CC BY
59
НОВЫЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И КАЧЕСТВО ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ
ББК 74.58:74.202.4
Л. Х. Зайнутдинова, Д. А. Яковец Астраханский государственный технический университет
ФОРМИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО МЫШЛЕНИЯ -ЗАДАЧА КОМПЬЮТЕРНЫХ ОБУЧАЮЩИХ ПРОГРАММ ПО ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИМ ДИСЦИПЛИНАМ
Введение
Общетехнические дисциплины (электротехника, теплотехника, теоретическая механика, гидравлика и т. п.) характеризуются высокой степенью абстракции учебного материала. Компьютер с его возможностями визуализации сложных математических зависимостей, моделирования различных технических процессов способен значительно повысить эффективность обучения. Однако высокая эффективность возможна лишь при использовании компьютерных обучающих программ, построенных с учетом психологопедагогических и эргономических требований. Компьютерные обучающие программы по общетехническим дисциплинам должны способствовать формированию технического мышления студентов.
При изучении общетехнических дисциплин студенты знакомятся с идеализированными техническими объектами. Такой объект может быть представлен в виде некоторой совокупности идеализированных физических объектов. Идеализированный технический объект значительно сложнее идеализированного физического объекта. «Идеализированный физический объект является простейшей структурной единицей идеализированного технического объекта, что открывает возможность перехода от небольшого числа общих физических законов к большому числу их эквивалентов для решения технических задач. Именно эти переходы-преобразования и составляют большую часть содержания таких задач. Поэтому общие рациональные переходы из области физики в область техники надо формировать специально. Это реальный путь фундаментализации технического знания» [1, с. 26-27].
Однако эти переходы-преобразования из области физики, химии и других наук в область техники не так просты. Дело в том, что идеализированный технический объект - это не механический конгломерат различных идеализированных физических объектов, - это комплексная и целостная система взаимосвязанных и взаимодействующих составляющих ее
компонентов, рассматриваемых под углом зрения разных наук. Одним из возможных способов такого перехода является энергоинформационный метод, предложенный М. Ф. Зариповым и И. Ю. Петровой [2, 3] и получивший развитие в последующих трудах этой школы [4]. Метод позволяет учитывать многообразие физико-технических эффектов на основе единого математического аппарата. Понятие физико-технического эффекта позволяет осуществить переход от сравнительно небольшого числа общих физических явлений и процессов различной физической природы к колоссальному числу их эквивалентов для решения технических задач. Метод позволяет автоматизировать процессы синтеза многообразных технических решений на основе паспортов физико-технических эффектов.
И. П. Калошина в работе, посвященной особенностям психологии творческой деятельности, относит материал общетехнических дисциплин (принципы действия технических устройств, формулы) к наиболее трудно усваиваемому виду учебных знаний [5, с. 52]. По ее мнению, решение технических задач носит творческий характер и требует формирования определенных навыков.
У современных инженеров должны быть развиты интегративные качества мышления, умение оперировать междисциплинарными категориями. Важную роль в формировании таких качеств, на наш взгляд, могут сыграть информационные технологии.
Известный психолог П. Я. Гальперин указывает, что усвоение понятий является одним из важных и главных этапов в процессе обучения на всех уровнях. Для эффективного усвоения различных понятий этот процесс должен контролироваться, управляться. Необходимо подобрать систему условий, которая обеспечит формирование понятий с заданными качествами. Эта система условий и составляет то, что было названо позже теорией поэтапного формирования умственных действий [6, с. 157]. Согласно этой концепции можно выделить несколько этапов деятельности учащегося по усвоению новых понятий:
- мотивационный этап (складывается отношение субъекта к целям и задачам, к содержанию материала, намеченного для усвоения);
- ориентировочные действия;
- действия в материальной форме;
- действия в материализованной форме;
- действия во внешней (громкой) речи;
- речь в уме;
- умственное действие.
На практике формирование нового действия или понятия может проходить с пропуском ряда перечисленных этапов.
Компьютеризация учебного процесса открывает новые перспективы для реализации концепции поэтапного формирования умственных действий. Используя большие возможности компьютерной техники в плане наглядного, образного, динамичного представления информации, возможности моделирования различных процессов, можно облегчить формирование и закрепление ориентировочной основы действий, сократить переход от
внешнего плана деятельности к внутреннему плану сознания, ускорить перевод научных понятий общетехнических дисциплин в личную систему знаний.
Исследованию особенностей технического мышления посвящена работа Т. В. Кудрявцева [7]. Он отмечает, что технические задачи (взятые, конечно, в идеальной форме) имеют две существенные особенности: относительную неопределенность области поиска и возможность реализации решения разными способами (многовариантность решения) [7, с. 209].
Если вторая особенность достаточно очевидна, то первая требует пояснения. Техническая задача специфична по своей природе, она отличается от познавательных задач в математике, физике, химии и других науках. В условиях последних содержатся, как правило, все необходимые данные для успешного выполнения задания. Хотя процесс оперирования этими данными может быть очень сложным и может требовать от человека большой изобретательности и немалых умственных усилий, однозначное решение все-таки может и должно быть найдено. В условиях многих технических задач этих данных недостаточно, а зачастую они просто отсутствуют. Иногда этих данных излишне много. Таким образом, техническая задача сопровождается той или иной степенью неопределенности области поиска.
Мыслительные процессы, совершающиеся в ходе работы с техническими объектами и оперирования техническими понятиями, также обладают некоторыми отличительными особенностями. Т. В. Кудрявцев рассматривает проблему технического мышления как проблему специфического вида интеллектуальной деятельности человека. Он считает, что технические понятия имеют особую структуру, обусловленную многообразием свойств и функций материально-технических объектов, существенные связи и отношения которых они - эти понятия - и отражают. Особыми являются и пути формирования многих технических понятий. Здесь нет двух самостоятельных задач: формирования знаний и обучения приемам их использования. Указанные две задачи слиты воедино во времени, ибо техническое понятие, каким бы абстрактным оно ни было, по своему содержанию нацелено на практическое использование, имеет прикладной характер.
При решении ряда технических и производственно-технических задач и на разных этапах решения одной и той же задачи на первый план выступают то одни, то другие структурные компоненты мыслительной деятельности. Можно выделить два компонента, каждый из которых является интегральным образованием. С этой точки зрения техническое мышление есть теоретико-практическое и понятийно-образное [7, с. 238].
Традиционно в психологии принято выделять теоретическое мышление, направленное на познание всеобщего, и практическое мышление, требующее применения законов всеобщего к частным случаям. Практическое мышление может иметь как элементарную, так и сложную форму. Наглядно-действенное мышление - элементарная форма практического мышления, направлено на решение элементарных прак-
тических задач. В сложной же форме практического мышления необходимо, исходя из характера решаемых задач, использовать результаты отвлеченной теоретической деятельности. В этом случае теоретическое мышление входит в сложную форму практического в качестве компонента.
Т. В. Кудрявцев убедительно показывает нерасторжимое единство, взаимосвязь теоретических и практических компонентов технического мышления. «Таким образом, если по отношению к другим видам мыслительной деятельности можно утверждать, что в ней в целом или на отдельных ее этапах преобладают или теоретическая (абстрактная) или практическая (наглядно-действенная) сторона, то по отношению к техническому мышлению следует отметить, что оно - тесный сплав мыслительных и практических действий в их взаимосвязях и взаимопереходах» [7, с. 212]. Необходимое взаимодействие между теоретическими и практическими компонентами мыслительной деятельности формируется у учащихся постепенно в процессе обучения. О степени развитости технического мышления можно судить по легкости и быстроте перехода из практического плана действий в теоретический и обратно. Другим показателем степени развития технического мышления является способность действовать в теоретическом плане, имея в виду практический, а также по способности действовать в практическом плане, непрестанно соотнося его с теоретическим [7, с. 217].
С другой стороны, техническое мышление является также и понятийно-образным [7, с. 218-227]. Образный компонент деятельности является очень существенным при первоначальном усвоении некоторых теоретических знаний, выполняя функцию своеобразной опоры, облегчая процесс усвоения и конкретизируя формирующиеся понятия. При решении многих технических задач понятийный и образный компоненты тесным образом связаны и являются равноправными в общем процессе мыслительной деятельности. Решение большинства технических и производственно-технических задач сопровождается возникновением и оперированием сложной системой образов, причем эти образы находятся в непосредственном взаимодействии и перестройке, т. е. в динамике. В ходе выполнения того или иного задания может возникать целая система промежуточных образов. «Но сколь бы сложной ни была психологическая характеристика самого образа, все же оперирование им не есть еще специфический признак технического мышления. Только его тесное взаимодействие с понятием может обеспечить успешное решение технической задачи. В этом смысле надо говорить о понятийно-образной характеристике технического мышления как его интегральном групповом компоненте. Образ (представление) - такой же равноправный член этого группового компонента, как и понятие. В этом как раз и проявляется одна из сторон обусловленности характера технического мышления спецификой технического материала, предъявляемого, как правило, одновременно в нагляднообразной и абстрактно-понятийной форме» [7, с. 220].
Подобное мнение высказывает и Б. Ф. Ломов. Новая идея возникает в сознании человека не только в форме понятий и умозаключений, но и в форме образа - наглядного представления. Эта форма является часто основной во
многих видах творческой деятельности. Мышление включает в себя не только оперирование абстрактными понятиями и логическими схемами, но и образные процессы. Их соотношение зависит от конкретной предметной деятельности и общения. В одних случаях, когда человек решает задачи, пользуясь логическими схемами, образы выполняют вспомогательную роль, фиксируя результаты логической переработки информации. В других случаях, напротив, ведущую роль в мышлении могут играть образные процессы (исследование этого случая важно для понимания психологических механизмов творчества) [8, с. 71].
В формировании понятийно-образного компонента мышления немалую роль играет правильное использование средств наглядности. Они должны выступать не только как опора, но и как результат деятельности. Традиционно в обучении используется одностороннее рассмотрение натурального технического объекта с последующим переходом к его схеме. Однако экспериментально выявлено, что при определенных условиях путь от схемы к натуральному объекту предпочтительнее, чем путь от реального устройства к его схеме. Необходимо сочетание этих двух подходов [7, с. 226].
Об этом же говорит и Б. Ф. Ломов. Традиционно в образовании используется подход от единичного к общему, от конкретного к абстрактному, но есть и другое направление познания: от общего к особенному и единичному, восхождение от абстрактного к конкретному. Б. Ф. Ломов считает, что именно компьютеризация учебного процесса открывает огромные возможности в плане формирования операций обобщения, позволяет обеспечить гармоничное сочетание двух направлений познания, диалектическое единство переходов от конкретного к абстрактному и от абстрактного к конкретному в живом процессе мышления (более широко - познания) [8, с. 141].
Следует сказать и еще об одной особенности технического мышления. Необходимость решения многих производственно-технических задач в ограниченные промежутки времени, необходимость вероятностного подхода и выбор оптимального решения - все это делает техническое мышление оперативным по своему характеру.
Таким образом, техническое мышление, понятийно-образнопрактическое по своей структуре, оперативно по характеру своего процесса [7, с. 240].
Переход к образному представлению информации в компьютерных системах происходит в самых различных областях. Один из ярких примеров - повсеместный переход к графической операционной системе Windows. Образное представление на экране всех необходимых для пользователя «инструментов» настолько облегчает общение с компьютером, что освоение работы с ЭВМ становится доступным даже младшим школьникам. Благодаря образному представлению информации возможно повышение статуса образного мышления, снижение языковых барьеров и тем самым развитие коммуникационных процессов в мировом сообществе.
О необходимости представления технической информации в образном виде, в связи с усложнением операторской деятельности, говорят многие специалисты. Так, В. М. Кроль отмечает, что образные способы представления информации позволяют одномоментно классифицировать многопараметрические, сложные состояния объекта управления. Результаты экспериментов показывают, что в случаях образного представления простейшего типа (гистограммы) восприятие и классификация происходят в несколько раз быстрее при том же уровне надежности [9]. При передаче многомерных сигналов по зрительному каналу его пропускная способность значительно повышается при синтезе различных компонентов сигналов в единый зрительный образ. В этом отношении большую роль играет наличие возможности одновременного восприятия нескольких пространственно разобщенных зрительных образов.
Колоссальную значимость образности представления информации отмечает в своей работе профессор психологии М. А. Уайт [10]. Она считает образность новым языком современных информационных технологий. Представляя информацию не только в виде текста, но и в виде образов, новые технологии создают предпосылки для третьей революции в сфере образования, которая может оказать более радикальное воздействие на способы мышления и обучения, чем первая образовательная революция, связанная с изобретением алфавита, и вторая, вызванная появлением печатного станка. Это связано с тем, что образы оказывают принципиально более сильное воздействие на человека, чем текст, что способствует лучшему усвоению образной информации. М. А. Уайт считает образность мощным инструментом мышления и подчеркивает, что образность мышления характерна для многих выдающихся ученых. Обучение на основе образов радикально отличается от обучения на базе текстового материала. Обучение на основе образов позволяет максимально сконцентрировать внимание учащихся на предмете изучения.
В связи с изложенным выше встает вопрос о методах, приемах, позволяющих решить проблему формирования технического мышления на современном этапе в условиях использования компьютерных обучающих программ. Авторами настоящей работы неоднократно подчеркивалась необходимость усиления роли образного представления информации в компьютерных обучающих программах по общетехническим дисциплинам [11]. Л. Х. Зайнутдиновой был предложен метод теоретических образов как одно из возможных решений проблемы.
«Теоретический образ - это наглядно-образное представление семантики вербализованных форм научных знаний (понятий, законов, теорий) [12, с. 143]. Понятие теоретического образа введено Л. Х. Зайнутди-новой для обозначения наглядно-образных представлений, рекомендуемых к использованию в обучающих программных системах. Под нагляднообразным представлением здесь понимается наглядное и вместе с тем обобщенное отражение исследуемого объекта.
Метод теоретических образов является одновременно методом разработки компьютерных обучающих программ и передачи наглядно-
образных представлений от педагога к учащемуся и, следовательно, новым методом обучения. Данный метод предназначен для реализации дидактических требований наглядности, научности и доступности обучения, комплекса психологических требований, связанных с использованием не только вербально-логического, но и сенсорно-перцептивного и пред-ставленческого (образного) уровней когнитивного процесса.
Метод теоретических образов обеспечивает возможность предъявления учебного материала с опорой на взаимосвязь и взаимодействие понятийных, образных и действенных компонентов мышления, что является необходимым условием формирования технического мышления.
При проектировании компьютерных обучающих программ на основе предложенного метода следует стремиться к динамичности развития теоретических образов, например, по мере поступления запроса учащегося (нажатие клавиши), в удобном для него индивидуальном темпе. Желательно дискретное предъявление информации, отдельными «порциями», приближающимися по своему размеру к объему кратковременной памяти человека. При этом учебный материал должен быть структурирован таким образом, чтобы каждая порция информации обеспечивала изучение какого-либо одного существенного признака (одной группы признаков) изучаемого объекта. В каждой новой порции информации должны сохраняться в свернутом виде «следы» предшествующих порций. Теоретические образы должны обеспечивать определенное воссоздание, но только в более свернутом виде, тех мыслительных и практических операций, которые совершались в процессе научного познания, открытия тех или иных явлений. В этом случае изучение объекта преобразуется в своего рода открытие и последовательное исследование объекта. С целью лучшей интеграции символьной и образной информации развитие теоретического образа на экране дисплея должно сопровождаться символьными обозначениями с их визуальной привязкой к соответствующим элементам наглядности, причем символьные обозначения должны сохраняться на экране до конца сеанса работы.
В той или иной степени метод теоретических образов способен повлиять на все компоненты учебно-познавательной деятельности учащихся, но наиболее существенные изменения имеют место в процессах восприятия, осмысления, запоминания и повторения учебного материала. В настоящей работе проведено сравнение традиционной и новой технологий обучения. При обучении с использованием метода теоретических образов учебная информация предъявляется не только в виде текстов и формул, но и в наглядно-образном виде. Идет восприятие и осмысление одновременно как вербализованной «левополушарной», так и наглядной «правополушарной» информации. Выявлены высокие потенциальные возможности метода теоретических образов в предъявлении учебного материала с опорой на взаимосвязь и взаимодействие понятийных, образных и действенных компонентов мышления. Это особенно актуально для общетехниче-
ских дисциплин, учитывая особенности технического мышления, рассмотренные в начале данной статьи.
Применение метода теоретических образов облегчает формирование ориентировочной основы действий при выполнении учебных заданий на тех этапах усвоения понятий общетехнических дисциплин, которые субъективно наиболее трудны, когда информация имеет чрезмерно отвлеченный, абстрактный характер и которую поэтому трудно соотнести с индивидуальными знаниями. При преподавании общетехнических дисциплин существует проблема передачи учащемуся образа сложного понятия, сформировавшегося в сознании опытного преподавателя в течение многолетней педагогической практики. При традиционной технологии обучения передача образа от одного человека к другому осуществляется на речемыслительном уровне, в результате учебной деятельности у учащегося формируются собственные наглядно-образные представления об изучаемом материале, но они часто являются неточными и существенно отличаются от представлений опытного преподавателя.
Метод теоретических образов позволяет улучшить качество формируемых у учащегося наглядно-образных представлений, он направлен на обеспечение непроизвольности восприятия, запоминания и усвоения сложных и абстрактных понятий общетехнических дисциплин.
По мнению П. Я. Гальперина, используя непроизвольное запоминание в планомерно формируемом действии, можно получить более эффективное усвоение, чем в случае усвоения с предварительным заучиванием и последующим применением заученного [5, с. 232].
Использование компьютерных обучающих программ, созданных на основе метода теоретических образов, может существенно повысить статус образного мышления в процессе обучения общетехническим дисциплинам, изменить существующее соотношение между понятийным и образным мышлением и способствовать, таким образом, формированию технического мышления учащихся.
Заключение
Показана целесообразность и пригодность предложенного в данной работе метода теоретических образов, являющегося одновременно методом разработки компьютерных обучающих программ и новым методом обучения, задачи формирования у студентов технического мышления (понятийно-образно-практического по своей структуре и оперативного по характеру своего процесса) в рамках компьютерных обучающих программ по общетехническим дисциплинам.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Деятельностный подход к построению учебно-методических материалов / Метод. материал. Сер. Новые технологии обучения в высшем образовании. -Москва - Уфа, 1988.
2. Зарипов М. Ф., Петрова И. Ю. Проблемы развития информационной элементной базы систем управления и вычислительной техники: Препринт доклада Президиуму БФАН СССР. - Уфа, 1980.
3. Петрова И. Ю. Энерго-информационный метод анализа и синтеза чувствительных элементов систем управления: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. -Самара, 1996. - 42 с.
4. Ханова А. А. Исследование энерго-информационных моделей чувствительных элементов систем управления на основе гальваномагнитных эффектов: Автореф. дис. . канд. техн. наук. - Астрахань, 1999. - 20 с.
5. Калошина И. П. Психология творческой деятельности: Учеб. пособие для вузов. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003.
6. Гальперин П. Я. Лекции по психологии: Учеб. пособие для студ. вузов. - М.: Кн. дом «Университет»: Высш. шк., 2002.
7. Кудрявцев Т. В. Психология технического мышления. - М.: Педагогика, 1975.
8. Ломов Б. Ф. Вопросы общей, педагогической и инженерной психологии. -М.: Педагогика, 1991.
9. Кроль В. М. Психологические аспекты разработки визуального пользовательского интерфейса нового поколения // Пользовательский интерфейс. - 1993. -№ 3. - С. 17-22.
10. White M. A. The Third Learning Revolution // Electronic Learning. 1988. - Vol. 7, No. 4.
11. Зайнутдинова Л. Х., Яковец Д. А. Наглядно-образные представления в дидактических интерактивных программных системах по общетехническим дисциплинам // Труды XXVII междунар. конф. «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (IT+SE’2000). - М., 2000. -С. 84-85.
12. Зайнутдинова Л. Х. Создание и применение электронных учебников (на примере общетехнических дисциплин): Моногр. - Астрахань: ЦНТЭП, 1999.
Получено 14.02.05
FORMATION OF TECHNICAL MENTALITY-TASK OF COMRUTER INSTRUCTING PROGRAMMES ON GENERAL TECHNICAL DISCIPLINES
L. Kh. Zaynutdinova, D. A. Yakovets
Analysis of computer training influence on the development of students' technical mentality. Method of theoretical images was suggested to become a new method of teaching which is a method of development of computer instructive programs and rendering visual notions from a teacher to a student. Method of theoretical images gives a possibility to present educational material with stand-by on interrelationship and interaction of conceptional, imaginative and effective part thinking which are the necessary condition of formation of technical mentality.
