автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Интегральный подход к обучению общей физике

Содержание диссертации автор научной статьи: кандидата педагогических наук, Добро, Людмила Федоровна, 1999 год

Введение.

Глава 1. Современные технологии обучения в высшей школе.

1.1. Традиционные методы обучения.

1.2. Дистанционные методы обучения.

1.3. Интеграционные технологии обучения.

1.4. Контроль знаний.

Глава 2. Физический эксперимент и компьютерная обработка результатов измерений.

2.1. Основные понятия.

2.2. Одномерные задачи.

2.3. Многомерные задачи.

2.4. Метод максимума правдоподобия.

2.5. Метод наименьших квадратов.

2.6. Компьютерная среда для обработка результатов измерений.

Глава 3. Наглядность при обучении общей физике.

3.1. Использование плакатов на практических занятиях и в физическом практикуме.

3.2. Видеоматериалы на лекционных и практических занятиях.

3.3. Визуализация физических процессов с помощью компьютера.

Глава 4. Компьютерное моделирование физических процессов.

4.1. Компьютерная поддержка физического практикума и семинарских занятий.

4.2. Компьютерное моделирование квантовых процессов.

4.3. Моделирование процессов взаимодействия света с веществом на границе раздела двух диэлектриков.

4.4. Моделирование оптических систем.

4.5. Моделирование нелинейных процессов взаимодействия света с веществом.

Глава 5. Электронные учебники по общей физике.

5.1. Компьютерные учебные пособия.

5.2. Электронный учебник по механике.

5.3. Электронный задачник по оптике.

Глава 6. Методы контроля знаний по общей физике.

6.1. Психологические аспекты методов контроля знаний.

6.2. Рейтинговый метод контроля знаний.

6.3. Текущий и итоговый контроль знаний.

6.4. Компьютеризация контроля знаний.

Введение диссертации по педагогике, на тему "Интегральный подход к обучению общей физике"

Устойчивое развитие общества - стратегия выживания и непрекращающееся развитие цивилизации без различного рода катаклизмов невозможно без надлежащего развития фундаментальных наук и образования. Современные технологии напрямую связаны с фундаментальной наукой и определяются не только материальной базой производства, но и уровнем образованности общества, т.е. с его способностью производить, усваивать и практически использовать новые знания, приборы и материалы, а также новые формы и методы организации труда. Таким образом, для решения различных проблем: экономических, гуманитарных, социальных, экологических, юридических и т.д. общество объективно нуждается в повышении образовательного уровня.

Известно, что физика образует фундамент естествознания, и при этом определяет стиль и уровень мышления. В системе высшего образования курс общей физики является базисом для изучения многих специальных дисциплин. Курс общей физики ставит своей задачей сформулировать у студентов целостное представление о фундаментальных физических законах, познакомить их с основными идеями и методами современных наук, способствовать пониманию теоретических основ будущей профессии студента, помочь общему развитию его интеллекта.

В условиях накопленного сегодня в физике колоссального объема знаний, единственный путь решения задачи обучения - интенсификация процесса обучения на основе модернизации и структурирования учебного материала и использования современных технологий обучения. Изменение технологии обучения должно быть направлено на переориентацию деятельности преподавателя от информационной к организующей по руководству самостоятельной учебно-познавательой деятельностью студентов. Достижению этих целей способствует компьютеризация обучения с широкой возможностью усиления наглядности преподавания, активного диалога в компьютерной среде, индивидуализация обучения и регулируемого темпа.

Решение стоящих перед учебным процессом проблем по обучению общей физике возможно в объединении классических и современных технологий обучения, экспериментальной и демонстрационной базы физического образования. В этой связи представляют интерес работы по созданию новой интегральной технологии обучения общей физике, допускающей введение различных обучающих средств. Исследования последних лет, проведенные в отечественных и зарубежных учебных центрах, подтвердили, что компьютерные технологии могут быть такими средствами. Все изложенное выше обусловливает актуальность темы в научном и практическом аспектах.

Объектом исследования в диссертации является процесс обучения общей физике на физическом факультете университета, а предметом исследования - технология подготовки и проведения учебных занятий по общей физике.

Основная цель работы состояла в предложении, обосновании и разработке интегральной технологии обучения общей физике, отражающей неформальное объединение классических наглядных учебных пособий (плакатов и фильмов), электронных учебников, компьютерных практикумов и современных контролирующих методов успеваемости студентов.

Отправная идея исследования заключалась в возрождении классических наглядных учебных пособий (плакаты и фильмы) и включении их в учебный процесс, а также использовании современных информационных технологий и основанных на них методов обучения во всех видах учебных занятий по общей физике; старые и новые методы обучения не противоречат друг другу, а взаимно дополняют при формировании знаний по физике; кроме того, плакаты и фильмы легко поддаются оцифровке и сочетаются с компьютерными учебными технологиями. По существу, интегральный подход основан на блочной структуре курса общей физики и призван способствовать активизации мышления студентов при ее изучении.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

1. Синтез классических и компьютерных обучающих и контролирующих средств по общей физике.

2. Разработка учебных плакатов и фильмов.

3. Создание компьютерных практикумов.

4. Компиляция электронных учебников и задачников.

5. Разработка метода контроля знаний студентов по общей физике.

Основные методы исследований состояли в использовании:

- сопоставления существующих методов обучения общей физике на физических факультетах университетов и обобщения этих технологий обучения;

- метода педагогического моделирования;

- методов математической обработки данных;

- компьютерных методов хранения и обработки информации.

Научная новизна и теоретическая значимость работы заключается в предложении объединения стандартных и компьютерных методов обучения и разработке на этой основе интегрального подхода к обучению общей физике на физических факультетах университетов. В работе впервые предложены и разработаны фасетные тесты для контроля знаний студентов по общей физике и исследована их эффективность и надежность.

Практическое значимость результатов исследования представлена тем, что

1) реализована компьютерная обработка результатов измерений в физическом практикуме;

2) разработан набор учебных плакатов по механике и оптике и три учебных фильма;

3) созданы компьютерные практикумы для моделирования атомных и оптических явлений;

4) предложен электронный учебник по механике и электронный за дачник по оптике;

5) разработаны фасетные тесты по механике и оптике.

Обоснованность и достоверность полученных научных результатов и сделанных на их основе выводов обеспечивается системным подходом к изучению предмета исследования, организацией педагогического эксперимента в соответствии с целями и задачами исследования, использованием надежных статистических методов обработки данных и качественной интерпретации результатов. Все основные положения и выводы диссертации опубликованы в периодической печати, трудах российских и международных конференций.

Личный вклад диссертанта в получении научных результатов заключается в выборе методов обработки результатов измерений в физическом практикуме и их компьютерной реализации, разработке системы плакатов и трех учебных фильмов по различным разделам общей физики, компьютерном моделировании физических процессов с целью их использования в учебном процессе, создании электронного учебника по механике и электронного задачника по оптике, а также разработке фасетных тестов для текущего и итогового контроля успеваемости студентов по общей физике.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Интегральная модель подготовки и проведения учебных занятий по общей физике.

2. Общая структура и программная реализация процесса подготовки и проведения учебных занятий в компьютерных практикумах по атомной физике и оптике.

3. Общая структура и программная реализация подготовки и проведения учебных занятий по обработке измерений в физическом практикуме.

4. Применение созданных учебных плакатов и фильмов при обучении студентов механике и оптике.

5. Применение фасетных тестов для контроля знаний студентов по общей физике.

Основные результаты работы и ее научные положения докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всесоюзная конференция "Методика преподавания естественных наук для студентов высших учебных заведений", Петрозаводск, 1995; 3-я (Москва, 1995), 4-я (Челябинск, 1997) и 5-я ( Новороссийск, 1998) конференции стран Содружества "Современный физический практикум"; Международный Симпозиум "Инженерная педагогика 98", Москва, 1998. Материалы диссертации обсуждались также на заседаниях общефакультетского научного семинара по физике и научного семинара кафедры теоретической физики и компьютерных технологий Кубанского государственного университета. Результаты исследования в виде методических разработок по курсам общей физики внедрены в практику физико-технического факультета Кубанского государственного университета. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ. Их перечень приведен в библиографическом списке [1-13].

Структурно диссертация состоит из шести глав, заключения и списка цитированной литературы.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБУЧЕНИЯ

В ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные результаты и выводы.

1. Разработана интегральная технология подготовки и проведения учебных занятий по общей физике, обеспечивающая синтез классических и современных методов обучения, базирующихся на компьютерных технологиях хранения, обработки и передачи информации. Предложенная модель позволяет структурировать учебный материал, обеспечить принцип наглядности, формировать индивидуальные задания, варьировать построение процесса обучения и набор учебных средств для него, активизировать самостоятельную работу, производить текущий и итоговый контроль знаний и умений студентов. В настоящее время предложенная модель обучения общей физике, по нашему мнению, адекватно учитывает уровень подготовки абитуриентов по физике и возможности обучающих компьютерных программ.

2. Для обработки результатов лабораторных работ в физическом практикуме и обучению студентов оптимизационным методам создана компьютерная среда, в которой в качестве поиска минимума функции используется градиентный метод итераций с линеаризацией. При создании программы, реализующей этот подход, предусмотрен как автоматический выбор шага приращения параметров, так и их автоматическая фиксация, если они пытаются выйти за рамки исходного интервала. Предусмотрено также ускорение процесса сходимости при приближении к минимуму функции. Это достигается выбором соответствующего обрезающего множителя для шага приращения параметров. Если происходит увеличение значения функции, то предусмотрено автоматическое дробление шага. Число дроблений шага на одной итерации задается внешним параметром. При разработке интегрированной компьютерной среды решены следующие задачи: создание комфортной ситуации для студента; предоставление студенту двух алгоритмов оптимизации для решения разнообразных задач; обеспечение автоматизации вычислительного процесса, включающего выбор алгоритма, настройку и изменение начальных параметров и их ограничителей, а также данных для оптимизации; возможность гибкого управления вычислительным процессом при решении задач в диалогом режиме; представление результатов оптимизации в различной форме и на различных устройствах; написание, компиляция и линкирование новых (новых версий) целевых функций; проектирование процессов оптимизации и их выполнение в различных режимах; обучение методам оптимизации; знакомство с некорректными задачами.

3. По механике и оптике было разработано более 60 плакатов по таким разделам, как кинематика поступательного и вращательного движения, динамика, законы сохранения, колебательное движение, фотометрия, геометрическая оптика, электромагнитная природа света, поляризация, интерференция и дифракция света. Снято три учебных фильма: "Волновые свойства света. Интерференция", "Волновые свойства света. Дифракция" и "Поляризованный свет и его применение"; вся работа сделана на профессиональном техническом оборудовании Б-УНБ, а озвучивание и монтаж проводились в соответствии с разработанными заранее сценариями. Применение классических наглядных пособий в учебном процессе положительно воздействует на усвоение студентами различных элементов общей физики, а их совместимость с компьютерными технологиями очевидна.

4. Разработаны компьютерные практикумы для изучения волновых свойств микрочастиц, линейного и нелинейного взаимодействия света с веществом и геометрического построения системы линз различной конфигурации. Основу практикума для исследования волновых свойств составляет численное решение уравнения Шредингера для одномерного кусочно-постоянного потенциального поля, при котором используется метод сшивки точных решений на соседних отрезках; при этом анализируются уровни энергии и волновые функции прямоугольной потенциальной ямы, коэффициенты прохождения и отражения, поведение двух- и трехатомных молекул, многоатомные молекулы, конечный кристалл и примесь в кристалле. В компьютерном практикуме по нелинейной оптике подробно рассматриваются в нелинейных одноосных кристаллах процессы генерации второй гармоники с помощью численного решения укороченных уравнений с заданными граничными условиями. При этом могут быть исследованы различные зависимости (амплитуды и КПД процесса) от величины линейного поглощения, эффективного нелинейного коэффициента, изменения длины кристалла, плотности мощности накачки, волновой расстройки, угла падения пучка накачки на кристалл. Явление поляризации света при его отражении на границе раздела двух диэлектриков и построение изображений при использовании различных линз изучаются в компьютерном практикуме по линейной оптике. Компьютерное моделирование позволяет выявить новое содержание, и даже новое качество физических явлений и задач, традиционно имеющихся в существующих учебных программах, изучать явления и процессы, ранее не доступные вследствие сложности математических моделей, их анализа и представления информации, исследовать модели и системы близкие к реальным.

5. На основе компьютерной гипертекстовой технологии скомпилированы электронный учебник по механике и электронный задачник по оптике. Принципиальная особенность предложенный электронных учебных пособий состоит в предоставлении всех математических и физических элементов: дифференциальное и интегральное исчисление, векторная алгебра, теория ошибок, подбор и решение задач, призванных помочь студентам овладеть механикой и оптикой. Электронные пособия призваны обеспечить, помимо активизации самостоятельной работы студентов, единство учебного процесса в рамках современных обучающих технологий.

6. Впервые предложено использовать фасетные тексты для текущего и итогового контроля успеваемости студентов по общей физике. Особенность фасетных тестов состоит в том, что их можно эффективно использовать как в рамках компьютерных технологий обучения, так и вне их. С этой целью разработаны фасетные тесты по таким разделам механики, как кинематика материальной точки и твердого тела, преобразование координат, законы динамики, законы сохранения, динамика твердого тела, движение при наличии трения, колебательное движение. Кроме того, созданы фасетные по разделам оптики - фотометрия, геометрическая оптика, интерференция, дифракция и поляризация света.