CC BY
117
В.Н. ЮШИН
кандидат педагогических наук, профессор кафедры физики Академии ФСО России Е-mail: viktor-yushin@yandex.ru Тел. 8 910 302 66 11
И.В. КОРОГОДИНА
кандидат педагогических наук, старший преподаватель кафедры физики Академии ФСО России
E-mail: ekorogodin@yandex.ru Тел. 8 919 263 53 59
ФРАКТАЛЬНАЯ СТРУКТУРА БАЗОВЫХ КОМПЕТЕНЦИЙ КАК ОСНОВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ В ИНЖЕНЕРНОМ ВУЗЕ
В статье анализируются подходы к определению содержания физического образования на основе фрактальной структуры базовых компетенций в инженерных вузах. Анализируются изменения, которые происходят в современном инженерном образовании, и роль физики в формировании базовых компетенций.
Ключевые слова: компетенции, фракталы, физика, иерархические структуры, инженерное образование.
Повышение качества инженерного образования является важным направлением реформирования работы системы высшей школы. На необходимость повышения престижа инженерных профессий и повышения ответственности высшей школы за результаты своей деятельности через механизмы конкуренции на рынке труда и образовательных услуг обращают внимание руководители страны [1].
Инновационный процесс в образовании сегодня олицетворяет компетентностный подход, который соответствует принятой в большинстве развитых стран общей концепции образовательного стандарта и прямо связан с переходом на систему компетентностей в конструировании содержания образования и систем контроля его качества. Запросы развития экономики и социальной сферы, науки, техники, федерального и территориального рынков труда, а также перспективные потребности их развития поставили вопрос о смене образовательных парадигм и движению к подготовке обучающегося, обладающего некоторым уровнем компетентности в своей будущей профессиональной деятельности и способах жизнедеятельности в обществе. На основании компетентностного подхода становится понятным необходимость перехода в системе образования высшей школы от форм и методов, ориентированных на овладение системой готового знания, к технологиям формирования деятельности обучающихся, связанной с возможностью использования ее в условиях требований, которые складываются на рынке труда по отношению к работнику. Все это приводит к переоценке возможностей фундамен-
© В.Н. Юшин, И.В. Корогодина
талдьных дисциплин, включенных в учебный план вуза.
Сущность понятия «компетентностный подход» рассматривается отечественными учеными в разных аспектах, а именно:
- это определение выпускника, владеющего компетенциями, т. е. тем, что он может делать, каким способом деятельности он овладел, к чему готов (Г.К. Селевко);
- набор компетенций, ориентированных на смысловую составляющую любого вида деятельности (Е.В. Бондаревская, С.В. Кульневич);
- умение самостоятельно разрешать проблемы в различных сферах деятельности, т.е. способности использовать для этого знания, умения и навыки (В.А. Болотов, В.В. Сериков);
- совокупность общих принципов определе-
ния целей образования (способность самостоятельно решать проблемы в различных сферах и видах деятельности), отбора содержания образования (дидактически адаптированный социальный опыт решения познавательных, мировоззренческих,
нравственных, политических и иных проблем), организации образовательного процесса (создание условий для формирования опыта самостоятельного решения познавательных, коммуникативных, организационных, нравственных и иных проблем) и оценки образовательных результатов (анализ уровней образованности, достигнутых обучающимся на определённом этапе обучения) (О.Е. Лебедев) и др.
Одна из возможных трактовок компетентности, которую предлагает М. А. Чошанов, состоит
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ
в том, что компетентность одним словом выражает значение традиционной триады «знания, умения и навыки» и служит связующим звеном между ее компонентами. Компетентность в широком смысле может быть определена как углубленное знание предмета или освоенное умение. Она наиболее целесообразна для описания реального уровня подготовки специалиста - выпускника профессиональной школы.
Анализ научной и учебно-методической литературы показывает, что большинство педагогов придерживаются определения, согласно которому компетентностный подход есть совокупность общих положений, определяющих логику образовательного процесса, ориентированного на развитие системного комплекса знаний, умений, смысловых ориентаций, адаптационных возможностей, опыта и способов преобразовательной деятельности с получением конкретного продукта. В качестве основных единиц обновления содержания образования рассматриваются компетенции и компетентности, при этом первое из них «включает совокупность взаимосвязанных качеств личности, задаваемых по отношению к определенному кругу предметов и процессов», а второе соотносится с «владением, обладанием человеком соответствующей компетенцией, включающей его личностное отношение к ней и предмету деятельности» [2, с. 24].
При определении требований к выпускникам вузов широко применяется термин «профессиональная компетентность» как готовность и способность специалиста принимать эффективные решения при осуществлении профессиональной деятельности, в основу которой могут быть положены характеристики актуальной и потенциальной деятельности специалиста (К.В. Шапошников, А.Н. Дорофеев).
Интеллект и личностные особенности лежат в основании как освоения профессии, так и деятельности в ней. Это положение носит универсальный характер и определяет успешность освоения когнитивных компетенций («знать»), приобретения умений («уметь»), использования навыков («делать»), а также характеризует их обладателя личностными компетенциями («быть») [2, 3].
Компетентностый подход нашел свое воплощение в современных образовательных стандартах. Реализуемый в федеральных государственных образовательных стандартах высшего профессионального образования третьего поколения (ФГОС ВПО-3) компетентностный подход к образованию предполагает не просто усвоение студентами отдельных друг от друга знаний, умений и навыков, а овладение ими в комплексе. При этом имеют в виду, что понятие «компетентность» гораздо шире как ад-
дитивной суммы этих составляющих триаду ЗУН, так и их целостной структуры. Для описания конечного результата обучения понятие «компетенция» приобретает значение «знаю, как» в отличие от ранее принятого ориентира в педагогике «знаю, что».
Обратим внимание на тот факт, что зарубежные и отечественные исследователи компетентностей (Дж. Равен, Н.В. Кузьмина, А.К. Маркова. Л.А. Петровская, Н. Хомский и др.) выделяют их различные виды. Для различных видов деятельности исследователи выделяют различные виды компетентностей, число которых может колебаться от трёх до сорока. Однако Дж. Равен рекомендует «... не просто изучать данные компетентности, но и строить обучение, имея в виду их формирование как конечный результат обучения» [3].
В ФГОС ВПО-3 по естественнонаучным и техническим направлениям подготовки бакалавров выделены базовые компетенции, в состав которых входят общекультурные компетенции и профессиональные компетенции, составной частью которых являются ЗУНы.
Согласно требованиям к выпускнику ФГОС ВПО, реализуемых в техническом вузе, сущность базовых компетенций при изучении дисциплины «Физика» можно представить следующим образом:
общекультурные (ОК): - обладает естественнонаучной культурой, как частью профессиональной и общечеловеческой культуры; обладает способностью проводить доказательства утверждений как составляющей когнитивной и коммуникационной функции; способен понимать и излагать получаемую информацию и представлять результаты физических исследований в рамках учебного процесса и др.;
профессиональные (ПК):
а) общенаучные (ПК1) - способен научно анализировать проблемы, процессы и явления в области физики; умеет использовать на практике базовые знания и методы физических исследований
и др.;
б) инструментальные (ПК2) - способен применять знания о физических объектах и явлениях на практике; способен планировать и проводить физические эксперименты адекватными экспериментальными методами, оценивать точность и погрешность измерений, анализировать физический смысл полученных результатов; способен использовать знания основных физических теорий для решения возникающих фундаментальных и практических задач, для понимания принципов работы приборов и устройств и др.;
в) профессионально-специализированные (ПК3) - умеет использовать знания всех разде-
лов общей физики на соответствующем уровне; умеет решать физические проблемы повышенной сложности, в том числе требующие оригинальных подходов; демонстрирует активность, умение и способность к применению новых фундаментальных результатов в области физики к созданию новых практических, в том числе технических и технологических, решений объектов; знает физический фундамент современной техники и технологий и др.
Учебные циклы представлены в нормативных документах как проектируемые результаты их освоения. Так, согласно требованиям ФГОС ВПО, при формировании базовых компетенции в структуре профессиональной подготовки специалиста в техническом вузе в результате изучения базовой части курса физики обучающийся должен
- быть (уровень ОК): разносторонне развитой личностью; способным понимать процессы и явления природы для активной деятельности по охране окружающей среды, рациональному природопользованию, развитию и сохранению цивилизации; способным выстраивать и реализовывать перспективные линии интеллектуального и профессионального саморазвития и самосовершенствования; настойчивым в достижении цели; способным изменять при необходимости профиль своей профессиональной деятельности; способным понимать социальную значимость своей будущей профессии и др.;
- знать (уровень ПК1): основные понятия и законы механики; основы статистической физики и термодинамики; основы электричества и магнетизма; физику колебаний и волн; основы квантовой физики и физики твёрдого тела; основные физические явления; фундаментальные понятия, законы и теории классической и современной физики; современную научную аппаратуру и др.;
- уметь (уровень ПК2): строить и изучать математические модели конкретных явлений и процессов для решения расчетных и исследовательских задач; решать типовые прикладные физические задачи; применять основные законы общей физики при решении практических задач и др.;
- владеть (уровень ПК3): методами теоретического исследования физических явлений и процессов; навыками проведения физического эксперимента и обработки его результатов и др.
Учитывая классификацию базовых компетенции в структуре профессиональной подготовки специалиста в техническом вузе, а также, анализируя содержание ФГОС ВПО, можно графически представить их иерархическую структуру следующим образом (рис. 1).
7К Ж
7К
Рис. 1. Классификация базовых компетенций.
Структура процесса формирования компетенций на разных этапах обучения имеет типично фрактальный характер [4]. Согласно нестрогому определению Мандельброта, фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому [5]. Приведенное определение отражает важный отличительный признак фрактальных объектов. Заметим, что свойство точного самоподобия характерно лишь для регулярных фракталов. Если в алгоритм построения структуры включен некоторый элемент случайности, то фракталы называются случайными. Основное их отличие от регулярных фракталов состоит в том, что свойства самоподобия справедливы лишь после соответствующего усреднения по всем статистически независимым реализациям объекта. При этом увеличенная часть фрагмента не точно соответствует исходному фрагменту, однако их статистические характеристики совпадают. Очевидно, что иерархическую структуру базовых компетенций можно рассматривать как случайный фрактал. Кстати, различное количество видов компетенций, выделяемых исследователями, может служить косвенным доказательством их фрактальной природы. Действительно, при переходе с одного уровня иерархической структуры на другой число рассматриваемых элементов структуры изменяется, поскольку происходит переход к более мелкому масштабу. В содержании образования фундаментальных дисциплин также легко прослеживаются самоподобные структуры. Например, подобным образом может быть представлена многоуровневая структура изучения курса физики как в школе, так и в вузе. Все инженерные дисциплины, являясь по сути дела прикладной физикой, формируют профессиональные компетенции еще на более глубоком уровне. Фрактальный характер структуры характерен как для учебных дисциплин, так и для отдельных разделов и тем изучаемых курсов, а также и для научных понятий. На рисунке 2 в качестве примера представлена часть структуры научного понятия «диэлектрики». Как правило, в общем курсе физики многих вузов достаточно подробно рассматриваются лишь два структурных элемента этого понятия
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ
- полярные и неполярные диэлектрики. В вузах с фундаментальной подготовкой достаточно глубоко изучаются и активные диэлектрики: пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, пироэлектрики и электреты. В то же время оптически активные диэлектрики рассматриваются в большинстве случаев лишь в курсах специальных дисциплин, если их изучение предусмотрено специализацией.
ДИЭЛЕКТРИКИ
Пьезо Оптически Пиро Электреты
электрики активные электрики
Нелинейные оптические
Среды с отрицательным показателем преломления
Рис. 2. Структура научного понятия «диэлектрики».
Важно отметить, что фрактальный характер компетенций проявляется также и в том, что процесс их формирования можно представить в виде отдельных этапов, которые имеют инвариантные структуры. Переход же от одного уровня фрактальной структуры учебной дисциплины к другому согласуется с теорией поэтапного формирования умственных действий П.Я. Г альперина.
Модернизация содержания образования высшей школы требует осмысления методологических оснований, совокупностей целей, путей их достижения и планируемых результатов обучения, а, значит, и поиска новых педагогических подходов к определению содержания образования.
Одним из таких подходов может быть фрактальный подход к определению структуры содержания учебной дисциплины. Суть такого подхода может состоять в следующем. В иерархической структуре учебной дисциплины выделяются узлы, которые характеризуются некоторой условной силой. Эта сила определяется числом более слабых узлов, лежащих ниже его по структуре и которые необходимы для формирования соответствующей профессиональной компетенции. Такие узлы должны иметь приоритет перед другими при включении в содержание образования физики. Глубина и полнота изучения фундаментальных дисциплин при фрактальном подходе также определяются целями и задачами
конкретного вуза.
При формировании содержания образования происходят как конкретизация, так и наполнение ключевых компетенций. Проектируя систему образования и его педагогические системы, следует постоянно помнить о его уровнях и необходимости обеспечения логических связей между этими уровнями.
В настоящее время в преподавании физики прослеживаются два характерных подхода. Одной из тенденций, которая наблюдается в некоторых инженерных вузах, является облегчение содержания физического образования. Такой подход к изучению физики обосновывается тем, что фактическое содержание физики будто бы включается в программы специальных дисциплин. И эта позиция находит свое подтверждение в программных документах, где основные компетенции отнесены к профилирующим дисциплинам.
Другой распространенной точкой зрения является представление об утилитарном приспособлении общего курса к нуждам специализации обучающихся. При этом полностью игнорируется фундаментальная и методологическая роль общего курса физики, основной задачей которого следует считать формирование у студентов научного мышления, развития физической интуиции, овладения методами научного исследования, количественного описания явлений природы.
В соответствии с предложенными требованиями к результатам освоения и структуре основных образовательных программ (в частности по дисциплине «Физика») подготовки специалистов высшая школа ориентирована на одну цель - формирование компетентного инженера за требуемое время. Однако, несмотря на декларируемые цели, в рамках класса моделей подготовки инженеров в компетент-ностном формате могут сформироваться модели, которые при реализации их на практике имеют разные значения показателей эффективности.
Действительно, оставаясь в рамках компетет-ностного подхода, можно проектировать специалистов различного уровня подготовки - специалиста исполнителя и творческого специалиста. Очевидно, что роль курса физики в этих случаях будет совершенно разной.
Образование в прикладном вузе направлено, в основном, на формирование определенных стандартных знаний, умений и навыков или компетенций. Проектирование содержания физического образования на основе специализации будущего инженера формирует узкого специалиста-исполнителя, характерного для западной системы образования. Сущность такого подхода предельно
ясно сформулировал в свое время известный английский физик Пиппард, который писал: «современное образование должно быть направлено на то, чтобы сделать компетентного исполнителя нормой, и в то же время поощрять незаурядных быть выше этой нормы» [6].
Компетентный исполнитель - это узкий специалист. При обучении такого специалиста на фрактальной структуре учебных дисциплин будут отсутствовать многие горизонтальные ветви одного уровня, которые необходимы для развития широты мышления. Аналогично изучаются и другие темы дисциплины. Узкого специалиста с позиции фрактальной структуры базовых компетенций можно назвать «вертикальным специалистом».
Как показывает опыт многих стран, которые исповедуют принцип жесткой специализации системы образования, такой подход перестает оправдывать себя. В современных условиях, как в научном исследовании, так и на производстве, лучше ориентируются и оказываются более эффективными работники с высоким уровнем фундаментальной подготовки.
Многолетний опыт организации преподавания курса общей физики в ведущих вузах нашей страны показал, что фундаментальность общеобразовательной подготовки позволит выпускникам в дальнейшем сравнительно быстро осваивать при необходимости смежные области исследований, способствует преодолению нетерпимой в современных условиях профессиональной ограниченности. При фундаментальной подготовке в курсе физики изучается большинство горизонтальных элементов фрактальной структуры. Такого выпускника можно назвать «горизонтальным специалистом».
Образование в инженерном вузе должно быть ориентировано на долгосрочную перспективу и носить характер опережающего. В период информационного взрыва, характерного для сегодняшнего дня, объем знаний, накапливаемых человечеством в ходе своего развития, удваивается каждые 10 лет. Отсюда следует, что становится невозможно за период обучения в вузе ознакомить обучающегося даже с малой частью информации, необходимой ему в процессе будущей деятельности. Роль фундаментальных наук состоит в обучении студента современным научным понятиям, логическому мышлению и умению доучиваться уже во время профессиональной деятельности. Сейчас общество остро нуждается в специалистах, способных постоянно обновлять свои знания и самостоятельно овладевать новыми навыками. В настоящее время происходит достаточно быстрое старение многих технологий. В этих условиях неоправданное увели-
чение доли узкоспециальных дисциплин в учебных программах неизбежно приводит к консервации экономической отсталости. Все эти обстоятельства существенно увеличивают цену специалиста с глубокой фундаментальной подготовкой. В этой связи основной целью обучения в инженерном вузе должна состоять в том, чтобы научить обучаемых самостоятельно ставить задачи и самостоятельно их решать. Следовательно, максимальное внимание в процессе обучения должно быть приковано к развитию творческих способностей будущих специалистов.
Физика, как учебный предмет, обладает широкими возможностями в плане формирования первоначальных навыков ведения исследовательской работы в общем русле подготовки специалистов, отвечающим современным тенденциям развития науки и техники. При воспитании будущего специалиста раннее развитие его творческих способностей имеет исключительно большое значение.
Воспитание творческих способностей в человеке основывается на развитии самостоятельного мышления. По мнению П. Капицы, оно может развиваться в следующих основных направлениях: умение научно обобщать - индукция; умение применять теоретические выводы для предсказания течения процессов на практике - дедукция; и, наконец, выявление противоречий между теоретическими обобщениями и процессами, происходящими в природе, - диалектика [7].
Трудности преподавания физики связаны не только со сложностью стоящих перед преподавателем задач, но и с тем, что содержание курса непрерывно изменяется в соответствии с развитием самой физики и появлением новых специальных дисциплин. В частности при переходе к системам нанометрового масштаба начинают отчетливо проявляться квантовые эффекты. В результате возникает принципиально новая ситуация, когда квантовые явления (размерное квантование, туннелирование, интерференция электронных состояний и др.) играют ключевую роль в физических процессах в таких объектах и в функционировании приборов на их основе. Проявляются они и в технологических процессах, в химических реакциях, поскольку межатомное взаимодействие имеет квантовый характер. Таким образом, от будущих специалистов потребуется умение мыслить квантовомеханическими категориями, существенно отличающимися от обычных классических представлений. Таким образом, развитие нанотехнологий требует подготовки кадров для междисциплинарных исследований. Это еще одна из причин необходимости существенной перестройки инженерного образования - его необ-
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ
ходимо осваивать с упором на фундаментальные дисциплины.
Само же преподавание физики необходимо перестроить с учетом новых реальностей. Основное направление такой перестройки - это не только знакомство студентов с современными достижениями науки, но и изложение традиционного материала с точки зрения современной физики. Например, в курсах механики и колебаний ввести в рассмотрение динамического хаоса [8].
Основные проблемы модернизации современного российского образования связаны с традиционно большим разрывом между замыслом и условиями его реализации. В своем обращении к Президенту России участники Международной школы-семинара по проблеме «Физика в системе высшего и среднего образования России» говорят о том, что физика, как одна из основных интеллектообразующих дисциплин, находится в настоящее время в глубоком кризисе, одной из причин которого, по мнению преподавателей ведущих вузов страны, является осуществляемый на практике механизм перехода на двухуровневое обучение [9, 10]. В настоящее время фундаментальность образования приносится в жертву сложившимся обстоятельствам. Дело в том, что при обосновании необходимости двухуровневой системы говорилось о том, что бакалавр-инженер на первой ступени обучения получит фундаментальное образование, изучив физику, математику и общетехнические дисциплины. Магистратура же готовит узкого
специалиста.
Перестройка структуры высшего образования вынуждала ликвидировать многие специальные кафедры, что оказалось неприемлемым. В результате содержание образования, рассчитанное на 5 лет, сжали до 4. Это привело к тому, что на изучение курса физики стали отводить еще меньше времени, чем ранее. Так, в стандартах 3-его поколения он сокращается на 25-30%.
Выход из сложившейся ситуации видится в усилении самостоятельной работы студентов, изменении ее форм и методов, в перемещении центра тяжести в обучении с преподавания на самостоятельное учение студента. При этом под термином «самостоятельное учение» следует понимать систематическую, управляемую преподавателем самостоятельную деятельность студента.
В настоящее время все самое передовое и перспективное в науке возникает «на стыке» дисциплин. Современность характеризуется объединением наук. Эффективность обучения в этом случае может быть достигнута только тогда, когда в вузе будут организованы научные конференции, комплексные межфакультетские и межкафедраль-ные научные работы, научные конкурсы и олимпиады. При этом содержание образования должно включать в себя не только фундаментальную компоненту, но и инновации. В решении этой задачи большую помощь может оказать и анализ фрактальной структуры знаниевой компоненты базовых дисциплин в рамках компетентностного подхода.
Библиографический список
1. Медведев Д.А. Стенограмма совещания Д. Медведева по вопросам развития инженерного образования и подготовки инженерно-технических кадров для отечественной промышленности [Электронный ресурс]. Официальный сайт Президента России [сайт]. [2011]. иКЬ: http://www.kremlin.ru.
2. Бобиенко О.М. Ключевые компетенции личности как образовательный результат системы профессионального образования. Дисс... к.п.н. О.М. Бобиенко. Казань, 2005. 275 с.
3. РавенДж. Компетентность в современном обществе: выявление, развитие и реализация. Дж. Равен. М.: Когито-Центр, 2002. 400 с.
4. 4. Юшин В. Н. Фракталы и фракталоподобные структуры в науке и образовании. Образование и общество, 2010. № 3. С. 72-76.
5. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. М.: Мир, 1981. 256 с.
6. Пиппард А.Б. Образованный ученый. Пер. с англ. А.В. Митрофанова. М.: Наука, 1979. 160 с.
7. Капица П.Л. Некоторые принципы творческого воспитания и образования современной молодежи. Вопросы философии, 1971. №7. С. 60-68.
8. Мартынов М.С., Долотин Ю.Г., Юшин В.Н. Изучение динамического хаоса в общем курсе физики. Физическое образование в вузах, 2007. № 3. С. 83-94.
9. Спирин Г.Г. Обращение к президенту России Д.А. Медведеву. Физическое образование в вузах, 2010. № 4. С. 3-4.
10. Гладун А.Д., Спирин Г.Г. Нужна ли в России физика инженеру? Физическое образование в вузах, 2010. № 4. С. 5-10.
I.V. KOROGODINA, V.N YUSHIN THE FRACTAL STRUCTURE OF BASIC COMPETENCES AS THE BASIS FOR PROJECTING PHYSICS EDUCATION CONTENT AT PHYSICS HIGHER SCHOOL
The main approaches to defining physics education content on the basis of the basic competences fractal structure at engineering higher school are analyzed in the article. The changes taking place in modern engineering education and the role ofphysics in forming basic competences are also analyzed.
Key words: competences, fractals, physics, hierarchical structures, engineering education.
