CC BY
55
УДК378.147.88, 531
Арынгазин Канапия Мубаракович
Доктор педагогических наук, академик АПН Казахстана, профессор кафедры общей и теоретической физики Карагандинского государственного университета им. Е. А. Букетова, Караганда
Васильева Ирина Федоровна
Магистр физики, старший преподаватель кафедры общей и теоретической физики Карагандинского государственного университета им. Е. А. Букетова, [email protected], Караганда
ОРГАНИЗАЦИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ В УСЛОВИЯХ КРЕДИТНОЙ СИСТЕМЫ ОБУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ИДЕЙ (НА ПРИМЕРЕ РАЗДЕЛА «КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА»)
Aryngazin Kanapiya Mubarakovich
Doctor ofpedagogical science, academician of APS of Kazakhstan, professor of the General and Theoretical Physics department, Karaganda State University named after E. A. Buketov, Karaganda
Vassilieva Irina Fedorovna
Master of physics, senior teacher of the General and Theoretical Physics department, Karaganda State university named after E. A. Buketov, [email protected], Karaganda
THE ORGANIZATION OF STUDENTS SELF-WORK IN THE CONDITION OF A CREDIT SYSTEM OF TEACHING BY USING THE GEOMETRICAL IDEAS METHOD (BY THE EXAMPLE OF PART «CLASSICAL MECHANICS»)
Одним из острых вопросов современной вузовской дидактики является организация самостоятельной работы студентов [1—5]. Многочисленные исследования в этой области оставляют открытыми для обсуждения ряд вопросов, касающихся ее структуры и методики организации в учебном процессе высшей школы.
Требования, которые предъявляются к современному специалисту, постоянно меняются в связи с бурным развитием науки и техники. Он, наряду со знаниями по специальности, должен обладать рядом личностных качеств (целеустремленность, коммуникативность, исполнительность, умение работать в коллективе и др.). Кроме того, одним из наиболее важных требований является умение постоянно совершенствовать свои знания, заниматься самообразованием и способность творчески мыслить.
В настоящее время из всех вышеперечисленных качеств пока делается упор на передачу студентам «багажа» знаний. В большинстве случаев передаваемый материал пассивно усваивается студентом, т. е. он является «поглотителем», а не активным «преобразовывателем». А именно это ка-
93
чество позволило бы ему раскрыть как себя, так и материал, пропустив, прочувствовав его через себя с целью осмысления.
В качестве выхода из этой ситуации можно предположить ориентирование студентов на самостоятельную работу. Мы никоим образом не пытаемся утверждать, что таковой работы в вузах не ведется. Она есть. Но, если рассматривать ее с критической точки зрения, то можно сделать вывод, что она недостаточно эффективна.
Одним из механизмов интеграции казахстанской системы высшего образования в международное образовательное пространство является кредитная система обучения, которая предполагает достаточно сильное изменение в подходах к обучению студентов. Это большей частью связано с изменением распределения часов, отводимых на изучение той или иной дисциплины. В отличие от линейной системы обучения, теперь основной акцент смещается от различных видов аудиторных занятий (лекционных, семинарских, лабораторных и др.) в сторону СРС (самостоятельной работы студентов) и CPCII (самостоятельной работы под руководством преподавателя), на которые отводится 2/3 от всего времени, выделенного на изучение дисциплины [6]. Данная система обучения в настоящее время внедрена почти во всех вузах Республики Казахстан (в том числе и на физическом факультете Карагандинского государственного университета им. академика Е. А. Букетова)
Здесь проблема начинается с распределения часов по видам занятий, которые имеют большое значение в освоении предмета, а также рационального их использования.
Рассмотрим, как распределяются часы по отдельным видам занятий. Например, длительность курса «Классическая механика» (специальность 050110 - физика образовательная) составляет 2 кредита, что равно 90 часам (1 кредит соответствует 45 часам). Деление происходит следующим образом: 15 часов отводится на проведение лекционных занятий, 15 часов - на проведение практических занятий, 30 часов - самостоятельная работа студентов под руководством преподавателя (СРСП) и 30 часов -внеаудиторная самостоятельная работа студентов (СРС) [7; 8J. Таким образом видно, что аудиторные часы составляют 1/3 часть от общего числа часов, а все остальное время студенты должны работать самостоятельно.
Очевидна проблема: как охватить громадный лекционный материал за столь малое количество часов и как научить студентов решать задачи на практических занятиях (причем не просто копировать алгоритм решения, предложенный преподавателем, а действительно научить думать, выбирать, предполагать, оценивать)?
Выход в данном случае, на наш взгляд, заключается в том, чтобы студенты работали творчески. Необходимо не просто заставлять их работать, а особым образом мотивировать. Это должно привести к активизации их познавательной деятельности и мышления.
Существуют различные способы активизации СРС. Это использование передовых методов обучения (развивающее, программированное, эвристическое и др.), компьютеризация учебного процесса, применение мультимедийных технологий и многое другое. Однако особое значение в активизации познавательной деятельности студентов нужно придавать мотивационной стороне проблемы. В частности, речь идет о процессуальной (или учебной) мотивации, под которой подразумевается понимание студентами не только полезности выполняемой ими работы, но появлении ее смысла и значения для личности студента, как систематизирующего фактора и творческого процесса.
СРС является неотъемлемой частью учебного процесса в высшей школе. Для успешного ее осуществления необходимо учитывать готовность к ней студентов, должным образом ее организовывать (выделять цели, задачи, формы, методы, подбирать материал и др.), контролировать как процесс, так и результат, т. е. мотивировать выдвижением новых идей.
Многочисленные исследования показывают, что у студентов начальных курсов уровень сформированности навыков самостоятельной работы и научной мотивации являются достаточно низкими. В своем большинстве выпускники школ практически не умеют анализировать материал. При ответе на поставленный вопрос они начинают пересказывать соответствующий параграф учебника. Попытка перефразировать вопрос чаще всего приводит к смятению студентов, так как они не умеют отделять главное, анализировать и систематизировать полученные знания. Сталкиваясь с новой ступенью образования, новыми требованиями к учебному процессу, они теряются и иногда даже начинают паниковать.
Чтобы этого избежать, в первую очередь учебная часть, методические службы, факультеты и профилирующие кафедры должны осуществлять не только контроль и планирование объема СРС, но и также способствовать тому, чтобы студенты научились самостоятельно учиться. Здесь главную роль должен играть преподаватель, а СРСП надо организовывать таким образом, чтобы студент «бегал» за преподавателем, за его знаниями, а не наоборот.
При этом необходимо учитывать, что умение самостоятельно работать имеет не только учебной, но и воспитательное значение, а также является одной из приоритетных задач государства при подготовке конкурентоспособных специалистов.
Вкратце раскроем сущность самостоятельной работы студентов. СРС осуществляется не только во внеаудиторное время, но и на всех видах академических занятий: лекциях, практических и лабораторных. К ее формам относится проработка материала лекций, подготовка рефератов, докладов по темам, отведенным на самостоятельное изучение, решение и сдача семестровых задач, выполнение и подготовка к защите лабораторных работ, подготовка к коллоквиумам. Кроме того, она может быть как индивидуальной, так и групповой. Однако следует отметить, что ее
эффективность повышается во втором случае, если она осуществляется в малых группах (2-3 человека). Участники группы усиливают фактор мотивации и взаимной интеллектуальной активности. Благодаря совместной работе, а иногда даже и соревновательному духу внутри группы и взаимному контролю участников эффективность познавательной деятельности, несомненно, повышается. Но при этом необходимо учесть ряд моментов, к числу которых относятся: уровень подготовки, мотивация и способность работать у участников группы должны быть примерно одинаковыми. Иначе внутри группы могут начаться разногласия. Более слабый участник начнет чувствовать себя уязвленным при понимании, что он не так хорошо разбирается в материале, а более сильный может уйти в себя: «зачем мне обсуждать то, что другие не понимают».
При индивидуальной самостоятельной работе в большинстве случаев студент, прочитав материал по изучаемой теме, решив ряд задач, делает вывод, что он этот материал усвоил. Однако его мнение о «понимании материала» является субъективным и чаще всего ошибочным.
При организации самостоятельной работы необходимо учитывать ряд моментов. Преподавателю следует уяснить, какие знания, с какой целью, и в какой степени он собирается передать студентам. Для этого нужно учесть особенности различных видов занятий и возможность создания на них ситуаций, стимулирующих активную самостоятельную познавательную деятельность студентов, т. е. нужно определить сущность учебно-познавательной деятельности.
В условиях кредитной системы обучения основным документом, ориентирующим и направляющим учебную и самостоятельную работу студентов является учебно-методический комплекс (УМК). Данные комплексы готовятся для студентов различных специальностей преподавателем (или группой преподавателей), ведущим данную дисциплину.
СРС и СРСП являются одним из обязательных пунктов УМК, в котором приводится необходимая информация для студентов: тема занятия; перечень теоретических вопросов, в которых студент должен уметь разбираться; перечень заданий для самостоятельной работы и методические указания к их выполнению и тесты для самоконтроля.
Также немаловажным фактором в организации СРС является контроль знания студентов. Согласно рейтинг-шкале кредитной системы обучения, различают домашний, текущий, промежуточный и итоговый контроли, каждый из которых выполняет свою функцию в оценке качества самостоятельной работы.
Все эти методы эффективны только тогда, когда в учебный процесс включаются новые идеи, способы, формы построения и изложения учебного материала и предмета в целом. И они стимулируют студентов к самостоятельной работе, способствуют тому, чтобы студенты сами дошли до истины и организуют мотивацию через убеждение.
В качестве примера рассмотрим организацию самостоятельной работы студентов на занятиях по «Классической механике». Из анализа типовой учебной программы но дисциплине «Классическая механика» для специальности 050110 - Физика образовательная [9] следует, что изучение начинается с основ механики Ньютона и постепенно проходит через механику Лагранжа к механике Гамильтона. Данный подход является традиционным и его, конечно же, нельзя считать ошибочным. Однако его использование не дает студентам целостной картины. Чаще всего на практических занятиях перед ними встает проблема выбора той или иной механики при решении конкретной задачи. Это означает, что восприятие материала осуществляется фрагментарно, что не позволяет делать логические умозаключения и проводить полный анализ информации.
Существует ряд методик, которые стараются облегчить указанные проблемы. В качестве примера можно привести методику с использованием аналитического подхода (многократное применение скобок Пуассона) к решению поставленных задач [10]. Однако, с нашей точки зрения, ее использование еще не достаточно для развития у студентов творческой с амо стояте льно сти.
Мы считаем, что развитию и активизации самостоятельности будет способствовать развитие связи между геометрией и классической механикой. Т. е., если ввести в самом начале курса некоторые геометрические представления [11], то студентам будет намного легче ориентироваться в изучении механики и соответственно способа решения той или иной задачи. В этом случае им достаточно будет разобраться с геометрией используемого пространства и тогда выбор механики определится автоматически (рисунок 1).
Из представленного рисунка видно, что при описании физического объекта необходимо учитывать свойства пространства и времени, то есть его геометрию. Механика Ньютона описывается геометрией евклидового пространства, Лагранжа - геометрией конфигурационного пространства, а Гамильтона - фазового. Причем все эти геометрии, а соответственно и механики, взаимосвязаны. Наиболее подробная и совершенная - геометрия фазового пространства, так как она учитывает и геометрические характеристики объекта (координаты), и физические (скорости). При ее упрощении, то есть отбросе некоторых физических характеристик, получаем конфигурационное пространство. Оно имеет структуру дифференцируемого многообразия и получается при прямом произведении п экземпляров трехмерного (например, евклидового) пространства. То есть евклидово пространство является частным случаем конфигурационного и действует на касательном расслоении последнего.
Геометрия (пространственные многообразия)
Рисунок 1 - Взаимосвязь пространственных многообразий и различных видов механик, которые используются при описании классической механики
Рассмотрим подробнее каждую из механик в отдельности. Заслуга Ньютона заключается в том, что он пересмотрел и переосмыслил созданную до него структуру теоретической физики. Ньютон обнаружил, что наблюдаемые геометрические величины и их изменения во времени в физическом смысле не характеризуют полностью движения. Следовательно, кроме масс и изменяющихся расстояний между ними существует нечто, что определяет происходящие события. Он понимал, что его законы могут иметь смысл только в том случае, если пространство обладает физической реальностью в той мере, как материальные точки и расстояния между ними. Необходимо было решать задачи не только качественно, но и количественно. А это значит, надо было привлекать математику и ее раздел - геометрию. Ньютон начинал с геометрических преобразований и заканчивал ими, но в основе исходного всегда лежала физическая реальность (иначе физика превратилась бы в математические символы).
Обобщая, можно сказать, что ньютоновская механика стала изучать движение системы материальных точек в трехмерном евклидовом пространстве, в котором действует 6-мерная группа движений. Основные законы инвариантны относительно группы галилеевых преобразований пространства-времени. Так сформировалась первая глубоко научная теоретическая механическая система на основе геометрических идей.
Лагранж пошел по пути критического обобщения предшествующего опыта, отмечая ограниченность теоретической механики в рамках евклидо-
Евклидово Конфигурационное Фазовое
пространство пространство пространство
Механика
Ньютона
Механика
Лагранжа
Механика Гамильтона
Классическая механика
вого пространства. В основу своей теории он заложил такие геометрические принципы, как законы сохранения импульса, момента импульса, энергии и вариационный принцип. Все они были объединены в единый принцип Даламбера-Лагранжа и получено общее уравнение движения.
Лагранж ввел понятия об обобщенных координатах и силах, получил уравнения, делающие более простым решение задач. Однако он не достиг полного раскрытия природы теоретической механики и ее математического обоснования. В его механике нет четкой системы математических понятий и принципов. Нематематизированными остаются силы, массы, упускаются эксперименты. Главный недостаток заключается в том, что механика Лагранжа не смогла решить задачи взаимодействия (притяжения и отталкивания) между материальными точками.
В схеме Лагранжа движение описывается на языке обобщенных координат и скоростей в п-мерном пространстве (п - число степеней свободы механической системы). Здесь используются точечные преобразования, представляющие собой различные способы перехода от одной системы обобщенных координат к другой. Конфигурационное пространство, в котором описывается механика Лагранжа, имеет структуру дифференцируемого многообразия. Функция Лагранжа есть касательное расслоение конфигурационному пространству, и является разностью кинетической и потенциальной энергий.
Метод Гамильтона глубже проник в главную проблему теоретической механики - установление законов движения механической системы, и стал общим методом изучения всех свободных систем тел. Его суть сводилась к отысканию характеристической функции. Далее, совместно с Якоби, Гамильтон добился фундаментального расширения своего математического аппарата и его механика стала в какой-то степени вершиной теоретической механики.
В механике Гамильтона дополнительные обобщенные импульсы становятся координатными переменными фазового пространства и эти канонические переменные подвергаются каноническим преобразованиям в этом пространстве. Гамильтонова механика - это геометрия фазового пространства, а оно имеет структуру симплектического многообразия, и в этом пространстве действует группа симплектических диффеоморфизмов. Система, описываемая ими, задается четырехмерным многообразием. Возведение Гамильтоном обобщенной скорости в ранг одной из координат фазового пространства стало выдающимся достижением и в физике, и в геометрии. Благодаря этому, импульс стал связующим звеном физики и геометрии и совместного описания ими природы.
При упрощении механики Гамильтона (т. е. при упрощении геометрии фазового пространства), получим геометрию конфигурационного пространства, и она переходит в механику Лагранжа. А при упрощении геометрии конфигурационного пространства получаем геометрию евклидового пространства и механика Лагранжа переходит в механику Ньютона. Такой
подход позволяет выявить разницу между тремя схемами, суть которых в изменении геометрии пространств, применяемых для построения их теорий.
Таким образом, очевидна взаимосвязь всех геометрий, и, следовательно, всех трех механик (Ньютона, Лагранжа и Гамильтона), которые описываются в соответствующих пространствах. Такой подход позволяет уже на первых занятиях рассмотреть взаимный переход геометрий и механик из одной в другую, а на остальных занятиях рассматривать их применение к частным вопросам и задачам. Это будет способствовать формированию целостной картины мира у студентов, развивать их творческую активность, активизировать самостоятельную познавательную деятельность и поможет им лучше решать предлагаемые задачи.
Представленный подход был использован нами при проведении педагогического эксперимента на протяжении ряда лет на физическом факультете КарГУ им. ак. Е. А. Букетова [12]. Анализ результатов исследования показал, что:
1) несмотря на то, что в начале изучения курса требуется дополнительное время на изучение основных геометрических понятий и аксиом, оно в дальнейшем компенсируется тем, что нет необходимости объяснять многие факты (так как они автоматически вытекают из геометрии);
2) сокращение числа часов необходимых для изучения материала стало весьма актуальным решением нехватки времени из-за большого объема информации, которую необходимо усвоить студентам.
3) изменение подхода к преподаванию многих разделов от традиционного к проблемному позволило активизировать студентов, которые привыкли пассивно усваивать предлагаемый материал.
Следует отметить что, используя метод геометрических идей также можно рассмотреть и другие разделы теоретической физики, используя геометрии Минковского, Римана, геометрию векторов состояния, Гильберта и др.
Следовательно, предлагаемый подход позволяет весьма эффективно решать многие задачи, возникающие в ходе учебного процесса при изучении не только «Классической механики», но и «Электродинамики», «Квантовой механики» и др. Его применение наряду с развитием познавательной самостоятельности, позволяет развить у студентов мышление и способности использовать полученные знания и навыки при решении задач.
Конечно же, переход к кредитной технологии основывается на кропотливой учебной, методической и организационной работе. Следует отметить, что если организация аудиторной СРС ложится на плечи преподавателей, каждый из которые в зависимости от опыта работы и знания предмета может по-своему организовывать учебный процесс, то организация внеаудиторной СРС зависит уже от всего коллектива вуза, от согласованной работы отдельных кафедр и методических служб. Иначе все преподаватели начнут загружать студентов творческими задачами, заданиями по поиску и обработке огромных объемов информации. Учебно-методические подразделе-
ния должны контролировать, направлять этот процесс и давать рекомендации по его оптимизации. И тогда самостоятельная работа студентов приведет к повышению качества подготовки специалистов и их востребованности на рынке труда, а также к повышению эффективности образовательного процесса в целом.
Библиографический список
1. Никандров, Н. Д. Современная высшая школа капиталистических стран [Текст] / Н. Д. Никандров. - М.: Высшая школа, 1978. - 279 с.
2. Низамов, Р. А. Дидактические основы активизации учебной деятельности студентов [Текст] / Р. А. Низамов. - Казань: Изд-во КГУ, 1975. - 132 с.
3. Кузьмина, Н. В. Методы системного педагогического исследования [Текст] / Н. В. Кузьмина. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1980. - 112 с.
4. Педагогика и психология высшей школы [Текст]: учебное пособие (под ред. М. В. Булановой-Топорковой). - Ростов н/Д: Феникс, 2004. -544 с.
5. Пидкасистый, П. И. Организация учебно-познавательной деятельности студентов [Текст]: учебное пособие / П. И. Пидкасистый. - М.: Педагогическое общество России, 2004. - 112 с.
6. Осповы кредитной системы обучения в Казахстане [Текст] / С. Б. Абды-гаппарова, Г. К. Ахметова, С. Р. Ибатулин, А. А. Кусаинов, Б. А. Мырзалиев, С. Б. Омирбаев; под общ. Ред. Ж. А. Кулекеева, Г. Н. Гамарника, Б. С. Абдраси-лова. - Алматы: Казак университет!, 2004. - 198 с.
7. Государственный общеобразовательный стандарт образования Республики Казахстан по специальности 050110 - Физика. Бакалавриат. ГОСО РК 33.08 - 2006.
- Астана, 2006, - 36 с.
8. Государственный общеобразовательный стандарт образования Республики Казахстан по специальности 5В011000 - Физика. Бакалавриат. ГОСО РК 6.08.014
- 2009. - Астана, 2009, - 33 с.
9. Типовая учебная программа. Классическая механика по специальности 050110 - «Физика». Министерство образования и науки РК. [Текст]/ Сост. В. Н. Косов, К. К. Истеков, Д. П. Стрыгин. - Алматы, 2006. С. 46-51.
10. Кондратьев, А. С. Алгебраические методы при изучении теоретической физики в педагогических вузах [Текст] / А. С. Кондратьев, А. В. Танкова // Физическое образование в вузах, 2003. - Т. 9, - № 1, - С. 94-109.
11. Арынгазин, К. М. Геометрические идеи в теоретической физике [Текст] / К. М. Арынгазин. - Алматы, 1994. - 360 с.
12. Арынгазин, К. М. Применение метода геометрических идей при проблемном изложении материала в курсе «Теоретическая механика» [Текст] / К. М. Арынгазин, И. Ф. Васильева // В мире образования. 2009. - № 4 (4) - Алматы. - С. 10-15.
