
Вычислительный эксперимент на занятиях по физике как средство активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT- направлений
Автореферат кандидатской диссертации
На правах рукописи Мухина Юлия Рамилевна
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ НА ЗАНЯТИЯХ
ПО ФИЗИКЕ КАК СРЕДСТВО АКТИВИЗАЦИИ
УЧЕБНО-ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
СТУДЕНТОВ IT-НАПРАВЛЕНИЙ
13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания (физика, уровень
высшего образования)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата педагогических наук
Челябинск 2012
Работа выполнена на кафедре теории и методики обучения физике в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Челябинский государственный педагогический университет
Научный руководитель:
доктор педагогических наук, профессор Даммер Манана Дмитриевна
Официальные оппоненты:
Попов Семен Евгеньевич
доктор педагогических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Нижнетагильская государственная социально-педагогическая академия, заведующий кафедрой физико-математического образования
евченко Евгений Юрьевич кандидат физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Курганский государственный университет, проректор
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО Глазовский государственный педагогический институт имени В. Г. Короленко
Защита состоится 23 мая 2012 г. в 12.30 часов на заседании диссертационного совета Д212.295.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО Челябинский государственный педагогический университет по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, д.69, ауд. 116.
С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Челябинского государственного педагогического университета
Автореферат разослан л21 апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор педагогических наук, профессор
Елагина B.C.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В новой системе высшего профессионального образования основной целью обучения является подготовка компетентного специалиста, способного действовать не только в своей области, но и в смежных отраслях. Поэтому одним из требований стандартов третьего поколения является интеграция профессионального и предметного содержания при изучении всех дисциплин.
В данном исследовании рассматривается обучение физике студентов IT-направлений (бакалавры Информационные системы и технологии и бакалавры Информатика и вычислительная техника), для которых данный предмет не является профессиональным. В обучении физике студентов данных направлений существует ряд проблем. Во-первых, сокращение часов на изучение предмета Физика и, вместе с тем, большой круг вопросов, подлежащих рассмотрению, что делает необходимым интенсификацию процесса обучения физике. Во-вторых, отсутствие у студентов интереса к предмету, связанное с его трудностью для понимания и восприятия, а также кажущейся оторванностью от общей цели профессионального обучения.
Между физикой и информатикой (базовой наукой для студентов IT-направлений) есть тесная взаимосвязь. На основе физических закономерностей построены все аппаратные устройства компьютерной техники. Кроме того, в самой науке физики заложены основные методы исследования: теоретические (формализация, идеализация, моделирование и т.д.) и эмпирические (наблюдение, эксперимент). Умение применять данные методы хорошо развивается при решении физических задач и выполнении лабораторных работ. А способность проводить теоретические и экспериментальные исследования является одной из профессиональных компетенций выпускников IT-направлений.
Таким образом, возникает необходимость в разработке методики обучения физике будущих бакалавров в области информационных технологий, направленной на активизацию их учебно-познавательной деятельности. При этом в качестве основания для активизации целесообразно рассматривать интеграцию профессионального и предметного содержания.
Профессиональная деятельность специалистов в области IT-направлений носит прикладной характер, т.е. связана с информационной поддержкой производственных, экономических, управленческих и прочих процессов. Поэтому одним из основных требований к выпускникам IT-направлений является овладение способами применения информационных технологий для решения практических задач в различных предметных отраслях. Для выполнения данного требования целесообразно научить студентов использовать информационные технологии для решения физических задач. Таким образом, в качестве средства интеграции профессионального и предметного содержания мы предлагаем использовать вычислительный эксперимент как особый метод исследования физических
3
закономерностей через построение и изучение компьютерной модели объекта исследования.
Вопрос активизации учебно-познавательной деятельности учащихся широко рассмотрен в теории и практике обучения (Т.И. Шамовой, Г.И. Щукиной, Л.П. Аристова и др.). Активизация учебно-познавательной деятельности студентов рассматривается в трудах Р.А. Низамова, А.А. Вербицкого, С.С. Великановой, Г.А. Каменевой, А.В. Карпушева, Л.В. Павловой, Л.Н. Разумовой, Е.Д. Тельмановой и др. Одним из способов активизации учебной деятельности студентов является связь теоретического содержания предмета с практической профессиональной деятельностью. Данный аспект является основой контекстного обучения, предложенного А.А. Вербицким и положенного в основу педагогических исследований О.А. Григоренко, А.И. Жуковой, А.Н. Картежниковой, Н.В. Кузьминой, Е.М. Поповой, К.В. Шапошникова и др. Но проблема методики активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике остается недостаточно изученной, в то время как ее разработка и реализация могут существенно повысить интерес к предмету, а, следовательно, и качество подготовки в области физики.
Вычислительный эксперимент в методике обучения физике рассмотрен в работах А.А. Финагина, СЕ. Попова, М.И. Старовикова, Л.П. Глазовой, М.С. Таранова, Р.П. Федоренко и др. Большое число исследований посвящено использованию компьютерного моделирования при обучении физике (А.С. Кондратьев, Р.В. Майер, М.В. Ларионов, Н.В. Вознесенская, А.А. Оспенников, О.Г. Ревинская, Н.Б. Розова, Л.Х. Умарова и др.). В некоторых исследованиях рассматривается использование готовых компьютерных моделей или авторских компьютерных моделей. Данный подход не даст качественных результатов в обучении студентов IT-направлений, так как для развития профессиональных умений студентам необходимо научиться самостоятельно создавать модели, а не использовать готовые. Создание моделей возможно также с помощью систем программирования. Но в данном случае занятия по физике могут превратиться в занятия по программированию и, тем самым, отвлечь от сути изучаемых физических явлений. Поэтому наиболее адекватным является использование специализированных программ для создания компьютерных моделей физических процессов и явлений.
Несмотря на то что использование компьютерного моделирования в обучении физике рассматривается во многих исследованиях, до сих пор недостаточно проанализированы вопросы организации исследовательской деятельности студентов по изучению физических закономерностей средствами вычислительного эксперимента, основанного на современных технологиях компьютерного моделирования.
Таким образом, можно выделить ряд противоречий, существующих в обучении физике студентов IT-направлений:
4
- на социально-педагогическом уровне: между требованиями к высшему профессиональному образованию, выраженными в необходимости активизации деятельности студентов и профессиональной направленности обучения, и недостаточной разработанностью путей и средств активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений через интеграцию профессионального и предметного содержания обучения физике;
- на научно-теоретическом уровне: между высоким уровнем проработанности в науке различных аспектов использования вычислительного эксперимента и компьютерного моделирования при обучении физике и недостаточностью обоснования роли вычислительного эксперимента в качестве средства активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике;
- на научно-методическом уровне: между целесообразностью и возможностью активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике за счет интеграции профессиональных умений и предметного содержания курса средствами вычислительного эксперимента и слабой разработанностью соответствующих содержания, методов, средств и форм обучения;
- на практическом уровне: между большим количеством методических пособий по созданию компьютерных моделей физических процессов и явлений и отсутствием методических рекомендаций по активизации учебно-познавательной деятельности студентов через организацию поэтапного овладения деятельностью по вычислительному эксперименту в области физики.
Необходимость разрешения выделенных противоречий определила
Актуальность исследуемой проблемы, которая заключается в поиске ответа на вопрос: Каковы пути активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике?, и выбор темы исследования: Вычислительный эксперимент на занятиях по физике как средство активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений.
Объект исследования: обучение физике студентов IT-направлений.
Предмет исследования: процесс активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента.
В работе приняты ограничения:
- элементы вычислительного эксперимента в качестве средства активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений используются на практических занятиях по физике;
- преподаватель физики должен владеть современными программами моделирования на уровне достаточном для создания учебных физических моделей;
- кабинет физики должен быть оборудован компьютерами (или должна быть возможность проводить занятия по физике в компьютерном
5
классе), на которых установлены соответствующие программы моделирования.
Цель исследования: теоретически обосновать и разработать методику активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента, а также выявить комплекс педагогических условий, обеспечивающих ее эффективное функционирование.
Гипотез исследования.аа Использованиеаа вычислительного
эксперимента по физике приведет к активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике, если:
- интегрировать предметное содержание курса физики и дисциплин профессионального цикла студентов IT-направлений на основе вычислительного эксперимента в области физики;
- в качестве основы мотивационно-целевого компонента методики рассмотретьаа потребность студентоваа ваа профессиональном совершенствовании, в основе содержательного компонента -исследовательские физические задачи, решаемые с помощью вычислительного эксперимента, технологического компонента -организацию поэтапного овладения деятельностью по вычислительному эксперименту в области физики, а рефлексивно-оценочного компонента -различные способы самооценки и самоанализа деятельности по исследованию физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента;
- выполнить ряд педагогических условий: отбор современных программ моделирования, которые будут выступать средствами реализации вычислительного эксперимента по физике; наличие методических рекомендаций для студентов по выполнению вычислительного эксперимента по физике в соответствии с этапами исследовательской деятельности; взаимодействие с преподавателями профессиональных предметов IT-направлений.
Исходя из цели и гипотезы, были выдвинуты следующие задачи исследования:
- Выявить состояние проблемы исследования в теории и практике обучения физике студентов IT-направлений на основе анализа: нормативных документов (Федеральных государственных образовательных стандартов, учебно-методических планов и рабочих программ), психолого-педагогической и методической литературы.
- Определить содержание и структуру деятельности студентов по исследованию физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента. Сформулировать требования к физическим задачам, решаемым средствами вычислительного эксперимента, осуществить отбор задач и разработать методические рекомендации для организации данной деятельности.
6
- Разработать структуру и содержание учебных занятий, отобрать эффективные методы, приемы и формы обучения, направленные на активизацию учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента.
- Выявить условия эффективного функционирования данной методики.
- Осуществить педагогический эксперимент, в ходе которого проверить эффективность разработанной методики и условий ее успешного функционирования.
Методологическую основу исследования составляют: идеи системного подхода к анализу объекта исследования; идеи компетентностного подхода к подготовке студентов в высшей школе; исследования в области деятельностного подхода по организации учебно-познавательной деятельности студентов; исследования по активизации учебно-познавательной деятельности студентов; исследования по организации самостоятельной учебно-познавательной деятельности учащихся и студентов; работы по теории и практике вычислительного эксперимента; работы по организации, проведению и обработке результатов педагогического исследования.
Методы исследования: в работе применялись как теоретические методы исследования (анализ нормативных документов, психолого-педагогической и методической литературы по проблеме; обобщение педагогического опыта использования вычислительного эксперимента и компьютерных технологий на практических занятиях по физике), так и эмпирические (тестирование, анкетирование, опрос, наблюдение, педагогический эксперимент - констатирующий, пробный, обучающий, контрольный), методы моделирования.
Исследование осуществлялось в три этапа с 2007 по 2012 гг.
На первом этапе (2007 - 2008 гг.): проводились изучение и анализ психолого-педагогической и методической литературы, в том числе и диссертационных исследований по темам, близким к проблеме исследования, а также анализ нормативных документов; определились методологические основы исследования, подходы, методы и средства активизации учебно-познавательной деятельности студентов на занятиях по физике и роль вычислительного эксперимента в активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений; проводился констатирующий и пробный эксперименты по определению исходного уровня активности студентов на практических занятиях по физике.
На втором этапе (2009 - 2010 гг.): разрабатывалась методика
использования вычислительного эксперимента в качестве средства
активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений
на занятиях по физике; определялись методы, приемы, средства и формы
обучения, дидактические структуры организации занятий по физике на
основеа вычислительногоа эксперимента; разрабатывалисьа и
7
систематизировались лабораторно-практические работы по вычислительному эксперименту; проводился обучающий эксперимент по выявлению влияния использования вычислительного эксперимента на учебно-познавательную активность студентов и на сформированность общекультурной и профессиональных компетенций.
На третьем этапе (2011 - 2012 гг.): проводился контрольный эксперимент; осуществлялись анализ и обработка данных опытно-экспериментальной работы; проверялось соответствие гипотезы и экспериментальных результатов; формулировались выводы и практические рекомендации по итогам исследования.
Экспериментальная база исследования. Опытно-экспериментальная работа проводилась на базе Южно-уральского института управления и экономики. В эксперименте приняли участие студенты IIЧIV курсов, обучающиеся 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.
Научная новизна проводимого исследования состоит в том, что:
- Определена роль вычислительного эксперимента на занятиях по физике у студентов IT-направлений как средства активизации учебно-познавательной деятельности студентов, позволяющего реализовать профессиональную направленность обучения физике.
- Научно обоснована и разработана методика активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике, состоящая из четырех компонентов:
- мотивационно-целевого,аа ва которома актуализируется направленность обучения физике на применение и развитие профессиональных умений студентов IT-направлений;
- содержательного, представленного банком исследовательских задач, решаемых средствами вычислительного эксперимента и описанием структуры деятельности по решению таких задач, состоящей из восьми этапов (постановка задачи, выдвижение гипотезы, формализация задачи, выбор технологии моделирования, создание и отладка модели, планирование и проведение экспериментов с моделью, анализ результатов, использование модели для решения физических задач);
- технологического, представленного в активных методах обучения и формах самостоятельной работы, способствующих организации овладения деятельностью по вычислительному эксперименту в области физики, включающей вводный, репродуктивно-подражательный, поисково-исполнительский и творческий этапы;
- рефлексивно-оценочного,а представляющегоа нормативный, сопоставительныйа иа личностныйаа способыаа самооценкиа деятельностиа по
8
исследованию физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента.
3. Выявлен комплекс педагогических условий эффективного использования вычислительного эксперимента на занятиях по физике: отбор современных программ моделирования, которые будут выступать средствами реализации вычислительного эксперимента по физике; наличие методических рекомендаций для студентов по проведению вычислительного эксперимента по физике в соответствии с этапами исследовательской деятельности; взаимодействие с преподавателями профессиональных предметов IT-направлений.
Теоретическая значимость исследования выражается в том, что его результаты способствуют дальнейшему развитию теории и методики обучения физике как непрофильному предмету студентов IT-направлений:
- обоснована целесообразность включения в процесс обучения физике студентов IT-направлений вычислительного эксперимента, обеспечивающего профессиональную направленность обучения физике и, как следствие, активизацию учебно-познавательной деятельности студентов;
- разработаны требования к системе физических задач, решаемых с помощью вычислительного эксперимента, и способствующих организации поэтапного овладения деятельностью по вычислительному эксперименту в области физики;
- разработаны четырехкомпонентная структурная модель методики активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента, и процессная модель овладение студентами исследовательской деятельностью по изучению физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента на вводном, репродуктивно-подражательном, поисково-исполнительском и творческом этапах.
Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что его выводы и рекомендации способствуют совершенствованию процесса обучения физике студентов IT-направлений. Они представлены:
- в методических рекомендациях для преподавателей по использованию вычислительного эксперимента в качестве метода исследования физических процессов и явлений;
- в комплексе лабораторно-практических работ по проведению исследований физических процессов и явлений средствами вычислительного эксперимента;
- в разработанных характеристиках уровней овладения учебно-исследовательской деятельностью по физике средствами вычислительного эксперимента и способах диагностики данной деятельности.
Достоверность результатов исследования обеспечивается: научной обоснованностью исходных теоретических положений; применением комплекса теоретических и эмпирических методов, адекватных объекту, цели
9
и задачам исследования; использованием статистических методов обработки результатов исследования.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в ходе опытно-экспериментальной работы, посредством публикаций статей в печати и участия в работе межвузовских и всероссийских научно-практических конференциях в гг. Челябинске и Смоленске, а также в международных научно-практических конференциях (гг. Челябинск, Караганда, Новосибирск); в ходе выступлений на семинарах Лаборатория молодого исследователя ЧГПУ, отчетов на заседаниях кафедры теории и методики обучения физике ЧГПУ и кафедр информационных технологий и систем и математических, технических и естественнонаучных дисциплин ЮУИУЭ.
На защиту выносятся следующие положения:
- Низкий интерес к предмету Физика, его трудность для понимания, оторванность от общей цели обучения для студентов IT-направлений свидетельствуют о необходимости активизации их учебно-познавательной деятельности, прежде всего, через профессиональную направленность обучения. Одним из способов решения данной проблемы является использование вычислительного эксперимента на занятиях по физике. Вычислительный эксперимент является средством интеграции предметного содержание физики и дисциплин профессионального цикла и реализуется на основе современных технологий компьютерного моделирования.
- Учебно-исследовательская деятельность студентов по физике на основе вычислительного эксперимента состоит из восьми компонентов: постановка задачи, выдвижение гипотезы, формализация задачи, выбор программы моделирования, создание и отладка модели, планирование и проведение экспериментов с моделью, анализ и интерпретация результатов, использование модели. Каждый компонент состоит из четырех действий: ориентировка, планирование, исполнение и контроль. На основе данной структуры и содержания деятельности можно выделить четыре уровня овладения способами деятельности по вычислительному эксперименту в области физики: нулевой, репродуктивно-подражательный, поисково-исполнительский и творческий.
- Методика использования вычислительного эксперимента в качестве средства активизации учебно-познавательной деятельности на занятиях по физике включает следующие компоненты: мотивационно-целевой, направленный на мотивацию студентов к изучению физики за счет профессиональной направленностиаа обучения;аа содержательный, определяющий исследовательские физические задачи, решаемые с помощью вычислительного эксперимента, и, тем самым, способствующие интеграции предметного содержания физики и профессиональных умений студентов; технологический, определяющий активные методы обучения на основе самостоятельнойа работыа иа современныеа технологииа моделирования для
10
организации активной исследовательской деятельности студентов по изучению физических закономерностей; рефлексивно-оценочный, направленный на организацию самооценки и самоанализа учебно-познавательной деятельности студентов. При этом занятия по физике организуются в четыре этапа (вводный, репродуктивно-подражательный, поисково-исполнительский и творческий этапы), что способствует поэтапному формированию способов учебно-исследовательской деятельности по физике средствами вычислительного эксперимента.
- Методика использования вычислительного эксперимента в качестве средства активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике будет эффективно функционировать при выполнении ряда педагогических условий: отбор современных программ моделирования, которые будут выступать средством реализации вычислительного эксперимента по физике; наличие методических рекомендаций для студентов по проведению вычислительного эксперимента по физике в соответствии с этапами исследовательской деятельности; взаимодействие с преподавателями профессиональных предметов IT-направлений.
- Использование вычислительного эксперимента на занятиях по физике у студентов IT-направлений позволяет повысить уровень активности студентов и уровень сформированноеЩ ряда общекультурных и профессиональных компетенций, проявляющихся в исследовательской деятельности по изучению физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка (186 наименований) и 6 приложений. Рукопись содержит 256 страниц текста, в том числе 197 страниц основного текста, включающего 22 рисунка и 31 таблицу.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность исследования; определены объект, предмет, цель, гипотеза и задачи исследования; рассмотрены методы исследования; сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна, теоретическая и практическая значимость результатов исследования.
В первой главе Теоретические основы активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике анализируется современное состояние проблемы исследования, обосновывается целесообразность использования вычислительного эксперимента на основе современных технологий компьютерного моделирования в качестве средства активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике.
Анализ исследований об активности позволил выделить структуру учебно-познавательной активности, которая характеризуется внутренней и внешней сторонами. Внутренняя организация активности включает в себя
11
потребностно-мотивационную (потребности, мотивы, интересы), операционно-познавательную (компетенции: знания, умения, способы деятельности, опыт практической деятельности), морально-волевую (воля, целеустремленность, самостоятельность и т.д.) стороны личности. Внешняя организация активности проявляется в учебно-познавательной деятельности.
Если активность есть качество учебно-познавательной деятельности
студентов, которое формируется в процессе этой деятельности, то
активизация есть деятельность преподавателя по подбору средств, методов и
форм организации занятий, направленных на повышение активности
студентов в образовательном процессе. Решение проблемы активизации в
теории и практике профессионального обучения осуществляется в
нескольких направлениях: организация самостоятельной учебно-
познавательной деятельности (М.А. Данилов, Б.П. Есипова,
П.И. Пидкасистый, А.В. Усова, Т.И. Шамова и др.); поиск и внедрение
активных методов обучения, направленных на организацию поисковой и
творческой деятельности студентов (Л. П. Аристова, М.М. Левина,
И.Я. Лернер, А.И. Матюшкина, М.И. Махмутова, Т.И. Огородникова,
М.Н. Скаткин, Т.И. Шамова и др.); формирование познавательных интересов
(Л.И. Божович, B.C. Ильин, Е.А. Суховерова, Г.И. Щукина и др.);
профессиональная направленность обучения (В.Н. Артамонов,
А.А. Вербицкий, Н.В. Вознесенская, Р.А. Низамов и др.).
В данном исследовании в качестве фактора активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике выбрана интеграция профессионального и предметного содержания обучения. На основе анализа федеральных государственных образовательных стандартов третьего поколения для студентов IT-направлений, особенностей их будущей профессиональной деятельности и специфики предмета физики определено направление такой интеграции - использование элементов вычислительного эксперимента.
Вычислительный эксперимент в области физики - это метод познания физических процессов и явлений, основанный на создании компьютерной модели и проведении экспериментов с нею по определению поведения объекта исследования в различных условиях.
Вычислительный эксперимент предполагает практическую деятельность студентов, поэтому данный метод познания лучше реализовать на практических занятиях по физике. Использование элементов вычислительного эксперимента на занятиях по физике у студентов IT-направлений позволяет, кроме формирования общекультурной компетенции (ОК-10 - готовность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования), внести вклад и в формирование ряда других компетенций. К ним отнесены: способность использовать технологии компьютерного моделирования для решения физических задач; способность
12
исследовать физические закономерности с помощью вычислительного эксперимента.
Результатом активизации является активная учебно-познавательная деятельность студентов. Основываясь на классификации Г.И.Щукиной, опишем три уровня активности: 1) репродуктивно-подражательная активность характеризуется деятельностью по образцу; 2) поисково-исполнительская активность характеризуется деятельностью, в которой учащийся самостоятельно выбирает средства решения поставленной задачи; 3) творческая активность предполагает самостоятельную постановку задачи и нахождение путей ее решения, т.е. творческую деятельность.
Анализ литературы по вычислительному эксперименту и компьютерному моделированию (X. Гулд, Р.В. Майер, А.В. Могилев, СЕ. Попов, М.И. Старовиков, М.С. Таранов, Я. Тобочник и др.) позволил выделить следующие компоненты деятельности по вычислительному эксперименту: постановка задачи моделирования; выдвижение гипотезы; формализация объекта моделирования; выбор технологии компьютерного моделирования; создание и отладка модели в выбранной программе; планирование и проведение экспериментов с моделью; анализ полученных результатов; использование модели.
Классический подход к проведению вычислительного эксперимента предполагает использование технологий программирования и численных методов. Особенности учебных планов студентов IT-направлений не позволяют реализовать данный подход. Поэтому мы предложили использовать другой подход, основанный на использовании современных технологий компьютерного моделирования. Одно из преимуществ таких программ состоит в том, что для создания модели в таких программах необходимо владеть только предметным содержанием, в нашем случае знаниями в области физики. Поставленные задачи вычислительного эксперимента успешно решаются средствами универсальных программ, пригодных для моделирования: табличных процессоров (MS Excel и др.); математических пакетов (MathCAD и др.); программ блочного моделирования (Simulink и др.), программ физического моделирования (20-sim и др.), программ, основанных на схемах гибридных автоматов (Model Vision Studium и др.).
Вторая глава Методика активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на практических занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента раскрывает содержание методики использования вычислительного эксперимента в качестве средства активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике. На основе компетентностного, деятельностного и системного подходов разработана модель методики активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента (рис. 1).
13
Результаты констатирующего эксперимента, проведенного среди 134 студентов IT-направлений в 2007 - 2008 году, показали: более половины студентов обладают низким качеством знаний в области физики; в изучении физики основными являются отрицательные мотивы, связанные с потребностью студентов в сдаче сессии и получении диплома. Данные результаты подтвердили необходимость разработки методики активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике и определили направления активизации (см. цели активизации на рис. 1).
На основе классификаций физических задач, данных А.В. Усовой, Н.Н. Тулькибаевой и А.А. Оспенниковым, нами была разработана классификация физических задач, решаемых средствами вычислительного эксперимента. Особо следует отметить, что для организации вычислительного эксперимента лучше всего подходят абстрактные частично-сформулированные учебно-исследовательские задачи. Выбор именно таких задач позволяет превратить их в учебное исследование. Для вычислительного эксперимента подходят два вида задач (по способу решения): вычислительные и графические. При этом одна и та же компьютерная модель может включать в себя объект и вычислительной и графической задачи.
Для организации практических занятий по физике на основе вычислительного эксперимента необходимо разработать систему физических задач. К данной системе задач помимо основных требований предъявляется ряд специфических: задачи должны содержать в себе возможность изменения начальных условий для организации исследовательской деятельности при их решении; в состав системы задач должны входить задания, требующие от учащихся деятельности разного характера и разного уровня; решение каждой задачи должно расширять и углублять знания студентов в области физики и/или в области технологий компьютерного моделирования.
Решение физических задач средствами вычислительного эксперимента включает в себя восемь компонентов деятельности, описанных выше. На основе предложенной А.В. Усовой и Н.Н. Тулькибаевой структуры учебной деятельности по решению задач в каждом компоненте деятельности по вычислительному эксперименту были выделены операции ориентировки, планирования, исполнения и контроля. Для успешного формирования всех операций в составе деятельности по вычислительному эксперименту необходимо организовать занятия в четыре этапа, в соответствии с этапами овладения деятельностью по исследованию физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента: вводный, репродуктивно-подражательный, поисково-исполнительный и творческий. В таблице 1 представлены дидактические структуры занятий для каждого этапа.
15
Таблица 1
Дидактические структуры занятий на каждом этапе овладения деятельностью по исследованию физических
________________ закономерностей с помощью вычислительного эксперимента________
Структурные компоненты деятельности |
Этапы овладения деятельностью по исследованию физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента |
||||
Вводный |
Репродуктивно-подражательный |
Поисково-исполнительский |
Творческий |
||
Структуры занятий по физике на каждом из этапов |
|||||
Постановка задачи и выдвижение гипотез ее решения |
Формулировка задачи преподавателем и беседа по выдвижению гипотезы |
Формулировка задачи преподавателем и беседа по выдвижению гипотезы |
Формулировка задачи преподавателем, деление студентов на группы, начало групповой работы |
Создание проектов -внеаудиторная групповая самостоятельная работа |
|
Формализация задачи |
Объяснение с элементами беседы |
Организация учебного исследования на основе методических рекомендаций (аудиторная индивидуальная самостоятельная работа) |
Организация учебного исследования на основе более или менее подробных методических рекомендаций (аудиторная или внеаудиторная групповая самостоятельная работа) |
||
Выбор технологии моделирования |
Дискуссия |
Дискуссия |
|||
Создание и отладка модели |
Организация работы с программой моделирования на основе методических рекомендаций (аудиторная индивидуальная самостоятельная работа) |
Организация работы с программой моделирования на основе методических рекомендаций (аудиторная индивидуальная самостоятельная работа) |
|||
Планирование и проведение эксперимента |
Организация учебного исследования на основе методических рекомендаций (аудиторная индивидуальная самостоятельная работа) |
Организация учебного исследования на основе методических рекомендаций (аудиторная индивидуальная самостоятельная работа) |
|||
Анализ и интерпретация результатов |
Фронтальная проблемная беседа по формулировке выводов |
Фронтальная проблемная беседа по формулировке выводов |
Организация конференции |
Организация конференции |
|
Использование модели |
Организация решения задач на основе модели |
Подбор задач из сборников и их решение (внеаудиторная индивидуальная самостоятельная работа) |
Внеаудиторная самостоятельная индивидуальная работа по решению задач |
Внеаудиторная самостоятельная индивидуальная работа по решению задач |
Процессная модель поэтапного овладения деятельностью по исследованию физических процессов и явлений с помощью вычислительного эксперимента представлена на рис. 2.
Для успешной реализации предложенной методики активизации необходимы следующие педагогические условия:
- Отбор современных программ моделирования, которые будут выступать средствами реализации вычислительного эксперимента.
- Разработка методических рекомендаций по вычислительному физическому эксперименту с описанием всех компонентов деятельности по вычислительному эксперименту в области физики (постановка задачи, формализация задачи, выбор технологии моделирования, создание модели, планирование и проведение эксперимента, анализ результатов, задачи для самостоятельного решения).
- Взаимодействие с преподавателями профессиональных предметов IT-направлений для определения алгоритмов создания компьютерных моделей, консультирования студентов по компьютерному моделированию и оценки результатов их деятельности. Взаимодействие с преподавателями профессиональных предметов начинается на поисково-исполнительском и, особенно важно, творческом этапах. Консультации этих преподавателей позволяет студентам усовершенствовать умения в области информационных технологий, а их присутствие на конференциях по обсуждению итогов вычислительного эксперимента делает оценку деятельности студентов более объективной. Второе условие обосновано и раскрыто нами ранее.
Рассмотрим пример методики организации занятий на репродуктивно-подражательном этапе по теме Движение искусственного спутника Земли (таблица 2). Основная задача моделирования формулируется следующим образом: искусственный спутник Земли (ИСЗ) запускается с высоты h со скоростью Vq, перпендикулярной к радиусу Земли. Необходимо: рассчитать траекторию искусственного спутника Земли, исследовать влияние начальных условий на вид и форму траектории; определить величину первой и второй космических скоростей. Результатом моделирования движения искусственного спутника Земли в программе моделирования MVS, является визуальная модель и стенд управления данной моделью.
Реализация предложенной методики активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на практических занятиях по физике позволяет: активизировать учебно-познавательную деятельность за счет связи предметного содержания физики с профессиональным в области информационных технологий; поэтапно развивать и расширять исследовательские умения, а также знания в области физики и информационных технологий, тем самым способствовать формированию общекультурных и профессиональных компетенций; осуществлять интенсификацию процесса обучения за счет рационального использования самостоятельной работы студентов и информационных технологий.
Таблица 2
Дидактическая структура занятия по теме Искусственные спутники Земли на основе вычислительного
__________________________________ эксперимента_____________________
№ |
Содержание методических рекомендаций |
Деятельность преподавателя и студентов |
1. |
Постановка задачи: формулировка условия задачи |
Преподаватель: вопросы для беседы: 1) Сформулируйте закон всемирного тяготения. 2) Достаточно ли данного закона для составления уравнения движения ИСЗ? Студент: участие в беседе |
2. |
Формализация задачи: вопросы: 1) Изобразите схему движения искусственного спутника Земли. Укажите все силы, действующие на спутник. 2) Запишите дифференциальные уравнения движения в векторной форме и в проекциях на оси координат. |
Преподаватель: наблюдение и консультирование Студенты: аудиторная индивидуальная самостоятельная работа: работа с учебником, записи в тетрадь |
3. |
Выбор программы компьютерного моделирования: обоснование выбора программы MVS для создания модели ИСЗ |
Преподаватель: дискуссия по определению наиболее подходящей программы для реализации модели Студент: участие в дискуссии |
4 |
Создание модели: описание последовательности действий по созданию модели движения ИЗС в программе MVS. |
Преподаватель: наблюдение и консультирование Студенты: аудиторная индивидуальная самостоятельная работа: работа с программой моделирования |
5 |
Планирование и проведение экспериментов с моделью: вопросы: 1) Как зависит форма траектории, эксцентриситет и период обращения от скорости запуска спутника? 2) Как зависят параметры траектории от высоты запуска спутника? 3) Определите с помощью модели первую и вторую космические скорости. Сравните с табличными данными. 4) Определите первую и вторую космические скорости для Луны и Юпитера. |
Преподаватель: наблюдение и консультирование Студенты: аудиторная индивидуальная самостоятельная работа: работа с компьютерной моделью, самостоятельное составление таблиц, работа с учебником |
6 |
Анализ результатов: вопросы: 1) От каких параметров и как зависит форма траектории движения ИСЗ? 2) Какие допущения были приняты при создании модели? |
Преподаватель: предлагает студентам сделать выводы по работе Студенты: самостоятельная формулировка выводов |
7 |
Использование модели: задачи для самостоятельного решения |
Преподаватель: формулировка домашнего задания: решить задачи с помощью созданной модели; подобрать из сборников несколько задач на движение ИСЗ и решить их с помощью модели Студент: внеаудиторная индивидуальная самостоятельная работа: работа с компьютерной моделью, работа со сборниками задач |
Третья глава Экспериментальная проверка эффективности методики активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на практических занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента раскрывает цели, задачи, этапы, критерии разработанной во второй главе методики. Целью педагогического эксперимента является апробация и проверка эффективности методики активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента. Поставленная цель достигается в ходе решения следующих задач: 1) определить критерии и разработать методы диагностики активности студентов в учебно-познавательной деятельности и сформированноеЩ общекультурных и профессиональных компетенций; 2) выявить исходное состояние подготовки студентов IT-направлений по физике, а также определить начальный уровень активности студентов; 3) проверить влияние разработанной методики активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента на развитие активности студентов и сформированность общекультурной и профессиональных компетенций; 4) подтвердить полученные выводы с помощью статистической обработки данных.
Экспериментальное исследование проводилось в четыре этапа: констатирующий, пробный, обучающий и контрольный. Педагогический эксперимент проводился со студентами IT-направлений (бакалавры Информационные системы и технологии, бакалавры Информатика и вычислительная техника, специалисты Информационные системы и технологии, специалисты Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем) Южно-уральского института управления и экономики в 2007 - 2012 гг.
Эффективность разработанной методики активизации оценивалась по следующим критериям и показателям: 1. общий характер и направленность деятельности (направленность познавательных интересов, устойчивость волевых усилий, инициативность); 2. сформированность знаний в области физики (полнота знаний; прочность знаний); 3. владение деятельностью по вычислительному эксперименту в области физики (полнота сформированноеЩ деятельности, самостоятельность деятельности).
Компетенции проявляются в деятельности, поэтому основным показателем сформированности выделенных ранее компетенций является деятельность по исследованию физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента. Таким образом, по третьему критерию можно судить также о сформированности представленных компетенций.
Основными методами диагностики были ранжирование на основе наблюдения и анкетирования, поэлементный анализ на основе тестирования, пооперационный анализ на основе наблюдений за деятельностью. Экспериментальныеа данныеа обрабатывалисьа са помощьюа методов
20
математической статистики с применением компьютерных программ SPSS Statistics, MS Excel.
В рамках констатирующего эксперимента (2007-2008 гг.) определялось состояние подготовки студентов IT-направлений по физике. При проведении данного этапа эксперимента были использованы следующие методы: анкетирование учащихся; наблюдение за учебно-познавательной деятельностью студентов. В анкетировании участвовало 134 студента. Наблюдение за учебно-познавательной деятельностью студентов было направлено на изучение уровня активности студентов. Наблюдения проводились в четырех группах общей численностью 98 человек. Результаты наблюдения показали, что большинство студентов (63,6%) обладают низким уровнем активности, 26% студентов - средним и лишь 10,4% студентов -высоким уровнем активности.
В ходе пробного эксперимента (2008 г.) было доказано положительное влияние вычислительного эксперимента по физике на уровень активности студентов.
Целью обучающего эксперимента являлась проверка эффективности разработанной методики поэтапного формирования активности учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на практических занятиях по физике средствами вычислительного эксперимента. Обучающий эксперимент проводился в 2009 - 2010 гг., в нем приняли участие студенты четырех групп общей численностью 80 человек. На данном этапе использовался перекрестный эксперимент на двух пар групп.
В экспериментальных группах в процесс обучения проводились занятия по вычислительному эксперименту на основе специально разработанных методических рекомендаций, с помощью современных технологий компьютерного моделирования и с использованием элементов взаимодействия с преподавателями профессиональных предметов. При этом занятия организовывались поэтапно в соответствии со схемой на рис. 2. В контрольных группах занятия проходили в обычной форме, на них решались задачи из сборников задач.
Исследование велось в нескольких направлениях:
- Сравнение конечных результатов контрольных и экспериментальных групп по показателям: направленность познавательных интересов, устойчивость волевых усилий, инициативность, полнота сформированноеЩ знаний по физике. Для всех показателей коэффициент эффективности методики активизации был выше 1, что свидетельствует об ее эффективности.
- Исследованиеаа динамикиаа развитияа уаа студентов экспериментальных групп показателей: направленность познавательных интересов, устойчивость волевых усилий, инициативность, владение научно-исследовательской деятельностью на основе вычислительного эксперимента.
- В современных условиях высшего профессионального образования, диктуемых Федеральными государственными стандартами, актуальным является вопрос формирование активной познавательной деятельности студентов. Вместе с тем, в обучении физике как непрофильной дисциплине студентов IT-направлений существует ряд проблем, прежде всего, отсутствие у студентов интереса к предмету. Организация профессиональной направленности обучения, которое можно реализовать средствами вычислительного эксперимента для изучения физических закономерностей, позволит решить данную проблему.
- Одним из направлений активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике является интеграция предметного содержания курса физики и дисциплин профессионального цикла. В основу этой интеграции положен вычислительный эксперимент как особый метод исследования физических закономерностей через построение и изучение компьютерной модели объекта исследования.
- Методика использования вычислительного эксперимента на занятиях по физике в качестве средства активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений, включающая в себя мотивационный, содержательный, технологический и рефлексивно-оценочный компоненты, позволяет организовать исследовательскую деятельность по изучению физических процессов и явлений с помощью вычислительного эксперимента, реализуемого на основе современных технологий компьютерного моделирования.
- Методика использования вычислительного эксперимента на занятиях по физике в качестве средства активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений будет эффективной, если будут выполнены следующие условия: отобраны современные программы компьютерного моделирования, которые выступают средствами реализации вычислительного эксперимента по физике; разработаны методические рекомендации для студентов по вычислительному эксперименту по физике на основе этапов исследовательской деятельности; организовано взаимодействие с преподавателями профессиональных предметов IT-направлений.
- С целью лучшего овладения исследовательской деятельностью по изучению физических процессов и явлений с помощью вычислительного эксперимента занятия по физике необходимо организовать в четыре этапа:
- Мухина, Ю.Р. Методика применения вычислительного эксперимента на практических занятиях по физике как одна из составляющих основной образовательной программы IT-специалистов / Ю.Р. Мухина // Вестник Южно-Уральского государственного университета, серия Образование. Педагогические науки. - 2011. - № 38 (255). - С. 90-95.
- Мухина, Ю. Р. Активизация исследовательской деятельности студентов IT-специальностей на практических занятиях по физике / Ю.Р. Мухина // Сибирский педагогический журнал. - 2012. - № 1. - С. 329-337.
- Мухина, Ю.Р. Развитие уровней освоения компонентами вычислительного физического эксперимента на различных этапах активизации деятельности студентов IT-направлений / Ю.Р. Мухина // Вестник челябинского государственного педагогического университета. -2012.-№1.-С. 128-136.
- Мухина, Ю.Р. Информационные технологии в обучении физике студентов ИТ-специальностей / Ю.Р. Мухина // Актуальные вопросы качества подготовки специалистов в условиях перехода на новый государственный образовательный стандарт: труды межвузовской науч.-прак. конф. преподавателей вузов, ученых специалистов (21 мая, 2009 г.) -Челябинск : ООО Полиграф-Мастер, 2009. - С. 37-43.
- Мухина, Ю.Р. Организация самостоятельной работы студентов IT-специальностей на практических занятиях по физике с применением информационных технологий / Ю.Р. Мухина // Вузовское преподавание: стратегия развития в условиях модернизации высшего профессионального образования. Материалы 9 междунар. науч.-прак. конф., часть 1, 27-28 октября, 2009 г. -Челябинск: Изд-во Образование, 2009. -4.1 - С. 187-191.
- Мухина, Ю.Р. Соотношение понятий линформационные технологии и современные информационные технологии в обучении /
- Мухина, Ю.Р. Роль физики в формировании профессиональной компетентности IT-специалиста / Ю.Р. Мухина // Модернизация системы профессиональногоа образования н основеа регулируемого эволюционирования: материалы VIII Всерос. науч.-прак. конф.: в 8 ч. Ч. 1 / Академия повышения квалификации и проф. переподготовки работников образования; Челябинский институт перепод. и повыш. квалиф. работ, образ.; отв. ред. Д.Ф. Ильясов. -М. : Образование, 2009. - С. 123-129.
- Мухина, Ю.Р. Программное обеспечение для обучения физике студентов IT-специальностей / Ю.Р. Мухина // Методология и методика информатизации образования в многоступенчатой структуре высшей школы: материалы Всерос. науч.-прак. конф. (7-8 декабря, 2009 г.). - Смоленск : Изд-во СМОЛГУ, 2009. - С. 129-135.
- Мухина, Ю.Р. Физические задачи, решение которых осуществляется с помощью современных информационных технологий / Ю.Р. Мухина // Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов / под ред. О.Р. Шефер: материалы XVII Междунар. науч.-практ. конф., 17-18 мая, 2010 г. - Челябинск : Изд-во ИИУМ - Образование, 2010. - Ч. I -С. 69-73.
- Мухина, Ю.Р. Компьютерное моделирование на практических занятиях по физике у студентов IT-специальностей / Ю.Р. Мухина // Высшее образование сегодня: традиции и инновации: Мат-лы междунар. науч. конф. - Караганда : Центр гуманитарных исследований, 2010. - С. 223-228.
- Мухина, Ю.Р. Использование метода проектов на практических занятиях по физике у студентов IT-специальностей / Ю.Р. Мухина // Инновационные проекты и программы в образовании. - 2010. - № 4. - С. 16-18.
- Мухина, Ю.Р. Использование компьютерных технологий при формировании понятия статистическое распределение у студентов вузов / Ю.Р. Мухина // Усовские чтения. Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов: мат-лы XVIII междунар. науч.-практ. конф., 14-15 апреля 2011 г. В 2 ч. / под ред. О.Р. Шефер. - Челябинск : Край Ра, 2011. -Ч. 1. - С. 213-216.
- Мухина, Ю.Р. Структура практических занятий по физике с использованием элементов компьютерного моделирования / Ю.Р. Мухина // Современные тенденции в экономике и управлении: новый взгляд / Труды междунар. межвузовской науч.-практ. конференции преподавателей вузов, ученых и специалистов (26 апреля, 2011.). - Челябинск : Центр научного сотрудничества, 2011. - С. 102-109.
- Мухина, Ю.Р. Структура задач, основанных на вычислительном физическом эксперименте / Ю.Р. Мухина // Проблемы и перспективы развития образования в России: сборников материалов X Междунар. науч.-
- Мухина, Ю.Р. Активизация учебно-познавательной деятельности студентов на практических занятиях по физике / Ю.Р. Мухина // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. - М. : Литера, 2011. - №5 (28). -С. 158-160.
- Мухина, Ю.Р. Понятия вычислительный эксперимент и моделирование в теории и практике обучения физике / Ю.Р. Мухина // Усовские чтения. Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов: мат-лы XIX междунар. науч.-практ. конф., 12-13 апреля 2012 г. В 2 ч. / под ред. О.Р. Шефер - Челябинск : Край Ра, 2012.-Ч. 1.-С. 149-152.
- Мухина, Ю.Р. Сборник лабораторно-практических работ: вычислительный физический эксперимент: учебно-методическое пособие / Ю.Р. Мухина. - Челябинск : Центр оперативной полиграфии NataliPrint, 2011.-104 с.
- Мухина, Ю.Р. Сборник лабораторно-практических работ: вычислительный физический эксперимент. Часть 2: учебно-методическое пособие / Ю.Р. Мухина. - Челябинск : Центр оперативной полиграфии NataliPrint, 2012. - 108 с.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВОВЫДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
24
вводный, репродуктивно-подражательный, поисково-исполнительский и творческий. Каждый этап определен своими целями, методами, формами организации деятельности студентов, типами используемых задач для вычислительного эксперимента и формами контроля.
6. Экспериментальное исследование разработанной методики показало, что организация исследовательской деятельности студентов по изучению физических закономерностей с помощью вычислительного эксперимента позволит повысить уровень активности студентов и внести вклад в формирование профессиональных компетенций студентов.
Данное исследование не исчерпывает всех вопросов, связанных с активизацией учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений на занятиях по физике. Оно может быть продолжено в направлении поиска других оснований интеграции профессионального и предметного содержания, например, использование профессионального содержания в физических задачах. Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах
Научные статьи и материалы конференций
25
Ю.Р. Мухина // Молодой ученый. - Чита : ООО Издательство Молодой ученый, 2009. - № 11. - С. 295-298.
26
практ. конференции / под общ. ред. С.С. Чернова. - Новосибирск : Изд-во НГТУ,2011г. -С. 113-118.
Методические рекомендации
27
Подписано в печать 16.04.2012. Формат 60 х 84 1/16
Бумага офсетная. Печать трафаретная.
Уч-изд. л 1,2. Тираж 60 экз. Заказ 0420-68
Отпечатано в типографии
Центр научного сотрудничества
ООО БизнесКОМ г. Челябинск, ул. Воровского, 50-6
