Обучение физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий

Для подготовки специалистов-профессионалов сегодня является общепризнанным, что традиционное понимание профессионального инженерного образования как усвоения определенной суммы знаний, основанного на преподавании фундаментальных, общетехнических и специальных предметов, является явно недостаточным. В ходе изучения профессионально-технической среды современных промышленных предприятий, было установлено, что в профессиональную деятельность специалистов машиностроения активно проникают информационные и телекоммуникационные технологии, что вызывает острую потребность в специалистах, умеющих для решения профессиональных задач использовать не только фундаментальные теории, но и современные компьютерные технологии. Наличие у выпускника как практических, так и теоретических знаний в этой области повысит востребованность такого работника на рынке труда. В 80% случаев при приеме на высокооплачиваемую работу требуются знания вычислительной техники [128]. Поэтому выпускник технического вуза за годы обучения должен получить разносторонний опыт использования компьютерных технологи, быть психологически и профессионально готов к его использованию на производстве. Для эффективной подготовки таких специалистов, способных конкурировать на рынке интеллектуального труда, решающее значение имеет поиск и создание нетрадиционных педагогических решений, разработка и использование новых подходов, идей и методов обучения, способных улучшить содержание образования и уровень подготовки выпускников, в частности, по физике, которая представляет собой фундаментальную основу дисциплин технического направления. Актуальность решения этой задачи на современном этапе с каждым годом продолжает возрастать.

Как показал анализ работ по методике преподавания физики в профессиональных учебных заведениях, фундаментальная подготовка студентов к осуществлению профессиональной деятельности инженера наиболее полно может быть реализована в условиях профессиональной направленности обучения [12, 54, 86, 97, 155]. Причем, принцип профессиональной направленности должен найти свое отражение в деятельности, адекватной современным условиям. Для студентов инженерных специальностей эта деятельность связана с использованием компьютерных технологий при решении физических задач с профессиональным содержанием. А специфика учебного процесса в техническом вузе состоит в профессиональной направленности изучаемых дисциплин и активном использовании компьютерных технологий, при этом физика представляет собой фундамент для дисциплин технического направления.

Таким образом, для успешной деятельности инженера в инновационной среде промышленных предприятий, которую создают автоматизированные на основе микропроцессорной техники средства производства, подготовка студентов втузов должна быть направлена не только на получение знаний фундаментальных, общетехнических и специальных дисциплин, но и на формирование действенных мотивов и устойчивого навыка использования компьютерных технологий в будущей профессиональной деятельности.

Однако, проведенный нами констатирующий эксперимент показал, что при обучении физике студентов технических вузов используется ограниченное количество компьютерных технологий, которые не отражают специфику будущей профессиональной деятельности инженера и применяются эпизодически, в основном для решения традиционных физических задач. В результате многие студенты не осознают цели использования персонального компьютера при обучении физике, для большинства из них применение компьютерных технологий не становится актуальным и необходимым в данный момент времени и выпускники оказываются не готовыми к решению профессиональных задач, возникающих в инновационной деятельности инженера. При этом число обязательных часов на изучение физики сокращается, в то время как объем учебного материала увеличивается. Поэтому увеличивается число часов, отведенных на самостоятельную работу студентов, которые в настоящее время используются не рационально.

Таким образом, существуют противоречия:

— между характером профессиональной деятельности инженера в инновационной среде промышленных предприятий и сложившейся системой подготовки студентов технических вузов в области физики;

— между значительным количеством работ в области информационных технологий и практическим отсутствием методики использования совокупности различных компьютерных технологий, применяемых в практике инженера, при обучении физике студентов технических вузов.

Выделенные противоречия определили актуальность и тему нашего исследования: «Обучение физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий», проблемой которого является поиск ответа на вопрос: какой должна быть методика обучения физике студентов инженерных специальностей с использованием современных компьютерных технологий?

Объектом исследования является процесс обучения физике студентов технических вузов в современных условиях.

Предметом исследования является применение современных компьютерных технологий в обучении физике студентов технических вузов.

Цель исследования состоит в теоретическом обосновании и разработке методики обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий.

Гипотеза исследования. Если разработать и внедрить в учебный процесс технического вуза методику профессионально-ориентированного обучения студентов инженерных специальностей с применением совокупности различных современных компьютерных технологий на аудиторных занятиях во взаимосвязи с самостоятельной работой студентов, то можно повысить уровень фундаментальной подготовки студентов и сформировать некоторые виды профессиональной деятельности, характерные для инновационной среды промышленных предприятий.

Исходя из сформулированной гипотезы, для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи:

— изучить степень разработанности проблемы исследования в научной, психолого-педагогической и методической литературе;

— теоретически обосновать вклад физики и компьютерных технологий в формирование специалистов инженерного профиля в современных условиях, а также выявить реальный уровень подготовки студентов технических вузов по физике и определить их готовность к применению компьютерных технологий для решения физических задач, в том числе и с профессиональным содержанием;

— провести анализ и выбор компьютерных технологий, соответствующих содержанию физического образования в техническом вузе и специфике профессиональной деятельности инженера;

— определить наиболее целесообразные формы и методы обучения физике с применением компьютерных технологий;

— разработать задания для практических, лабораторных, курсовых и научно-исследовательских работ по своему содержанию направленные на усвоение студентами фундаментальных вопросов курса физики и на формирование видов профессиональной деятельности, связанных с использованием современных компьютерных технологий;

— осуществить экспериментальную проверку гипотезы исследования.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы:

— теоретические — анализ философской, естественнонаучной, научно-технической, психолого-педагогической литературыанализ содержания документов по модернизации Российского образования, основных направлений информатизации системы образования области, существующего информационного обеспечения региональной системы образования и изучение рынка компьютерных технологийпроведение сравнений и аналогий, обобщение, синтезмоделирование педагогических ситуацийанализ инновационного педагогического опыта;

— экспериментальные — наблюдение, интервьюирование, анкетирование и тестирование студентов и преподавателей, экспертная оценка разработанных материалов, педагогический эксперимент.

Научная новизна исследования.

1. Выявлен инновационный характер деятельности инженера, прежде всего, связанный с использованием современных компьютерных технологий при решении профессиональных задач, основой которых являются законы и явления физики.

2. Разработаны теоретические основы построения методики обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий, с учетом специфики профессиональной деятельности инженера в инновационной среде промышленных предприятий в виде следующих утверждений:

— компьютерные технологии должны оказывать влияние на все компоненты методической системы обучения физике (цели, содержание, методы, формы и средства);

— одной из целей обучения физике студентов технических вузов следует считать формирование действенных мотивов и устойчивого навыка использования компьютерных технологий при решении физических задач, связанных с дальнейшей профессиональной деятельностью инженера;

— проектирование содержания обучения физике следует осуществлять на основе сочетания принципов фундаментальности, профессиональной направленности и информатизации обучения, при этом отбор содержания учебной дисциплины должен заключаться в выборе такого учебного материала, который будет использоваться в предстоящей профессиональной деятельности инженера с применением современных компьютерных технологий;

— важным компонентом содержания обучения физике студентов технических вузов должны быть соответствующие учебному материалу компьютерные технологии, выбор которых также должен быть обусловлен спецификой профессиональной деятельности инженера;

— современные компьютерные технологии необходимо использовать на всех формах аудиторных занятий во взаимосвязи с самостоятельной работой студентов, в том числе при выполнении курсовых и научно-исследовательских работ;

— на всех формах аудиторных и внеаудиторных занятий обучение физике можно осуществлять с применением традиционных методов, но с учетом новых возможностей, предоставляемых компьютерными технологиями.

3. Предложена и реализована методика применения современных компьютерных технологий для проведения практических и лабораторных занятий, выполнения курсовых и научно-исследовательских работ по физике в технических вузах, включающая:

— формирование мотивов применения компьютерных технологий;

— установление взаимосвязи аудиторных занятий и самостоятельной работы студентов;

— выделение типов задач по физике и действий, реализуемых с применением компьютерных технологий на практических и лабораторных работахопределение требований к формированию физических задач с профессиональным содержанием для курсовых и научно-исследовательских работ;

— разработку заданий для аудиторных занятий и самостоятельной работы студентов, включающие наряду с другими, физические задачи с профессиональным содержанием, возникающие в деятельности инженера, связанной с применением компьютерных технологий.

Теоретическая значимость результатов исследования состоит в теоретическом обосновании возможности и целесообразности использования компьютерных технологий, применяемых в практике инженера, при обучении физике студентов технических вузов для повышения уровня их фундаментальной подготовки и формирования некоторых видов профессиональной деятельности, характерных для инновационной среды промышленных предприятий.

Результаты проведенного исследования могут стать в дальнейшем основой для создания курса физики для различных инженерных специальностей.

Практическая значимость исследования состоит в том, что разработан учебно-методический комплекс для осуществления фундаментальной и про-фессионалыю-направленной подготовки по физике студентов инженерно-технических специальностей с применением современных компьютерных технологий, включающий рабочую программу по физике для направления подготовки 657 800 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств" — задания для практических и лабораторных работ по физике, реализующие взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы студентов, и учебное пособие для преподавателей и студентов технических вузов, в котором изложены основы применения совокупности различных компьютерных технологий при выполнении курсовых и научно-исследовательских работ по физике.

Апробация и внедрение результатов исследования. Для апробации материалы исследования были представлены:

— ежегодно на научно-методических семинарах кафедры общенаучных дисциплин Рузаевского института машиностроения (Рузаевка, 2001 — 2006);

— на научных сессиях Мордовского государственного педагогического института им. М. Е. Евсевьева и Самарской государственной академии путей сообщения имени М. Т. Елизарова (Саранск, Самара, 2001 — 2006);

— на VIII научной конференции молодых ученых Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева (Саранск, 2003);

— на Всероссийской научно-практической конференции «Организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств» (Саранск, 2003, 2005);

— на заседании кафедры теории и методики обучения физике МПГУ (Москва, 2006);

— на IV и V международной научно-методической конференции «Новые технологии в преподавании физики: школа и вуз» (Москва, 2005, 2006).

Исследовательская работа осуществлялась со студентами специальностей 151 001 «Технология машиностроения», 151 002 «Металлообрабатывающие станки и комплексы», 110 301 — «Механизация сельского хозяйства», 110 304 -«Технология обслуживания и ремонта машин в агропромышленном комплексе», на базе Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева.

На защиту выносятся:

1. Обоснование того, что в инновационной среде промышленных предприятий содержание профессиональной деятельности инженера, основанной на фундаментальных физических теориях, предполагает выполнение новых профессиональных задач, прежде всего, связанных с использованием современных компьютерных технологий. Из них основными являются — эффективное использование компьютерных технологий для расчетов физических параметров технологических процессов, статистической обработки результатов эксперимента и прогнозирования, организация выбора и использование компьютерных технологий при изготовлении изделий, обладающих оптимальными физическими параметрами, создание физических моделей процессов и систем.

2. Методика обучения физике студентов технических вузов с использованием совокупности различных современных компьютерных технологий, направленная на повышение уровня фундаментальной подготовки студентов и формирование некоторых видов профессиональной деятельности, характерных для инновационной среды промышленных предприятий.

3. Учебно-методический комплекс для осуществления фундаментальной и профессионально-направленной подготовки по физике студентов инженерно-технических специальностей с применением современных компьютерных технологий.

В целом исследование охватило период времени с 2001 по 2006 гг. и осуществлялось в три этапа.

На первом этапе с 2001 по 2002 г. г. изучалось современное состояние теории и практики обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий: осуществлялся анализ документов по модернизации российского образования, Государственного стандарта высшего профессионального образования, квалификационных характеристик, учебных планов и программ по физике для инженерных специальностей, проводился констатирующий эксперимент.

На втором этапе с 2002 по 2003 г. г. определялись теоретические основы построения методики обучения физике студентов инженерных специальностей, проводился поисковый эксперимент — уточнялись цели и содержание обучения, осуществлялся поиск различных организационных форм и методов обучения физике с использованием компьютерных технологий. Проводился анализ компьютерных технологий, и разрабатывалась методика их применения на практических и лабораторных занятиях по физике, при выполнении курсовых и научно-исследовательских работ.

Третий этап (2003 — 2006 г. г.) связан с проведением обучающего эксперимента по проверке выдвинутой гипотезы исследования, статистической обработкой, анализом и обобщением результатов эксперимента. Были опубликованы учебные пособия для студентов инженерных специальностей, осуществлялось внедрение разработанных материалов в практику преподавания технических вузов.

Структура и основное содержание диссертации. Структура диссертации определена логикой и последовательностью решения поставленных задач. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений. Общий объем диссертации 218 страниц, основной текст диссертации составляет 186 страниц, приложения — 32 страницы. Работа включает 35 рисунков, 20 таблиц и 4 схемы. Библиографический список содержит 170 наименований.

Выводы по главе 1.

1. Проанализированы государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования и требования к специалисту, отраженные в квалификационных характеристиках. Анализ позволил сделать вывод, что к современному специалисту государство предъявляет высокие требования, что.

50 успешность деятельности инженеров во многом определяется не только высоким уровнем знаний фундаментальных и специальных наук, но и комплексной подготовкой к профессиональной работе в области современных компьютерных технологий. Эти требования входят в противоречия с уже сложившейся системой обучения физике студентов технических вузов.

2. Проведен констатирующий эксперимент, который показал, что, несмотря на осведомленность студентов о роли и месте компьютерных технологий в будущей профессиональной деятельности, они испытывают затруднения при использовании компьютерных технологий при решении физических задачпри обучении физике студентов инженерных специальностей используется ограниченное количество компьютерных технологий, которые не отражают специфику технического вуза, применяются эпизодически, в основном для решения традиционных задач. Для осуществления эффективного процесса обучения физике необходимо расширение средств компьютерных технологий в технических вузах.

3. Проведен анализ исследований по проблеме исследования, который показал, что проблема совершенствования обучения физике студентов технических вузов посредством современных компьютерных технологий является актуальной.

5. Сделан вывод, что существующее противоречие между возможностями использования компьютерных технологий при обучении физике и отсутствием методики их применения в техническом вузе, ориентированной на конкретные виды профессиональной деятельности инженера, не может быть разрешено без соответствующего теоретического обоснования методики применения компьютерных технологий при обучении физике студентов инженерных специальностей и расширения средств компьютерных технологий. Следовательно, необходимо определить теоретические основы построения методики обучения физике с использованием современных компьютерных технологий.

Глава 2. Теоретические основы обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий.

В данной главе определены теоретические основы построения методики обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий. Уточнены цели обучения физике, осуществлен отбор содержания обучения физике с применением компьютерных технологий на основе сочетания принципов фундаментальности, профессиональной направленности и информатизации обучения. Определены наиболее целесообразные формы и методы обучения физике с применением компьютерных технологий. Обоснована целесообразность использования компьютерных технологий, применяемых в практике инженера, при обучении физике студентов технических вузов.

2.1. Методика обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий.

Процесс обучения физике в техническом вузе мы рассматриваем как методическую систему, включающую в качестве компонентов цели и задачи, содержание, методы, организационные формы и средства обучения. В этой системе цели обучения являются компонентом, определяющим содержание других компонентов системы и характер их взаимосвязей. Одним из основных утверждений, составляющих теоретическую основу методики обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий, является утверждение о влиянии компьютерных технологий на все компоненты методической системы обучения физике (схема 2).

Схема 2. Взаимодействие компонентов методической системы.

Обучение физике студентов технических вузов осуществляется на двух различных уровйях. Так как одна из целей курса физики технического вузаформирование фундаментальных знаний о физических явлениях, законах и теориях, о методах познания в физической науке и формирование научного мировоззрения [12, 86], то первый уровень — инвариантный (базовый), который предполагает решение стандартных задач, включает традиционные лабораторные и курсовые работы по физике. Это демонстрирует то, что специфические требования к курсу физики в техническом вузе не должны осуществляться в ущерб основным задачам этого предмета как фундаментального. При всей важности межпредметных связей нельзя превращать науку в подготовительный учебный предмет для изучения специальных дисциплин. Недопустимо, чтобы исчезли фундаментальные классические эксперименты, некоторые из которых в корне меняли сложившиеся представления в физике. Следовательно, обучение на первом уровне ориентировано на фундаментальную подготовку и осуществляется в соответствии с принципом фундаментальности. Под фундаментальной подготовкой будем понимать ее качество, определяемое приоритетностью в ее целях, содержании и составе основополагающих, долгоживущих, научных знаний и ориентированных на профессиональную деятельность ведущих, в достаточной степени обобщенных умений. Фундаментализация подготовки — это процесс, направленный на обеспечение вышеуказанного качества [67, с.5].

Фундаментальная физическая подготовка предполагает формирование единой системы базовых знаний, выделение в содержании основных закономерностей и научных положений, являющихся основой учебного предмета. Это так называемая инвариантная часть курса физики, содержащая главным образом ядро теории [86].

Но обучение физике студентов технического вуза имеет и специфические цели — создание научной базы студента для изучения общетехнических и специальных дисциплинформирование видов деятельности, адекватных профессиональной деятельности инженера и др. Поэтому обучение на втором уровне ориентировано на применение физических законов и явлений в профессиональной деятельности. На протяжении всего периода обучения в техническом вузе студенты сталкиваются с междисциплинарными связями — связями между фундаментальными, общетехническими и специальными дисциплинами. Поэтому, построение дидактического процесса на втором уровне следует проводить на основе междисциплинарного подхода и принципа профессиональной направленности обучения. Для этого можно использовать все возможные методы, формы и средства обучения. Как показала практика, использование междисциплинарного подхода и принципа профессиональной направленности помогает учащимся раскрыть взаимосвязь дисциплин, их взаимовлияние. Обучение на данном уровне предполагает структурирование содержания общетехнических и специальных дисциплин, при котором научный аппарат физики становится основной структурной единицей, вокруг которой формируется содержание профессиональной подготовки (варьируемый компонент курса физики) [86]. Именно через содержание такой подготовки и осуществляется принцип профессиональной направленности обучения, который является специфическим принципом для высшей школы, всегда была и будет профессиональной по своей сути и назначению.

Таким образом, при обучении физике студентов технических вузов мы выделяем два уровня. Уровень I — инвариантный, базовый. Уровень II — более высокий в плане содержания, он требует уже более глубоких знаний для осмысления физических законов и явлений в технике.

Однако, в инновационной среде промышленных предприятий содержание профессиональной деятельности инженера, основанной на фундаментальных физических теориях, предполагает выполнение новых профессиональных задач, прежде всего, связанных с использованием современных компьютерных технологий. Поэтому наряду с обозначенными целями обучения физике студентов технических вузов следует считать формирование на профессионально-ориентированном уровне действенных мотивов и устойчивого навыка использования компьютерных технологий при решении физических задач, связанных с дальнейшей профессиональной деятельностью инженера.

Следовательно, ведущими принципами обучения физике в высшей технической школе являются принципы фундаментальности, профессиональной направленности и информатизации, которые относятся к каждому компоненту методической системы обучения физике: к целям, содержанию, методам, формам и средствам обучения.

Содержание обучения физике с использованием компьютерных технологий следует группировать вокруг тем, изучение которых с использованием прикладных программ целесообразно. Отбор такого содержания обучения следует проводить руководствуясь принципами дидактики (научности, системности, доступности, последовательности и др.) а так же.

— отбор содержания, соответствующего общим целям профессионального образования, не допускающего снижения уровня фундаментальной подготовки студентов по физике;

— отбор по принципу научной целостности, который означает, что тема, при изучении которой применяются современные компьютерные технологии, является частью учебной дисциплины;

— отбор по принципу обеспечения внутренней логики науки. Т. е. при использовании компьютерных технологий необходимо сохранить логику и последовательность изложения дисциплины в соответствии с ГОС;

— отбор, основанный на использовании современного научного содержания, новых научных достижений, новых компьютерных технологий;

Для более детальной разработки содержания обучения физике с использованием современных компьютерных технологий целесообразно использовать следующие критерии:

— критерий соответствия объема содержания и времени, отведенного на изучение физики, т. е. применение компьютерных технологий необходимо осуществлять в рамках времени, отведенного учебным планом, поэтому необходима активизация самостоятельной работы студентов;

— критерий высокой научной и профессиональной значимости содержания, который определяет наиболее значимые элементы содержания, позволяющие максимально раскрыть преимущества использования современных компьютерных технологий при изучении фундаментальных теорий широко применяемых в профессиональной деятельности;

— критерий соответствия содержания имеющейся методической и компьютерной базы учебного заведения.

Также, мы выделяем ряд закономерностей, некоторые из которых сформулированы в [8,15]:

— обусловленность процесса обучения потребностью общество в высококвалифицированных специалистах широкого профиля, всесторонне развитых и творчески активных;

— зависимость содержания обучения от его задач, отражающих в себе потребности общества;

— зависимость эффективности обучения от реализации межпредметных связей между разными циклами учебных дисциплин и между отдельными дисциплинами внутри одного цикла;

— взаимосвязь между учебной и научной деятельностью студента.

Таким образом, одной из особенностей курса физики в техническом вузе является выделение профессионально значимого материала, необходимого для осуществления инновационной деятельности инженера, связанной с использованием компьютерных технологий. Причем, необходимо наладить обозначенные на схеме 3 связи, что делает процесс обучения физике логичным и структурированным.

Схема 3. Компьютерные технологии в обучении физике.

Важным составляющим содержания обучения физике с использованием современных компьютерных технологий в техническом вузе должен стать не только учебный материал, но и соответствующие этому материалу компьютерные технологии, создающие условия для более глубокого понимания физических законов, явлений и процессов.

В основу выбора компьютерных технологий по каждому разделу и теме можно взять разработанные в [29] принципы педагогической целесообразности использования компьютерных технологий, которые видоизменены и адаптированы для обучения физике студентов технических вузов: а) применение компьютерных технологий должно обеспечить достижение учебных целей и задач, ставящихся перед курсом обучения физике и органически вписываться в учебный процессб) применение компьютерных технологий должно обеспечить интенсификацию учебного процесса, т. е., учебный материал, усвоенный студентами с использованием компьютерной технологии за определенный промежуток времени, должен быть больше, чем при использовании традиционных методов и средств, а уровень усвоения учебного материала не ниже того, что достигается без компьютерных технологийв) разному содержанию должны соответствовать разные компьютерные технологии, применяемые при обучении, исключение составляют универсальные системыг) применение компьютерных технологий целесообразно при изучении только тех тем, которые наиболее эффективно могут быть усвоены с помощью данной компьютерной технологии.

В связи с этим возникают вопросы: какие компьютерные технологии и соответствующее им программное обеспечение удовлетворяют перечисленным требованиям, и на каких занятиях их использование наиболее целесообразно?

Для ответа на первый вопрос в диссертационном исследовании проведен анализ содержания курса физики и анализ складывающихся мировых тенденций на рынке компьютерных технологий (параграфы 2.2 и 2.3). В результате обоснована типология современных компьютерных технологий по видам профессиональной деятельности инженера, описана характеристика основных программных сред, реализующих выделенные технологии, и сформулированы цели применения компьютерных технологий при обучении физике студентов технических вузов. Также составлена таблица (табл. 5) профессионально-фундаментальных знаний, являющаяся частью рабочей программы (приложение 1), и определены темы, позволяющие максимально раскрыть преимущества использования компьютерных технологий.