CC BY
60
УДК 53:372.8
В. В. Ларионов
ОРГАНИЗАЦИОННО-ПРОЦЕССУАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНО ОРИЕНТИРОВАННОГО ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ НА УРОВНЕ ПРОЕКТОВ ПРИ СОВМЕСТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СТУДЕНТОВ
Рассматриваются процессуально-организационные схемы, методика и модель обучения физике в условиях совместной деятельности учащихся на основе проектов. Отражается постановка проблемных задач на уровне проекта, которые в перспективе обеспечивают методологическую основу внедренческой деятельности будущих инженеров. Даны конкретные примеры профессионально ориентированного формирования физических идей на уровне проекта на основе практических занятий и взаимосвязанных с ними проектных заданий физического практикума. Приводится схема взаимодействия субъектов образовательного процесса в системе «преподаватель физики - преподаватель специальной дисциплины - студент».
Ключевые слова: совместная деятельность, физические идеи, проектное обучение, предметные компе-
тенции, профессиональная направленность обучения.
Проблемой нашего исследования является поиск ответа на вопрос: как изменить систему обучения физике в технических университетах, чтобы в подготовке будущего инженера был отражен внедренческий характер его профессиональной деятельности.
Уже в вузе на примере обычных задач по физике студент учится внедренческой деятельности. При внедрении имеется в виду пропедевтическое (учебное) и реальное применение разработок, выполненных студентами уже в стенах вузов. Педагогическая целесообразность очевидна. В настоящий момент актуальным становится создание процессуально-организационной схемы последовательности обучения внедренческой совместной деятельности на основе проектов в контексте стандартных задач и лабораторных работ. Это короткая последовательность для студентов первых лет учебного процесса должна быть разработана и дополнена общими концепциями обучения будущих специалистов по этой теме.
В соответствии с европейской концепцией инженерного образования (CDЮ) программы подготовки инженеров нацелены на «воспитание» инженера, который способен анализировать, проектировать, внедрять и эксплуатировать комплексные инженерные продукты, процессы и системы в современной среде (понимание и сопровождение продукта на протяжении всего жизненного цикла). Новый подход, в частности, предполагает усиление практической направленности обучения, введение системы проблемного и проектного обучения, отражающих сущность инженерной профессии - анализ и решение проблем [1; 2]. Профильные школы для этих целей ведут планомерное обучение, формируя соответствующее методическое обеспечение и программно-педагогическую среду, базирующуюся на совместной деятельности учащихся [3].
Постановка задачи. Методы ее исследования
Концепция профессионально ориентированного обучения основана на следующих подходах:
проблемном, дифференцированном, личностно ориентированном обучении; идее П. Капицы об инженерном мышлении как творческом процессе; онтодидактическом подходе, проектировании во всех видах учебной деятельности. Основной подход в профессионально ориентированном обучении физике (ПООФ) - проблемный. Здесь проблема представляет собой единицу учебного содержания. Проблемная задача есть единица учебного процесса. Тогда проблемная ситуация - единица отношения содержания и процесса профессионально ориентированного обучения в условиях внедренческой направленности совместной деятельности учащихся, реализуемой на уровне проектов. Поэтому сущность ПООФ - структурирование проблемы, выделение состава проблемных ситуаций, основной из них, которая решается в виде проблемной задачи с ее переводом в сферу практического применения.
Очевидно, что реализация концепции возможна в рамках информационно-коммуникационных технологий посредством программно-педагогической среды [2; 4], включающей сборники проектных задач [4-6], средства пропедевтической подготовки студентов к данному виду деятельности и физического практикума, учитывающего новые цели и средства обучения [5; 7]. Структурирование проблемы, проблемной ситуации и проблемной задачи обеспечивает формирование физических и инженерных идей на уровне проекта. Таким образом, в процессуально-организационном плане схема внедренческой деятельности на основе выполнения проектов содержит видеообучающую систему [2], физический практикум, систему адаптации при обучении наукоемким технологиям, педагогическую технологию разработки реальных учебных проектов. Модель методики ПООФ справедлива для любых видов деятельности на семинарских и лабораторных занятиях и содержит:
- предъявление задачи;
- решение задачи, выделение и структурирование проблемы и проблемной ситуации;
- поиск решения проблемы, создание расчетных программ, формулирование идеи на уровне проекта;
- формирование и создание проекта;
- презентацию и защиту проекта.
Подчеркнем, что на каждом этапе, в каждом
элементе системы задействован целевой и мотивационный компонент, так как реализуется разный вклад отдельных частей рассматриваемой системы обучения в достижение целей.
В данной концепции творческая работа студентов показана как поисковая учебная деятельность в процессе интерактивной самостоятельной работы субъектов учебного процесса, т. е. включая преподавателя, посредством информационно-коммуникационных технологий (ИКТ). ИКТ в подобной схеме реализуются при помощи специально организованного ФП и разработки проектов на семинарских занятиях и реальных учебных проектов в период учебной практики бакалавров [7] (рис. 1).
Рис. 1. Разработка проектов на семинарских занятиях
Организационно-процессуальное взаимодействие студентов и преподавателей при проектном обучении требует больших затрат времени преподавателей, поэтому необходима компьютерная пропедевтическая видеообучающая система [5; 7], которая содержит блок входных и выходных данных, обучающий блок, блок диагностического материала и обратной связи, так как обучение и контроль сведены в единый взаимосвязанный процесс. Обучающая особенность системы в плане развития творческих способностей заключается в том, что студентам предоставляются не только теоретические объяснения, сопровождаемые анимациями и фрагментами учебных фильмов, но и интерактивные компьютерные модели. Они заменяют готовый теоретический ответ, предлагая обучающимся самостоятельно добывать знания и инте-
рактивно анализировать зависимости между физическими параметрами объекта исследования, что позволяет вести учебно-поисковую исследовательскую деятельность, сопровождая ее внедренческими идеями [1]. Вся пропедевтическая учебная деятельность студентов отображается в матричном формате. В результате автоматизированной обработки данных, реализуемой программными средствами системы, обучающиеся дифференцируются по знаниям, умениям и навыкам. На этой основе формируются мини-коллективы для организации самостоятельной работы и реализации учебных проектов.
Одной из основных частей внедренческой системы обучения на уровне проектов как по цели, так и содержанию является физический практикум. В его структуру входят следующие составляющие: натурный, вычислительный, виртуальный эксперименты. Виртуальный эксперимент для целей проектного обучения имеет два способа реализации: натурно-виртуальный и виртуально-натурный. Натурный эксперимент (информационные технологии прямого доступа) разделяем на традиционный, компьютеризированный и автоматизированный. Для того чтобы выделить новую методологическую особенность физического практикума, дадим ему следующее определение - практикум, в котором натурные, виртуальные дидактические средства и моделирование на любом уровне в теории и методике обучения физике рассматриваются не только как одинаково важные (и дополнительные), но и составляют единый неразделимый комплекс, что позволяет проводить обучение в последовательности и пропорциях, соответствующих методологии научного исследования, и реализовать предпосылки для внедренческой деятельности будущего инженера в рамках предпрофессио-нальной подготовки на занятиях по физике.
В этой связи физический эксперимент является закономерным результатом развития учебного и научного познания в физике и одним из эффективных путей решения сложных вопросов в теории и методике обучения физике. С позиции фундамен-тализации образования возникновение и становление данного дидактического средства вызвано двумя основными причинами. Во-первых, необходимостью системного подхода к обучению физике в рамках физического практикума. Во-вторых, необходимостью ориентированного исследования способов преобразования физических объектов на уровне проектов. В его состав входит виртуальный эксперимент. При работе с виртуальным прибором студенты составляют задачи с его использованием и учетом технических условий реализации, дополнительные вопросы с выделением проблемных ситуаций, программы расчета. Критерием оценки яв-
ляется число и качество задач, вопросов, расчетных программ, дизайновые и другие решения. В каждом случае должны быть разработаны методики перехода студентов к выполнению учебно-исследовательского проекта. Например, сопряженный виртуально-натурный интерферометр Жамена [7], где сопряжены видеоклипы реального манометра и реальной интерференционной картины, переводит экспериментальную задачу на уровень проекта посредством расчетов длины когерентности, изменения оптической длины пути световых лучей, коэффициентов преломления воздуха, толщины пластин вследствие их нагревания от теплового источника и т. д.
Среди условий создания проблемных ситуаций в системе физического эксперимента отметим следующее: благодаря преднамеренному изменению условий протекания известного физического явления в виртуальном эксперименте обучаемые обнаруживают факты, противоречащие сведениям, полученным в ходе реального эксперимента:
- при изучении нового физического явления, объяснение которого противоречит ранее сформированным понятиям обучаемых, но при углублении понятий противоречие снимается посредством моделирования (в отличие от ранее предлагаемых действий без моделирования);
- при изучении нового физического явления, объяснение которого противоречит некоторой известной теории, но противоречие может быть снято с помощью новых представлений или другой теории, которая включает в себя первую как частный или предельный случай;
- при обнаружении фактов, которые противоречат следствиям, вытекающим из объяснения данного явления на основе имеющейся идеальной модели, но при совершенствовании модели физического явления противоречие может быть снято;
- когда на основе имеющихся эмпирических фактов и теоретических предпосылок перед студентами выдвигается учебная проблема по созданию мысленного образа нового технического устройства с целью углубления знаний о физическом явлении и его применения на практике.
Особенности проблемно-проектных операций, совершаемых при обработке первоначальной структурной информации в процессе решения физических задач [4; 8], состоят в том, что для их успешного превращения в проектные образы учащийся должен быть компетентным в смежных областях знания, непосредственно базирующихся на курсе физики. В этом случае на основе содержательного анализа структуры задачи, проблемы, проблемной ситуации формируются физические идеи, играющие роль исходных посылок на последующих стадиях превращения задачи в проектное
решение [3], за которым следует внедренческое развитие физической идеи. Основные требования при работе над проектами по схеме совместной деятельности, сформулированные студентами, показаны на рис. 2.
Рис. 2. Основные требования к членам мини-коллектива
Процессуально-организационная схема и модель профессионально ориентированного подхода к обучению на уровне проектов содержат следующие блоки (рис. 3): целевой, мотивационный, деятельностный. Данная схема обеспечивает реализацию кластерной структуры обучения - применение, научное направление, разработка, предложения по реализации внедренческой цели обучения (обучая - создаем, создавая - обучаем). Сбалансированное взаимодействие всех блоков обеспечивает ИКТ.
Предъявляемые студентам задачи должны обладать свойством структурной полноты, исключать однотипные задания на подстановку численных значений, предусматривать поэлементный анализ и построение графиков, позволяющих показать, что задачи имеют во внутренней структуре элементы прошлых и будущих знаний. Примером организации совместной деятельности учащихся и формирования физических идей на уровне проекта могут служить несложные задачи, имеющие внедренческое продолжение. Задача из сборника для вузов [9] предлагает учащемуся определить разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей при наложении электрического поля на изотропную среду (эффект Керра). Эта задача легко превращается во внедренческий проект. Можно сконструировать жалюзи для окон, каждая полоска которых является изотропной средой. На края жалюзи наклеиваются проводящие полоски, на них подается постоянное напряжение (рис. 4), в результате чего среда становится анизотропной и не пропускает излучение. Поэтому комната не нагревается и для ее охлаждения не требуется затрат энергии. Если источником питания служит панель солнечных батарей, то система начинает работать в автоматическом режиме. Здесь имеет место пример нестандартного применения известных, хорошо изученных физических систем. При оценива-
Цель: формирование у будущего инженера устойчивого методологически мотивированного и ориентированного интереса к обучению физике, умения востребовать и использовать ее научное содержание в качестве методологического, экспериментального и технологического средства выполнения целевых видов познавательной и будущей инженерной внедренческой деятельности
Процессуально-содержательный компонент, организационноуправленческая подсистема для обеспечения интерактивного взаимодействия субъектов образовательного процесса
Мотивационный компонент
1. Выполнение проектов на основе методологии физики как науки. 2. Увеличение информационных ресурсов. 3. Повышение компьютерной грамотности. 4. Обеспечение самоконтроля, пропедевтической работы и тренировок. 5. Практические рекомендации и создание условий их реализации.
Ґ \ Проектная деятельность
Г \ Физическим эксперимент как средство познания на основе сочетания 1 Пропедевтическая ' интерактивная система для входного мониторинга Система самостоятельной работы на
материальных, виртуальных студентов и основе
дидактических средств и активизации их информацион-
моделирования и их познавательной но-
структурного деятельности образователь-
взаимодействия V У ной среды [4]
Структурирование проблем, проблемных ситуаций и задач
Формирование идей на уровне проекта, включая внедренческие идеи
Рис. 3. Процессуально-организационная схема и модель профессионально ориентированного обучения физике
на основе проектной совместной деятельности
нии результатов деятельности мини-коллективов применялась методика, изложенная в работе
З. А. Скипко и А. С. Бармашова [10].
Рис. 4. Схема реализации проектной задачи на основе эффекта Керра. 1 - полоска жалюзи, 2 - электроды, 3 - панель солнечной батареи
При решении задач на семинарских занятиях, выполнении виртуального, натурного экспериментов и моделирования студенты формулируют систему дополнительных вопросов, которые предполагают соотнесение физических знаний с физическими эффектами, лежащими в основе первоначально за-
данного условия. Контрольный эксперимент показывает, что формулирование дополнительных вопросов к задаче представляет развивающий пропедевтический этап [11-14] для реализации проектов внедренческого типа. Изучение физического явления в методе проектов создает своеобразный структурообразующий эффект, объединяющий ряд явлений для их нового практического применения. Например зоны Френеля по-новому используются в схемах панелей солнечных батарей, благодаря чему увеличивается их к.п.д. Были выявлены новые эффекты, связанные с явлением Ампера - Фарадея для создания источников энергии; находят применение активные электроны, которые образуются на поверхности наноматериалов; и т. д.
Приведенные организационно-процессуальные аспекты профессионально ориентированного обу-
3
чения физике на уровне проектов при совместной содержания. Предложенная методика и модель не
деятельности студентов позволяют изменить систе- только обучают частным экспериментам и задачам,
му обучения физике в технических университетах но и ведут к формулированию физических идей на
так, чтобы в подготовке специалиста был отражен уровне проекта, усиливают их предпрофессиональ-
внедренческий характер будущей профессиональ- ную подготовку и последующую мотивацию к изу-
ной деятельности, т. е. деятельности определенного чению профессиональных дисциплин.
Список литературы
1. Зеличенко В. М., Ларионов В. В., Пак В. В. Совместная деятельность студентов на практических занятиях по физике: формирование физических идей на уровне проекта // Вестн. Томского гос. пед. ун-та (Tomsk State Pedagogical University Bulletin). 2012. Вып. 2(88).
С. 106-110.
2. Ларионов В. В., Тюрин Ю. И. Проблемно ориентированное обучение физике в техническом университете // Высшее образование в России. 2009. № 6. С. 156-159.
3. Румбешта Е. А. Образовательная программа педагога как средство организации деятельности по формированию компетенций у школьников // Вестн. Томского гос. пед. ун-та (Tomsk State Pedagogical University Bulletin). 2011. Вып. 4. С. 132-138.
4. Зеличенко В. М., Ларионов В. В., Мансуров Е. А. Информационно-образовательная среда вуза по физике: от задач к формированию заданий на уровне проекта // Там же. 2009. Вып. 10. С. 106-110.
5. Ларионов В. В., Писаренко С. Б. Новая концептуальная модель физического практикума технических университетов // Известия Томского политех. ун-та. 2006. Т. 309. № 6. С. 231-237.
6. Ларионов В. В., Пурышева Н. С. Методические основы проблемно ориентированной системы практических занятий в техническом университете // Сибирский педагогический журнал. 2007. № 10. С. 57-70.
7. Ларионов В. В., Писаренко С. Б., Лидер А. М. Лабораторно-проектные работы в системе физического практикума // Лабораторно-проектные работы в системе физического практикума.
8. Гилев А. А. Когнитивный анализ процесса решения учебных физических задач // Физическое образование в вузах. 2007. № 2. С. 62-71.
9. Волькенштейн В. С. Сборник задач по общему курсу физики: учеб. пос. для втузов, изд. 12-е. М.: Наука, 1990. 398 с.
10. Скрипко З. А., Бармашова А. С. Использование традиционного и компетентностного подходов в оценивании результатов обучения на уроках физики // Вестн. Томского гос. пед. ун-та (Tomsk State Pedagogical University Bulletin). 2011. Вып. 6. С. 51-54.
11. Eylon B. and Ganiel U. Macro-micro relationships: the missing link between electrostatics and electrodynamics in student's reasoning // Intern. Journal Science Educаtion. 12. 79. 1990.
12. Mulhall P., Mckittrick B. and Gunstone R. A perspective on the resolution of confusions in the teaching of electricity // Res. Science Education. 31, 575. 2001.
13. Guisasola J., Zubimendi J. L, Almudi J. M., and Ceberio M. The evolution of the concept of capacitance throughout the development of the electric theory and the understanding of its meaning by University students // Science Education. 11, 247. 2002.
14. Meheut M. and Psillos D. Teaching-learning sequences: aims and tools for science education research // Int. J. Science Education. 26, 515. 2004.
Ларионов В. В., доктор педагогических наук, кандидат физико-математических наук, профессор кафедры, профессор. Томский политехнический университет.
Пр. Ленина, 30, Томск, Россия, 634050.
E-mail: [email protected]
Материал поступил в редакцию 03.05.2012.
V V Larionov
organizational and procedural aspects of professionally oriented teaching physics
AT THE PROJECT LEVEL FOR THE JOINT ACTIVITIES OF THE STUDENTS
We consider the procedural and organizational schemes, methodology and model of teaching physics under the conditions of the joint activities of students on a project basis. The statement of objectives is reflected by the concern at the project level, which ultimately provide the methodological basis of the activities of the innovative engineers of the future. The article gives specific examples of professionally-oriented form of physical ideas at the level of project-based workshops, as well as the interrelated tasks of projective physics laboratory. The layout of the subjects of education of the process in the physics teacher - a teacher-student specific discipline.
Key words: joint activities, physical ideas, project training, subject competence, professional orientation training.
Tomsk Polytechnicl University.
Pr. Lenina, 30, Tomsk, Russia, 634050.
E-mail: [email protected]
