Формирование у будущих инженеров умений применять системный анализ при решении физических задач

Берденникова, Марина Геннадьевна

Темы диссертаций по педагогике » Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)

автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Формирование у будущих инженеров умений применять системный анализ при решении физических задач

Автореферат

Автор научной работы: Берденникова, Марина Геннадьевна
Ученая степень: кандидата педагогических наук
Место защиты: Архангельск
Год защиты: 2010
Специальность ВАК РФ: 13.00.02

Диссертация

Автореферат диссертации по теме "Формирование у будущих инженеров умений применять системный анализ при решении физических задач"

На правах рукописи

904607430

Берденникова Марина Геннадьевна

ФОРМИРОВАНИЕ У БУДУЩИХ ИНЖЕНЕРОВ УМЕНИЙ ПРИМЕНЯТЬ СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРИ РЕШЕНИИ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания (физика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

2 6 АВГ 20Ю

Москва 2010

004607480

Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультета Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

доктор педагогических наук, профессор ШАРОНОВА Наталия Викторовна

Официальные оппоненты:

доктор педагогических наук, доцент МАМАЕВА Ирина Алексеевна

кандидат педагогических наук, доцент АНДРЕЕНКО Юрий Александрович

Ведущая организация:

Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева.

Зашита состоится « ЛО » _2010 года в часов

на заседании диссертационного совета Д 212.154.05 при Московском педагогическом государственном университете по адресу:

119435, г. Москва, ул. М. Пироговская, д. 29, ауд. 49

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МПГУ по адресу: 119992, г. Москва, ул. М. Пироговская, д. 1.

Автореферат разослан « 2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Л.А. ПРОЯНЕНКОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Реформирование системы высшего инженерного образования направлено на повышение эффективности подготовки инженерных кадров, обладающих не только знаниями и умениями, необходимыми для осуществления профессиональной деятельности, но и готовых их применять при решении задач различного уровня сложности.

Деятельность современного инженера связана с разработкой, созданием, эксплуатацией, усовершенствованием различного рода технических объектов, представляющих собой сложные системы. Опыт показывает, что непродуманные и произвольные действия, профессиональные ошибки могут привести к непредсказуемым, необратимым последствиям, а нередко и к катастрофическим результатам. Таким образом, при подготовке специалиста необходимо вооружить его такими «инструментами», которые позволят ему действовать грамотно, осмысленно при решении профессиональных задач, сводя вероятность ошибок к минимуму. Одним из таких инструментов является методология системного анализа.

В некоторых технических вузах на старших курсах обучения студенты изучают дисциплину «Системный анализ», в рамках которой знакомятся с методами системного анализа, способами поиска множества возможных вариантов решения системных задач, моделирования систем, учатся исследовать системы методами системного анализа, решать многокритериальные задачи оптимизации в системах, узнают о проблемах применения системного анализа в различных областях науки и техники.

В свою очередь, сам системный анализ можно определить как совокупность определенных научных методов и практических приемов решения разнообразных проблем, возникающих во всех сферах целенаправленной деятельности общества, на основе принципов системного подхода и представления объекта исследования в виде системы. Понятие «системный анализ» подразумевает не простое исследование инженером объекта изучения, а определенную последовательность, системность рассмотрения и учет всех важных факторов и взаимосвязей, влияющих на решение проблемы, использование определенной логики поиска оптимального решения и т.п. Усвоение логики поиска направления деятельности по решению профессиональных задач в познавательном процессе приобретает характер «стиля мышления».

Анализ исследований (Д.Э. Алешко, М.М. Гладышевой, В.М. Коликовой, С.И. Мещеряковой, А.И. Ширшовой, Н.И. Куприянычевой, Н.И. Мокрицкой и др.) по формированию профессионально значимых умений, необходимых для осуществления деятельности по решению различных задач при обучении студентов в технических вузах показал, что спектр этих умений достаточно широк и в большинстве своем эти умения являются сложными, включающими отчасти выполнение действий, соответствующих действиям при проведении системного анализа. Формирование профессиональных умений будущих инженеров осуществляется, в большинстве случаев, при изучении и

определенной специальной дисциплины, и их совокупности, а также может осуществляться уже при обучении студентов физике на первых курсах и, следовательно, длиться на протяжении всего процесса обучения в вузе.

Важная роль физики в системе предметной подготовки специалиста обусловлена тем, что она, рассматривая окружающий мир во всем его многообразии, вооружает будущего специалиста различными методами описания рассматриваемых ситуаций, совокупность которых позволяет получить наиболее полное представление об объектах этого мира. При этом особое значение в процессе формирования знаний о методах исследования и умений использовать эти методы играют практические занятия по физике.

Результаты проведенного констатирующего экспериментального исследования показали, что умения применять системный анализ являются важными в деятельности любого специалиста, но при этом уровень сформированное™ этих профессиональных умений у выпускника технического вуза, по мнению самих выпускников и преподавателей, значительно ниже, чем требуется для инженера.

Таким образом, существует противоречие между требованиями, предъявляемыми к будущему специалисту - инженеру, и сформированными у выпускника технического вуза умениями применять системный анализ.

Постоянно сокращающееся количество часов, отводимых на изучение физики в вузе, а соответственно и на проведение практических занятий, и постоянно возрастающие требования к выпускнику вуза делают актуальной проблему совершенствования технологии обучения физике в техническом вузе. Одним из способов повышения эффективности процесса обучения является применение компьютерных технологий. Использование их возможностей позволяет адаптировать учебный процесс к уровню развития мышления студента и построить его с учетом требований, предъявляемых стандартами высшего профессионального образования.

Из этого вытекает противоречие между необходимостью формирования у студентов технических вузов умений применять системный анализ при решении учебных физических задач и недостаточной разработанностью методики формирования этих умений с использованием компьютерных технологий в условиях жесткого регламента времени, отводимого на проведение практических занятий.

Указанные противоречия определили актуальность и тему исследования: «Формирование у будущих инженеров умений применять системный анализ при решении физических задач», проблема которого состоит в поиске ответа на вопрос, каким образом следует организовать практические занятия при обучении студентов технических вузов решению физических задач для формирования умений применять системный анализ.

Объектом исследования является процесс обучения физике студентов технического вуза.

Предметом исследования является методическая система формирования у будущих инженеров умений применять системный анализ при решении физических задач.

Целью исследования выступает теоретическое обоснование и создание методической системы, направленной на формирование у будущих инженеров умений применять системный анализ на практических занятиях по решению физических задач и обеспечивающей дифференциацию и индивидуализацию деятельности обучаемых на основе использовании компьютерных технологий.

- дифференцировать деятельность студентов по уровню обученности и обеспечить индивидуализацию обучения при организации самостоятельной работы студентов в процессе обучения решению физических задач с использованием элементов системного анализа;

- обучение решению физических задач осуществлять с помощью компьютерной программы, последовательно проводящей студентов через этапы решения задачи, адекватные умениям применять системный анализ, создающей условия для тренировки в применении соответствующих умений и осуществляющей поэтапную диагностику процесса их формирования.

Под эффективностью понимается повышение уровня сформированности умений применять системный анализ, который предлагается оценивать по полноте выполнения действий, лежащих в основе системного анализа, и по успешности решения учебных физических задач.

В исследовании поставлены следующие задачи:

- проанализировать состояние проблемы формирования умений применять системный анализ в теории и практике обучения физике в техническом вузе;

- определить состав умений применять системный анализ и выявить действия при решении физических задач, соответствующие действиям при осуществлении системного анализа;

- выявить уровень сформированности умений применять системный анализ у студентов технических вузов при существующей методике обучения;

- теоретически обосновать и разработать модель методической системы формирования умений применять системный анализ при решении физических задач;

- в соответствии с обоснованной моделью методической системы разработать методику проведения практических занятий по физике для формирования умений применять системный анализ у студентов технических вузов;

- разработать методическое обеспечение и дидактические средства для формирования умений применять системный анализ у будущих инженеров при решении физических задач;

- осуществить экспериментальную проверку гипотезы исследования.

Для решения поставленных задач применялись следующие методы

исследования и виды деятельности:

- теоретические - анализ философской, естественнонаучной, технической, психолого-педагогической и методической литературы по теме исследования, анализ содержания документов по модернизации Российского образования и образовательных стандартов высшего профессионального образования, анализ основных направлений информатизации системы образования, изучение рынка компьютерного обеспечения учебного процесса, проектирование и моделирование учебного процесса;

- экспериментальные - экспертная оценка, изучение опыта работы преподавателей вузов, в том числе существующего опыта организации и проведения практических занятий по физике в технических вузах; экспериментальное преподавание, наблюдение, беседы, анкетирование, анализ продуктов деятельности и успеваемости студентов.

Теоретико-методологическую основу исследования составили:

- идеи системного подхода к рассмотрению сложных объектов и явлений (И.В. Блауберг, Э.Г. Юдин и др.);

- идеи деятельностного подхода (Л.С. Выготский, А.Н. Леонтьев, Г.П. Щедровицкий и др.);

- основные положения дифференцированного обучения (Е.Я. Голант, Н.С. Пурышева, И.Э. Унт и др.)

- основные положения системного подхода в обучении (Т.А. Ильина, Ф.Ф. Королев и др.);

- результаты исследований по разработке методики обучения решению задач (С.Я. Каменецкий, В.ПОрехов, H.H. Тулькибаева, A.B. Усова, C.B. Анофрикова, Г.П. Стефанова и др.);

- результаты исследований по проблеме повышения качества подготовки по физике студентов технических вузов (А.Е. Айзенцон, Г.В. Ерофеева, А.Б. Жмодяк, В.В. Ларионов, И.А. Мамаева, Л.В. Масленникова,

A.A. Червова и др.).

- результаты исследований по проблеме применения информационных и коммуникационных технологий в учебном процессе школы (Н.В. Апатова,

B.В. Ларионов, Н.В. Матецкий, О.В. Мирзабекова, И.М. Нуркаева, H.A. Оспенников, Н.В. Разумовская и др.), при подготовке студентов вузов к профессиональной деятельности (Т.Ю. Вьюнова, Н.В. Вознесенская, И.Л. Горбачев, Г.В. Ерофеева, H.A. Клещева, A.B. Смирнов, М.Е. Чекулаева и др.).

Научная новизна результатов исследования

1. Выявлены действия при решении физических задач, соответствующие действиям при осуществлении системного анализа: анализировать условие задачи; выделять признаки явления (распознавать явление); выполнять математическую запись законов, соответствующую рассматриваемой ситуации; анализировать рассматриваемое явление; выстраивать последовательность действий по решению задачи; устанавливать причинно-следственные связи.

учитывающая такие закономерности, как неравномерность усвоения знаний, различия в познавательной деятельности и интенсивности работы студента, а именно:

- сформулированы цели и задачи практических занятий по курсу общей физики в техническом вузе;

- выделены закономерности организации учебной деятельности студента на практических занятиях в соответствии с их целями и задачами и возможности их учета;

- обоснован выбор компьютерной программы в качестве средства обучения и сформулированы требования к использованию компьютерных программ при формировании умений применять системный анализ при решении физических задач.

3. Разработана методика проведения практических занятий по физике в техническом вузе, основанная на применении компьютерных технологий в учебном процессе и взаимосвязи аудиторной и внеаудиторной работы студента, включающая ориентировочный, исполнительный и контрольный этапы изучения разделов физики, каждый из которых содержит контрольный компонент.

Теоретическая значимость результатов исследования определяется вкладом в теорию и методику обучения физике в вузе и состоит в развитии идей системного подхода применительно к процессу подготовки будущих инженеров через обучение решению физических задач, а также идей индивидуализации и дифференциации при использовании компьютерных средств обучения на практических занятий по физике в техническом вузе.

Практическая значимость результатов исследования определяется тем, что:

1. Разработаны методические рекомендации по организации деятельности студентов на практических занятиях по решению физических задач в техническом вузе, направленные на формирование умений применять системный анализ.

2. Разработана компьютерная программа для проведения практических занятий по решению физических задач по разделам «Механика» и «Молекулярная физика и термодинамика» и по темам «Электростатика», «Магнитное поле тока», использование которой способствует формированию у будущих инженеров умений применять системный анализ.

3. Разработаны методические указания по применению компьютерной программы для организации самостоятельной работы студентов технических вузов при решении физических задач.

Применение созданных в ходе исследования учебно-методических материалов при обучении студентов решению задач по физике способствует успешному формированию умений применять системный анализ.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Формирование у будущих инженеров умений применять системный анализ целесообразно начинать на практических занятиях по курсу физики при

обучении решению физических задач.

2. Модель методической системы формирования у будущих инженеров умений применять системный анализ на практических занятиях по физике должна обеспечивать дифференциацию обучения на основе учета таких закономерностей, как неравномерность усвоения знаний, различия в познавательной деятельности и интенсивности работы студентов, и индивидуализацию обучения при организации самостоятельной работы студентов с компьютерной программой.

3. Формирование умений применять системный анализ на практических занятиях по физике должно осуществляться поэтапно при изучении каждого раздела курса физики в рамках ориентировочного, исполнительного (включающего решение конкретных задач с применением алгоритмических предписаний и самостоятельное решение задач с использованием приемов системного анализа) и контрольного этапов, учитывать взаимосвязь аудиторной, внеаудиторной и самостоятельной работы студентов и сопровождаться непрерывным мониторингом знаний и умений обучаемых.

4. При организации деятельности студентов в соответствии с задачей формирования умений применять системный анализ с учетом неравномерности усвоения знаний, умений в конкретной учебной группе следует использовать специально разработанную компьютерную программу, в которой реализованы элементы системного анализа при решении учебных физических задач, позволяющую организовать самостоятельную аудиторную и внеаудиторную работу студента.

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на VI, VII, VIII, IX Международных научно-методических конференциях «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» в Московском педагогическом государственном университете (март 2007, 2008, 2009, 2010); Международной научно-методической школе-семинаре по проблеме «Физика в системе инженерного образования стран ЕврАзЭС» в июне 2007; V Российской научно-методической конференции преподавателей вузов и учителей школ (г. Екатеринбург, 2007); Региональной научно-практической конференции "Физика и ее преподавание в школе и вузе" в Марийском государственном университете (апрель 2009); IX Международной научно-методической конференции "Физическое образование: проблемы и перспективы развития" (март 2010); XVI Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (Волгоград, апрель 2010); Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных, инженерно-технических работников и аспирантов по итогам работ за 2007, 2008, 2009, 2010 годы в Архангельском государственном техническом университете.

Структура и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 234 наименования и 14 приложений. Общий объем диссертации составляет 225 страниц. Диссертация содержит 194 страницы основного текста, 20 таблиц, 8 схем, 28 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются объект, предмет цель, задачи и гипотеза исследования, указаны методы исследования; выявляются новизна, теоретическая и практическая значимость исследования, сообщается об основных этапах исследования, о его апробации и имеющихся публикациях, о структуре и содержании диссертации, формулируются положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Системный анализ в профессии будущего ипженера» на основании изучения литературы и диссертационных исследований анализируется деятельность инженера, что позволяет выделить его профессионально значимые умения, в частности, умения применять системный анализ, и обсуждается возможность формирования этих умений при решении учебных физических задач.

На основе анализа инженерной деятельности и ее объектов в качестве одной из её специфических черт выделена системность. Показано, что будущий инженер должен уметь рассматривать объект своей деятельности как сложную систему, требующую исследования в различных аспектах. Методом, позволяющим вести всестороннее рассмотрение сложных систем, является системный анализ, предполагающий выполнение следующих процедур: выделение системы; параметрическое описание системы как целостности; определение структуры системы, выявление её элементов и установление связей между ними; установление внутренних системообразующих связей, (наличие которых является определяющей чертой системы); указание внешнего окружения системы (её среды) и его характеристик; установление функциональных связей между характеристиками системы и среды.

Выполнение процедур системного анализа основано на осуществлении мыслительных приемов. Выделены две группы таких приемов, позволяющих осуществить системный анализ: 1) приемы, позволяющие рассматривать выделенные объекты как системы в их окружении и определять их важнейшие структурные свойства; 2) приемы, позволяющие объяснять, прогнозировать изменения состояний объекта. Первая группа приемов основана на таких мыслительных операциях, как анализ, синтез, абстракция, классификация, идеализация и т.п., вторая же связана с мыслительными процессами на уровне теоретических обобщений (понятий, суждений, умозаключений и т.п.).

На основе анализа деятельности по решению физических задач установлено соответствие этапов решения задач умениям применять системный анализ и мыслительным операциям. Показано, что приемы системного анализа целесообразно использовать на этапах первоначального анализа проблемы и ее формулирования, выбора стратегии (пути) решения проблемы, а также на этапе анализа результатов выполненной деятельности. В основу тех или иных приемов системного анализа на разных этапах решения задач могут быть положены одинаковые мыслительные операции (анализ, синтез и т.п.), но осуществляемые на разных уровнях. Таким образом, системный анализ является методом поиска решения задачи и анализа результатов этого поиска.

Анализ методик обучения решению задач показал, что и алгоритмический метод (С.Я. Каменецкий, В.П.Орехов) и методика обучения решению задач, разработанная H.H. Тулькибаевой, A.B. Усовой, и обобщенный метод поиска решения задач (C.B. Анофрикова, Г.П. Стефанова), содержат элементы системного анализа. При этом данные методики ориентированы на обучение учащихся общеобразовательной школы решению физических задач. В работах Г.П. Стефановой, Л.П. Скрипко рассматривается решение профессиональных типовых задач, построенное на анализе деятельности, исследование которой строится в логике системного анализа, т.е. выполняются действия, связанные с выделением объектов, физических величин, описывающих их, установлением взаимосвязей между объектами.

В данном исследовании мы будем рассматривать реализацию умений осуществлять системный анализ при решении физических задач, которые в дальнейшем могут быть положены в основу формирования обобщенных методов решения профессиональных задач.

Учитывая, что физические задачи, также как и инженерные, связаны с исследованием описанных в них систем и, что при решении физических задач выполняются действия, лежащие в основе инженерных методов (системного анализа), представляется возможным и необходимым осуществлять формирование умений применять системный анализ при изучении курса физики в процессе решения физических задач.

С целью определения уровня сформированности у будущих инженеров умений применять системный анализ при применении традиционных методик обучения был проведен констатирующий этап педагогического эксперимента.

В начале, методом экспертной оценки была выявлена значимость умений применять системный анализ в профессиональной деятельности инженера по 10-балльной шкале. Эксперты указали наиболее значимые умения, отражающие элементы системного анализа: умения анализировать полученный результат, находить слабые места в техническом объекте, осуществлять анализ поставленной проблемы, анализировать структуру технического объекта, обобщать полученную информацию, аргументировать принятое решение, мыслить логически, выявлять принципы функционирования технического объекта, выявлять причинно-следственные связи и т.п.

Помимо инженеров, оценить уровень значимости было предложено и преподавателям выпускающих кафедр. Результаты опроса показали, что они, также как и сами инженеры, осознают значимость умений, связанных с выполнением мыслительных операций - умений применять системный анализ.

Сравнение преподавателями уровня важности и уровня сформированности умений применять системный анализ у студентов показало, что уровень сформированности этих умений у студентов недостаточно высок (рис. 1).

1 2 3 4 5 6 7 В 9 10 11 12 13 14 ■уровень важности И уровень сформированное™

Рис. 1. Сравнение преподавателями важности и сформированности умений применять системный анализ

О невысоком уровне сформированности умений применять системный анализ свидетельствуют также и результаты анкетирования студентов. Большинство из них рассматривает предложенные объекты, не анализируя их структуру, принцип действия и назначение, хотя это является весьма существенным для будущего инженера; у половины студентов возникает вопрос, что относить к элементам системы; некоторые студенты не улавливают различий между физическим явлением, физическим законом и физической величиной, у значительной части студентов недостаточно развиты такие умения, как последовательно излагать свои мысли и выявлять существенные признаки,свойства связи.

Таким образом, на основе анализа научной и методической литературы, а также результатов констатирующего этапа педагогического эксперимента показана необходимость и возможность целенаправленной работы по формированию умений будущих инженеров применять системный анализ в процессе обучения физике.

Во второй главе «Методическая система формирования у будущих инженеров умений применять системный анализ при решении физических задач» представлено обоснование модели методической системы (схема 1) и методики формирования умений применять системный анализ у студентов технических вузов при решении физических задач.

На основе анализа государственных стандартов высшего профессионального образования сделан вывод о том, что в качестве одной из целей практических занятий по физике в технических вузах вступает формирование методов (упорядоченных способов деятельности по достижению целей) решения различного рода задач, в частности, умений осуществлять системный анализ.

При проектировании содержания практических занятий мы исходили из требований, предъявляемых к подготовке инженеров (перечня умений, обуславливающих профессиональную компетентность современного специалиста), и структуры курса физики. Проектируемые нами практические

СОДЕРЖАНИЕ знания и умения, необходимые инженеру

СРЕДСТВА: УЧЕБНАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА

КОМПЬЮТЕРНЫЕ

ТЕХНОЛОГИИ

ФОРМЫ.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ ВНЕУДИТОРНАЯ РАБОТА

ПРОТТЕСС ПЕУЧКНИЯ

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

У ~

РЕЗУЛЬ ТАТ

Схема 1. Модель методической системы формирования у будущих инженеров умений применять системный анализ на практических занятиях по физике

занятия направлены на развитие у студентов тех структур, которые обеспечат возможность успешного выполнения ими как деятельности учения, так и в будущем профессиональной деятельности.

В качестве формы организации занятий для формирования умений применять системный анализ нами были выбраны практические занятия и внеаудиторная работа, в которых студент является активным участником образовательного процесса. Эффективность таких форм определяется не столько содержанием и объемом информации, получаемой студентами, сколько характером деятельности преподавателя и студента. В связи с этим рассмотрены закономерности построения учебного процесса (схема 2).

Характер и структура той мыслительной деятельности, которую студент выполняет при решении учебных физических задач, является главным фактором, определяющим развитие мыслительных умений, в нашем случае умений применять системный анализ.

При разработке методической системы формирования у будущих инженеров умений применять системный анализ на практических занятиях по физике, которая обеспечила бы дифференциацию обучения, учитывались такие закономерности, как неравномерность усвоения знаний, различия в познавательной деятельности и в интенсивности работы студента.

С учетом выделенных закономерностей дня обеспечения психолого-педагогического воздействия, ориентированного на развитие интеллектуального

СТУ/ГЕНТ МЫШЛЕНИЕ

БАЗОВЫЕ УМЕНИЯ

ИЗДАНИЯ

умения и знания, используемые в качестве элементов в будущей

профессиональной деятельности

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

Закономерности:

1. Неравномерность усвоения знаний

2. Различия в познавательной активности

3. Различия в интенсивности работы студента

УМЕНИЯ

СИСТЕМНОГО

АНАЛИЗА И ЗНАНИЯ

умения и знания, являющиеся основой будущей

профессиональной деятельности

Реализация закономерностей: ^ 1. Индивидуализация и дифференциация

2. Создание условий для самостоятельности в обучении

3. Непрерывный мониторинг знаний и умений

Схема 2. Схема построения практических занятий

потенциала индивида, формирование системы знаний определенной предметной области и комплекса умений осуществления учебной деятельности построена система, состоящая из трех структурных элементов: обучаемый, обучающий и средства обучения, в качестве которого в рамках нашего исследования выступает компьютерная программа. В рассматриваемой системе обучения осуществляются три вида взаимодействий: между студентом и преподавателем, студентом и компьютерной программой, преподавателем и компьютерной программой; а также в качестве специфической внутренней связи - взаимодействие студента с самим собой при осуществлении самостоятельной работы (Схема 3).

При разработке методики формирования умений применять системный анализ учитывалось, что одной из конечных целей процесса обучения физике является усвоение студентом метода системного анализа и умений его осуществлять.

Поэтому был сделан вывод о том, что основные этапы процесса формирования этих умений должны быть связаны с демонстрацией применения элементов системного анализа при решении физических задач и их усвоением.

Разработанная методика формирования умений применять системный анализ при решении физических задач включает три этапа при изучении каждого раздела физики.

1. Ориентировочный этап изучения раздела. Данный этап предполагает введение терминологии системного анализа, формирование основных знаний о сущности мыслительных умений и их важности в будущей деятельности с осознанием их как способа выполнения действий, выработку общего подхода к решению задач с системной точки зрения. Кроме этого, на данном этапе целесообразно остановиться на примерах и общей структуре систем, рассматриваемых соответствующим разделом физики (механические, термодинамические и т.п.).

2. Исполнительный этап изучения раздела. Суть его заключается в организации деятельности студентов по решению задач. На данном этапе можно выделить 2 подэтапа:

а) решение конкретных задач с применением алгоритмических предписаний и с использованием компьютерной программы;

б) самостоятельное решение задач с использованием приемов системного анализа.

3. Контрольный этап изучения раздела. Несмотря на то, что данный этап выделен нами отдельно, контрольные компоненты включаются, как в ориентировочный, так и в исполнительный этапы изучения раздела. Итоговый контроль, проводимый в конце изучения каждого раздела физики, позволяет выявить вклад данного раздела в формирование умений системного анализа при рассмотрении различных физических систем (механических, термодинамических и др.).

С одной стороны, при изучении каждого раздела формируются похожие умения применять системный анализ, с другой стороны, особенность того или иного раздела приводит к вариативности состава умений, которые формируются в процессе решения задач.

Для организации исполнительного этапа изучения каждого раздела для студентов задачи подбираются следующим образом. Сначала студентам предъявляются задачи, в которых рассматривается один объект, находящийся в некотором состоянии или участвующий в некотором процессе. При этом при решении задачи, выделяя характеристики заданного объекта, параметры его состояния или характеристики его движения, устанавливаются так называемые «горизонтальные связи». Для установления «вертикальных» связей могут быть

выбраны задачи, в которых рассматривается несколько объектов, представляющих собой систему взаимодействующих элементов некоторой системы. Далее можно рассматривать объект или систему объектов, участвующие в нескольких процессах, и т.д. Схема выбора задач для организации практических занятий может быть представлена в виде таблицы 1.

Таблица 1

Классификация задач по содержанию

ФИЗИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА

1 объект N объектов

процесс состояние N процессов N состояний процесс состояние N процессов N состояний

В качестве примера рассмотрим решение физической задачи по теме «Динамика поступательного и вращательного движения», на которой можно показать реализацию таких приемов системного анализа, как выделение механической системы, исследование взаимодействий между объектами системы и внешних воздействий, установление причинно-следственных связей, указание процессов, в которых участвует система и ее элементы, выполнение математической записи законов и т.п. (таблица 2).

Таблица 2

Приемы системного анализа при решении физической задачи

Через блок, укреплённый на ребре призмы, перекинута невесомая и нерастяжимая нить с у/\\ уч 7)1 грузами массами т, и т.2 на концах. Найдите 'У/ ускорение грузов а и силы натяжения нити. \/ Масса блока т. При решении задачи считать / Д4^ поверхность призмы идеально гладкой. /-)-_—

Объекты: Явления: Связи:

груз масса тг, груз масса гп2\ блок массой тб, момент инерции I равноускоренное поступательное движение груза 1 характеристики взаимодействия: Т^т^Ы^ характеристики движения: а, V / тЧ Аос II закон Ньютона т\Ё + =тхах Ох1: Т\ - т^ вт а = т1ах Оух -mígсова = 0

плоскость

коэффициент трения ft=О углы наклона а,Р

вить

м = 0, а = const

внешние объекты: гравитационное поле

равноускоренное поступательное движение груза 2

характеристики взаимодействия: Т2,т2§,Ы2 характеристики движения: а2

Равноускоренное вращательное движение блока

характеристики взаимодействия: Мп,Мц,т^ характеристики движения:

Я/ Ъ МТ

Равноускоренное движение нити

характеристики взаимодействия: f,,f",mg характеристики движения: акши

II закон Ньютона

Ох2: -Т2 + m2g sin /? = m2a2 Оу2: N2 - m2g cos p = 0

Основное уравнение динамики вращательного движения

MT, + MT,+MmeSx =1ё мт. - mTi+о=-1е т;-г-т;-г=-1е

Связи между характеристиками поступательного и вращательного движений а=г-Б

II закон Ньютона Г; + Т"= mHimuaK

f, =f,"

В качестве основных действий в соответствии с логикой системного анализа при решении физической задачи выступают:

1) определение объектов физической системы, рассматриваемой в задаче;

2) рассмотрение каждого объекта в отдельности:

а) указание характеристик каждого объекта (как известных по условию задачи, так и неизвестных);

б) указание процессов и явлений, в которых участвуют объекты;

3) установление связей между характеристиками объектов, функциональных зависимостей между физическими величинами, описывающими процессы и явления;

4) установление влияний на систему внешних объектов;

5) составление системы уравнений, описывающих рассматриваемую систему и ее решение;

6) анализ, полученных результатов на достоверность и возможные погрешности.

Среди задач по физике особую группу составляют так называемые графические задачи, т.е. задачи в которых требуется построить графики зависимости между физическими величинами. Для такого рода задач, на основе системного анализа, можно выделить следующую последовательность действий:

1) выделить характеристики объекта, между которыми требуется построить зависимость;

2) определить интервал, в котором интересует изменение характеристики;

3) указать ограничения, накладываемые на зависимость;

4) рассчитать значения характерных точек (нулей функции, точек максимумов и (или) минимумов);

5) выбрать систему координат;

6) выбрать удобный масштаб;

7) построить график зависимости.

В качестве учебно-методического обеспечения разработанной методики созданы компьютерная программа и база разноуровневых задач с подсказками и пояснениями для организации аудиторной работы на практических занятиях и внеаудиторной самостоятельной работы в условиях строго регламентированного расписания занятий и консультаций.

Для разработки компьютерной программы, отражающей основные принципы системного анализа, использовались Web-тexнoлoгии, основой которой является гипертекстовая информационная система «клиент - сервер».

Структура компьютерной программы представлена на схеме 4.

Задачи первого уровня - это задачи, рассчитанные для студентов со слабой подготовкой по физике, задачи второго и третьего уровня - для более сильных студентов. Задачи третьего уровня предполагают хорошее знание не только теоретических основ физики, но и владение математическим аппаратом в рамках вузовской программы (в частности, хорошее знание курса математического анализа).

Решение задачи в компьютерной программе разбито на 4 основных этапа: анализ условия задачи, построение логики решения задачи, составление системы уравнений, непосредственное решение - преобразование полученной системы уравнений и вычисление требуемых величин. Каждый из этапов решения содержит ряд вопросов и указаний, последовательность их организована в соответствии с принципами системного анализа. К числу

Схема 4. Структура компьютерной программы

основных вопросов, предлагаемых программой студенту и отражающих операции системного анализа, относятся следующие: «Укажите, сколько объектов рассматривается в условии задачи, сколько состояний объектов необходимо рассмотреть для решения задачи. Укажите известные по условию задачи величины. Назовите величину, значение которой требуется найти в задаче. Укажите, в каком движении участвует тело. Укажите закон движения тела, которым следует воспользоваться для решения задачи. Укажите, сколько объектов действует на рассматриваемый объект. Укажите математическую формулировку закона, используемого для решения задачи. Укажите, чем следует воспользоваться (определением, свойством, законом и т.п.) для определения характеристик объекта и т.п.»

Помимо вопросов по ходу решения задачи, в программе предусмотрены вопросы на проверку теоретических знаний и умений их применять: «Укажите, можно ли объект рассматривать как (материальную точку, точечный заряд); укажите направление вектора (момента силы, угловой скорости, напряженности электрического поля, магнитной индукции и т.п.); укажите выражение, соответствующее записи ... (кинематического уравнения, закона Ньютона, правил Кирхгофа и т.п.) и др.»

Использование приемов системного анализа позволяет не только увидеть физику явления, но и научиться четко выстраивать последовательность своих рассуждений.

Неотъемлемым этапом процесса формирования умений системного анализа является систематическая проверка сформированное™ умений при решении учебных физических задач (таблица 3).

Входной контроль осуществляется на ориентировочном этапе изучения. Текущий контроль осуществляется при работе студентов с обучающей компьютерной программой, а также при проверке результатов самостоятельной работ студентов на исполнительном этапе. Последние два вида контроля предлагается проводить в форме коллоквиумов и экзаменов. Таким образом, каждый из выделенных этапов изучения раздела содержит контрольный компонент.

Таблица 3

Этапы контроля, их функции и соответствующие умения

Этапы контроля Функции контроля Форма контроля Проверяемые умения

входной определение начального уровня сформированности базовых умений и умений применять системный анализ письменная Базовые умения: - анализировать; - последовательно излагать; - обосновывать; - сопоставлять; - обобщать и т.п.

текущий корректировка знаний и умений устная, письменная Умения применять системный

анализ: - выделять и анализировать объекты, входящие в рассматриваемую систему; - выявлять причинно-следственные связи; - обосновать выбранный путь решения задач; - анализировать полученный результат и т.п.

промежуточный определение сдвигов в формировании умений применять системный анализ письменная Умения самостоятельного использовать принципы системного анализа к решению предложенных задач

итоговый определение уровня сформированности умений применять системный анализ письменная Умения применять системный анализ

В третьей главе «Экспериментальная проверка эффективности методики формирования умений применять системный анализ при решении физических задач» дается общая характеристика педагогического эксперимента (таблица 4).

Таблица 4

Общая характеристика педагогического эксперимента

Этап Констатирующий Поисковый Обучающий

Цель Выявление профессионально значимых умений будущих инженеров и степени их сформированности, а также осознания значимости изучения курса физики студентами. Разработка методики формирования у будущих инженеров умений применять системный анализ на практических занятиях по физике. Апробация различных компонентов компьютерной программы для проведения практических занятий по формированию умений применять системный анализ и методики ее использования. Проверка гипотезы о влиянии разработанной методики на формирование умений применять системный анализ.

Этап Констатирующий Поисковый Обучающий

Методы Анкетирование, беседы с преподавателями и студентами. Экспериментальное преподавание, изучение опыта проведения практических занятий по решению задач преподавателями вузов школ, наблюдение, анализ работы. Экспериментальное преподавание. Беседы с преподавателями и студентами. Сравнение результатов контрольной и экспериментальной групп.

Сроки 2006-2007 гг. 2006-2009гт. 2008-2009 гг.

Экспериментальная база Архангельский государственный технический университет, Поморский государственный университет, предприятия г. Архангельска и г. Северодвинска Поморский государственный университет, Институт информационных технологий, Институт нефти и газа, филиал Севмашвтуза Санкт-Петербургского государственного морского технического университета в г. Северодвинске Институт информационных технологий, Институт нефти и газа, Архангельский государственный технический университет

Число участников 141 студент, 21 преподавателя, 22 инженера 210 студентов 6 преподавателей 170 студентов 5 преподавателей

Результатами поискового этапа эксперимента явились:

форма представления решения задач компьютерной программой и рекомендации по использованию этой программы для организации практических занятий по физике для формирования умений применять системный анализ;

методика проведения практических занятий по решению задач с использованием компьютерных технологий для формирования умений применять системный анализ у студентов технических вузов.

В ходе обучающего этапа эксперимента проверялась эффективность разработанной методики на основе выявления уровня сформированности следующих умений применять системный анализ:

- анализировать физическую систему (указывать объекты, характеристики существенных сторон рассмотрения, указывать возможные влияния на систему и т.п.);

- на основе анализа условия выстроить последовательность действий по решению задачи;

- выявлять причинно-следственные связи;

- аргументировать выбранную последовательность действий при решении задач;

- анализировать полученный результат.

Для количественной оценки уровня сформированное™ выделенных умений уровень сформированности (выполнения) каждого умения (действия) оценивался баллами от 0 до 1. Определив таким образом верхнюю границу полноты выделенных элементарных умений, входящих в состав умений применять системный анализ, в 6 баллов при оценке уровня сформированности умений, мы выделили несколько диапазонов (таблица 5).

Таблица 5

Диапазоны баллов по уровням сформированности умений применять системный анализ

Уровни сформированности Критерии Диапазон баллов (%)

низкий при выполнении задания студент не осуществлял действия, соответствующие логике системного анализа, или осуществлял, но ни одно из действий не было выполнено полностью 0-1,5 (0% - 25%)

средний при выполнении задания студент осуществлял лишь некоторые действия, соответствующие логике системного анализа 1,5-4,5 (25%-75%)

высокий при выполнении задания студент осуществлял действия, соответствующие лотке системного анализа, при этом большая часть действий осуществлялась полностью 4,5-6,0 (75%-100%)

На данном этапе эксперимента проверялись следующие положения:

1) использование элементов системного анализа влияет на успешность решения физических задач;

2) использование компьютерных технологий способствует эффективному формированию умений применять системный анализ.

Структура обучающего этапа эксперимента показана в таблице 6.

Таблица 6

Структура обучающего эксперимента

Формирование умений применять системный анализ

обучение по экспериментальной методике с начала изучения курса физики обучение по экспериментальной методике после использования традиционной

проверка влияния формирование умений успешность решения физических задач влияние компьютерных технологий на процесс формирования умений системного анализа

с использованием компьютерной программы с использованием компьютерной программы без использования компьютерной программы

При проверке эффективности разработанной методики использовались следующие показатели: полнота выполняемых студентами действий при решении учебных физических задач и их успеваемость по физике. Для определения достоверности полученных результатов использовался непараметрический метод сравнения результатов исследования и-критерий Манна-Уитни.

В начале эксперимента с помощью и-критерия Манна-Уитни было установлено, что существенных различий в уровнях сформированное™ умений применять системный анализ с уровнем статистической значимости р<0,01 не было.

Первой задачей обучающего этапа обучающего эксперимента было доказательство влияния сформированное™ у студентов элементов системного анализа на успешность решения физических задач. Для этого были выбраны две группы студентов. В одной - практические занятия и внеаудиторная работа студентов организовывалась в соответствии с предложенной методикой формирования умений применять системный анализ, в другой - занятия проводились традиционным образом.

Результаты промежуточного и итогового контрольных мероприятий показали, что студенты экспериментальной группы более успешно справляются с решением предложенных задач. Результаты итогового контроля в обеих группах представлены на рис. 3. При оценке эффективности формирования умений применять системный анализ по полноте выполняемых действий мы получили, что количество операции системного анализа, выполняемых студентами экспериментальной группы, немного выше, чем у контрольной группы, но при этом общий уровень недостаточно высок (рис. 4). В связи с этим для установления наличия различий в уровне сформированное™ умений системного анализа был использован критерий Манна-Уитни. Анализ результатов промежуточного и итогового контроля с помощью критерия Манна-Уитни свидетельствует о сформированное™ на более высоком уровне умений применять системный анализ при использовании разработанной методики.

Рис. 3. Результаты итогового контроля Рис. 4. Полнота выполнения умений

Второй задачей обучающего эксперимента была проверка влияния использования разработанной компьютерной программы на процесс

формирования умений применять системный анализ. С этой целью были выбраны четыре группы. В одной из выбранных групп обучение проводилось в соответствии с разработанной нами методикой с использованием компьютерной программы, в другой формирование умений применять системный анализ осуществлялось без использования компьютерной программы. Еще две группы были выбраны в качестве контрольных.

В экспериментальной группе, где обучение проходило с использованием обучающей компьютерной программы (КП), полнота решения экзаменационных задач у большей части студентов находилась вблизи интервала, соответствующего более высокому уровню сформированное™ умений применять системный анализ, чем у студентов, обучающихся без ее использования (рис. 4, 5)._

0%-25%

19% 44% 25% 13% ■Я 15% 31% 46% 8%

■ кг 31% 46% 15% 8% ■ кг 47% 20% 27% 7%

0%- 25%

25%-50% 50%-75% 75%-100%

Рис. 4. Полнота умений применять Рис. 5. Полнота умений применять системный анализ у контрольной и системный анализ у контрольной и экспериментальной групп (обучение с экспериментальной групп (обучение без использованием КП) использования КП)

При использовании экспериментальной методики после применения традиционной между контрольной и экспериментальной группами, где обучение проводилось с использованием компьютерной программы, критерий показал положительное влияние реализуемой методики на процесс формирования умений применять системный анализ только при проведении итогового контроля. В группах, где использовались элементы разработанной методики, но без использования компьютерной программы, значение критерия указало лишь на возможное положительное влияние экспериментальной методики. Таким образом, выбранный критерий позволил подтвердить справедливость вдвинутой гипотезы.

В заключении подводятся итоги исследования, формулируются основные результаты исследования, обсуждаются перспективы дальнейших исследований.

В приложениях приведены анкеты для выявления значимости профессионально значимых умений и сформированности их у студентов технического вуза, результаты обработки данных поискового и обучающего этапов педагогического эксперимента.

Основные результаты исследования

1. На основе анализа научной, учебно-методической и учебной литературы, квалификационных характеристик специалистов (инженеров) выявлена значимость и необходимость формирования таких профессионально значимых умений, как умения применять системный анализ, представляющих собой интеллектуальные умения, позволяющие исследовать объекты инженерной деятельности с позиций системного подхода.

2. Выявлены элементы инженерной деятельности, соответствующие элементам системного анализа, и установлено их соответствие таким действиям при решении физических задач, как: 1) выполнять анализ условия задачи; 2) выделять признаки явления (распознать явление); 3) записывать математическую формулировку законов, соответствующую рассматриваемой ситуации; 4) выполнять анализ рассматриваемого явления; 5) выстраивать последовательность действий по решению задачи; 6) устанавливать причинно-следственные связи.

3. На основе анализа результатов констатирующего этапа эксперимента выявлено, что уровень сформированное™ умений применять системный анализ у студентов, как младших, так и старших курсов, технических вузов при применении традиционных методик не достигает требуемого.

4. Обоснована модель методической системы формирования умений применять системный анализ на практических занятиях по физике, выявлены и наполнены содержанием ее основные элементы (цели и задачи, средства обучения, структура учебной деятельности студента на практических занятиях по физике и во внеаудиторной работе), выделены основные закономерности, которые должны быть учтены при формировании умений применять системный анализ (неравномерность усвоения знаний, различия в познавательной деятельности, в интенсивности работы студента), рассмотрены взаимодействия в системе преподаватель-обучаемый-средства обучения (компьютерная программа).

5. Предложена методика формирования умений применять системный анализ при решении физических задач, включающая три этапа при изучении каждого раздела курса общей физики (ориентировочный, исполнительный, включающий решение конкретных задач с применением алгоритмических предписаний и самостоятельное решение задач с использованием приемов системного анализа, и контрольный). Данная методика основана на применении разработанной компьютерной обучающей программы, что позволяет организовать аудиторную и внеаудиторную работу студентов в условиях строго регламентированного расписания занятий и консультаций.

6. Создана компьютерная обучающая программа для проведения практических занятий по физике, а также методическое обеспечение для ее использования в учебном процессе.

7. Проведен педагогический эксперимент, подтвердивший гипотезу исследования о том, что если в процессе проведения практических занятий по физике в техническом вузе использовать принципы системного анализа при

решении задач, то это будет способствовать эффективности формирования умений применять системный анализ и повышению успеваемости по физике.

В качестве возможных направлений дальнейших исследований можно предложить разработку методической системы обучения физике, построенной на принципах системного подхода и включающей разработку иерархической системы физических задач, направленной на формирование системных умений студентов.

Основные идеи и результаты проведенного исследования отражены в следующих публикациях:

1. Берденникова, М.Г. Формирование умений системного анализа при решении физических задач с использованием компьютерных технологий // Высшее образование сегодня. - 2010. - № 6. - С. 70 - 72. (0,23 пл.).

2. Берденникова, М.Г. Решение задач по физике: методические указания для самостоятельной работы по решению задач с использованием компьютерной программы. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2010. - 17 с. (1,36 п.л.).

3. Берденникова, М.Г. Принципы системного анализа при обучении физике будущих инженеров // Преподавание физики в высшей школе. Материалы VI международной научной конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» - М., 2007. - №34. - С.92-94. (0,13 п.л.).

4. Берденникова, М.Г. Об использовании системного подхода к решению задач // Физическое образование: проблемы и перспективы развития (материалы VII Международной научно-методической конференции). Часть 2. - М.: Изд-во «Школа Будущего», 2008. С. 82-88. (0,38 п.л.).

5. Берденникова М.Г. Использование компьютерных технологий для развития теоретического мышления студентов инженерных вузов при обучении физике // Физическое образование: проблемы и перспективы развития (материалы VIII Международной научно-методической конференции). Часть 4. - М.: МПГУ, 2009. С. 12-13. (0,12 пл.).

6. Берденникова, М.Г. Принципы организации занятий по решению физических задач в техническом вузе с использованием компьютерных технологий // Физическое образование: проблемы и перспективы развития: (материалы 9-й Междунар. науч.-метод. конф., 1-4 марта 2010 года). / МПГУ; РГУ им. С.А. Есенина. Часть2. - М., Рязань, 2010. — С. 8-10. (0,15 п.л.).

7. Берденникова, М.Г. Значимость умений системного анализа в профессии инженера и уровень их сформированное™ у студентов технического вуза // Физический вестник Поморского университета: Сборник научных трудов. Выпуск 6. - Архангельск: Поморский университет, 2007. С. 133140. (0,41 пл.).

8. Берденникова, М.Г. Об аспектах компетентностного подхода при преподавании физики в технических вузах // Школа и вуз: достижения и проблемы непрерывного физического образования: сборник трудов V Российской научно-методической конференции преподавателей вузов и учителей школ / отв. за вып. К.Ю.Шмакова. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2008. С. 19-22. (0,18 п.л.).

9. Берденникова, М.Г. Системные умения как составляющая компетентности будущих инженеров // Физика и ее преподавание в школе и вузе «VI Емельяновские чтения»: Материалы Региональной научно-практической конференции (Йошкар-Ола, 28-29 марта 2008 г) / под. ред. В.А. Белянина. -Йошкар-Ола: МарГУ, 2008. С. 12-14. (0,12 п.л.).

10. Берденникова, М.Г., Комарова Г.Т. Некоторые аспекты формирования теоретического мышления у студентов технического вуза при решении физических задач // Физика и ее преподавание в школе и вузе. VII Емельяновские чтения: Материалы Региональной науч.-практ. конф. / Map. гос. ун-т; под. ред. В.А. Белянина. - Йошкар-Ола, 2009. С. 166-171. (0,26 п.л., авт. - 0,20 п.л., 75%).

11. Берденникова, М.Г. Системные аспекты мышления в профессии будущего инженера / М.Г. Берденникова // Тезисы докладов научно-методической школы-семинара по проблеме «Физика в системе инженерного образования стран ЕврАзЭс» - М., 2007. С.47- 49. (0,13 п.л.)

12. Берденникова, М.Г. О формировании умений системного анализа при изучении физики у студентов технических вузов // Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, г. Волгоград, 22-29 апреля 2010.: материалы конф., информ. бюл. -Екатеринбург; Волгоград: Изд-во АСФ России, 2010. С. 815 - 816. (0,20 пл.).

Подп. к печ. 01.07.2010 Объем 1,5 п.л. Заказ № 75 Тир 100 экз. Типография Mi ll У

Содержание диссертации автор научной статьи: кандидата педагогических наук, Берденникова, Марина Геннадьевна, 2010 год

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ В ПРОФЕССИИ БУДУЩЕГО ИНЖЕНЕРА.

1.1. Профессия инженера в современном обществе.

1.1.1. Характеристика инженерной деятельности.

1.1.2. Стиль мышления инженера!.

1.1.3. Профессиональная компетентность инженера и общеинженерные умения.

1.2. Системный анализ в научной литературе.

1.2.1. Система'как объект познания.

1.2.2. Понятие системного анализа.

1.2.3. Умения применять системный анализ при решении^ задач как составляющие деятельности инженера.

1.2.4. Констатирующий эксперимент по определению, уровня сформированности умений применять системный анализ у будущих инженеров при изучении физики.

Выводы по главе I.

Глава 2: МЕТОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ У БУДУЩИХ ИНЖЕНЕРОВ УМЕНИЙ ПРИМЕНЯТЬ СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРИ РЕШЕНИИ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

2.1. Система обучения физике студентов технических вузов.

2.1.1. Курс физики в системе подготовки будущего инженера:.

2.1.2. Закономерности учебного процесса при построении практических занятий.

2.1.3. Реализация закономерностей учебного процесса при организации практических занятий.

2.2. Методика организации практических занятий по формированию умений применять системный анализ с применением компьютерной обучающей программы.

2.2.1. Ориентировочный этап изучения раздела физики.

2.2.2. Исполнительный этап изучения раздела физики.

2.2.3. Контрольный этап изучения раздела.

Выводы по главе II.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭФФЕКТИВНОСТИ

МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ УМЕНИЙ ПРИМЕНЯТЬ СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРИ РЕШЕНИИ ФИЗИЧЕСКИХ

ЗАДАЧ.

3.1. Общая характеристика педагогического эксперимента.

3.2. Поисковый эксперимент.

3.3. Обучающий эксперимент.

Введение диссертации по педагогике, на тему "Формирование у будущих инженеров умений применять системный анализ при решении физических задач"

Деятельность современного инженера связана с разработкой, созданием, эксплуатацией, усовершенствованием различного рода технических объектов, представляющих собой сложные системы. Опыт показывает, что непродуманные и произвольные действия, профессиональные ошибки могут привести к непредсказуемым, необратимым последствиям, а нередко и к катастрофическим результатам. Таким образом, при подготовке специалиста необходимо вооружить его такими «инструментами», которые позволят ему действовать грамотно; осмысленно при решении профессиональных задач, сводя вероятность ошибок к минимуму. Одним из таких инструментов является методология системного анализа.

В некоторых технических вузах на старших курсах обучения; студенты изучают дисциплину «Системный анализ», в рамках которой знакомятся с методами системного анализа^ способами поиска множества возможных вариантов решения системных задач, моделирования систем, учатся исследовать системы методами системного анализа, решать многокритериальные задачи оптимизации в системах, узнают о проблемах применения системного анализа в различных областях науки и техники.

В8 свою очередь, сам системный анализ можно определить как совокупность определенных научных методов и практических приемов решения разнообразных проблем, возникающих во всех сферах целенаправленной деятельности общества, на основе принципов системного подхода и представления объекта исследования в виде системы. Понятие «системный анализ» подразумевает не простое исследование инженером объекта изучения, а определенную последовательность,. системность рассмотрения и учет всех важных факторов, и взаимосвязей, влияющих на решение проблемы, использование определенной логики: поиска оптимального решения и т.п. Усвоение логики поиска направления деятельности по решению профессиональных задач в познавательном процессе приобретает характер «стиля мышления».

Анализ исследований (Д.Э. Алешко [8], М.М. Гладышевой [60], В.М; Коликовой [100], Н.И. Куприянычевой [116]; С.И. Мещеряковой [141], Н.И. Мокрицкой [145], А.И: Ширшовой [226] и др.) по формированию профессионально значимых умений, необходимых для1 осуществления деятельности по решению различных задач при обучении- студентов в технических вузах показал, что спектр этих умений достаточно широк и в большинстве своем эти умения являются: сложными, включающими» отчасти выполнение действий, соответствующих действиям при проведении; системного анализа. Формирование профессиональных умений будущих инженеров* осуществляется, в большинстве случаев, при изучении и определенной специальной дисциплины, и их совокупности, а также может осуществляться уже при обучении; студентов: физике на первых курсах и, следовательно, длиться на протяжении всего процесса обучения в вузе.

Важная роль, физики в системе предметной подготовки специалиста обусловлена: тем; что она, рассматривая? окружающий мир: во всем его многообразии, вооружает будущего/ специалиста различными?, методами описания« рассматриваемых ситуаций, совокупность которых позволяет получить наиболее полное представление об объектах этого мира. При? этом особое значение в процессе формирования знаний о методах исследования; и умений использовать эти методы играют практические занятия по физике.

Результаты проведенного; констатирующего экспериментального исследования показали,- что умения применять системный анализ являются важными в< деятельности любого специалиста, но при этом- уровень сформированности этих профессиональных умений у выпускника технического вуза, по мнению самих выпускников и преподавателей, значительно ниже, чем требуется для инженера.

Таким образом, существует противоречие между требованиями, предъявляемыми к будущему специалисту — инженеру, и сформированными у выпускника технического вуза умениями применять системный анализ.

Постоянно сокращающееся количество часов, отводимых на изучение физики в вузе, а соответственно и на проведение практических занятий, и постоянно возрастающие требования к выпускнику вуза делают актуальной проблему совершенствования технологии обучения физике в техническом вузе. Одним из способов повышения эффективности процесса обучения является применение компьютерных технологий. Использование их возможностей позволяет адаптировать учебный процесс к уровню развития, мышления студента и построить его с учетом требований, предъявляемых стандартами высшего профессионального образования.

Из этого вытекает противоречие между необходимостью формирования, у студентов' технических вузов умений применять системный анализ при решении учебных физических задач и недостаточной разработанностью методики формирования этих умений с использованием компьютерных технологий в условиях жесткого регламента времени, отводимого на проведение практических занятий.

Указанные противоречия определили актуальность и тему исследования: «Формирование у будущих инженеров^ умений применять системный анализ при решении физических задач», проблема,которого состоит в поиске ответа на вопрос, каким образом следует организовать практические занятия при обучении студентов технических вузов решению физических задач для формирования,умений применять системный анализ.

Объектом исследования является процесс обучения физике студентов технического вуза.

Гипотеза исследования представляет собой предположение о том, что формирование у будущих инженеров умений применять системный анализ при решении физических задач будет эффективным, если: дифференцировать-деятельность студентов по уровню обученности и обеспечить индивидуализацию обучения при организации самостоятельной работы студентов в процессе обучения решению физических задач с использованием элементов системного анализа;

В исследовании поставлены следующие задачи:

- проанализировать состояние проблемы формирования умений применять системный анализ в теории и практике обучения физике в техническом вузе; определить состав умений применять системный анализ и выявить действия при решении физических задач; соответствующие- действиям при осуществлении системного анализа;

- выявить уровень сформированное™ умений применять системный анализ у студентов технических вузов при существующей методике обучения;

- в соответствии с обоснованной моделью методической системы разработать методику проведения: практических занятий по физике для формирования умений применять системный анализ у студентов технических вузов;

- осуществить экспериментальную проверку гипотезы исследования.

Для решения поставленных задач применялись следующие методы исследования и виды деятельности:

- теоретические — анализ философской, естественнонаучной, технической; психолого-педагогической и методической литературы- по теме исследования, анализ содержания документов по модернизации Российского образования и образовательных стандартов высшего профессионального образования, анализ основных направлений информатизации системы образования, изучение рынка компьютерного обеспечения учебного процесса, проектирование и моделирование учебного процесса;

- экспериментальные — экспертная оценка, изучение опыта работы преподавателей вузов, в том числе существующего опыта организации и проведения практических занятий по физике в технических вузах; экспериментальное преподавание, наблюдение, беседы, анкетирование, анализ продуктов деятельности и успеваемости студентов.

Теоретико-методологическую основу исследования составили:

- идеи системного подхода к рассмотрению сложных объектов и явлений (И.В. Блауберг, Э.Г. Юдин и др.);

- идеи деятельностного подхода (JT.C. Выготский, А.Н. Леонтьев, Г.П. Щедровицкий и др.);

- основные положения дифференцированного обучения (Е.Я. Голант, Н.С. Пурышева, И.Э. Унт и др.)

- основные положения системного подхода в обучении (Т.А. Ильина, Ф.Ф. Королев и др.);

- результаты исследований по разработке методики обучения решению задач (С.Я. Каменецкий, В.П.Орехов, H.H. Тулькибаева, A.B. Усова, C.B. Анофрикова, Г.П. Стефанова и др.);

A.A. Червова и др.).

Научная новизна результатов исследования

2. Теоретически обоснована методическая система, направленная на формирование у будущих инженеров умений применять системный анализ при решении физических задач с использованием компьютерных технологий, учитывающая такие закономерности, как неравномерность усвоения знаний, различия в познавательной деятельности и интенсивности работы студента, а именно:

- сформулированы цели и задачи практических занятий по курсу общей физики в техническом вузе;

Практическая значимость результатов исследования определяется тем, что:

На защиту выносятся следующие положения.

1. Формирование у будущих инженеров умений применять системный анализ целесообразно начинать на практических занятиях по курсу физики при обучении решению физических задач.

2. Модель методической системы формирования у будущих инженеров умений применять системный анализ на практических занятиях по физике должна обеспечивать дифференциацию» обучения на основе учета таких закономерностей, как неравномерность усвоения знаний, различия в познавательной деятельности и интенсивности работы студентов, и индивидуализацию обучения* при организации самостоятельной работы студентов с компьютерной программой.

3. Формирование умений применять системный» анализ на практических • занятиях по физике должно осуществляться поэтапно при изучении каждого раздела курса физики в рамках ориентировочного, исполнительного (включающего решение конкретных задач с применением алгоритмических предписаний и самостоятельное решение задач с использованием приемов системного анализа) и контрольного этапов, учитывать взаимосвязь аудиторной, внеаудиторной и самостоятельной работы студентов и сопровождаться непрерывным мониторингом знаний и умений обучаемых.

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на:

- VI, VII, VIII, IX Международных научно-методических конференциях «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» в Московском педагогическом государственном университете (март 2007,2008,2009; 2010);

- Международной научно-методической школе-семинаре по проблеме «Физика в системе инженерного образования стран ЕврАзЭС» в июне 2007;

- V Российской научно-методической конференции преподавателей вузов и учителей школ (г. Екатеринбург, 2007);

- Региональной, научно-практической конференции "Физика и ее преподавание в школе и вузе" в Марийском государственном университете (апрель 2009);

- IX Международной научно-методической конференции "Физическое образование: проблемы и перспективы развития" (март 2010);

- XVI Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (Волгоград, апрель 2010);

- Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных, инженерно-технических работников и аспирантов по итогам работ за 2007, 2008, 2009, 2010 годы в Архангельском государственном техническом университете. .

В первой главе на основании обзора литературы анализируется деятельность современного инженера, и выделяются ее особенности, в частности, системность инженерной деятельности, обусловленная сложностью объектов инженерной деятельности. Как один из методов познания системных объектов рассматривается системный анализ. Раскрывается состав умений применять системный анализ как интеллектуальных умений, основанных на мыслительных операциях и процессах, позволяющих осуществить исследование объекта на основе принципов системного подхода: выделение структуры объекта; выделение структуры связей в объекте; выявление условий функционирования объекта как целостной системы. Выявляется, значимость этих умений и их сформированность у студентов технических вузов.

Во второй главе описывается модель методической системы, формирования у будущих инженеров умений применять системный анализ на практических занятиях по физике, включающая цели и задачи практических, занятий по физике, закономерности их построения, методику организации практических занятий по формированию умений применять системный анализ с использованием специально разработанной компьютерной программы, в которой реализованы элементы системного анализа при решении учебных физических задач, позволяющей организовать самостоятельную аудиторную и внеаудиторную работу студента.

В третьей главе дается общая характеристика педагогического эксперимента, приводятся результаты констатирующего, поискового и обучающего этапов эксперимента. Подводятся итоги педагогического эксперимента, подтверждающие эффективность разработанной методики формирования умений применять системный анализ с использованием компьютерных технологий.

В приложениях приведены анкеты для выявления уровней значимости профессионально значимых умений и сформированное™ их у студентов технического вуза, результаты обработки данных поискового и обучающего этапов педагогического эксперимента, примеры решения задач с использованием элементов системного анализа.

Основные результаты исследования опубликованы в следующих работах:

Статья в издании, рекомендованном ВАК

1. Берденннкова, М.Г. Формирование умений системного анализа при решении физических задач с использованием компьютерных технологий // Высшее образование сегодня. — 2010. — № 6. — С. 70 — 72. (0,23 п.л.).

Учебно-методические пособия, статьи, тезисы докладов

2. Берденннкова, М.Г. Решение задач по физике: методические указания для самостоятельной работы по решению задач с использованием компьютерной программы. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2010. -17 с. (1,36 п.л.).

3. Берденннкова, М.Г. Принципы системного анализа при обучении физике будущих инженеров // Преподавание физики, в высшей школе. Материалы VI международной научной конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» — М., 2007. - №34. — С.92-94. (0,13 пл.).

4. Берденннкова, М.Г. Об использовании системного1 подхода к решению задач //. Физическое образование: проблемы и перспективы развития; (материалы VII Международной научно-методической конференции). Часть 2. -М.: Изд-во «ШколаБудущего», 2008. С. 82-88. (0,38 пл.).

5; Берденннкова М.Г. Использование компьютерных технологий для развития теоретического мышления студентов инженерных вузов при обучении физике // Физическое образование: проблемы и перспективы развития (материалы VIII Международной научно-методической конференции). Часть 4. . - М.: МПГУ, 2009. С. 12-13. (0,12 пл.).

6. Берденннкова, М.Г. Принципы организации занятий по решению физических задач в техническом вузе с использованием компьютерных технологий // Физическое образование: проблемы и перспективы развития: (материалы 9-й Междунар. науч.-метод. конф., 1-4 марта 2010 года). / МПГУ;

РГУ им. С.А. Есенина. Часть2. -М., Рязань, 2010. — С. 8-10. (0,15 пл.). .

7. Берденникова, М.Г. Значимость умений системного анализа в профессии инженера и уровень их сформированности у студентов технического вуза // Физический вестник Поморского университета: Сборник научных трудов. Выпуск 6. - Архангельск: Поморский университет, 2007. С. 133-140. (0,41 пл.).

9. Берденникова, М.Г. Системные умения как составляющая компетентности будущих инженеров // Физика и ее преподавание в школе и вузе «VI Емельяновские чтения»: Материалы Региональной научно-практической конференции (Йошкар-Ола, 28-29 марта 2008 г) / под. ред. В.А. Белянина. - Йошкар-Ола: МарГУ, 2008. С. 12-14. (0,12 пл.).

10. Берденникова, М.Г., Комарова Г.Т. Некоторые аспекты формирования теоретического мышления у студентов технического вуза при решении физических задач // Физика и ее преподавание в школе и вузе. УП Емельяновские чтения: Материалы Региональной науч.-практ. конф. / Map. гос. ун-т; под. ред. В.А. Белянина. - Йошкар-Ола, 2009. С. 166-171. (0,26 пл., авт. - 0,20 пл., 75%).

12. Берденникова, М.Г. О формировании умений системного анализа при изучении физики у студентов технических вузов // Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, г. Волгоград, 22-29 апреля 2010.: материалы конф., информ. бюл. - Екатеринбург; Волгоград: Изд-во АСФ России, 2010. С. 815 - 816. (0,20 пл.).

Заключение диссертации научная статья по теме "Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)"

Выводы по главе П

Теоретические основы построения модели методической* системы формирования у будущих инженеров умений применять, системный анализ при решении физических задач с использованием компьютерных технологий формулируются следующим образом:

- целью курса общей физики является формирование элементов стиля мышления будущего инженера и овладение соответствующими умениями, положенными в основу будущей профессиональной деятельности студентов;

- учебная деятельность студента на практических занятиях в соответствии с целями« и задачами практических занятий, направлена на переход от базовых» умений и знаний, которыми обладает обучаемый в начале изучения курса физики к умениям осуществлять элементы системного анализа;

- при организации деятельности обучаемого в соответствии с задачей формирования умений применять системный анализ должна обеспечиваться дифференциация обучения на основе учета таких закономерностей, как неравномерность усвоения знаний, различия в познавательной деятельности и интенсивности работы студентов, и индивидуализацию обучения при организации самостоятельной работы студентов с компьютерной программой;

- организация индивидуальной и дифференцированной деятельности в соответствии с задачей формирования умений применять системный анализ обучаемых осуществляется с использованием компьютерных программ, позволяющих организовать самостоятельную аудиторную и внеаудиторную работу студента; методика формирования умений применять системный анализ у студентов технических вузов на практических занятиях по физике с использованием современных компьютерных технологий предполагает выделение нескольких этапов при изучении каждого раздела физики: ориентировочного, исполнительного (включающего решение конкретных задач с применением алгоритмических предписаний и самостоятельное решение задач с использованием приемов системного анализа) и контрольного этапов, сопровождающихся непрерывным мониторингом знаний и умений обучаемых.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ УМЕНИЙ ПРИМЕНЯТЬ СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРИ РЕШЕНИИ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

3.1.0бщая характеристика педагогического эксперимента

Педагогический эксперимент проводился в течение 2006 — 2009'гг. с преподавателями и студентами Архангельского государственного технического университета (АГТУ), Поморского государственного университета (ЛГУ) (г. Архангельск), филиала Севмашвтуза Санкт-Петербургского государственного морского технического университета в г. Северодвинске, Института информационных технологий (ИИТ) (г. Архангельск), Института нефти и газа (ИНиГ) (г. Архангельск).

Педагогический эксперимент состоял из трех этапов: констатирующего, поискового и обучающего.

Констатирующий эксперимент проводился в 2006-2007 гг. и заключался» в анализе инженерной деятельности и выявлении умений, необходимых инженерам: для успешного осуществления профессиональной деятельности, определении структуры умений применять системный анализ, выявлении уровня значимости умений' применять системный анализ в профессиональной деятельности инженера, определении уровня сформированности умений применять системный анализ у студентов, технических вузов для определения предмета исследования и обоснования' актуальности выбранной темы. В качестве метода исследования были выбраны метод экспертной оценки выделенных умений инженеров, анкетирование преподавателей-и студентов и анализ продуктов деятельности студентов. Данные методы позволяют сделать объективные выводы по результатам исследования.

В констатирующем эксперименте принимали участие: • преподаватели и студенты технических вузов, а также вузов, где проводится обучение по специальности «инженер» г. Архангельска;

• инженеры, работающие на предприятиях г. Архангельска и г. Северодвинска.

Результаты констатирующего эксперимента представлены в главе I. Констатирующий эксперимент показал необходимость разработки методики обучения, направленной на формирование профессионально значимых умений

- умений применять системный анализ у будущих специалистов на первых курсах вуза.

Поисковый (2007-2009 гг.) и обучающий (2008-2009 гг.) этапы педагогического эксперимента проводились в г. Архангельске на базе Архангельского государственного университета, Института нефти и газа, Института информационных технологий и Поморского государственного университета, в г. Северодвинске на базе филиала Севмашвтуза Санкт-Петербургского государственного морского технического университета в г. Северодвинске. В качестве основных методов исследования на данных этапах были выбраны экспериментальное преподавание, беседы с преподавателями и студентами, наблюдение за работой обучаемых, анализ письменных работ обучаемых.

Поисковый этап эксперимента позволил разработать методику проведения практических занятий по физике, направленную на формирование умений применять системный анализ, разработать средства для ее реализации

- компьютерную программу.

В ходе обучающего этапа педагогического эксперимента осуществлялась практическая реализация разработанной методики формирования умений применять системный анализ с использованием компьютерных технологий и проверка гипотезы исследования о влиянии использования приемов системного анализа при решении учебных физических задач и компьютерной обучающей программы на успешность формирования умений применять системный анализ. В педагогическом эксперименте принимало участие более 500 студентов, около 20 преподавателей и более 20 инженеров.

Общая; характеристика педагогического эксперимента приведена в таблице 17.

3.2.Поисковый эксперимент

Поисковый эксперимент, проводимый в течении 2006-2009 года; был направлен на предварительную проверку выдвигаемых теоретических положений и рекомендаций по реализации методики формирований умений применять системный анализ у студентов технических: вузов; На данном этапе разрабатывалась методика обучения студентов инженерных специальностей с использованием разработанной компьютерной программы, построенной по принципу экспертной системы, вносились изменения и коррективы в разработку компьютерной программы. Целью поискового; эксперимента выстзпала разработка методики формирования у студентов технических вузов умений- применять, системный анализ; с использованием^ компьютерных^ технологий при решении задач.

Для реализации, указанной цели при« проведении поискового эксперимента решались следующие задачи:

1) разработать структуру и форму организации практических занятий; по решению задач по физике, направленных на формирование умений применять системный анализ;

2) выявить форму представления решения учебных физических задач, демонстрирующую принципы системного анализа, с учетом возможностей компьютерных технологий;

Выходе поискового эксперимента осуществлялось внедрение элементов, разрабатываемой методики в процесс обучения физике. В качестве методов на данном этапе педагогического эксперимента использовались: