CC BY
50
УДК 372.853 ББК 74.5
Мухина Юлия Рамилевна
аспирант
кафедра теории и методики обучения физике Челябинский государственный педагогический университет
г.Челябинск Mukhina Yulia Ramilevna Post-graduate
Chair of the Theory and Methods of Training Physics Chelyabinsk State Pedagogical University Chelyabinsk
Развитие уровней освоения компонентами вычислительного физического эксперимента на различных этапах активизации деятельности студентов
IT-направлений
Levels of Development by Components’ Computer Physics Experiment Progress at Various Stages of IT Students’ Activity Intensification
Профессиональная направленность обучения, а также активность и самостоятельность студентов являются основными требованиями современного образования. В статье описан процесс активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на практических занятиях по физике. В основу активизации положена организация самостоятельной работы студентов по проведению вычислительного эксперимента.
Professional orientation, as well as self-motivation, is the main demand of contemporary system of education. This article describes the process of activating the learning-and-research activity for IT-students at practical classes in physics. The basis of activating is organization of students’ solitary work in computing experiment.
Ключевые слова: методика обучения физике, студенты IT-направлений, вычислительный эксперимент, самостоятельная работа, активизация учебнопознавательной деятельности.
Key words: methods of teaching physics, IT students, computer experiment, independent work, intensification of learning-and-research activity.
Основными требованиями к профессиональному образованию являются: интеграция профессионального и предметного содержания при изучении всех дисциплин, а также активность и самостоятельность студентов в процессе обучения. Поэтому необходимо пересмотреть содержание, формы, методы и средства обучения по всем дисциплинам. При этом обучение непрофильным дисциплинам должно носить профессиональную направленность.
Мы рассматриваем вопрос обучения физике студентов IT-направлений:
бакалавры «Информационные системы и технологии», бакалавры
«Информатика и вычислительная техника». Согласно стандартам третьего поколения [1,2], главной целью обучения данному предмету является освоение основных физических закономерностей и методов теоретического и экспериментального исследования, с последующим использованием данных знаний в профессиональной деятельности. Изучение физики, как одной из основных наук о природе, связано с освоением основных методов исследования, теоретических и эмпирических, владение которыми является одной из профессиональных компетенций выпускников ГТ-направлений.
Несмотря на важность изучения физики, в преподавании данного предмета у студентов ГГ-направлений существуют несколько проблем:
1. У большинства студентов возникают трудности при обучении данной дисциплине, связанные, прежде всего, с отсутствием интереса к предмету.
2. Кажущаяся оторванность предмета от общей цели обучения. Будущая профессиональная деятельность студентов ГТ-направлений связана с использованием современных информационных технологий в различных сферах деятельности. Одной из самых распространенных информационных технологий, применяемых в физической науке, является технология компьютерного моделирования. На основе данной технологии основан особый вид познания - вычислительный эксперимент, который включает в себя построение компьютерной модели физического процесса (явления) и работу с моделью для исследования данного процесса (явления). Вычислительный эксперимент позволит интегрировать профессиональные навыки будущих выпускников и предметное содержание физики.
3. Проблема интенсификации процесса обучения. Количество аудиторной нагрузки по предмету «физика» невелико, в то время как круг вопросов, подлежащих рассмотрению, очень широк. Это приводит к увеличению доли самостоятельной работы студентов.
Таким образом, мы считаем необходимым разработать методику активизации учебно-познавательной деятельности студентов ГТ-направлений на практических занятиях по физике, основанную на самостоятельной работе по выполнению вычислительного эксперимента.
Для достижения поставленной цели мы предлагаем организовать практические занятия по физике в несколько этапов: вводный, репродуктивноподражательный, поисково-исполнительский, творческий. В таблице 1 представлены дидактические структуры занятий на каждом этапе.
Целью вводного этапа является определение и корректировка уровня знаний и умений студентов в области вычислительного эксперимента. На первом занятии по вычислительному эксперименту преподаватель должен дать студентам следующий теоретический материал (в форме объяснения): понятие, назначение, этапы и методы вычислительного эксперимента; средства вычислительного эксперимента - современные технологии компьютерного моделирования, их основные возможности и примеры. На нескольких последующих занятиях необходимо организовать деятельность по выполнению вычислительного эксперимента. Примеры задач для организации таких занятий: модель свободного падения тел, модель баллистическое движение тел.
Цель второго репродуктивно-подражательного этапа: научить
использовать вычислительный эксперимент в качестве метода научного исследования. Данный этап целесообразно реализовать после вводного, а также возвращаться к нему при организации занятий по вычислительному эксперименту на основе новых для студентов подходов к построению модели и новых программ моделирования. Примерами могут служить следующие модели: модель движения искусственного спутника Земли, реализуемая с помощью программы MVS; модель теплопроводности твердого тела на основе использования элементов программирования в MathCAD и др. Занятия на втором этапе лучше ориентировать на изучение нового материала или расширение и углубление знаний по отдельным темам.
Таблица 1
Дидактические структуры занятий по вычислительному эксперименту
Структурные компоненты вычислительного эксперимента Этапы организации практических занятий
Вводный Репродуктивно- подражательный Поисково- исполнительский Творческий
Г Постановка задачи моделирования и выдвижение гипотез ее решения Формулировка задачи и беседа по выдвижению гипотезы Формулировка задачи и беседа по выдвижению гипотезы Формулировка задачи, деление студентов на группы Создание проектов - внеаудиторная групповая самостоятельная работа
ГГ Построение Объяснение с Организация Организация
физической и элементами учебного учебного
математической беседы исследования на исследования на
моделей задачи основе основе более или
методических менее подробных
рекомендаций методических
(аудиторная рекомендаций
индивидуальная (аудиторная или
самостоятельная внеаудиторная
работа) групповая
III Выбор Дискуссия Дискуссия самостоятельная
компьютерной работа)
программы
IV Создание и Организация Организация
отладка модели работы с работы с
программой программой
моделирования на моделирования на
основе основе
методических методических
рекомендаций рекомендаций
(аудиторная (аудиторная
индивидуальная индивидуальная
самостоятельная самостоятельная
работа) работа)
V Планирование и Организация Организация
проведение учебного учебного
эксперимента исследования на исследования на
основе основе
методических методических
рекомендаций рекомендаций
(аудиторная (аудиторная
индивидуальная индивидуальная
самостоятельная самостоятельная
работа) работа)
VI Анализ и Фронтальная Фронтальная Организация Организация
интерпретация проблемная беседа проблемная беседа конференции конференции
результатов
VII Решение задач Организация Подбор задач из Аудиторная или Аудиторная или
решения задач на сборников и их внеаудиторная внеаудиторная
основе модели решение самостоятельная самостоятельная
(внеаудиторная индивидуальная индивидуальная
индивидуальная работа по решению работа по решению
самостоятельная задач задач
работа)
Цель третьего поисково-исполнительского этапа - научить осуществлять исследовательскую деятельность (на основе вычислительного эксперимента) в коллективе. На данном этапе должны использоваться различные формы межличностного и межгруппового взаимодействия. Данный этап возможно организовать на занятиях по закреплению, обобщению и систематизации материала, после изучения крупного блока теоретического материала. Для реализации каждого занятия необходимо подобрать несколько заданий для моделирования по одной или схожим темам, например, соударение
шаров: модель абсолютно неупругого центрального соударения, модель абсолютно неупругого нецентрального соударения, модель абсолютно упругого центрального соударения, модель абсолютно упругого нецентрального соударения.
Деятельность студентов по вычислительному эксперименту на данном этапе можно организовать двумя способами: аудиторная групповая работа или внеаудиторная групповая работа. Результатом обоих типов деятельности должна стать конференция. В таблице 1 представлена дидактическая структура организации занятий на данном этапе. Можно сказать, что поисковоисполнительский этап реализован на методе проектов. Основываясь на требованиях Е.С. Полата к методу проектов [3], можно сказать, что в качестве значимой в исследовательском, творческом плане задачи в нашем случае выступает задание по вычислительному эксперименту, требующее интегративных знаний студентов в области физики и информационных технологий. Основные структурные компоненты деятельности по вычислительному эксперименту совпадают с этапами исследовательской деятельности, а результатом является компьютерная модель и итог вычислительного эксперимента - исследование физического процесса или явления.
Последний творческий этап реализуется с целью закрепления навыков исследовательской деятельности по проведению вычислительного эксперимента. На данном этапе весь процесс вычислительного эксперимента, от постановки задачи до анализа результатов, осуществляется студентом самостоятельно, преподаватель лишь предлагает физические процессы и явления для моделирования. Примеры заданий: модель падения болида на планету; модель реактивного движения; модель эффекта Холла и др. Студенты могут предложить свои идеи по поводу объекта моделирования. В конце семестра организуется занятие-конференция, на котором студенты защищают свои проекты.
В таблице 2 представлены уровни овладения студентами каждым структурным компонентов деятельности по вычислительному эксперименту на
различных этапах организации занятий. Нулевой (0) уровень предполагает, что студенты не могут осуществить данные действия без объяснения преподавателя, репродуктивно-подражательный (1) уровень предполагает выполнение заданных действий по образцу. На поисково-подражательном (2) уровне методические рекомендации служат для студентов не планом деятельности, а лишь ориентиром, средством проверки собственных предположений. Творческий (3) уровень предполагает не просто самостоятельное решение проблемы, но и ее выдвижение.
Таблица 2
Уровень владения студентами вычислительным экспериментом на каждом
сЗ Н і 2 § 2 Структурный компонент деятельности по вычислительному эксперименту Этапы организации практических занятий по физике
Вводный Репродуктивно-подражательный Поисково- исполнительский Творческий
0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3
1 Постановка задачи • • • • о
2 Выдвижение гипотезы • • о • о •
3 Формализация • о • • •
4 Выбор компьютерной программы • • • •
5 Создание и отладка модели • • • о •
6 Планирование и проведение экспериментов • • о • о •
7 Анализ результатов • о • о • о •
8 Использование модели • о • о • о •
Обозначения: компонент вычислительного эксперимента сформирован на данном уровне: • - у большинства студентов, о - лишь у некоторых.
Вводный этап предполагает, что большинство структурных компонентов деятельности по вычислительному эксперименту студенты будут выполнять только с помощью преподавателя. По завершению этого этапа все студенты должны понимать и уметь выполнять основные структурные компоненты деятельности по вычислительному эксперименту. На репродуктивноподражательном уровне большинство студентов действуют по образцу на
основе методических рекомендаций. Результатом второго этапа является расширение знаний студентов о методах и средствах использования компьютерных технологий для решения физических задач, а также закрепление навыков выполнения вычислительного эксперимента. На поисковоисполнительском этапе студенты многие этапы вычислительного эксперимента реализуют на основе обобщенного плана деятельности. Результатом третьего этапа является усвоение методов вычислительного эксперимента и приобретение опыт решения проблем (как организационного, так и предметного характера) внутри коллектива. Результатом творческого этапа является формирование способности студентов к самообразованию, формирование активности и самостоятельности на самом высоком творческом уровне.
Таким образом, можно построить модель процесса активизации учебнопознавательной деятельности студентов 1Т-направлений на практических занятиях по физике(рисунок 1). Предложенная модель позволит:
1. Активизировать учебно-познавательную деятельность за счет связи предметного содержания физики с профессиональным в области информационных технологий.
2. Поэтапно развивать и расширять исследовательские умения, а также знания в области физики и информационных технологий, тем самым сформировать общекультурные и профессиональные компетенции.
3. Осуществить интенсификацию процесса обучения за счет рационального использования самостоятельной работы студентов и информационных технологий.
Вводный этап
Цель: определить и скорректировать уровень знаний и умений студентов в области вычислительного эксперимента
Содержание:
задачи на закрепление учебного материала
Методы и приемы:
репродуктивные методы: объяснение, беседа, организация деятельности по образцу
Организационные формы:
элементы воспроизводящей аудиторной индивидуальной самостоятельной работы
Результат: выход студентов на некоторый начальный уровень в области вычислительного эксперимента
Репродуктивно-подражательный этап
Цель: научить использовать вычислительный эксперимент в качестве метода научного исследования
Содержание:
задачи на изучение нового материала
Методы и приемы:
репродуктивные и частично -по исковые методы (решение проблем на отдельных этапах)
Организационные формы:
элементы реконструктивновариативной аудиторной индивидуальной самостоятельной работы
Результат: преобладание репродуктивно-подражательной активности
ЛЛ-
Поисково-исполнительский этап
Цель: научить осуществлять исследовательскую деятельность в коллективе
Содержание:
задачи на обобщение и систематизацию знаний
Методы и приемы:
метод проектов
Организационные формы:
эвристическая аудиторная и внеаудиторная групповая самостоятельная работа
Результат: преобладание поисково-исполнительской активности
н
Творческий этап
Цель: развитие навыков самообразования в области вычислительного эксперимента
Содержание: > Методы и приемы: ! Организационные формы:
задачи на расширение и ' метод проектов | творческая внеаудиторная
углубление знаний 1 1 групповая самостоятельная работа
Результат: преобладание творческой активности
Рисунок 1. Модель процесса активизации учебно-познавательной деятельности студентов 1Т-направлений на практических занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента
Библиографический список
1. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника» / Утвержден министерством образования и науки РФ 9.11.09 №553 [Электронный ресурс] / http://www.edu.ru/db/mo/Data/d_09/prm553-1.pdf, 25.12.11.
2. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 230400 «Информационные технологии и системы» / Утвержден министерством образования и науки РФ 16.02.10 №25 [Электронный ресурс] / http://www.edu.ru/db/mo/Data/d_10/prm25-1.pdf, 25.12.11.
3. Полат, Е.С. Новые педагогические и информационные технологии в системе образования: учеб. пособие для студ. пед. вузов и системы повыш. квалиф. пед. кадров [Текст] / Е.С. Полат, М.Ю. Бухаркина, М.В. Моисеева, А.Е. Петров; под ред. Е.С.Полат. - М.: Академия, 2002. - 272 с.
Bibliography
1. Polat, E.S. New Pedagogical and Information Technology in the Educational System: Textbook for Students of Ped. Universities and Teaching Personnel’s Advanced Training [Text] / E.S. Polat, M.Yu. Bukharkina, M.V. Moiseeva, A.E. Petrova; Ed. by E.S. Polat. - Moscow: Academy, 2002. - 272 p.
2. The Federal State Educational Standard of Higher Professional Education in the Direction of Training 230100 “Computer Science and Engineering” / Approved by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation 9.11.09 №553 [E-Resource]. - Access Mode: http://www.edu.ru/db/mo/Data/d_09/prm553-1.pdf, 25.11.12.
3. The Federal State Educational Standard of Higher Professional Education in the Direction of Training 230400 “Information Systems and Technologies” / Approved by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation 16.02.10 №25 [E-Resource]. - Access Mode: http://www.edu.ru/db/mo/Data/d_10/prm25-1.pdf, 25.11.12.
