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

Саватеев, Дмитрий Анатольевич

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

Автореферат

Автор научной работы: Саватеев, Дмитрий Анатольевич
Ученая степень: кандидата педагогических наук
Место защиты: Санкт-Петербург
Год защиты: 2007
Специальность ВАК РФ: 13.00.02

Диссертация

Автореферат диссертации по теме "Компьютерное моделирование в изучении физических основ электромагнитных явлений в курсах общей физики и специальных дисциплин технического вуза"

1111111111111111111111111

ООЗОВЗЗЭ1

На правах рукописи

УДК [004.81 • 159.953.52]-537(043 3)

САВАТЕЕВ Дмитрий Анатольевич

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ИЗУЧЕНИИ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ В КУРСАХ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ И СПЕЦИАЛЬНЫХ ДИСЦИПЛИН . ТЕХНИЧЕСКОГО ВУЗА

Специальность 13 00 02 - теория и методика обучения и воспитания (физика, уровень профессионального образования)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Санкт-Петербург 3 1 МАЙ 2007 2007

Работа выполнена на кафедре электрооборудования судов федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Мурманский государственный технический университет»

Научный руководитель:

кандидат педагогических наук, доцент

Анатолии Федорович Шиян

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Александр Викторович Ляпцев;

доктор педагогических наук, профессор

Алексей Иванович Назаров

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет «ЛЭТИ»

Защита состоится <ф/» ¡¿¿ЯУ 2007 года в /^часов на заседании Диссертационного совета Д 212 199.21 по присуждению ученой степени доктора наук в Российском государственном педагогическом университете им А И Герцена по адресу 191186, Санкт-Петербург, набр Мойки, 48, корп.З, ауд 20

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке РГПУ им А И Герцена

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета канд физ -мат. наук, доцент

Н И.Анисимова

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

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

Компьютерное моделирование, являющееся составной частью и инструментом компьютерного обучения, содержит в себе потенциальные возможности повышения эффективности изучения физических основ электромагнитных явлений в курсах общей физики и специальных дисциплин технического вуза К этим возможностям относятся- повышение наглядности, вариативности, интерактивности и информационной емкости предоставляемого учебного материала, компенсация, посредством этого, сокращения количества часов аудиторных занятий,

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

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

- повышение эффективности самостоятельной работы студентов через предоставление возможности выбора и реализации индивидуального маршрута

самостоятельного обучения, соответствующего уровню знаний и другим индивидуальным особенностям учащихся,

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

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

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

физики и специальных дисциплин технического вуза нуждается в методическом обеспечении, а целесообразность - в теоретическом обосновании

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

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

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

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

- позволит использовать математические средства представления электрических величин на этапе их измерений,

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

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

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

Исходя из цели и гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи

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

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

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

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

Теоретике -методологическую основу исследования составляют.

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

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

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

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

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

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования

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

- анализ теории и методики обучения разделу общей физики "Электродинамика",

- анализ теории и методики обучения материалу специальных дисциплин технического вуза, изучение которых базируется на разделе общей физики "Электродинамика",

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

Достоверность и обоснованность результатов обеспечиваются

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

- выбором адекватных показателей эффективности предложенной методики применения компьютерного моделирования на различных этапах учебной деятельности,

- использованием различных методов исследования, соответствующих поставленным задачам,

- апробацией разработанной методики в вузах России Научная новизна работы заключается в следующем

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

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

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

Теоретическая значимость работы заключается в следующем- теоретически обоснованы роль и место компьютерного моделирования в процессе обучения студентов технических вузов физическим основам электромагнитных явлений,

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

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

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

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

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

На защиту выносятся следующие положения:

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

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

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

Структура и объем диссертации. Общий объем работы составляет 158 страниц Она включает, введение, три главы, заключение, библиографию из 115 наименований Работа содержит 38 рисунков и 10 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования, определяются его цель, задачи, объект, предмет, гипотеза и методы, раскрываются научная новизна и практическая значимость полученных результатов, формулируются выносимые на защиту положения

В первой главе "Психолого-педагогический анализ проблемы" раскрываются роль и место эксперимента в мышлении, научном познании и в учебном процессе, как модели научного познания С позиции основных педагогических принципов производится анализ перспектив использования компьютерных технологий с целью совершенствования процесса обучения

Сформировавшееся в настоящее время доминирование личностно-ориентированной парадигмы в образовательной теории и практике, определяет новые подходы к развитию, воспитанию и обучению Обладание суммой знаний

уступает в ценности умению добывать знания, а приобретение навыков - умению вырабатывать их в процессе продуктивного мышления

Отправной точкой мышления является воспринимаемый с помощью органов чувств результат опыта, следовательно, предпосылки для развития мышления в значительной мере содержатся в организации первичного знакомства студента с областью непознанного Но учебные дисциплины, являющиеся моделями соответствующих наук, существенно уступают прототипу именно по качеству экспериментальных данных Этот недостаток особенно характерен для дисциплин, изучающих электромагнитные явления потенциальная опасность, заключенная в электричестве, предопределяет высокую степень алгоритмизации учебных исследований и, как следствие, замену исследовательской деятельности формально-ознакомительной Формализация изложения материала курса физики и специальных электротехнических дисциплин приводит к формированию разобщенных представлений о процессах, имеющих общую природу

Совершенствование учебного эксперимента - натурного, вычислительного, демонстрационного - средствами компьютерного моделирования определяется в качестве обобщенной цели исследования и планируется по трем направлениям

Первое - совершенствование натурного эксперимента Электромагнитные взаимодействия относятся к категории явлений, для наблюдения которых человеку требуются посредники — приборы Для оценки результатов опытов с синусоидальными электрическими величинами, измерения, выполненные с использованием традиционных приборов, должны быть дополнительно обработаны при помощи математических инструментов Такая необходимость делает показания приборов недостаточными для непосредственной оценки результатов опыта, а сам опыт - ненаглядным Резерв улучшения наглядности и информационной емкости средствами компьютерного моделирования заключается в переносе вычислительных операций приведения результатов измерений в соответствие с используемой математической моделью на этап собственно натурного эксперимента

Второе - совершенствование демонстрационного эксперимента Лекционный демонстрационный эксперимент необходим для привлечения внимания слушателей к предмету изучения и проверки возникающих во время изложения материала предположений и гипотез Но, если речь идет об опыте со сложным электротехническим объектом, его проведение в натурном виде и в неприспособленной специально для этого лекционной аудитории затруднительно, а иногда - невозможно Традиционно лекционный демонстрационный эксперимент заметается вычислительным экспериментом Недостаток наглядности, динамичности и вариативности такого эксперимента препятствуют достижению его цели - демонстрации органической взаимосвязи фундаментальных понятий курса общей физики с понятиями и закономерностями специальных электротехнических дисциплин Компьютерное моделирование содержит потенциальные возможности преодоления перечисленных недостатков и приближения вычислительного эксперимента к натурному эксперименту с точки зрения качества экспериментальных данных

Третье — создание условий для включения в экспериментальную учебную деятельность по изучению физических основ электромагнитных явлений метода поисковых проб Умственная деятельность, осуществляемая в этом режиме, ведет к открытию операций мышления и правил, определяющих эти операции, в то время как заранее предопределенный путь освоения учебного материала предполагает лишь усвоение и овладение этими правилами и операциями В связи с этим, весьма важным является создание для студентов такой среды обучения, в которой они имели бы возможность проверять собственные гипотезы, вырабатывая индивидуальные "алгоритмы разума" Компьютерное моделирование предоставляет возможность совершать пробы и ошибки, в то время как работа с реальными электротехническими устройствами не предполагает такой возможности

Во второй главе "Методика применения компьютерного моделирования в изучении физических основ электромагнитных явлений" содержатся ход и результаты практической деятельности, направленной на интеграцию компьютерного моделирования с традиционными формами учебных занятий

Идея модернизации методики проведения натурного эксперимента базировалась на видимом противоречии между широко используемым в теории символическим методом расчета синусоидальных электрических величин и инструментальными средствами исследования цепей. Символический метод основан на замене синусоидальных функций их изображениями - векторами на комплексной плоскости, благодаря чему, при расчетах цепей, удается перейти от дифференциальных уравнений к алгебраическим, а при графической интерпретации расчетов - от синусоидальных кривых к многоугольникам Метод прост, нагляден и имеет широкое практическое применение во всех специальных электротехнических дисциплинах Но недостаток метода, как метода изучения физики явлений и процессов, заключен именно в его символичности Противоречие будет устранено только в том случае, если прямые и обратные преобразования функций и их изображений перестанут быть отдельными учебными заданиями, а станут инструментами мышления студента в процессе экспериментального изучения электромагнитных явлений Знаний о методе и даже владения методом для этого недостаточно, необходимо его многократное использование и глубокое,

с параметрами реального процесса

Анализ положения дел при изучении специальных электротехнических дисциплин вуза, показывает, что из-за сложности вычислений комплексных чисел, прямых и обратных показательно-тригонометрических преобразований векторные

неформальное понимание связи параметров модели

ляющее синусоидальные электрические величины в виде векторов

диаграммы так и не становятся средством изучения физических явлений Студенты не видят собственной выгоды в построении векторных диаграмм и относятся к требованию их использования как к очередной задаче, заданной преподавателем

Для преодоления сложившейся ситуации была проведена работа, направленная на создание инструментального средства, использующего компьютерное моделирование для представления синусоидальных электрических величин в векторном виде на этапе измерений

Функционально разработанное инструментальное средство представлено на рисунке 1 Оно состоит из устройства связи с объектом (УС) и персонального компьютера (ПК) с программой визуализации Напряжение, снимаемое одной парой клемм, принимается за опорное, имеющее нулевую фазу, вторая пара клемм подключается к исследуемому сигналу, а программа визуализации представляет снимаемые напряжения в векторном виде на экране монитора, позволяя наблюдать изменения исследуемого сигнала при изменении параметров цепи При этом существует возможность получения точных значений модуля и фазы каждого сигнала, параллельного перемещения векторов в рабочем поле окна программы

Применение прибора, рабочее название которого - векторограф, открывает перспективы модернизации натурных исследований электротехнических объектов Если наблюдать за электромагнитными явлениями с предоставляемой прибором точки зрения, поведение цепи становится более наглядным, а связь символического представления синусоидальных электрических величин с реальными токами и напряжениями более очевидной

Преемственность методики исследования электромагнитных явлений будет обеспечена, если описанное инструментальное средство будет включено в процесс исследования цепей переменного тока уже в курсе общей физики с последующим активным применением в курсах специальных дисциплин Примером использования векторографа в рамках курса физики может служить исследование явления резонанса при неизменной частоте питающего напряжения (рис. 2) Существующая методика исследования, предусматривающая применение традиционных измерительных приборов, имеет два недостатка, которые, в ряде случаев, являются существенными, первый недостаток проявляется, когда электрические измерения и обработка результатов оказываются разнесены во времени В

Рис 2 Схема цепи при исследовании явления резонанса токов (а), круговая векторная диаграмма тока 12 при изменении емкости конденсатора от нуля до бесконечности (б)

этом случае осознание студентом факта наблюдения резонанса происходит уже после натурного эксперимента, а сам эксперимент приобретает формальный характер Второй недостаток заключается в том, что на этапе натурного эксперимента не используется символическая модель электрической цепи, а послеопыт-ные построения векторных диаграмм имеют статичный характер и не отражают динамики эксперимента Разработанное компьютерное средство не отменяет существующей методики, а дополняет ее, предоставляя возможность преодоления обозначенных недостатков При изменении емкости конденсатора в цепи, изображенной на рисунке 2 а, вектор тока второй ветви описывает характерную дугу (рис 2 б) и это перемещение можно наблюдать при помощи векторографа. Возможно ли наступление резонанса при данных параметрах цепи, сколько ре-зонансов будет наблюдаться, какой должна быть тенденция изменения емкости для получения требуемого эффекта - ответы на эти вопросы могут быть даны сразу, без предварительной обработки данных, получаемых с использованием традиционных приборов, а электромагнитное явление становится наблюдаемо с недоступной ранее позиции

В курсе теоретических основ электротехники, развивающем положения раздела общей физики "Электродинамика" и предшествующем курсу электрических машин, при помощи векторографа может и должна быть исследована электрическая цепь, являющаяся, по существу, цепью замещения асинхронной ма-

а) ¿2 б)

Рис 3 Схема цепи замещения асинхронной машины (а), круговая векторная диаграмма тока 12 при изменении сопротивления от нуля до бесконечности (б)

шины (рис 3 а) При изменении сопротивления переменного резистора в широких пределах вектор тока 12 описывает дугу окружности (рис 3 б), аналогичную дуге, описываемой концом вектора роторного тока асинхронного двигателя при изменении частоты вращения ротора от нуля до синхронной частоты

Опыт подготовки студентов электротехнических специальностей показывает, что понимание физической сущности явлений, происходящих в асинхронном двигателе при меняющейся нагрузке на валу, представляет собой сложную, зачастую неразрешимую для студента задачу В то же время зависимость момен-

Рис 4 Токи асинхронной машины, измеренные и представленные при помощи векторографа (а), механическая характеристика асинхронного двигателя (б)

та от тока проста, известна из курса общей физики и должна быть достаточной для объяснения поведения электрической машины Момент пропорционален потоку магнитной индукции, активному току проводников ротора и длине этих проводников, которая постоянна и включена в коэффициент См М = Ф (/2 cos(y2) СЛ, Сложность использования формулы объясняется тем, что возрастание потребляемого тока при увеличении нагрузки на валу не означает возрастание активной составляющей этого тока Изменение произведения /2 cos у/2 имеет более сложный, неочевидный характер, в результате чего знания студентов о силе Ампера остаются невостребованными, а зависимость электромагнитного момента от частоты вращения - непонятной и непонятой Выполнение лабораторных исследований асинхронной машины не проясняет ситуации, поскольку традиционный измерительный прибор — амперметр, предоставляет информацию о токе 12, а не о его активной составляющей I2<os\i/2 Применение векторографа во время исследования двигателя позволит получать информацию о токе ротора в виде, представленном на рисунке 4 При изменении нагрузки на валу двигателя от максимальной до нулевой, ток ротора равномерно уменьшается и принимает значения от пускового /2'„ до холостого хода 1'1ХХ , а проекция вектора этого тока на ось вектора сетевого напряжения изменяется от некоторого значения до нуля, проходя максимум при критическом значении роторного тока 11К Полученное представление электрических величин наглядно, информативно и позволяет использовать формулу Ампера для объяснения формы механической характеристики асинхронной машины Без него связь электромагнитного момента асинхронного двигателя с потребляемым обмоткой ротора током неочевидна (рис 4 б)

В работе приведен пример включения компьютерного эксперимента в лекционное занятие по теме "Переходные процессы в линейной электрической цепи с источником импульсного напряжения". Демонстрационный эксперимент, заключающийся в подключении асинхронного двигателя с неподвижным ротором

к трехфазному инвертору напряжения, представляет собой решение задачи, ориентированной на специализированные дисциплины старших курсов В основе решения задачи - явление электромагнитной индукции Цель лекции и демонстрационного эксперимента заключается в том, чтобы, на основе понимания физических основ этого явления, используя математические инструменты, применяемые в электротехнике, получить представление о сложном техническом устройстве, как об объекте, познаваемом имеющимися у студентов средствами

В работе показано как, на примере работы сложного электротехнического устройства - электронного преобразователя частоты, не употребляя специальных терминов "тиристор", "закон управления тиристорами", "угол проводимости тиристора", "скольжение" и т п, начав движение от фундаментального понятия об инерции, в данном случае - электромагнитной инерционности катушки индуктивности, объяснить физический смысл расчета цепи при помощи интеграла Дюамеля Применение компьютерного моделирования дает возможность на протяжении одного лекционного занятия преодолеть весь маршрут, от постановки специализированной задачи, через разработку модели исследуемого объекта, к исследованию поведения модели при помощи заявленного в теме лекции расчетного метода В этом маршруте нетрудно видеть цикличность научного творчества Результатом первичного, проведенного еще в курсе физики опыта, является факт ток в Я-Ь цепи нарастает плавно и описывается экспоненциальной зависимостью, полученной при решении дифференциального уравнения г к + Ь — = и

На основании этих данных выдвигается гипотеза при периодическом скачкообразном изменении питающего напряжения ток, возникающий в цепи, может быть представлен как результат сложения отдельных экспонент тока

и ( —Л

1 = — 1-е ' 1, являющихся реакцией цепи на эти скачки Это предположение

Л I )

проверяется в ходе вычислительного эксперимента. Результаты эксперимента анализируются и сравниваются с результатами применения альтернативной математической модели, после чего делаются новые выводы

Таким образом, у студентов формируется представление о новом расчетном методе как о необходимой и логичной трансформации известных физических понятий При этом название метода и строгая последовательность в изложении его сути приобретают второстепенное значение и уступают место выработке собственных алгоритмов решения конкретных задач Достигается не усвоение материала, а его понимание

Третий аспект применения компьютерного моделирования, заключающийся в создании условий для включения в учебную экспериментальную деятельность метода поисковых проб, в работе проиллюстрирован примером организации подготовки к натурному исследованию Данная методика является альтернативой традиционной теоретической подготовке к лабораторному занятию Традиционная работа с теоретическими источниками является малоэффективной, если не содержит индивидуального задания, а включение такого задания затруднительно из-за необходимости проверки его выполнения преподавателем, обсу-14

Рис. 5. Вид монитора при выполнении виртуальной лабораторной работы

ждения и исправления ошибок. Требуется такая методика организации подготовительной работы студентов, при которой активность студентов оказывалась бы высокой на всех этапах выполнения задания - расчет, проверка, уточнение, возможно, повторный расчет, повторная проверка и так далее - до получения требуемого результата, а активность преподавателя была сведена к нулю. Компьютерное моделирование позволяет справиться с этой задачей, организовав подготовку в форме виртуальной лабораторной работы. На рисунке 5 представлен вид монитора компьютера, на котором развернуты электронные методические указания и окно программы, имитирующей работу электрической цепи и измерительных приборов. Все этапы подготовительной работы соответствуют этапам лабораторного исследования, включающего подбор измерительной аппаратуры, сборку цепей, электрические измерения и обработку их результатов. При этом необходимая для натурного эксперимента теоретическая подготовка производится в неявном виде, постановкой исследовательской задачи, например: проверить выполнение первого и второго правил Кирхгофа, подтвердить соблюдение принципа суперпозиции, опытным путем доказать теорему взаимности. Правильность выполнения задания проверяется просто - суммы токов и напряжений должны быть равны нулю, сумма составляющих токов должна равняться полному току, взаимные проводимости должны быть равны между собой и т. п„ но, чтобы добиться этих равенств, студенту требуется изучить теорию в необходимом именно ему аспекте, освоить методику выполнения измерений, произвести поиск и анализ ошибок, связанных с неверным использованием формул и несоответствующим применением измерительных приборов. После проведенной студентом работы проверка отчета преподавателем носит формальный характер и не требует значительных затрат времени.

Рассмотренная методика организации самостоятельной учебной деятельности по изучению электромагнитных явлений не требует жесткой алгоритмизации действий студента, приближает его деятельность к научному творчеству, оставляя преподавателю консультационные функции. Пройдя компьютерную подготовку, студент в большей степени, чем без нее, способен самостоятельно планировать и осуществлять натурное исследование.

В третьей главе "Организация и результаты педагогического эксперимента" представлены результаты применения разработанных методик в Мурманском государственном техническом университете

На констатирующем этапе эксперимента обоснована актуальность темы исследования, изучены возможности, предоставляемые современными компьютерными технологиями для развития интеллектуальных способностей, исследовательских навыков и творческой активности студентов, проанализирована целесообразность интеграции виртуального компьютерного эксперимента с традиционными формами проведения учебных занятий с позиций основных педагогических принципов, сформулирована рабочая гипотеза исследования

На поисковом этапе эксперимента были разработаны принципы и технология организации учебного процесса при активном использовании в нем компьютерного моделирования, разработаны электронные методические указания, компьютерные приложения и инструментальные средства, реализующие разрабатываемую методику

На формирующем и контрольном этапах эксперимента апробирована методика применения компьютерного моделирования в изучении электромагнитных явлений В качестве критериев эффективности предложенной методики были приняты уровень сформированности знаний в отдельной предметной области, степень сформированности исследовательских навыков и умений, оцениваемая при выполнении исследовательского задания, степень саморегуляции при подготовке и выполнении лабораторного исследования, а также, степень самостоятельности студентов при оценке правильности собственных расчетов и умозаключений Достоверность получаемых результатов подтверждалась посредством применения метода проверки статистических гипотез

Полученные результаты показали, что использование предлагаемой методики закладывает основу для рассмотрения электромагнитных явлений и процессов во взаимосвязи их проявлений и с позиции единых физических основ, а также, позволяет существенно повысить относительное число студентов, осваивающих учебный материал на неформальном уровне, что проявляется в повышении их самостоятельности при выполнении учебных заданий

Таким образом, результаты педагогического эксперимента подтверждают гипотезу исследования и свидетельствуют о том, что применение компьютерного моделирования в изучении физических основ электромагнитных явлений в курсах общей физики и специальных дисциплин технического вуза педагогически целесообразно и эффективно

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и общие выводы работы состоят в следующем

1 Выявлено противоречие между целевыми установками физического образования на формирование у студентов технического вуза понимания физической основы электромагнитных явлений, и имеющейся практикой изложения материала специальных дисциплин, нивелирующей значение этой основы

2 Раскрыты дидактическое значение компьютерного моделирования в изучении физических основ электромагнетизма и его роль, как важного фактора, определяющего эффективность, качество и неформальный характер обучения 16

Раскрыты возможности компьютерного моделирования в модернизации эксперимента — натурного, вычислительного, демонстрационного и в оптимизации самостоятельной учебной деятельности студентов

3 Показано, что компьютерное моделирование является средством расширения экспериментальной и инструментальной базы лабораторной деятельности и рассматривается как дополнение к традиционным инструментам и средствам исследования, развивавшимся по мере становления общечеловеческих представлений об электричестве

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

5 На базе нового инструментального средства и компьютерных приложений, использующих аналогичную компьютерную модель, разработана методика исследования электромагнитных явлений и электротехнических объектов, обеспечивающая преемственность методологии обучения физическим основам электромагнетизма в курсах общей физики и специальных дисциплин

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

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

8 В результате педагогического эксперимента доказана эффективность методики применения компьютерных моделей с целью формирования исследовательских навыков и умений, повышения уровня знаний и стимулирования самостоятельности студентов при осуществлении их учебной деятельности

Основные положения диссертационного исследования отражены в следующих публикациях

1 Саватеев ДАО возможности применения современных компьютерных технологий в преподавании электротехнических дисциплин // Наука и образование - 2004 Материалы международной научно-технической конференции -Мурманск, 07-15 апреля 2004 г / МГТУ - Мурманск, 2004 - С 144-148. - 0,16 пл

2 Саватеев Д А Возможности использования НИТ в практике преподавания электротехники // Физика в школе и вузе Выпуск 1 Международный сборник научных статей - СПб Издательство РГПУ им А И Герцена, 2004 - С 292297 - 0,2 пл

3 Саватеев Д А Роль компьютерных технологий в оптимизации самообучения // Наука и образование — 2005 Материалы международной научно-технической конференции - Мурманск, 06-14 апреля 2005 г / МГТУ - Мурманск, 2005 - С 99-102 -0,16пл

4 Саватеев ДА Использование инструментального средства MATLAB GUIDE для создания графического интерфейса исследователя электрических цепей // Наука и образование - 2005. Материалы международной научно-технической конференции — Мурманск, 06-14 апреля 2005 г / МГТУ - Мурманск, 2005 - С 103-126.-0,16 пл

5 Саватеев Д А Использование компьютерных технологий для представления синусоидальных электрических величин в векторном виде // Физика в школе и вузе Выпуск 2 Международный сборник научных статей - СПб. Издательство РГПУ им А И Герцена, 2005 -С 130-134 -0,16пл

6. Саватеев Д А. Компьютерные технологии как фактор стимуляции вторичного непроизвольного внимания // Физика в школе и вузе Выпуск 2 Международный сборник научных статей - СПб Издательство РГПУ им А И Герцена, 2005 - С 147-151 -0,16пл

7 Саватеев Д А Применение компьютерного моделирования в исследовательском методе обучения // Физика в школе и вузе Выпуск 3 Международный сборник научных статей - СПб Издательство РГПУ им А И Герцена, 2005 -С 122-126 -0,16 п л

8 Саватеев Д А Игры, в которые играют студенты // Физика в школе и вузе Выпуск 3 Международный сборник научных статей - СПб Издательство РГПУ им А И Герцена, 2005 - С 141-147 -0,2пл

9. Саватеев Д А Замена традиционной теоретической подготовки к лабораторному практикуму компьютерной игрой // Наука и образование - 2006 Материалы международной научно-технической конференции - Мурманск, 04-12 апреля 2006 г / МГТУ - Мурманск, 2006 - С 147-149 -0,125 пл

10 Саватеев ДА Решение проблемы наглядности при исследовании электрических цепей синусоидального тока // Наука и образование — 2006 Материалы международной научно-технической конференции — Мурманск, 04-12 апреля 2006г /МГТУ-Мурманск,2006 - С 150- 151 -0,08пл

11 Саватеев Д А Применение компьютерных технологий для визуализации электрических величин // Физика в школе и вузе Выпуск 4 Международный сборник научных статей - СПб Издательство РГПУ им А И Герцена, 2006 -С 162-165 -0,125 пл

12 Саватеев ДАО необходимости совершенствования натурного эксперимента // Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики Материалы международной научно-практической конференции - Екатеринбург, 3-4 апреля 2006 г В 2 ч / Урал гос пед ун-т - Екатеринбург, 2004 -Ч 2 - С 115-118 -0,125 пл

13 Саватеев Д А Компьютерное моделирование в изучении физических основ электромагнитных явлений в курсах общей физики и специальных дисциплин технического вуза // Известия РГПУ им А И Герцена №10(31) Научный журнал Педагогика и психология, теория и методика обучения - СПб, 2007, апрель. - С 223-225 - 0,125 пл

АВТОРЕФЕРАТ

Саватеев Дмитрий Анатольевич

Редактор Рябчевская JI JI Издательство «Инфо-да» Лицензия ИД № 04720 от 08 05 2001

Подписано в печать 20 04 2007 Заказ №674 Формат 60x90 1/16 Гарнитура Times New Roman Уел печ л 1,13 Бумага кн -журн Репрография Тираж 100 экз

Издательство «Инфо-да» 191186, г Санкт-Петербург, Наб кан Грибоедова, д 27 Телефон (812)315-63-09

Отпечатано в «Центре оперативной полиграфии» 190031, г Санкт-Петербург, Столярный переулок, д 10-12 Телефон (812)315-20-18

Содержание диссертации автор научной статьи: кандидата педагогических наук, Саватеев, Дмитрий Анатольевич, 2007 год

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПСИХОЛОГО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Роль и место эксперимента в мышлении, процессе познания и в учебном процессе технического вуза

1.2. Анализ возможностей использования компьютерного моделирования в практике изучения физических основ электромагнитных явлений

1.3. Использование компьютерного моделирования - средство повышения эффективности учебной деятельности студентов

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ИЗУЧЕНИИ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

2.1. Применение компьютерного моделирования с целью модернизации натурного эксперимента

2.2. Применение компьютерного моделирования с целью модернизации демонстрационного эксперимента.

2.3. Использование компьютерного моделирования для оптимизации самостоятельной учебной деятельности студентов

ГЛАВА 3. ОРГАНИЗАЦИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

3.1. Организация педагогического эксперимента

3.2. Состояние проблемы изучения физических основ электромагнитных явлений в практике преподавания физики и специальных дисциплин вуза

3.3. Формирующий эксперимент 130 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 145 БИБЛИОГРАФИЯ

Введение диссертации по педагогике, на тему "Компьютерное моделирование в изучении физических основ электромагнитных явлений в курсах общей физики и специальных дисциплин технического вуза"

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Теоретико-методологическую основу исследования составляют:

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

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

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

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

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

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:

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

- анализ теории и методики обучения разделу общей физики "Электродинамика";

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

Достоверность и обоснованность результатов обеспечиваются:

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

- использованием различных методов исследования, соответствующих поставленным задачам;

- апробацией разработанной методики в вузах России.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

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

На защиту выносятся следующие положения:

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

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

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

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

Основные результаты и общие выводы работы состоят в следующем:

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

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

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

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертации автор научной работы: кандидата педагогических наук, Саватеев, Дмитрий Анатольевич, Санкт-Петербург

1. Алешкевич В. А. Мировые тенденции развития физического образования // Физика в системе современного образования - 2005. Материалы восьмой международной конференции - С.-Пб., 29 мая - 3 июня 2005 г. - С.-Пб.:Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2005. - 704с.

2. Амосов Н. М. Алгоритмы разума. Киев: Наук. Думка, 1979. 246с.

3. Анисимова Н. И. Деятельностный аспект процесса обучения. // Физика в школе и вузе. Выпуск 1. Международный сборник научных статей. СПб.: Издательство РГПУ им. А.И.Герцена, 2004. - 332с.

4. Анисимова Н.И., Сельдяев В.И. Применение виртуального инструментария в исследовательских лабораторных работах / Актуальные проблемы обучения физике в школе и вузе. СПб.: Издательство РГПУ им. А.И. Герцена. 2003.

5. Анциферов Л.И. Роль имитационного эксперимента в курсе физики. // Проблемы учебного физического эксперимента: Сборник научн. и метод, работ. Вып.2, Глазов: ГГПИ, 1996.

6. Арнхейм Р. Визуальное мышление. // Хрестоматия по общей психологии. Психология мышления. М., 1981. - 367с.

7. Атабеков Г. И. Теоретические основы электротехники. М.-Л.: "Энергия", 1966, 320 с.

8. Беспалько В. П. Проблема образования в США и России. // Педагогика. 1995. №1. С. 17-20.

9. Беспалько В.П. Образование и обучение с участием компьютера (Педагогика третьего тысячелетия). М.:Изд-во Московского психолого-социального института; Воронеж: Изд-во НПО «МОДЭК», 2002.- 353с.

10. Беспалько И.И. Компьютерные модели в системе средств обучения физике //Проблемы учебного физического эксперимента.: Сборник научн. и метод. работ. Вып.2, Глазов: ГГПИ, 1996, с.73-74.

11. Бессонов J1. А. Теоретические основы электротехники. М., "Высшая школа", 1975.-750с.

12. Бордовский В. А. Современные требования к педагогическим технологиям // Проблемы совершенствования физического образования: Сборник научных статей. С.-Пб.: Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 1998. 188с.

13. Бордовский В.А., Ланина И.Я., Леонова Н.В. Инновационные технологии при обучении физике студентов педвуза. Учебно-методическое пособие. СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2003. - 265 с.

14. Бордовский Г.А. Физические основы естествознания. СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2001.

15. Бурцева Н. М. Роль исследовательской деятельности учащихся в воспитании их информационной культуры. // Физика в школе и вузе. Выпуск 1. Международный сборник научных статей. СПб.: Издательство РГПУ им. А.И.Герцена, 2004. - 332с.

16. Бутиков Е. И., Быков А. А., Кондратьев А. С. Физика в примерах и задачах: Учебное пособие. 2-е изд., стер. - М.: Наука. 1983. - 464с.

17. Вавилов С. И. Собрание сочинений. Т. 3. М., 1956.

18. Важеевская Н. Е. О наглядности в физике и методике преподавания физики // Физика в системе современного образования 2005: Материалы восьмой международной конференции. С.-Пб., 2005.

19. Гальперин П. Я. Формирование умственных действий. // Хрестоматия по общей психологии. Психология мышления. М., 1981. - 367с.

20. Грабарь М. И., Краснянская К. А. Применение математической статистики в педагогических исследованиях. Непараметрические методы. М., Педагогика, 1977.- 136с.

21. Гулда X., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике. В 2 частях. М.: Мир, 1990.

22. Гусинский Э.Н. Образование личности. Личность Формирование -Культура. - Философские проблемы. - М., 1994. - 254с.

23. Давыдов В. ВВ. Проблема развивающего обучения. М.: Педагогика,1986.

24. Джемс У. Мышление. // Хрестоматия по общей психологии. Психология мышления. М., 1981. - 367с.

25. Закон Российской Федерации «Об образовании» // Сборник законов Российской Федерации. -М.: Славянский дом книги, 1999.

26. Зинченко В.П. Современные проблемы образования и воспитания // Вопр. философии.-1973.-11.-С.42—46

27. Извозчиков В.А. Дидактические основы компьютерного обучения физике: учебное пособие. М., 1987.

28. Извозчиков В.А. К обсуждению Концепции модернизации российского образования на период до 2010 года: образовательные информации как ин-формологический процесс // Наука и школа. 2004, № 3.

29. Каплянский А. Е. Методика преподавания теоретических основ электротехники. М., "Высшая школа", 1975. 141с.

30. Кларин М. В. Инновационная модель обучения в зарубежных педагогических поисках. -М.: Арена, 1994.

31. Кларин М. В. Инновации в обучении: метафоры и модели. Анализ зарубежного опыта. М.: Наука, 1997.

32. Кондратьев А. С. Современные проблемы в системе физического образования. // Проблемы совершенствования физического образования. Сборник научных статей. С.-Пб., Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 1998. 188с.

33. Кондратьев А.С. и др. Методология физической теории в школьном курсе физики. Инта, 1994.

34. Кондратьев А.С. О содержательном аспекте курса физики средней школы // Физика в школе и вузе. Выпуск 1. Международный сборник научных статей. СПб.: Издательство РГПУ им. А.И.Герцена, 2004. - 332с.

35. Кондратьев А.С. Тенденции развития обучения физике в средней школе. // Методологические проблемы физического образования: Материалы научной конференции «Герценовские чтения». СПб.: Образование, 1995.

36. Кондратьев А.С., Лаптев В.В. Физика и компьютер. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989.

37. Кондратьев А. С., Прияткин Н. А. Современные технологии обучения физике. СПб.: Изд-во СПб ун-та, 2006. - 342с.

38. Концепция модернизации российского образования на период до 2010 года. Вестник образования России. 2002, № 6.

39. Концепция профильного обучения на старшей ступени общего образования. М, 2002.

40. Кочетов А. И. Культура педагогического исследования. Минск: Редакция журнала "Адукацыя и выхованне", 1996.

41. Кулаков В. Е., Ситнова Е. В., Хромова Л. А. Личностно-ориентированные технологии при обучении физике. // Физика в школе и вузе. Сборник научных статей. С.-Пб.: Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2005.

42. Куренная Л. Ф. Карулина Е. А., Попова И. О. Выполнение курсовых работ как средство развития исследовательских умений и навыков студентов. // Физика в школе и вузе. Сборник научных статей. С.-Пб.: Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2005.

43. Лагутина А. А., Ханин С. Д. Формирование подходов к поиску методов экспериментального изучения физических явлений. // Физика в школе и вузе. Сборник научных статей. С.-Пб., Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2005.

44. Лагутина А. А. Методы экспериментального исследования в содержании лекций по курсу общей физики. // Физика в школе и вузе. Выпуск 1. Международный сборник научных статей. СПб.: Издательство РГПУ им. А.И.Герцена, 2004. - 332с.

45. Лагутина. А. А. Формирование исследовательских умений методического обеспечения эксперимента в физическом образовании. Атореф. дисс. . кандидата пед. наук. СПб., 2006.

46. Ланина И.Я. Ларченкова Л.А. Учение с увлечением на уроках решения задач по физике: Пособие для учителей и студентов педагогических институтов. СПб.: ООО «Миралл», 2005.

47. Лаптев В. В. Важные проблемы компьютерного обучения в современной школе. // Проблемы совершенствования физического образования. С.-Пб., Издательство РГПУ им. Герцена, 1998. 188с.

48. Лаптев В.В., Швецкий М.В. Методическая система фундаментальной подготовки в области информатики. Теория и практика многоуровневого педагогического университетского образования. СПб., 2000.

49. Левитес Д.Г. Школа для профессионалов, или Семь уроков для тех, кто учит. -М.: Московский психолого-социальный институт; Воронеж: Издательство НПО «МОДЕК», 2001.

50. Левитов Н. Д. Психология характера. Изд. 3-е перераб. - М.: Просвещение, 1969.

51. Леонтьев А. Н. Мышление. // Хрестоматия по общей психологии. Психология мышления. М., 1981.

52. Пб., 29 мая 3 июня 2005 г. - С.-Пб.:Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2005. -704с.

53. Лужков А. А., Марченко А. В. Особенности установления термодинамического равновесия при компьютерном моделировании. // Физика в школе и вузе. Сборник научных статей. С.-Пб.: Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2005.

54. Лужков А. А., Марченко А. В. Решение физических задач на компьютере в формате интерактивных WEB-страниц. // Физика в школе и вузе. Сборник научных статей. С.-Пб.: Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2004.

55. Маркова И. В. Философский аспект проблемы наглядности в физике. // Проблемы совершенствования физического образования. Сборник научных статей. С.-Пб., Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 1998.

56. Мезин Е. К. Судовые электрические машины. Учебник. Л.: Судостроение, 1985.-320с., ил.

57. Минасян Л.А. О формировании некоторых пространственных представлений учащихся при изучении стереометрии // Преподавание алгебры и геометрии в школе (из опыта работы): Пособие для учителей /Сост. О.А. Бо-ковцев. М.: Просвещение, 1982. - 223 с.

58. Модернизация общего образования: вариативный личностно-направленный учебный план школы / Под ред В.В.Лаптева, А.П.Тряпицыной. -СПб.: ООО «Береста», 2002. 95 с.

59. Назаров А.И. Информационные и коммуникационные технологии в системе открытого обучения физике в региональном вузе. Атореф. дисс. . д-ра пед. наук.-СПб., 2005.

60. Наливайко Н.В. Проблемы формирования образовательной доктрины в контексте самоорганизации государственной власти в России. / Самоорганизация и организация власти. Новосибирск, 2000.

61. Национальная доктрина образования в Российской Федерации. Постановление Правительства Российской Федерации от 4 октября 2000 г. №751. // Электронный ресурс http://www.informika.ru/windows/magaz/ newpaper/messedu/courOO 10/2300.html#up

62. Негодин Д. А. Компьютерное моделирование оптических процессов. // Физика в школе и вузе. Сборник научных статей. С.-Пб.,

63. Новые педагогические и информационные технологии в системе образования: Учеб. пособие для студ. пед. вузов и системы повыш. квалиф. пед. кадров /Под ред. Е.С. Полат. М.: Академия, 2000. - 272 с.

64. Оноприенко О.В., Яковлева Т.А. Использование электронно-вычислительной техники в физическом практикуме. // Проблемы преподавания физики в современной школе. СПб.: РГПУ им. А.И. Герцена, 1993.

65. О преподавании учебного предмета «Физика» в условиях введения федерального компонента государственного стандарта общего образования. Методическое письмо // Физика в школе. 2004, № 6.

66. Пиаже Ж. Избранные психологические труды. Психология интеллекта. -М.: Просвещение, 1969.

67. Подласый И. П. Педагогика. М., Просвещение, 1996. 631с.

68. Пойа Д. Математическое открытие. М., 1970.

69. Потемкин В. Г. Инструментальные средства MATLAB 5.Х. М., Диалог-МИФИ, 2000. 332 с.

70. Потемкин В. Г. MATLAB 6: среда инженерных приложений. М., Диалог МИФИ, 2003:-444 с.

71. Потемкин В. Г. Вычисления в среде MATLAB. М., Диалог МИФИ, 2004.-714 с.

72. Прокопенко М. В. Использование компьютерного планетария при обучении астрономии. // Физика в школе и вузе. Сборник научных статей. С.-Пб., Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2005.

73. Прокопенко М. В. Содержание и структура астрофизической подготовки учителя физики в системе дополнительного образования. Атореф. дисс. . кандидата пед. наук. СПб., 2006.

74. Разумовский В. Г. Развитие творческих способностей учащихся в процессе обучения физике. М.: Просвещение 1975.

75. Резник Н. А. Методические основы обучения математике в средней школе с использованием средств развития визуального мышления: Дис. .докт. пед. наук, Мурманск, 1997,223с.

76. Резник Н. А. Технология визуального мышления // Теория и практика продуктивного обучения. Коллективная монография под. ред. М. И. Башмако-ва. М.: Народное образование, 2000.

77. Реформы и развитие высшего образования: Программный документ ЮНЕСКО, 1995.

78. Рубинштейн С. JI. О природе мышления и его составе. // Хрестоматия по общей психологии. Психология мышления. М., 1981.

79. Сачков Ю. В. Научный метод и его структура // Вопросы философии. 1983.-№2.

80. Смирнов А. А., Хинич И. И. Технологический подход к построению лабораторного практикума в вузе. // Физика в школе и вузе. Сборник научных статей. С.-Пб., Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2004.

81. Соколова И. И., Положенцева JI. Д. Лабораторный практикум по астрономии и астрофизике для педагогического вуза на основе Интернет-ресурсов. // Физика в школе и вузе. Сборник научных статей. С.-Пб., Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2005.

82. Сухарев В. А. Психология интеллекта. Донецк: Сталкер, 1997.

83. Теория и методика обучения физике в школе: Общие вопросы: Учеб. Пособие для студ. Высш.пед.учеб. заведений / С.Е. Каменецкий, Н.С. Пурыше-ва, Н.Е. Важеевская и др.; Под ред. С.Е. Каменецкого, Н.С. Пурышевой. М.: Издательский цент «Академия», 2000.

84. Тихомиров О. К. Информационная и психологическая теории мышления. //Хрестоматия по общей психологии. Психология мышления. -М., 1981.

85. Трофимова Т. И. Курс физики: учебное пособие для вузов. М: Высшая школа, 2003. - 541 е.: ил.

86. Философский энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983.

87. Ханин Д. С. Формирование представлений и понятий физики конденсированного состояния вещества в задачах общего курса физики. Атореф. дисс. кандидата пед. наук. СПб., 2005.

88. Ханин С. Д. Физическое образование студентов естественнонаучных специальностей в условиях модернизации образования // Физика в системе современного образования 2005. Материалы восьмой международной конференции. С.-Пб., 2005.

89. Ханин С.Д., Шиян А.А. Технология проектирования и проведения учебных исследовательских заданий по решению физико-технических задач / Новые технологии в преподавании физики: школа и вуз. М., 2000.

90. Холодная М. А. Психология интеллекта: парадоксы исследования. -М.-Томск, 1997.-391с.

91. Шишкина М. Н. Реализация концепции профильного обучения физике на современном этапе развития старшей школы. Атореф. дисс. . кандидата пед. наук. СПб., 2006.

92. Шишкина М. Н. Наиболее приемлемые в профильной школе технологии обучения физике. // Физика в школе и вузе. Сборник научных статей. С.-Пб., Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2005.

93. Шиян Н. В. Современные подходы к выбору методов обучения. // Проблемы совершенствования физического образования. Сборник научных статей. С.-Пб., Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 1998.

94. Шиян Н. В., Шиян А. А. Создание и использование электронного учебника как одно из направлений повышения качества физического образования. // Физика в школе и вузе. Сборник научных статей. С.-Пб., Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2005.

95. Шиян А. Ф., Шиян А. А., Саватеев Д. А. Возможности ПЭВМ для совершенствования натурного эксперимента. // Физика в школе и вузе. Сборник научных статей. С.-Пб., Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2004.

96. Шиян А. Ф. Усиление роли физики в системе фундаментального образования // Проблемы совершенствования физического образования. Сборник научных статей. С.-Пб., Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 1998.

97. Шиян А. Ф., Шиян А. А., Саватеев Д. А. Исследование натурных объектов средствами домашней компьютерной лаборатории. // Физика в школе и вузе. Сборник научных статей. С.-Пб., Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2005.

98. Шиян А. Ф., Шиян П. А. Применение пакета символьных вычислений "Mathematica" в электротехнике. // Физика в школе и вузе. Сборник научных статей. С.-Пб., Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2006.

99. Штофф В. А. Моделирование и философия, М.; JL, 1966.

100. Reusser, Kurt (1988). Problem Solving beyond the Logic of Things: Contextual Effects on Understanding and Solving Word Problems. Instructional Science 17:309-38.

101. Robert Tinker. Information Technologies in Science and Mathematics Education.The Concord Consortium Inc. (http://www.concord.org/ publications/ de-tail/itsme-98.html)