CC BY
54
УДК 378.016:53 ББК Ч486.51
МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА НА ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЯХ ПО ФИЗИКЕ КАК ОДНА ИЗ СОСТАВЛЯЮЩИХ ОСНОВНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ 1Т-СПЕЦИАЛИСТОВ
Ю.Р. Мухина Южно-Уральский институт управления и экономики
METHODOLOGY OF USING A COMPUTER EXPERIMENT AT PRACTICAL TRAINING ON PHYSICS AS A CONSTITUENT PART OF A BASIC EDUCATIONAL PROGRAM FOR IT-SPECIALISTS
Yu. Mukhina South Ural Institute of Management and Economics
В соответствии с основными образовательными программами IT-специалистов весь процесс обучения должен иметь единую цель подготовки конкурентоспособного специалиста. Представлена модель методики обучения физике, основанная на использовании вычислительного эксперимента, позволяющего интегрировать профессиональные умения IT-специалистов и предметное содержание физики. Методика включает в себя совокупность методов, форм, средств и содержания обучения, способствующих активизации учебнопознавательной деятельности студентов.
Ключевые слова: методика обучения физике, студенты IT-специальностей, вычислительный эксперимент, активизация учебно-познавательной деятельности.
According to the basic educational programs for IT-specialists the entire learning process must have a single objective of preparing a competitive specialist. The model of teaching Physics methodology which is based on application of a computer experiment and lets integrate professional abilities of IT-specialists and the subject content of Physics is presented. The methodology comprises a combination of methods, forms, tools and training content which promote training and cognitive activity of students.
Keywords: methodology of teaching Physics, students of IT specialities, computer experiment, intensification of training and cognitive activity.
Главной задачей методической работы педагога является проектирование основных образовательных программ, которые помимо всего прочего включают рабочие программы и методическую поддержку всех учебных курсов. В данной статье рассматривается вопрос создания методики обучения физике студентов 1Т-специальностей, обеспечивающей достижение целей обучения и выполняющей требования к современному профессиональному образованию. Под 1Т-специалис-тами мы понимаем студентов, обучающихся по следующим направлениям: бакалавры
«Информационные системы и технологии»,
бакалавры «Информатика и вычислительная техника», специалисты «Информационные системы и технологии», специалисты «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем».
Основными требованиями к профессиональному образованию являются: интеграция профессионального и предметного содержания при изучении всех дисциплин, а также активность и самостоятельность студентов в процессе обучения. Для обеспечения данных требований мы считаем необходимым положить в основу нашей методики активизацию учебно-познавательной деятельности студентов
с помощью использования элементов вычислительного эксперимента.
Актуальность проблемы активизации учебно-познавательной деятельности определена социальным заказом общества. Современный специалист должен стремиться к постоянному профессиональному и личностному развитию. Формирование данного качества может быть реализовано через формирование активности и самостоятельности в познавательной деятельности. Кроме того, предмет «Физика» достаточно трудный для понимания и восприятия. Так, среди студентов «ЮжноУральского института управления и экономики», обучающихся по выделенным направлениям, более 50 % считают предмет «Физика» неинтересным, а 83 % - считают физическую науку сложной для понимания и восприятия. Основными мотивами к изучению физики являются внешние мотивы (73,6 % от опрошенных), а не личные, познавательные. Можно сказать, что фактически у студентов 1Т-специальностей отсутствует мотивация к изучению предмета «Физика». А для успешного усвоения предмета у студентов должен быть высокий уровень мотивации, а следовательно, и активности.
Еще одной проблемой обучения физике является ее кажущаяся оторванность от общей цели обучения. Примерно 50 % опрошенных на вопрос «Предмет «Физика» пригодится для будущей профессиональной деятельности?» ответили отрицательно. Основной целью обучения 1Т-специалистов является формирование умения использовать современные информационные технологии в различных предметных отраслях. На примере физики это можно реализовать с помощью элементов вычислительного эксперимента. Вычислительный эксперимент должен выступать в качестве метода познания физических закономерностей. Таким образом, мы можем интегрировать профессиональные навыки будущих 1Т-специалистов в области информационных технологий и предметное содержание физики.
Таким образом, возникает необходимость в разработке нового подхода к организации обучения физике студентов 1Т-направлений. На рисунке представлена модель процесса применения вычислительного эксперимента с целью активизации учебно-познавательной деятельности студентов 1Т-специальностей на практических занятиях по физике.
В основе нашей методики лежат личност-
но-деятельностный [2] и компетентностный [1] подходы. Компетентностный подход использован нами для определения целей и оценки результатов обучения в соответствии с основной образовательной программой, принципы активизации учебно-познавательной деятельности опираются на личностнодеятельностный подход.
Среди основных дидактических принципов наиболее значимыми для нас являются принципы сознательности, активности и самостоятельности, наглядности, систематичности и последовательности, научности [5], а также принцип здоровьесбережения. Эти принципы положены в основу методики, модель которой включает мотивационно-целевой, содержательный, деятельностно-процессуальный и рефлексивно-оценочный компоненты.
Мотивационно-целевой компонент включает цели обучения и потребности студентов. Цели обучения определяются внешними факторами: социальным заказом общества, в соответствии с которым формируется ФГОС ВПО, а также рядом условий организации педагогического процесса (количество часов, отводимых на изучение предмета, материальная и методическая оснащенность и т. д.). Цели обучения можно представить в виде набора компетенций. В стандарте обучения третьего поколения выделены основные общекультурные и профессиональные компетенции, которые должны быть сформированы у специалиста, а также знания, умения и навыки, которыми он должен овладеть при изучении отдельных дисциплин.
Для обучения студентов 1Т-специально-стей можно выделить три основных цели:
1. Формирование активности как основное требование к любому специалисту.
2. Овладение набором ЗУНов по физике в соответствии с общекультурными компетенциями.
3. Формирование профессиональных компетенций.
На основе анализа ФГОС ВПО для бакалавров по направлениям подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника» [6] и 230400 «Информационные системы и технологии» [7] выделили две обобщенные компетенции, которые можно формировать при обучении физике:
1. Компетенция в области использования современных информационных технологий при решении практических задач в различных
Теория и методика профессионального образования
предметных областях (ПК-2, ПК-5 - в [6]; ПК-5, ПК-12 ПК-18 - в [7]).
2. Компетенция в области проведения научных исследований (ПК-6, ПК-7 - в [6]; ПК-23, ПК-24, ПК-25, ПК-27 - в [7]).
Цели обучения являются внешними по отношению к учебной деятельности студента. Внутренней составляющей мотивационноцелевого компонента деятельности является познавательная потребность студентов. Структура познавательной потребности определяется мотивационной (мотивы) и эмоциональной (интересы) сферами. Потребности определяются внешними факторами (целями обучения) и внутренними факторами - личностными качествами, компетенциями, которыми уже владеет студент, способностью управлять своей познавательной деятельностью.
В качестве основной познавательной потребности (а также и способа активизации) в нашем исследовании мы выдвигаем потребность студента в профессиональном развитии. Поэтому в качестве основы обучения физике мы берем организацию вычислительного эксперимента. Вычислительный эксперимент как способ познания включает два вида деятельности - создание модели с помощью программных средств и исследование модели.
Первая составляющая деятельности направлена на то, чтобы вызвать интерес к предмету «Физика» за счет интеграции компетенций в области использования информационных технологий, полученных на предметах профессионального цикла, с умениями решать физические задачи. Кроме того, создание моделей позволит не только применить профессиональные компетенции, но и развить, и расширить их. Вторая составляющая деятельности направлена именно на формирование исследовательских умений, так важных и для физики, и для профессиональной деятельности студентов.
Содержательный компонент включает отбор материала по физике, пригодного для вычислительного эксперимента.
Для организации вычислительного эксперимента необходимо подобрать задачи, носящие исследовательский характер и направленные на изучение конкретных физических моделей.
Для получения физически значимых результатов наиболее эффективным оказывается объединение теории, натурного эксперимента (если это возможно) и вычислительного эксперимента. Поэтому структура деятельности
студентов при вычислительном эксперименте должна включать не только эксперимент, но и теоретический анализ задачи экспериментирования, а также результатов эксперимента.
При отборе и составлении задач на вычислительный эксперимент важно опираться на принцип научности. Согласно данному принципу содержание заданий должно быть основано на научных фактах, законах и теориях, соответствующих современному состоянию науки. А также в содержании должна быть отражена специфика и структура вычислительного эксперимента как особого вида научной деятельности наряду с теоретическими методами исследования и методами натурного эксперимента.
Деятельностно-процессуальный компонент включает методы, средства и формы организации процесса обучения. Для реализации данного компонента важно соблюдение принципов сознательности, активности и самостоятельности, систематичности и последовательности, наглядности, а также принципа здоровьесбережения.
Принцип сознательности, активности и самостоятельности предполагает прочное овладение компетенциями по средствам направленной, осмысленной, активной, самостоятельной учебно-познавательной деятельности. Этот принцип может быть реализован через использование различных активных методов обучения и форм самостоятельной работы. Одним из основных методов обучения, направленных на активизацию деятельности обучаемых, является проблемный метод.
Проблемное обучение основано на проб-лемности содержания деятельности студентов, которая управляется как преподавателем, так и студентом. Проблемное обучение включает в себя целый ряд методов обучения: метод проблемного изложения, учебно-поисковый (эвристический) метод, исследовательский метод [4, с. 253].
Самостоятельные работы можно разделить на индивидуальные, парные и коллективные, аудиторные и внеаудиторные. По типу самостоятельные работы можно разделить на воспроизводящие, реконструктивно-вариативные, эвристические и творческие [3, с. 105-106].
Опора на принцип наглядности для нашей педагогической модели незаменима, так как все компьютерные физические модели представляют собой графическую наглядность (графики, визуальные двумерные и трехмерные модели). Но наглядность в дидактике
нечто большее, чем только зрительное восприятие, это и тактильные, моторные восприятия, которые характерны для работы с компьютером. В случае вычислительного эксперимента происходит развитие всех видов мышления: абстрактное, словесно-логическое мышление, используемое при построении модели, сменяется наглядно-действенным мышлением при экспериментировании с моделью, которое в свою очередь переходит опять в словесно-логическое при интерпретации результатов экспериментов.
Среди огромного числа современных компьютерных программ для организации вычислительного эксперимента мы выберем табличные процессоры, математические пакеты, программы моделирования (блочного, физического, схематического моделирования, основанного на схеме гибридного автомата).
Многие из этих программ студентам знакомы к моменту изучения физики из курсов «Информатика» и «Информационные технологии». Некоторые они будут более подробно изучать уже после окончания курса физики. Однако все программы имеют достаточно понятный интерфейс, овладение ими не составит большого труда для студентов данного направления.
Принцип систематичности и последовательности предполагает представление научных знаний в виде системы понятий, а процесс обучения состоит из последовательных отдельных шагов. Вычислительный эксперимент включает в себя выполнение нескольких этапов: постановка задачи, формализация задачи, выбор ИТ, создание модели, планирование и проведение эксперимента, анализ результатов, подбор и решение задач, контроль (следующее занятие). Их следует придерживаться на всех этапах лабораторно-практических занятий, причем по мере изучения материала по разделу все больше этапов должны выполняться студентами самостоятельно.
Принцип здоровьесбережения особо важен для 1Т-специалистов, так как их профессии связаны с сидячим образом жизни и постоянной нагрузкой для глаз в связи с работой за компьютером. Поэтому крайне важно организовать процесс обучения максимально безопасным для здоровья, тем самым научив студентов элементарным правилам здоровье-сбережения.
В соответствие с выбранным подходом и принципами мы определили методы, средства и формы организации занятий по физике (см.
рисунок). А на их основе можно представить несколько типовых структур организации учебно-познавательной деятельности студентов.
Рефлексивно-оценочный уровень предполагает оценку реализуемой методики, т. е. принятие решения о ее соответствии целям обучения и необходимости корректировки. Процессу оценки предшествует этап контроля. Система контроля, как и система оценки, включает внешний контроль (оценку) преподавателем, самоконтроль (самооценку), контроль (оценку) со стороны коллектива студентов и сочетание этих видов контроля (оценки).
Для реализации самоконтроля и контроля со стороны коллектива студентов можно выделить несколько критериев к выполнению работы, сформулированных в виде вопросов (для каждой конкретной модели вопросы могут быть уточнены): Все ли этапы решения задачи выполнены? Правильно ли осуществлена формализация задачи (аналитическое решение)? Например, за счет проверки размерности. Правильно ли выбрана информационная технология и программное обеспечение для решения данной задачи? Является ли этот выбор оптимальным? Корректно ли осуществлена реализация решения в выбранной программе? Использованы ли необходимые функциональные возможности программы? Проведено ли тестирование корректности работы модели? Реализован ли вычислительный эксперимент? Насколько правильно спланирован эксперимент? Сопоставимо ли полученное решение реальному протеканию физических процессов (явлений)?
Задавая эти вопросы самому себе, студент сможет осуществить самоконтроль и самооценку своих действий и при необходимости скорректировать решение задачи. При организации контроля и оценки деятельности студента коллективом данные вопросы могут служить планом.
Что касается оценки самой модели обучения, то мы выделяем следующие критерии в виде уровня сформированности компетенций:
1) понимание студентами сущности изучаемых физических процессов и явлений;
2) компетенции в области использования профессиональных навыков при решении физических задач;
3) способность проводить исследования и реализовывать проекты в области физики на основе компьютерного моделирования;
4) активность в самостоятельной работе и работе в коллективе;
Теория и методика профессионального образования
Факторы, влияющие на процесс обучения
Внешние факторы Внутренние личностные факторы
1. Социальный заказ. 1. Уровень развития личностных качеств.
2. ФГОС ВПО. 2. Уровень сформированности профессио-
3. Условия организации педа- нальных компетенции.
гогического процесса 3. Уровень управления познавательной
деятельностью
Процесс обучения
Мотивационно-целевой компонент
Цели обучения Мотивы обучения
Знания и умения в области физики Профессиональные компетенции Формирование активности Применение и развитие профессиональных умений и навыков
Содержательный компонент
Основные физические понятия, законы, теории, методы физического исследования Вычислительный эксперимент как один из видов физического эксперимента Способы деятельности: 1) построение модели; 2) вычислительный эксперимент
Деятельностно-процессуальный компонент
Средства: вычислительный эксперимент на основе современных информационных технологий Методы: частично-поисковый и исследовательский методы Формы практических занятий: на основе воспроизводящей, реконструктивно-вариативной, эвристической и творческой самостоятельной работы
Рефлексивно-оценочный компонент
Самоконтроль, коллективный контроль, контроль со стороны преподавателя Самооценка, коллективная оценка, оценка со стороны преподавателя
Результат
Активная учебно-познавательная деятельность студентов на основе вычислительного эксперимента при изучении физических процессов и явлений
Модель процесса обучения, основанного на применении вычислительного эксперимента с целью активизации учебно-познавательной деятельности студентов 1Т-специальностей
на практических занятиях по физике
5) стремление к повышению своей квалификации за счет овладения новыми информационными технологиями.
Таким образом, в основе проектирования методики преподавания физики как одной из составляющих основной образовательной программы студентов 1Т-специальностей лежит взаимосвязь нескольких компонентов, которые в совокупности определили выбор методов, средств и форм, направленных на интеграцию профессиональных умений и предметного содержания физики.
Литература
1. Зимняя, И.А. Ключевые компетенции -новая парадигма результата образования / И.А. Зимняя // Высшее образование сегодня. -2003. - № 5.- С. 34-42.
2. Леонтьев, А.Н. Деятельность. Сознание. Личность / А.Н. Леонтьев. - 2-е изд. -М. : Политиздат, 1977. - 304 с.
3. Пидкасистый, П.И. Самостоятельная деятельность учащихся. Дидактический анализ процесса и структуры воспроизведения и
творчества / П.И. Пидкасистый. - М. : Педагогика, 1972. -184 с.
4. Пидкасистый, П.И. Педагогика: учеб. пособие для студентов пед. вузов и пед. колледжей / под ред. П.И. Пидкасистого. - М. : Педагогическое общество России, 1998. -640 с.
5. Подласый, И.П. Педагогика. Новый курс: учебник для студ. пед. вузов: В 2 кн. Кн. 1: Общие основы. Процесс обучения / И.П. Подласый. - М. : Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1999. - 576 с.
6. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника». - www.edu.ru/db/mo/Data/d_09/ prm553-1.pdf
7. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 230400 «Информационные технологии и системы». - www.edu.ru/db/mo/Data/ d_10/prm25-1.pdf
Поступила в редакцию 4 августа 2011 г.
