The components (motivational-orientation, cognitive, operational-activity, and evaluative-reflexive) and criteria for the formation of this readiness are presented. The concepts of future primary school teachers to design educational training and readiness content are revealed. Considerable attention is paid to the methodology of the studied readiness formation diagnostics, which presents methods of questioning, interviewing, testing and activity products analysis. Using the example of testing the motivational-orientation component, the process of readiness formation diagnosing future primary school teachers to design educational content is described in more detail and its results are demonstrated.
Key words: diagnostics, readiness, future primary school teachers, design of educational content, preparation, components, criteria, methods.
С.П. Шендрикоеа, д-р ист. наук, проф., Гуманитарно-педагогическая академия (филиал) ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского», г. Севастополь, E-mail: [email protected]
Т.В. Богуш, преп., Гуманитарно-педагогический институт ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», г. Севастополь, E-mail: [email protected]
ДИАГНОСТИКА ГОТОВНОСТИ БУДУЩИХ УЧИТЕЛЕЙ НАЧАЛЬНЫХ КЛАССОВ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО КОНТЕНТА
В статье описывается диагностика готовности будущих учителей начальных классов к проектированию образовательного контента. Цель статьи - определить программу диагностики готовности будущих учителей начальных классов к проектированию образовательного контента и продемонстрировать её результаты. Представлены компоненты (мотивационно-ориентационный, когнитивный, операционально-деятельностный и оценочно-рефлексивный) и критерии сформированности данной готовности. Раскрываются понятия подготовки и готовности будущих учителей начальных классов к проектированию образовательного контента. Значительное внимание уделяется методике диагностики сформированности изучаемой готовности, в которой представлены методы анкетирования, интервьюирования, тестирования и анализа продуктов деятельности. На примере проверки мотивационно-ориентационного компонента более подробно описан процесс диагностики сформированности готовности будущих учителей начальных классов к проектированию образовательного контента и продемонстрированы её результаты.
Ключевые слова: диагностика, готовность, будущие учителя начальных классов, проектирование образовательного контента, подготовка, компоненты, критерии, методы.
