Компьютерное моделирование в изучении физических основ электромагнитных явлений в курсах общей физики и специальных дисциплин технического вуза

Актуальность темы

Болонская конвенция, подписанная в 2003 году министром образования Российской Федерации, существенно меняет положение физики, как предмета, изучаемого в средней школе и на нефизических факультетах вузов. Следуя положениям Сорбонской декларации, российское государство в срок до 2010 года берет на себя обязательства трансформировать физику из важнейшего общекультурного и образовательного компонента личности в один из предметов, выбираемых студентом в соответствии с личной образовательной траекторией.

Выбранный курс реформирования образования вызывает справедливую и обоснованную обеспокоенность в среде педагогической общественности [1,2, 14, 86, 99]. В то же время, нельзя не признать, что он согласуется с проводимыми в стране административной, финансовой, законодательной и другими реформами: необходимые объем и глубину знаний по физике должны определять потребности рынка, а не планы создания абстрактного человека будущего.

Вместе с тем, необходимо отметить, что никакие реформы физического образования не способны изменить объективный статус физики как фундаментальной основы всех областей современного научного знания. Самые первые попытки философов древности объяснить устройство мира были не чем иным, как занятиями физикой, а современная цивилизация, существующая в едином глобальном информационном пространстве, приобрела свои характерные черты также благодаря развитию физической науки. История физики — это история человечества, познающего Вселенную и создающего неприродную реальность, изучение физики развивает интеллект и формирует мировоззрение.

Сохранение и повышение качества физического образования технического вуза в условиях перераспределения аудиторных часов между традиционными предметами и новыми дисциплинами, повышения доли самостоятельной работы в сумме часов по дисциплине, развития дистанционного, открытого обучения физике требует разработки, обоснования и использования новых педагогических методик, в том числе, опирающихся на современные компьютерные технологии.

Помимо требований модернизации обучения, обусловленных современными тенденциями развития образования, традиционно актуальной является необходимость обеспечения содержательной и методологической преемственности в изучении физических явлений, процессов и закономерностей при их рассмотрении в курсах общей физики и специальных дисциплин технического вуза. Анализ учебного процесса в техническом вузе с позиции развития представлений студентов об электромагнитных явлениях обнаруживает недостаточное использование фундаментальной физической основы этих явлений при их рассмотрении в прикладном аспекте специальных электротехнических дисциплин. Формализованное изложение учебного материала и алгоритмизация учебной исследовательской деятельности студентов, свойственные как для курса общей физики, так и для дисциплин, развивающих его положения, ведут к тому, что понимание физической сущности предмета уступает место усвоению готовых знаний и приобретению ограниченного числа навыков. В то же время, современные тенденции развития физического образования нацелены на формирование у учащихся умений нестандартно мыслить, использовать интеллектуальные и коммуникативные способности для успешной организации профессиональной и социальной деятельности в непрерывно меняющихся многофакторных ситуациях.

Компьютерное моделирование, являющееся составной частью и инструментом компьютерного обучения, содержит в себе потенциальные возможности повышения эффективности изучения физических основ электромагнитных явлений в курсах общей физики и специальных дисциплин технического вуза. К этим возможностям относятся:

— повышение наглядности, вариативности, интерактивности и информационной емкости предоставляемого учебного материала, компенсация, посредством этого, сокращения количества часов аудиторных занятий;

— проведение экспериментальной деятельности, затрудненной, невозможной или небезопасной в условиях учебной лаборатории, обеспечение множественности и вариативности экспериментов;

— модернизация натурного лабораторного исследования посредством применения компьютерных моделей для наглядного представления электрических величин на этапе измерений;

— повышение эффективности самостоятельной работы студентов через предоставление возможности выбора и реализации индивидуального маршрута самостоятельного обучения, соответствующего уровню знаний, темпераменту и особенностям мышления учащихся;

— развитие у студентов навыков самостоятельной работы с важнейшей формой представления информации — моделью, выработка навыков применения математической модели при планировании, постановке и интерпретации результатов учебного натурного эксперимента, умение производить оценку области применения модели;

— создание условий для реализации личностно-ориентированного подхода к обучению;

— рационализация труда студента и педагога через передачу рутинных функций расчета и проверки и сосредоточение внимания на творческом аспекте учебного исследования.

Реализация перечисленных возможностей особенно актуальна в отношении изучения электромагнитных явлений. Во-первых, потому, что они относятся к категории непосредственно ненаблюдаемых физических явлений и усвоение сути этих явлений происходит на основе модельных представлений о них. Во-вторых, опыты с электродинамическими объектами содержат потенциальную опасность поражения электрическим током, поэтому проходят в условиях строгого соблюдения правил безопасности и часто не предусматривают возможности экспериментальной проверки студентом собственных гипотез. В то же время, такая возможность, как и право студента на ошибку, должны существовать для того, чтобы интерес к предмету исследования имел неформальный характер, а само учебное исследование было приближено, в этом отношении, к научному творчеству. В-третьих, математические расчеты электромагнитных явлений объемны и требуют свободного владения дифференциальным и интегральным исчислением, операторными методами, прямыми и обратными преобразованиями функций и оригиналов, что, при выполнении расчетных работ приводит к преобладанию значимости математических расчетов над значимостью физических выводов, а при экспериментальной деятельности — к затруднениям при оценке получаемых данных. В-четвертых, все эти трудности усугубляются при реализации педагогической установки на изучение процессов, происходящих в сложных электротехнических объектах с позиции фундаментальной физической основы электромагнетизма.

Широкий спектр возможностей, предоставляемых компьютерным моделированием, сам по себе не подразумевает его широкое применение и распространение в изучении электромагнитных явлений. Характерной особенностью компьютеризации обучения на современном этапе является отставание уровня развития содержательной компоненты этого процесса от уровня технико-технологической компоненты. Возможности вузов в оснащении учебных аудиторий компьютерной техникой растут темпами, превосходящими интенсивность разработки методического обеспечения процесса интеграции компьютерных средств с традиционными формами учебных занятий. В этой связи образовательный потенциал компьютерного обучения в целом, и компьютерного моделирования в частности, остается не вполне раскрытым. Идеи применения микропроцессорных измерительных систем, компьютерных программ обработки данных, компьютерных математических пакетов, компьютерных приложений, имитирующих поведение реальных объектов, являются очевидными, а перечисленные элементы — все более доступными, вместе с тем, их системное использование при изучении физических основ электромагнитных явлений в курсах общей физики и специальных дисциплин технического вуза нуждается в методическом обеспечении, а целесообразность — в теоретическом обосновании.

Объектом исследования является процесс обучения студентов технических вузов физическим основам электромагнитных явлений в курсах общей физики и специальных технических дисциплин.

Предметом исследования является методика применения компьютерных моделей в изучении физических основ электромагнитных явлений в курсах общей физики и специальных дисциплин технического вуза.

Цель исследования — теоретическое обоснование и реализация методики применения компьютерного моделирования при изучении физических основ электромагнитных явлений в курсах общей физики и специальных дисциплин технического вуза.

Гипотеза исследования — применение компьютерного моделирования в процессе обучения студентов технических вузов физическим основам электромагнитных явлений будет эффективным, если:

— позволит использовать математические средства представления электрических величин на этапе их измерений;

— его включение в натурный лабораторный и демонстрационный лекционный эксперименты будет направлено на обеспечение методологической и содержательной преемственности в изучении физических основ электромагнитных явлений как на этапе формирования общих представлений о них, так и при рассмотрении этих явлений в прикладном аспекте специальных дисциплин;

— применение программ, моделирующих работу электрических цепей, предоставит студентам возможность использовать в учебных исследованиях электромагнитных взаимодействий метод поисковых проб;

— потенциал компьютерных технологий будет направлен не на замену традиционных методов учебного исследования, а на интеграцию с ними при использовании всего положительного опыта организации и проведения учебных занятий, накопленного в образовании.

Исходя из цели и гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи:

1. На основе анализа теории и практики применения компьютерного моделирования, изучить возможности, предоставляемые современными компьютерными технологиями, для изучения электромагнитных явлений в общем курсе физики и в прикладном аспекте специальных электротехнических дисциплин технического вуза.

2. Разработать инструментальное средство исследования электромагнитных процессов, позволяющее использовать наглядность и информативность символического метода представления электрических величин на этапе их измерений.

3. Разработать методические указания, компьютерные приложения и конспекты лекций, реализующие методику использования компьютерного моделирования в изучении физических основ электромагнитных явлений.

4. С целью проверки эффективности интеграции компьютерного моделирования с традиционными формами учебных занятий по изучению физических основ электромагнитных явлений, провести педагогический эксперимент и выполнить анализ его результатов.

Теоретико-методологическую основу исследования составляют:

— труды классиков физической науки по ее методологическим аспектам (М.Борн, Н. Бор, П. Дирак, П. Л. Капица, Л. Д. Ландау, Дж. Максвелл, Р. Фейнман, А. Эйнштейн и др.);

— философские, психологические и педагогические концепции познавательной деятельности (Р. Арнхейм, Л. С. Выготский, П. Я. Гальперин, В. В. Давыдов, У. Джемс, А. Н. Леонтьев, Ж. Пиаже, А. Я. Пономарев, С. Л. Рубинштейн, А. П. Тряпицына);

— философские, психологические, педагогические концепции и научно-методические работы по вопросам мировоззренческой и методологической интерпретации ключевых достижений классической и современной физики (Г.А. Бордовский, С. Н. Богомолов, Б. С. Гершунский, В. В. Давыдов, В. А. Извозчиков, С. Е. Каменецкий, А. С. Кондратьев, Ю. Н. Кулюткин, О. Е. Лебедев, И. Я. Ланина, А. Е. Марон, В. Н. Мощанский, В. В. Мултановский, Н. С. Пурышева, В. Г. Разумовский, C.JI. Рубинштейн, А. П. Тряпицына, Г. И. Щукина и др.);

— достижения и тенденции развития теории и методики обучения физике (В. А. Бордовский, С. В. Бубликов, Ю. И. Дик, В. А. Извозчиков, С.Е. Каме-нецкий, В. А. Касьянов, А. С. Кондратьев, И. Я. Ланина, В. В. Лаптев, А. И. Назаров, А. А. Пинский, Н. С. Пурышева, В. Г. Разумовский, Ю. А. Сауров, А. В. Усова, С. Д. Ханин, Л. С. Хижнякова, Т. Н. Шамало, Б. М. Яворский и др.);

— научно-методические работы по технологиям компьютерного обучения, применяемым в физике (Э.В. Бурсиан, Е. И. Бутиков, И. Б. Горбунова, Л. В. Жуков, В. А. Извозчиков, А. С. Кондратьев, А. В. Ляпцев, Г. Г. Матаев, А.И. Хо-данович, А. С. Чирцов и др.);

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:

— теоретический анализ проблемы на основе изучения философской, психологической, физической и методической литературы;

— анализ теории и методики обучения разделу общей физики «Электродинамика» ;

— анализ теории и методики обучения материалу специальных дисциплин технического вуза, изучение которых базируется на разделе общей физики «Электродинамика» ;

— проведение педагогического эксперимента и анализ его результатов с целью определения эффективности использования компьютерного моделирования в изучении физических основ электромагнитных явлений.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечиваются:

— использованием фундаментальных положений педагогики, психологии, теории и методики обучения физике по использованию компьютерных технологий, развитию исследовательского подхода, интеллектуальных и творческих способностей студентов;

— выбором адекватных показателей эффективности предложенной методики применения компьютерного моделирования на различных этапах учебной деятельности;

— использованием различных методов исследования, соответствующих поставленным задачам;

— апробацией разработанной методики в вузах России.

Научная новизна работы заключается в следующем:

В отличие от предыдущих работ, определяющих подходы к компьютеризации обучения общей физике, в настоящей работе дано теоретическое обоснование педагогической целесообразности, разработаны средства и методические основы применения компьютерных моделей с целью обеспечения непрерывности, содержательной и методологической преемственности в изучении физических основ электромагнитных явлений, рассматриваемых в курсе общей физики и в рамках специальных электротехнических дисциплин.

В отличие от принятой практики исследования цепей переменного тока, в работе предлагается, теоретически обосновывается и реализуется методика проведения натурного эксперимента, предполагающая использование математических символов, традиционно применяемых при обработке данных, на этапе электрических измерений.

Показано, что в отличие от натурного исследования электромагнитных явлений, их компьютерное моделирование позволяет исследовать более широкий спектр объектов и режимов, включая аномальные и экстремальные режимы и предусматривает возможность экспериментальной проверки студентом собственных гипотез.

Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

— теоретически обоснованы роль и место компьютерного моделирования в процессе обучения студентов технических вузов физическим основам электромагнитных явлений;

— сформулированы требования к инструментальным средствам исследования электротехнических объектов и показано значение компьютерного моделирования для разработки этих средств;

— показана необходимость приведения результатов экспериментальной учебной деятельности студентов в соответствие содержанию используемых ими модельных представлений об электромагнитных процессах.

Практическое значение работы состоит в том, что основные результаты доведены до уровня конкретных методических разработок, наглядных интерактивных пособий и инструментальных средств, дающих возможность эффективного использования компьютерного моделирования в изучении физических основ электромагнитных явлений.

Разработаны и внедрены в учебный процесс технического вуза инструментальное средство измерения и символического отображения переменных электрических величин, электронные методические указания к выполнению подготовительной части лабораторных работ, компьютерные приложения и конспекты лекций.

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты работы докладывались на Международных научноых конференциях «Наука и образование — 2004» (Мурманск, 2004), «Наука и образование -2005» (Мурманск, 2005), «Наука и образование -2006″ (Мурманск, 2006),» Герценовские чтения -2006″ (Санкт-Петербург, 2006), Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики» (Екатеринбург, 2006), семинарах кафедры физики Мурманского государственного педагогического университета, были использованы при разработке и реализации учебных программ Мурманского государственного технического университета.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Необходимость приведения результатов экспериментальной учебной деятельности студентов в соответствие содержанию используемых ими модельных представлений об электромагнитных процессах делает целесообразным, а компьютерное моделирование — возможным использование в электрических измерениях символического метода представления электрических величин.

2. Осуществляемый на основе компьютерного моделирования демонстрационный эксперимент способствует построению теоретического занятия по изучению электромагнитных явлений, процессов и закономерностей в форме учебной модели научного исследования.

3. Применение компьютерных программ, моделирующих работу электрических цепей, предоставляет студентам возможность экспериментальной проверки собственных гипотез и включения в учебную исследовательскую деятельность метода поисковых проб, что приближает учебное исследование к научному поиску и способствует активизации самостоятельной учебной деятельности студентов при изучении электромагнитных явлений в курсах общей физики и специальных дисциплин технического вуза.

Основные результаты и общие выводы работы состоят в следующем:

1. Выявлено противоречие между целевыми установками физического образования на формирование у студентов технического вуза фундаментальной основы электромагнитных явлений рассматриваемых в контексте специальных дисциплин и имеющейся практикой изложения материала дисциплин, нивелирующей значение этой основы. Раскрыты дидактическое значение подхода к изучению материала специальных дисциплин в области изучения электромагнетизма с позиций физического знания, его роль как важного фактора, определяющего эффективность, качество и неформальный характер специального образования.

2.Раскрыто значение чувственного опыта в формировании индивидуальных инструментов мышления учащихся и установлена связь между наглядностью предоставляемой чувственной информации и эффективностью процесса изучения электромагнитных явлений. Определено, что опыт, понимаемый наиболее широко, как отправная точка мышления, присутствует не только в экспериментальной лабораторной деятельности студентов, но и в остальных видах учебной деятельности.

3. Компьютерное моделирование рассматривается как дополнение к традиционным инструментам и средствам исследования, развивавшимся по мере становления общечеловеческих представлений об электричестве. Являясь аналогом эволюционно развитых органов чувств, эти средства нуждаются в дальнейшем совершенствовании, в частности, с использованием достижений компьютерных технологий.

4. На основе компьютерного моделирования разработано и изготовлено инструментальное средство, предоставляющее возможность наблюдения за электрической цепью с новой позиции. Прибор позволяет наблюдать за символическим изображением синусоидальных величин, дополняя волновое изображение осциллографа и действующее значение вольтметра.

5. На базе нового инструментального средства и компьютерных приложений, использующих аналогичную компьютерную модель, разработана методика исследования электромагнитных явлений и электротехнических объектов, углубляющая понимание материала и позволяющая уменьшить разобщенность методологии физики и специальных дисциплин.

6. Определены методические подходы к интеграции вычислительного компьютерного эксперимента с лекционным занятием. Обоснована необходимость такой интеграции с целью обеспечения непрерывности и цикличности учебного познания, являющегося моделью научного творчества.

7. Разработана методика применения компьютерного моделирования на этапах подготовки, выполнения и обработки результатов лабораторного исследования. Показана роль компьютерного моделирования в создании условий реализации на практике исследовательского метода обучения.

8. В результате педагогического эксперимента доказана эффективность развитых подходов к применению компьютерных моделей в экспериментальной деятельности студентов, имеющая целью развитие интеллектуальных способностей, формирование исследовательского подхода и стимулирование творческой активности учащихся.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.