CC BY
19
УДК 378 ББК 74.58
НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ НЕФИЗИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ Е.Б. Петрова, доцент кафедры физики для естественных факультетов МПГУ (499)264-46-83
Предложена многоуровневая система получения физических знаний для студентов нефизических специальностей. Описана модель организации обучения физике студентов нефизических специальностей. Подробно рассмотрены все ее компоненты. Приведены примеры организации учебного процесса на основе современных технологий обучения, которые, по мнению автора, могут способствовать улучшению качества образования.
Ключевые слова: многоуровневая система образования, нефизические специальности, современные технологии обучения.
SOME PROBLEMS OF THE PHYSICAL EDUCATION FOR THE STUDENTS OF NON-PHYSICS SPECIALITIES
Petrova E.B.
The article offers for consideration a multi-level system for obtaining the knowledge in physics by the students being educated for non-physics specializations. The components of the system have been described comprehensively. The authors provide the examples of training programs using the modern education approaches, which, in the authors' opinion, can significantly advantage the quality of education.
Keywords: A multi-level system the knowledge, non-physics specializations, the modern education approaches
Естественнонаучная составляющая является неотъемле- Мотивационные компоненты модели. Создание у обу-мой частью современного образования, так как способ- чаемых мотивации к изучению физики, чему способствует с
'ствует формированию научного мировоззрения независимо от профессиональной направленности обучения.
Однако, на наш взгляд, современная система высшего педагогического образования имеет ряд недостатков, которые делают преподавание естественнонаучных дисциплин менее эффективным. Перечислим их:
- содержание ряда вузовских дисциплин не отражает современного содержания естественных наук;
- разобщенность содержания учебных естественнонаучных дисциплин (вертикальная и горизонтальная дискретность);
- преобладание в образовательном процессе репродуктивных форм передачи знаний;
- недостаточное использование преподавателями современного дидактического и технического обеспечения;
- отсутствие должного внимания к организации самостоятельной работы студентов.
Одним из путей решения этих проблем является переход на многоуровневую систему получения физических знаний.
Основу этой системы составит читаемый в бакалавриате на всех естественнонаучных факультетах курс физики. На следующей, более высокой ступени обучения (магистратура), будут читаться другие дисциплины физического цикла, основной характеристикой которых должно стать свойство преемственности не только с дисциплиной «Физика», но и специальными дисциплинами. Все они должны стать компонентами единой непрерывной системы естественнонаучного образования. Необходимо осуществить системную синхронизацию компонентов образовательного процесса, заключающуюся в создании и согласовании всех видов интегративных связей: внутрипредметных, межпредметных и межцикловых.
Это возможно осуществить, используя универсальную модель организации обучения физике студентов нефизических специальностей.
На первом уровне (в бакалавриате) занятия проводятся со студентами каждого из факультетов по своей программе, поэтому осуществляются межпредметные связи с конкретным предметом специальной подготовки. Отличительной особенностью преподавания в рамках этой модели должно стать наличие в программах дисциплин инвариантной и вариативной компонент. Причем последняя из них является обязательным элементом, который систематически включается в лекционный материал и служит для установления связи между дисциплиной «Физика» и дисциплинами специальной подготовки.
систематическое использование вариативной компоненты содержания на всех видах занятий.
Содержательные компоненты модели. На первом уровне при обучении физике возможно лишь установление межпредметных связей с рядом естественнонаучных специальных дисциплин. Эти связи по временному признаку могут быть сопутствующими и предшествующими.
Основные цели на этом этапе:
- сформировать некоторые из необходимых умений работы с содержанием курсов (установление соответствия между законами физики и явлениями в биологических системах, использование этих законов для качественного объяснения и установления простых количественных соотношений);
- продемонстрировать общность всех естественнонаучных дисциплин, например, в методах исследования.
Операционные элементы модели. Необходимо сформировать у студентов некоторые функциональные умения (работа с лабораторным оборудованием, работа с мультимедийными пособиями и т. п.).
Рефлексивные компоненты модели. Поскольку практически половина всего учебного времени отводится на самостоятельную работу студентов, необходимо эффективно организовать ее, то есть сформировать умения строить свою аудиторную и самостоятельную деятельность.
На этом этапе возможны в основном репродуктивный и репродуктивно-алгоритмический, редко эвристический способы передачи знаний.
Обучение в магистратуре (второй уровень) предполагает чтение дисциплин физической направленности интегративно-го характера. В их содержании должны использоваться те знания, которые получены как в курсе физики, так и в дисциплинах специальной подготовки.
На втором уровне занятия проводятся с магистрантами, имеющими в качестве базового различное образование (это могут быть выпускники химического, биологического и географического факультетов), поэтому набор дисциплин специальной подготовки различен.
Мотивационные компоненты модели. Создание у обучаемых мотивации к самостоятельной реализации межпредметных связей и интеграции естественнонаучных дисциплин в процессе преподавания в школе и вузе.
Содержательные компоненты модели. На этом уровне возможно создание интегративных курсов, основой для построения которых в качестве стержневой дисциплины являются знания по физике как дисциплины общей для всех спе-
циальностей.
Основные цели на этом этапе:
- сформировать умения самостоятельного установления межпредметных связей при работе с содержанием дисциплин;
- сформировать умения описания явлений природы, умения устанавливать общее в явлениях различной природы, качественные и количественные закономерности;
- продемонстрировать общность всех естественнонаучных дисциплин.
Операционные элементы модели. Сформировать у студентов некоторые умения самостоятельного создания методических материалов для реализации межпредметных связей в преподавании в школе и вузе.
Рефлексивные компоненты модели. Сформировать умения: строить собственную аудиторную и самостоятельную деятельность; планировать самообразовательную деятельность; оценивать и корректировать свою учебную деятельность.
На этом этапе должен быть осуществлен переход от репродуктивных видов деятельности на более высокие уровни -эвристический и творческий.
Итак, в рамках этой модели преподавание физических дисциплин должно осуществляться на двух уровнях: первом -в бакалавриате, втором - в магистратуре.
Приведем примеры интегративных дисциплин, разработанных нами в рамках инновационной образовательной программы МПГУ: «Основы биофизики», «Сенсорные системы», «Физические основы приема и передачи информации», «Физические основы биологических процессов».
Прежде всего, стоит отметить, что в программу каждой из дисциплин были включены актуальные для современного естествознания проблемы теории систем, синергетики и многие другие. Это стало возможным именно на последнем этапе обучения в вузе, поскольку мы считаем, что с основами наук студенты уже знакомы.
Структура курсов такова. Стержневыми в них являются знания по физике, которые, несмотря на небольшие вариации для выпускников различных естественнонаучных факультетов, невелики. На этой основе строится ядро дисциплин, путем углубления уже имеющихся знаний и дополнения новыми. Затем излагаются вопросы, являющиеся ключевыми для всех естественнонаучных дисциплин, то есть трансдисциплинарного характера.
Рассмотрим это на примере дисциплины «Сенсорные системы». Очевидно, что сенсоры, являясь каналами обмена информацией между любой системой и внешним миром, имеют огромное значение как в природе, так и в технике. Структура сенсорных систем едина независимо от их физической природы. Поэтому вводная часть курса посвящена обсуждению общих вопросов: их назначению, структуре, принципу действия и более частным примерам реализации в природе и технике. Поскольку в основе их построения лежат физические принципы, то исследуются особенности их поведения в различных условиях.
В последней части программы устанавливается связь между сенсорными системами в различных естественнонаучных дисциплинах, общность методов их исследования, проводятся аналогии между природными и рукотворными сенсорными системами.
В качестве примера приведем одну из тем дисциплины. Объектом ее исследования является гравитационное поле Земли. Далее показаны методы исследования этого природного объекта с помощью сконструированных человеком сенсорных систем, используемых в географии, в сравнении с естественными системами человека (предмет изучения биологии).
Тема 6.1. Регистрация изменения механических величин в
научных исследованиях.
Сейсмология. Основные принципы устройства сейсмографов (сейсмограф Голицына, морской сейсмограф). Использование сейсмографов для регистрации и предупреждения землетрясений.
Исследование гравитационного поля Земли. Гравиметрия.
Чувствительность различных организмов к внешним механическим раздражителям. Функции механорецепторов и особенности их строения. Сейсмическая чувствительность. Интеро- и проприорецепторная чувствительность. Функции тактильных рецепторов. Характеристики органов равновесия. Типы сигналов, обрабатываемых механорецепторами.
При изложении этой темы особое внимание уделяется проведению аналогий между указанными системами, подчеркивается общность структуры, методов анализа. Затем следует пояснить, что эта аналогия может быть расширена и на другие естественнонаучные предметы. Таким образом, дисциплина приобретает интегративный характер.
Или, скажем, другая дисциплина - «Физические основы приема и передачи информации». Структура программы примерно такая же, как и у предыдущей. Здесь также рассматриваются вопросы, важные для всех естественнонаучных специальностей. Цель этой дисциплины - рассказать, что такое информация, как она передается и принимается, в каких единицах измеряется, познакомить с созданными к настоящему времени теоретическими основами передачи информации. Этот курс дает возможность проиллюстрировать и еще одно важное свойство современного естествознания - показать, как идея, родившаяся в недрах одной из наук, впоследствии может стать достоянием всего естествознания в целом (имеется в виду теория систем Л. Берталанфи). Эта идея оказалась настолько продуктивной, что активно эксплуатируется наукой в целом.
Эффективность преподавания при специальной подготовке студентов с использованием представленных дисциплин обусловлена оптимальным согласованием всех форм обучения. Их синхронизация позволяет перейти от репродуктивных методов обучения к творческим. Однако это возможно лишь при использовании современных дидактических средств (видеофильмы), которые, к сожалению, еще не всегда применяются в полной мере. Кроме того, учитывая большое внимание к самостоятельной деятельности студентов, необходима разработка новых форм обучения. Эти формы должны быть направлены на создание более эффективной тьюторской поддержки студентов. Нами разработана такая форма - мультимедийное сопровождение лабораторного практикума и практических занятий (подробнее см. ниже).
Дисциплины, читаемые нами, сопровождаются большим количеством иллюстративных материалов, обеспечивающих их оптимальное восприятие. Использование современных дидактических средств позволяет по-иному организовать не только аудиторную, но и самостоятельную деятельность студентов.
Модель подготовки к выполнению лабораторных занятий. Студенты имеют пособия с теоретическими материалами. На сайте кафедры или на каких-либо носителях они могут получить мультимедийные описания лабораторных работ, содержащие видеоматериалы, дополняющие пособие. К этим материалам мы относим анимированные иллюстрации физических явлений, слайды с примерами наблюдения описываемых явлений в природе, фрагменты видеофильмов, помогающих более ярко и наглядно представить изучаемое явление. Учитывая трудности, возникающие у студентов естественнонаучных специальностей при работе с приборами, должны быть представлены анимационные или видеоматериалы, показывающие основные приемы работы с оборудованием и последовательность действий при получении ре-
зультата.
Объясним, чем обусловлено такое внимание к физическому практикуму для студентов естественнонаучных факультетов. Существует мнение, что курс физики слишком короткий, чтобы тратить время на проведение лабораторных работ: они трудоемки, а за несколько таких занятий все равно невозможно сформировать экспериментальных умений. Однако цель, которую мы ставим при проведении лабораторного практикума, иная - это один из элементов повышения мотивации к занятиям по физике.
Ключевыми элементами нашей системы являются следующие: во-первых, обязательное наличие вариативной части межпредметного характера в каждой лабораторной работе; во-вторых, изменение роли и организации самостоятельной подготовки студентов к лабораторной работе.
Что здесь подразумевается? Для того чтобы понять это, проведем сравнительный анализ организации проведения физического лабораторного практикума для студентов физических и нефизических специальностей.
Выполнение лабораторной работы студентами-физиками происходит в несколько этапов. Рассмотрим каждый из них.
1. Домашняя подготовка - изучение литературы по теме, подготовка конспекта в тетради.
2. Посещение дополнительного занятия в лаборатории, которое посвящено изучению экспериментальной установки под руководством инженера, так называемого занятия по самоподготовке. Здесь можно ознакомиться с техническими деталями установки, ее действием; уточнить тонкости, связанные с методикой проведения эксперимента; задать любые вопросы, возникшие при домашней подготовке.
3. Выполнение лабораторной работы на занятии, предусмотренном графиком. Предполагается проведение эксперимента, а также обработка результатов измерений до той степени, которая позволяет оценить их достоверность.
4. Завершение обработки результатов, расчет погрешностей измерений, осмысление полученных результатов и формулирование выводов, связанных с проверкой того или иного физического закона или явления. Этот этап проводится самостоятельно во внеаудиторное время.
5. Предъявление преподавателю результатов лабораторной работы. Процесс собеседования предполагает демонстрацию студентом умения объяснять полученные результаты, подтверждающие выводы тех или иных физических законов и применения этих законов к объяснению явлений и процессов, наблюдаемых при проведении эксперимента.
Студенты нефизических специальностей в силу дефицита времени лишены возможности такой тщательной работы. Для них, как правило, исключается один из важнейших этапов этой работы - второй. Они не имеют возможности заранее ознакомиться с экспериментальной установкой и в процессе беседы с инженером получить ответы на возникшие на первом этапе вопросы. Это существенно усложняет их дальнейшую деятельность и снижает ее результативность.
Нами предлагается способ компенсации отсутствия этого этапа, точнее - способ проведения его виртуальным образом. Он заключается в использовании студентами мультимедийных описаний. Эти описания должны быть составлены в соответствии со следующими принципами:
1) структура описаний традиционна: теоретическое введение, описание экспериментальной установки, перечень заданий для выполнения и контрольные вопросы для подготовки к защите;
2) их структура должна соответствовать методологии познания;
3) они должны содержать максимум необходимой информации, представленной в различной форме - отрывков из фильмов, анимации, текста, поясняющих схем и т. п., но в то
же время они не должны быть перегружены фактами.
Остановимся на этом подробнее.
Теоретическое введение содержит основные сведения по теории вопроса. Поскольку речь идет о мультимедийном исполнении, то это позволяет сделать его многоуровневым и учесть все категории учащихся: и тех, кто хочет освоить минимум, и тех, кто хочет получить дополнительную информацию. Поэтому, пользуясь возможностью использования гиперссылок, необходимо предусмотреть и наличие исторических ссылок, и более подробный вывод формул, и информацию об упоминаемых понятиях (хотя бы на уровне их строгих определений). Новым элементом здесь должен быть элемент, связанный с описанием того явления, которое может быть объяснено с помощью указанной теории из специальной дисциплины, изучаемой студентами. Такой элемент должен создавать дополнительную мотивацию к проведению эксперимента. Он может быть реализован в виде фильма или вербального описания, содержащего яркий иллюстративный ряд.
Описание экспериментальной установки обязательно должно содержать наглядный показ принципа действия лабораторной установки (анимация, фильм и т.п.), процесса выполнения лабораторной работы с пояснением каждой операции и подробными указаниями по использованию получаемых результатов. То есть указанием, как использовать полученные данные для дальнейших расчетов и получения окончательного результата. Фактически эта часть описания должна заменить занятие для самоподготовки студента с участием инженера. Поэтому она должна быть продумана и по возможности давать ответы на все вопросы, которые могут возникнуть у студента при подготовке. Она должна быть рассчитана на аудиторию, имеющую минимум практических умений проведения физического эксперимента, соответствующий подготовке в средней общеобразовательной школе (в лучшем случае). Поэтому все показанное здесь должно быть детализировано до мелочей и содержать исчерпывающие комментарии. В качестве дополнительной информации необходимо представить сведения об используемых приборах - не только технические (функции, диапазон измерений, цена деления, способ визуализации измеряемого значения), но и связанные с методикой проведения измерений, способами избежания возможных ошибок.
Последняя часть, связанная с ответами на контрольные вопросы, должна не содержать прямые ответы на вопросы (в этом нет смысла, так как будет исключена деятельность студентов по поиску ответов), а лишь указывать путь их поиска: ссылки на книги, интернет-сайты, подсказки. Фактически эта часть описания должна помочь студентам приобрести навыки работы с дополнительной литературой, если они у них отсутствуют. Одним из вариантов организации этого раздела может быть даже включение в него мини-библиотеки книг по физике (например, в формате 4)уц), так как естественнонаучные факультеты не всегда имеют эту литературу в своем фонде.
Остается последний важный вопрос, связанный с использованием таких описаний в процессе выполнения лабораторного практикума: где студенты смогут получать эти описания? Здесь есть много возможностей: помещение на сайт кафедры; использование в лабораторном практикуме кафедры компьютерной техники (позволяет заранее скопировать эти описания на любой из удобных для студента носителей); диски с мультимедийными описаниями могут быть переданы в компьютерные классы и библиотеку соответствующих факультетов.
Использование описанной выше модели кажется нам достаточно эффективным средством для совершенствования процесса обучения дисциплинам физической направленности студентов естественнонаучных факультетов.
