CC BY
18
Изучение курса физики в институте информационных технологий, математики и механики ННГУ на базе системы электронного обучения
Грезина Александра Викторовна доцент, к.ф.-м.н., доцент кафедры прикладной математики, Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского, пр. Гагарина, 23, г. Нижний Новгород, 603600 aleksandra-grezina@,yandex.ru
Панасенко Адольф Григорьевич доцент, к.ф.-м.н., доцент кафедры прикладной математики, Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского, пр. Гагарина, 23, г. Нижний Новгород, 603600 A.G.Panasenko@yandex.ru
Аннотация
В статье излагается опыт использования системы электронного обучения e-learning при изучении различных разделов физики в институте информационных технологий, математики и механики Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. Описана технология формирования профессиональных компетенций на всех этапах: начальном, базовом и завершающем.
The article describes the experience of using e-learning system in the study of physics at the Institute of information technology, mathematics and mechanics of Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod. The technology of formation of professional competences at all stages is described: initial, basic and final.
Ключевые слова
физика, компетентностный подход, система электронного обучения e-learning physics, competence approach, e-learning.
Введение
Присоединение России к Болонскому процессу и переход с 2011 году на новые образовательные стандарты потребовали существенного пересмотра организации и реализации образовательного процесса.
Начнем с того, что изменились сами цели образования. В общеобразовательном процессе основной упор делается не на содержание образования, а на его результаты, которые должны быть понятны всем участникам процесса, начиная со студентов и заканчивая работодателями. Причем, кроме профессиональных качеств ВУЗ должен формировать и гражданский облик выпускника. Качество обучения определяется степенью сформированности системы компетенций, отражающих приобретенные знания, умения и навыки, а также личностные качества выпускника [1-3].
Переход на новые стандарты образования [2-4] сопровождается изменением сроков обучения. Если раньше на подготовку специалистов отводилось пять лет, то
теперь на подготовку бакалавров, которые в основном должны иметь такую же фундаментальную подготовку, как и специалисты, отводится четыре года.
Специфика преподавания курса физики в институте информационных технологий, математики и механики
Институт информационных технологий, математики и механики готовит, в основном, специалистов по разработке и применению программного продукта. Необходимость в подготовке специалистов такого направления высокой квалификации с течением времени только усиливается. Поэтому часы, отводимые на их специализацию, не могут уменьшаться. Сокращать приходится лишь часы, предназначенные для изучения предметов «классического» естественнонаучного блока. Но и здесь «экономия» часов за счет исключения некоторых разделов физики недопустимо хотя бы потому, что значительная часть выпускников-бакалавров продолжают обучение в магистратуре, которое требует основательной предварительной подготовки.
Специализации студентов можно условно разделить на две группы: прикладная математика и информатика. Часы, выделяемые на изучение физики, у них могут существенно различаться. Чтобы скомпенсировать отрицательный эффект от различия во времени, выделяемого на блок физических дисциплин, при реализации проектного метода обучения формируются группы, выполняющие определенные проекты, таким образом, чтобы в них входили студенты обоих направлений. «Математики» имеют лучшую подготовку по аналитическим методам, а «информатики» лучше владеют информационными технологиями. Работая совместно над общими проблемами, они помогают друг другу повысить общий уровень профессиональной подготовки. Сохранить хороший уровень преподавания и освоения курса «Физика» помогает специфика реализации образовательной программы в институте информационных технологий, математики и механики. Прежде всего, следует отметить, что изучение разделов курса «Физика» начинается с 4-го семестра. К этому времени студенты приобретают значительный математический потенциал. Они изучали такие математические дисциплины как математический анализ, алгебра и геометрия, дифференциальные уравнения, начинают осваивать теорию функций комплексного переменного, теорию вероятностей. Все это позволяет в курсе «Физика» с самого начала активно использовать математические методы, излагать материал более емко и компактно.
На изучение всего курса «Физика» в учебном плане отводится три семестра с одинаковым распределением часов в неделю (2 часа лекции + 2 часа практики). Изучение физики начинается традиционно с раздела «Механика». Но его наполнение учитывает особенности нашего института - с самого зарождения факультетов ВМК и Мехмата, объединившихся в институт информационных технологий, математики и механики, значительная часть научных исследований посвящалась проблеме поведения динамических систем - возникновение колебаний, их характер, устойчивость. Чтобы подготовить студентов к восприятию спецкурсов, посвященных этой проблеме в курсе «Механика» вводится раздел, посвященный «Аналитической механике». Он включает в себя принципы виртуальных перемещений, наименьшего действия Гамильтона, уравнения Лагранжа. В этом разделе естественно рассматривать и элементы «Специальной теории относительности», но на это фактически не остается времени. Здесь мы только касаемся этой тематики (преобразования Лоренца, некоторые непосредственные выводы из них), а приложение к электромагнитным полям изучается в разделе «Электродинамика».
Наибольшие изменения по сравнению со стандартной программой произошли во второй части курса, которая стандартно называется «Термодинамика и молекулярная физика». Эти изменения даже отражаются в названии. Раздел называется «Термодинамика и статистическая физика». Изменение в названии отражает тот факт, что рассмотрение систем с большим числом степеней свободы рассматривается с единой позиции, учитывающей их специфику. В традиционных курсах «Общей физики» эта специфика систем большой размерности осваивается на примере (во всяком случае, сначала) газов - это наглядный объект. Но это частный случай. Возникает проблема обобщения подхода на другие большие системы (например, электромагнитное излучение), для решения которой необходимо выделить дополнительное время, которое в нашей учебной программе отсутствует. Проблема частично решается за счет применения с самого начала общего статистического подхода (на основе курса «Статистической физики» Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица) -проигрываем в скорости развития интуиции, но выигрываем (за счет хорошей начальной математической подготовки студентов) в скорости обобщения. А именно, знание общих законов оберегает исследователей от ошибок, когда они выходят из привычной среды. В этом разделе кроме включения с самого начала в рассмотрение систем, объединенных огромным числом степеней свободы (кристаллы, аморфные тела, излучение), вводится новый подход к изучению материи, учитывающий ее корпускулярно-волновой дуализм, который является основой квантовой механики. Изучение квантовой механики частично еще продолжается в курсе «Физические основы вычислительной техники».
Таким образом, в рамках ограниченного временного ресурса удается поддерживать удовлетворительный уровень подготовки студентов по физике. Качество усвоения материала в значительной степени зависит от практической, самостоятельной работы студентов и от контроля усвоения материала.
Это обеспечивается в значительной степени применением системы электронного обучения e-learning, основу отарой образует виртуальная обучающая среда Moodle (Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment). Для поддержки курса и проверки сформированности общепрофессиональных и профессиональных компетенций [1-4] в рамках этой системы по каждому из разделов физики: механики, электродинамики и термодинамики (включая статистическую физику) были разработаны электронные управляемые курсы (ЭУК).
Излагаемый материал разбивается на темы, которые, как правило, рассматриваются в одной лекции. В лекции излагаются основные экспериментальные факты, формулируются законы. На простых примерах демонстрируется их применение. Для самостоятельной работы рекомендуется литература и список вопросов.
При формировании знаний и умений в рамках профессиональной компетенции ПК-2 (способность понимать, совершенствовать и применять современный математический аппарат) достаточно изучить основную литературу, формирование владений требует изучения дополнительной литературы.
Степень формирования компетенции оценивается по результатам тестирования. Тесты, предполагаемые после лекций, позволяют проверить получение знаний на первом этапе. Результаты тестирования сразу обрабатываются и выставляются системой на сайт с возможностью доступа к ним тестируемого студента и преподавателя, ведущего данный раздел курса. Студентам, получившим при тестировании результат менее 80%, предлагается пройти повторное тестирование. После чего результаты тестирования фиксируются и могут быть пересмотрены только во время промежуточной аттестации (на экзамене или зачете).
Вопросы для самостоятельной работы относятся к проблемам, которые кратко освещаются в лекции и требуют большего обоснования для сделанных выводов. Например, в лекции рассматривался пример с простой геометрией, а делался вывод,
не связанный с геометрическим упрощением, поэтому в самостоятельной работе следует рассмотреть примеры с более сложной геометрией. Если в лекции был сделан вывод, опирающийся на пример, относящийся к изотропным средам, то нужно рассмотреть возможность обобщения теории на анизотропные среды и т.д.
Тестирование результатов самостоятельной работы проводится по схеме аналогичной тестированию степени усвоения лекционного материала.
Результаты тестирования усредняются, причем результаты тестирования лекционного материала берутся с коэффициентом 1, а самостоятельной работы - с коэффициентом 2. Этот результат является окончательной оценкой сформированнности компетенции ПК-2 по первой теме. Количественная оценка (в процентах) по всему материалу за семестр получается простым усреднением оценок, полученных по темам. Поэтапное формирование оценки отражается на сайте и доступно студентам и преподавателям.
По каждой из тем лекционной или самостоятельной работы в случае неудовлетворительных результатов тестирования студент может пройти дополнительное тестирование. Результаты дополнительного тестирования проводятся параллельно с основным. Они могут учитываться только на окончательном этапе. Автоматическое исправление текущей оценки облегчает работу преподавателя во время промежуточной аттестации.
На рисунке 1 представлен пример структуры лекционного занятия и теста для самостоятельной работы.
Рис. 1. Структура лекционного занятия и теста для самостоятельной работы
На практических занятиях, представленных так же, как и лекции в среде МооШе формируются в рамках умений компетенция ПК-2. Сначала приводятся основные понятия, определения и законы, которые изучались на лекции. Затем подробно разбирается решение типовых задач по рассматриваемой теме, и предлагаются задачи для самостоятельного решения. Решенные задачи отправляются для проверки преподавателю. После проверки преподаватель выставляет в системе студенту замечания с рекомендациями по исправлению ошибок. Ошибки должны быть устранены и присланы правильные решения. Эта процедура может повторяться до тех пор, пока не будет получено правильное решение для всех задач. После этого студент получает доступ для прохождения теста по практическим занятиям. Так же, как и при изучении лекционного материала, студент имеет право на две попытки прохождения теста, по результатам которого система автоматически определяет степень сформированной умений по компетенции по теме, а затем и по всему курсу.
На рисунке 2 представлена схема практического занятия, а рисунок 3 отражает процедуру прохождения теста.
Физика. Электродинамика ДО
Лекция №1. Электромагнетизм
ФИЗ
lâ Лекция 1. Электростатическое поле в вакууме
1. Электрический заряд
2. Закон Кулона
3. Электрическое noie
4. Геометрическое описание электрического поля
5. Тесты для самостоятельной работы
6. Список литерат/ры
< 5. Тесты для самостоятельной работы
Вопрос 1
Закон сохранения эарядл выполняется в ...
♦ любой системе тсонсервативнои системе в электрически изолированной системе
Тема 1
ш Лекция №1. Электромагнетизм
™ Практическое занятие 1. Электрическое поле в вакууме. Теорема Гаусса 449.2Кбайт
:! Прислать решение задач го практике 1
^ Тест №1
Рис. 2. Схема практического занятия
= навигация по тесту Физика. Электродинамика ДО
Пока нет ответа
Закончить попытку...
Выберите один ответ:
a. одна из мировых
b. величина, зависящая от выбора системы единиц
Балл: 1,00
Начать новый просмотр
Отметить вопрос
ОРедактировать вопрос
с. ни от чего не зависящая
05 НАСТРОЙКИ
В
Рис. 3. Процедура прохождения теста
Проверка сформированности владений по компетенции определяется на заключительном этапе изучения соответствующего раздела физики. К этому времени студенты определились с выбором научного направления и руководителя практики и будущей темы выпускной квалификационной работы. Получили от научного руководителя дополнительную литературу. Лектор анализирует тематику работ и формирует группы с родственными по тематике интересами. Проект составов групп выкладывается на сайте с объяснением задачи - определить (как минимум) какие законы из изучаемого курса используются при изучении явления, рассматриваемого в его дополнительной литературе, какими известными ему методами оно рассматривается, какие новые (для него) методы используются, что общего объединяет тематику его группы (найти максимальное число общих деталей). После формирования групп (с учетом согласия студентов) в течение одной недели студенты должны прислать результаты своих последований, которые преподаватель оценивает и выставляет на сайте. На этом этапе, так как он приходится на конец раздела, нет возможности у студента исправить свою оценку. Она появляется только на этапе промежуточной аттестации.
Таким образом, система Moodle в течение всего семестра поддерживает связь студента и преподавателя, исполняя роль виртуального тренажера (повторяет тестирование), показывает текущий уровень обучения студента, что является дисциплинирующим фактором, выполняет роль объективного арбитра.
Система на начальном этапе, конечно, требует от преподавателя дополнительных временных затрат, но при эксплуатации существенно его разгружает, особенно на этапе промежуточной аттестации, так как полностью формирует портрет подготовленности студента. Необходима только незначительная корректировка.
Как говорилось, состав группы, образованной для выяснения сформированности уровня «владеть» не является жестко регламентированным. Например, при изучении раздела «Механика» была сформирована группа, объединенная одной тематикой углубленного изучения колебаний [5-8], но после
ознакомления с составами групп, студент, чья тематика касалась массопереноса [9], присоединился к выделенной группе. Соображения здесь были не технические, а личного плана. Результат оказался прекрасным. Все студенты продемонстрировали хорошие владения материалом из самостоятельно рассмотренной области. Этот пример показывает, что при формировании творческих групп следует учитывать и человеческий фактор. Эта особенность существенна для формирования общепрофессиональных компетенций.
Заключение
Созданные в поддержку курса физики электронные управляемые курсы на платформе МооШе способствуют успешному формированию у студентов общепрофессиональных и профессиональных компетенций. Особенно успешно это прослеживается на начальном и базовом этапах. На этих этапах система электронного обучения позволяет за счет активного контакта студент - преподаватель и непрерывного отображения степени усвоения изучаемого материала, существенно повысить качество обучения и разгрузить преподавателя. Система работает в режиме активно тренажера.
Последний завершающий этап позволяет реализовать проектный подход, что является достоинством, но реализуется в течение слишком короткого времени.
Литература
1. Кузенков О.А., Рябова Е.А., Бирюков Р.С., Кузенкова Г.В. Модернизация программ математических дисциплин ННГУ им. Н.И. Лобачевского в рамках проекта МетаМаА // Нижегородское образование. № 1. 2016. С. 4-11.
2. Петрова И.Ю., Зарипова В.М., Ишкина Е.Г., Маликов А.В., Варфоломеев В.А., Захарова И.В., Кузенков О.А., Курмышев Н.В., Милицкая С.К. Ключевые ориентиры для разработки и реализации образовательных программ в предметной области «Информационно-коммуникационные технологии» Бильбао, 2013. 87 с.
3. Захарова И.В., Кузенков О.А. Опыт реализаций требований образовательных и профессиональных стандартов в области ИКТ в российском образовании // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2016. Т. 12. № 3-1. С. 17-31.
4. Гергель В.П., Гугина Е.В., Кузенков О.А. Разработка образовательного стандарта Нижегородского университета по направлению «Фундаментальная информатика и информационные технологии». Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2010. Т.1. № 6. С. 51-60.
5. Грезина А.В., Комаров В.Н. О гашении крутильных колебаний в одной механической системе. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, № 6(1). С.185-188
6. Igumnov L.A., Metrikin V.S., Grezina A.V., Panasenko A.G. THE EFFECT OF DRY FRICTION FORCES ON THE PROCESS OF DIELECTRIC WAFER GRINDING. В сборнике: Vibroengineering Procedia 22, Dynamics of Strongly Nonlinear Systems. Сер. "22nd International Conference on Vibroengineering" 2016. С. 501505.
7. Киселева Н.В. Фазовый портрет маятника под действием периодического момента. - Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. -2014. №4-1. С.306-310.
8. Киселева Н.В., Шишкин А.А. О движениях маятника под действием периодического момента. - Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2011. №3-2. С.83-86.
9. Грезина А.В., Малышева И.В., Панасенко А.Г. Численное моделирование распределения примеси и ее профилей в ограниченной среде. Научный журнал «Процессы в геосредах». Москва. Специальный выпуск №8. 2016. С. 10-14.
