автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Методическая система экспериментальной подготовки по физике студентов вузов в цикле естественнонаучных дисциплин

Автореферат диссертации по теме "Методическая система экспериментальной подготовки по физике студентов вузов в цикле естественнонаучных дисциплин"

На правах рукописи

Калачев Николай Валентинович

МЕТОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ ПО ФИЗИКЕ СТУДЕНТОВ ВУЗОВ В ЦИКЛЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ДИСЦИПЛИН

13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания (физика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора педагогических наук

Москва 2013

1 з і::ол 2013

005531590

005531590

Работа выполнена на кафедре теории и методики обучения физике факультета физики и информационных технологий ФГБОУ ВПО «Московский педагогический государственный

университет»

Научный консультант: доктор педагогических наук, профессор

СМИРНОВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

Официальные оппоненты:

АЙЗЕНЦОН АЛЕКСАНДР ЕФИМОВИЧ

доктор педагогических наук, профессор, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училища (военный институт) имени генерала армии В.Ф. Маргелова, (филиал) ФГВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр сухопутных войск «Общевойсковая академия вооруженных сил Российской Федерации» кафедра математических и естественнонаучных дисциплин, профессор кафедры

ГЛАДУН АНАТОЛИЙ ДЕОМИДОВИЧ доктор физико-математических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Московский физико-технический институт (государственный университет)», кафедра общей физики, профессор кафедры

ДАНИЛЬЧУК ВАЛЕРИЙ ИВАНОВИЧ

член-корреспондент РАО, доктор педагогических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный социально-педагогический университет», кафедра теории и методики обучения физике и информатике, заведующий кафедрой

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный

университет»

Защита состоится «23» сентября 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.154.05 при ФГБОУ ВПО «Московский педагогический государственный университет» по адресу: 119991, г. Москва, ГСП - 1, ул. М. Пироговская, д. 29, ауд. № 49

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский педагогический государственный университет» по адресу: 119991, г. Москва, ГСП - 1, ул. М. Пироговская, д. 1.

Автореферат разослан «0 ^ 2013 г-

Ученый секретарь /?

диссертационного совета /л__ ПРОЯНЕНКОВА Лидия Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В современных условиях многие учреждения ВПО Российской Федерации проходят этап преобразования в инновационные университеты, национальные исследовательские университеты и федеральные университетские центры, в которых осуществляется подготовка бакалавров, магистров и специалистов, обладающих полноценным творческим потенциалом и способных вести на базе современных фундаментальных научных исследований разноплановую научно-исследовательскую, внедренческую деятельность в большом диапазоне наукоемких технологий и специальностей.

Поставленные в инновационных программах подготовки кадров в высших учебных заведениях и в концепции коренной модернизации российского образования на период до 2020 года1 задачи будут выполняться при оптимальном сочетании профессиональной и фундаментальной направленности образования, при значительном усилении творческого компонента учебной деятельности и реализации компетентностного, исследовательского, контекстного и практико-ориентированного подходов к обучению. В этой связи новые подходы в обучении физике и другим естественнонаучным дисциплинам следует рассматривать как неотъемлемую часть полноценного образования, направленного на решение поставленных перед ним задач и вносящего существенный вклад в развитие творческой личности, владеющей методологией инновационной внедренческой деятельности, личности, которая готова квалифицированно и самостоятельно решать сложные профессиональные задачи.

Для формирования у студентов исследовательских компетенций в учебные планы зарубежных и российских вузов включены различные формы занятий, позволяющих эти качества сформировать и развить. К таким видам занятий относятся лабораторные физические практикумы (ФП) в цикле естественнонаучных дисциплин, позволяющие в процессе обучения формировать у студентов навыки научно-исследовательской деятельности.

В базовые естественные науки входят астрономия, биология, география, геология, физика и химия. Все они используют математическое или компьютерное моделирование для описания рассматриваемых явлений.

Выполненный нами констатирующий эксперимент указывает на то, что в настоящий период во многих вузах наблюдается устойчивая тенденция сокращения числа часов на экспериментальную подготовку студентов, а содержание и методы проведения лабораторных практикумов не позволяют сформировать у студентов исследовательские компетенции на требуемом стандартами уровне.

Педагогический эксперимент показал, что проблема может быть решена, если: 1) изменить методику проведения лабораторных ФП так, чтобы формирование исследовательских компетенций, в сочетании с развитием творческой личности в процессе учебной исследовательской и научно-исследовательской деятельности, базировалось на современных информационных технологиях как

1 Распоряжение Правительства Российской Федерации № 1662-р от 17.11.2008 т. "О Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года".

основном средстве поддержки новой формы образования — открытого образования; 2) проводить лабораторные ФП с учетом комплексной организации самостоятельной работы студентов поисково-исследовательского характера с использованием современных ИКТ.

Существует достаточно большое число исследований, посвященных различным связанным с нашим исследованием аспектам теории и методики проведения физических практикумов в школе и в вузе, в том числе проблеме их оптимизации, а также методике обучения физике в вузе. Среди них:

работы Ю.К. Бабанского, В.А. Сластенина, В.П. Каширина и др., посвященные оптимизации учебного процесса в целом и физического практикума, в частности; труды Л.И. Анциферова, разработавшего концепцию системности и оптимизации школьного физического эксперимента, исследования Р.И. Малафеева, создавшего методику проблемного обучения при выполнении физического эксперимента. Значительный вклад в теорию и практику использования учебного эксперимента при обучении физике внесли также В.А. Буров, С.Е. Каменецкий, В.В. Майер, Н.Я. Молотков, A.A. Покровский, С.А. Хорошавин, Т.Н. Шамало, Н.М. Шахмаев, В.Ф. Шилов и другие;

исследования по методике обучения физике в системе высшего профессионального образования, выполненные А.Е. Айзенцоном, А.Д. Гладуном, Г.В. Ерофеевой, В.В. Ларионовым, Л.В. Масленниковой, И.А. Мамаевой, Е.Б. Петровой, A.A. Червовой и др., в которых существенное место отведено экспериментальной подготовке студентов;

работы А.Д. Гладуна, В.В. Ларионова, Г.Г. Никифорова, В.Г. Разумовского, В.В. Смирнова, A.B. Усовой, С.А. Хорошавина, Т.Н. Шамало, Н.И. Шефер и др., посвященные проблемно-исследовательскому обучению физике и исследовательским образовательным технологиям;

исследования, рассматривающие применение современных информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) в обучении физике в учреждениях ВПО (Г.А. Бордовский, Ю.С. Брановский, Е.В. Данильчук, В.А. Извозчиков, В.В. Лаптев, М.П. Лапчик, В.В. Ларионов, A.B. Могилев, А.И. Назаров, Е.С. Полат, Т.К. Смыковская, и др.).

Наиболее близкими к теме нашего исследования являются работы В.В. Смирнова и В.В. Ларионова, которые посвящены методике экспериментальной подготовки студентов в физических практикумах. Однако В.В. Смирнов решает проблему организации и проведения практикума по общей физике при обучении будущих учителей физики, которая входит в профессиональный блок основной образовательной программы, при этом все лабораторные работы выполняются на реальном оборудовании. Диссертация В.В. Ларионова посвящена проблемно-ориентированной очной системе обучения физике студентов технических вузов и не содержит элементов открытого образования.

В то же время наметившаяся к началу XXI века тенденция получения высшего образования заочным (дистанционным) путем привела к развитию новых форм обучения - открытому образованию. Так, например, в Финансовом университете при Правительстве РФ после присоединения к нему в 2012 году

Всероссийского заочного финансово-экономического института, Государственного университета Министерства финансов РФ и Всероссийской государственной налоговой академии Министерства финансов РФ общее число обучаемых выросло до 85 ООО человек, но только 5 ООО из них обучаются по очной форме. В Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) обучаются 118 ООО человек в 37 филиалах 24 субъектов РФ, причем большая часть обучается по очно-заочной и заочной формах обучения. Аналогичная картина наблюдается в Санкт-Петербургском национальном минерально-сырьевом университете «Горный» - 16 875 обучаемых в 2012 году, из них 6 728 на очной форме обучения.

Несмотря на бурный рост обучаемых заочно, методическая система обучения физике, в том числе экспериментальная подготовка по физике в системе открытого образования, сочетания этой системы с традиционным очным и очно-заочным обучением, до настоящего времени не создана.

Кроме того, остается открытой проблема экспериментальной подготовки при изучении физики студентов нефизических специальностей, тех, для которых физика или естествознание входят в блок естественнонаучных и математических дисциплин.

Таким образом, проведенный анализ исследований, научно-методических публикаций, результаты констатирующего этапа педагогического эксперимента, выполненного в ходе настоящего исследования, показали, что, несмотря на особую значимость отмеченных выше научно-исследовательских работ, целенаправленные научно-педагогические исследования по разработке методической системы экспериментальной подготовки по физике студентов вузов в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования не проводилось. Практически полностью отсутствуют научно-методические работы, предлагающие новые концептуальные подходы к формированию содержания, организационно-процессуальных форм и методов проведения лабораторных физических практикумов в блоке естественнонаучных дисциплин, реализуемых в условиях открытого образования, развивающих исследовательские компетенции обучаемых и соответствующих новой программе модернизации отечественного физического образования.

Вышеизложенное позволило выделить ряд противоречий, связанных с экспериментальной подготовкой по физике студентов учреждений высшего профессионального образования:

• между потребностью современного общества в специалистах, способных использовать современные физические методы исследования в своей профессиональной деятельности, и существующим уровнем их экспериментальной подготовки при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин;

• между задачей формирования у студентов исследовательских компетенций и существующей системой их экспериментальной подготовки в процессе обучения физике, осуществляющейся в рамках традиционных технологий обучения, не позволяющих в полной мере формировать эти компетенции на современном уровне;

• между потенциалом физического практикума как формы и средства экспериментальной подготовки студентов к успешному решению профессиональных задач, связанных с исследовательской деятельностью и с применением физических методов исследования, и недостаточной разработанностью теоретических и методических основ их проведения в условиях реформирования системы образования;

• между возможностями системы открытого образования, широким внедрением его инструментария в образовательную практику и отсутствием методики проведения лабораторных физических практикумов в современных условиях открытого образования, направленной на формирование у студентов вузов исследовательских компетенций в процессе их самостоятельной поисковой учебно-исследовательской деятельности.

Из комплекса выявленных противоречий становится очевидной необходимость обоснования, разработки и практической реализации концепции и модели новой методической системы экспериментальной подготовки студентов учреждений высшего профессионального образования при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин применительно к современным условиям открытого образования (ОО).

Все изложенное свидетельствует об актуальности избранной темы исследования «Методическая система экспериментальной подготовки по физике студентов вузов в цикле естественнонаучных дисциплин», проблемой которого является поиск ответа на вопрос, какой должна быть система экспериментальной подготовки студентов вузов в цикле естественнонаучных дисциплин с учетом проходящего в настоящее время реформирования системы образования.

Объект исследования; процесс обучения физике студентов учреждений высшего профессионального образования.

Предмет исследования: методическая система экспериментальной подготовки студентов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в учреждениях высшего профессионального образования.

Цель исследования: обоснование, разработка и реализация концепции методической системы экспериментальной подготовки студентов в физических практикумах в цикле естественнонаучных дисциплин.

Гипотеза исследования: состоит в предположении о том, что экспериментальная подготовка студентов высших учебных заведений при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин обеспечит формирование их исследовательских компетенций и повышение качества обучения физике в условиях ОО, если содержательный и процессуальный компоненты этой подготовки в физических практикумах будут:

•базироваться на идеях компетентностного и системного подходов; •направлены на формирование элементов научно-исследовательского творчества студентов и организацию их самостоятельной поисковой учебно-исследовательской деятельности;

•учитывать современные достижения науки и наукоемких технологий;

•опираться на современный инструментарий новых информационных технологий;

•ориентироваться на самостоятельную деятельность студентов при выполнении учебного и научного исследований с использованием современных методов науки, предлагающих решение конкретных задач профессиональной деятельности.

В соответствии с целью и гипотезой исследования были поставлены следующие задачи:

1. Выявить состояние проблемы экспериментальной подготовки студентов учреждений высшего профессионального образования при изучении физике в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях реформирования системы высшего образования.

2. Выявить возможности системы открытого образования для формирования у студентов учреждений высшего профессионального образования исследовательских компетенций в процессе их экспериментальной подготовки.

3. Разработать концепцию методической системы экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования, направленную на формирование у студентов исследовательских компетенций и умений использовать современные физические методы исследования в будущей профессиональной деятельности.

4. Разработать модель методической системы экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования с учетом основных положений разработанной концепции.

5. Разработать методическую систему экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования.

6. Создать специальный методический комплекс мобильных средств реализации созданной методической системы экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования.

7. Провести педагогический эксперимент по проверке гипотезы исследования.

Методологическую основу исследования составили системный, дея-тельностный, компетентностный, информационный и личностный подходы, на основе которых были проведены анализ предмета данного исследования и синтез целостной концепции методической системы экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО. Эти подходы своей методологией опираются на фундаментальные принципы дополнительности научной логики и фактологии, детерминизма, преемственности научных теорий и полноты системного описания. Методологическим ориентиром являются соотнесение комплексного анализа результатов педагогического эксперимента, педагогической действительности,

теории и прогноза, что обусловило всю логику данного исследования: научное описание дидактических процессов в форме принятой концептуальной модели, ее оценку в ходе педагогического эксперимента, выбор ведущих идей и методик исследования.

Теоретическую основу исследования составили:

- системный подход и теоретические аспекты его реализации в педагогической теории и практике (С.И. Архангельский, В.П. Беспалько, М.А. Данилов, П.Ф. Каптерев, Ф.Ф. Королев, В.В. Краевский, В.П. Панасюк, В.В. Сериков, А.М. Суббето и др.);

- концепция личностно-ориентированного образования (H.A. Алексеев, Е.В. Бондаревская, В.И. Данильчук, В.В. Сериков, И.С. Якиманская и др.);

- идеи оптимизации учебного процесса, в том числе оптимизации физического эксперимента, (Л.И. Анциферов; Ю.К. Бабанский, В.П. Каширин, В.А. Сластенин, М.Г. Штракс);

- идеи проблемного обучения, в том числе с использованием физического эксперимента (Р.И. Малафеев, A.M. Матюшкин, М.И. Махмутов, М.М. Терен-тьев и др.);

- концепции подготовки студентов в области физического эксперимента (В.В. Лаптев, В.В. Ларионов, В .Я. Синенко, A.B. Смирнов, В.В. Смирнов, Г.П. Стефанова, Т.Н. Шамало и др.);

- результаты работ по теории и методике обучения физике в учреждениях высшего профессионального образования (А.Е. Айзенцон, Г.В. Ерофеева, В.В. Ларионов, Л.В. Масленникова, И.А. Мамаева, А.И. Пилипенко, А.И. Подольский, A.A. Червова и др.);

- результаты исследований по проблемам мультимедийной дидактики физики (A.M. Коротков, Е.В. Оспенникова, A.B. Смирнов, В.А. Стародубцев и

ДР-)-

Логика и основные этапы исследования

Исследование проводилось с 1994 по 2013 год и состояло из трех этапов.

На первом этапе (1994-2002 гг.) осуществлялся анализ методической, педагогической и научной литературы по исследуемой проблеме, основных нормативных и концептуальных документов, которые регламентируют образовательную деятельность в вузах на современном этапе; изучалось состояние проблемы экспериментальной подготовки студентов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в педагогической теории и практике, проблемы обучения в условиях открытого образования, формулировались цели и задачи исследования, а также исходной гипотезы исследования.

На втором этапе (2003-2007 гг.) разрабатывалась концепция методической системы экспериментальной подготовки студентов вузов в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования, модели методической системы, учитывающей основные положения разработанной концепции, конструировалась сама методическая система, создавался комплекс педагогических и методических средств ее реализации.

Третий этап (2008-2013 гг.) был посвящен реализации методической си-

стемы и проверке гипотезы исследования, оценке результативности разработанной методической системы, внедрению результатов исследования в педагогическую практику определению направлений и перспектив дальнейшего исследования изучаемой проблемы.

Научная новизна исследования

1. Обоснована необходимость создания новой методической системы экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин, позволяющей оптимально сочетать учебно-деятельностные, компетентностные и знаниевые компоненты, включающей в себя самостоятельную, учебную и учебно-научную исследовательскую работу обучаемых.

2. На методологическом и организационно-процессуальном уровнях предложено новое решение проблемы повышения эффективности экспериментальной подготовки бакалавров при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин посредством дистанционных физических практикумов (ФП) и эффективного формирования исследовательских компетенций обучаемых.

3. Разработаны концепция и модель методической системы экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО, базирующиеся на системном подходе. Основные положения концепции и элементы структуры методической системы направлены на создание и реализацию условий, способствующих формированию у обучаемых исследовательских компетенций, творческого подхода к физическому эксперименту, качественного освоения большого объема учебной информации, ее критического анализа, поиска нестандартных подходов к решению сложных физических задач в учебно-научной деятельности.

4. Разработана методическая система экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО, отвечающая методологии учебного научного исследования, проводимого в ходе выполнения учебного физического эксперимента в вузе за счет оптимального сочетания виртуального, натурного и вычислительного экспериментов. Созданные ФП служат основой для создания учебных физических лабораторий нового поколения, ориентированных на самостоятельное добывание знаний и самостоятельный характер учебно-исследовательской деятельности студентов в условиях ОО.

5. Разработаны варианты сочетания различных видов эксперимента в ФП (натурный, дистанционный, виртуальный) для разных форм обучения:

- для очной формы используются, в основном, натурные ФП, дополненные системами видеодопуска, проектирования и проведения натурного эксперимента, обработки экспериментальных данных и составления отчета;

- для очно-заочной формы часть работ (натурных) проводится в лабораториях, аналогично очной форме обучения, но основное отличие заключается в совмещении в одной лабораторной работе нескольких экспериментов. Другая часть ФП проводится в дистанционной и виртуальной формах с получением видеодопусков и составлением отчетов;

- для заочной формы основные ФП проводятся в виртуальной и дистанционной формах с получением видеодопусков и составлением отчетов. Во время зачетных сессий преподаватели, оснащенные комплексами мобильных средств ЭП, выезжают в филиалы вузов проведения компактных ФП на местах.

6. Доказано, что созданная методическая система экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО позволяет повысить качество обучения физике в учреждениях ВПО.

7. Создан специальный методический мобильный комплекс средств реализации методической системы ЭП студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО. В состав комплекса входят мобильные компьютеризированные видеосистемы, используемые для реализации физических экспериментов и для контроля полученных знаний и умений по физическому экспериментированию, специальные мобильные информационно-измерительные системы для выполнения физических измерений, мобильные системы управления физическим экспериментом для задания и определения физических параметров учебной экспериментальной установки; мобильные многофункциональные ФП, позволяющие проводить лабораторные работы в цикле естественнонаучных дисциплин по разным направлениям обучения (физика для физических специальностей, физика для технических специальностей, физика для педагогических специальностей, физика для специалистов естественнонаучного профиля и т.п.). Созданный методический комплекс может применять для обучения лиц с ограниченными возможностями (инвалидов и других обучаемых, не имеющих возможности посещать учреждение ВПО).

Теоретическая значимость результатов исследования состоит в том, что они вносят вклад в развитие теории и методики обучения физике в учреждениях высшего профессионального образования, т.к. расширяют представления о теоретических основах экспериментальной подготовки студентов в физических практикумах цикла естественнонаучных дисциплин за счет того, что:

- определены место и возможности открытого образования в экспериментальной подготовке студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин,

- обоснованы и разработаны варианты сочетаний видов физического эксперимента (натурного, дистанционного и виртуального) для разных форм обучения - очной, очно-заочной и заочной,

- обоснованы и разработаны варианты модели методических систем экспериментальной подготовки студентов для трех форм обучения (очной, очно-

заочной и заочной),

- определены принципы построения специального методического мобильного комплекса средств для реализации созданной методической системы ЭП студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО, позволяющие расширить предметные области их применения.

Практическое значение результатов исследования заключается в создании методических разработок, рекомендаций и пособий, новых исследовательских лабораторных работ. В частности:

- разработана методическая система экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики для различных форм обучения в цикле естественнонаучных дисциплин;

- разработаны учебно-методические комплексы дисциплин подготовки студентов в бакалавриате (специалитете) и магистратуре в технических университетах, включающие программы дисциплин, методические рекомендации;

- разработаны учебно-методические пособия по лекционному материалу, для практических и лабораторных занятий по физике, в которых отражена ведущая роль разработанной методической системы экспериментальной подготовки вузов для различных форм обучения;

- разработан учебно-методический комплекс лабораторных работ;

- разработан мобильный комплекс средств экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики для различных форм обучения в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО, в том числе применяемый для лиц с ограниченными возможностями;

- разработан видеообучающий информационно-технологический комплекс средств, обеспечивающий самостоятельную учебно-научную исследовательскую работу студентов вузов в условиях ОО.

Внедрение разработанных комплексов и материалов позволяет формировать у студентов в ходе ЭП исследовательские компетенции.

Апробация и внедрение результатов, полученных в ходе исследования, осуществлялись:

- на Международных конференциях «Современный физический практикум» СФП -04, 06, 08, 10, 12 (Москва-2004, Волгоград-2006, Астрахань-2008, Минск-2010, Москва-2012);

- на Международных конференциях «Физика в системе современного образования ФССО - 07,09, 11» (Санкт - Петербург, 2007,2009, Волгоград, 2011);

- на VIII, IX, X, XI и XII Международных научно-методических конференциях МПГУ «Физическое образование: проблемы и перспективы», Москва (2009,2010,2011,2012,2013);

- на Международной научно-практической конференции МГОУ «Методология конструирования учебной деятельности по физике. Общеобразовательные учреждения, вуз», Москва (2009, 2010 и 2011);

- на научно-методической школе-семинаре по проблеме «Физика в системе инженерного и педагогического образования стран ЕврАзЭС», ВВИА им. Н.Е. Жуковского, Москва (2008);

- на V, VI и VII Всероссийских конференциях МГТУ им. Н.Э. Баумана «Необратимые процессы в природе и технике», Москва (2009,2011, 2013);

- на XXII-XXVII Всероссийских научно-практических конференциях «Учебный физический эксперимент: актуальные проблемы. Современные решения»: - Глазов: ГГПИ, (2007, 2008,2009,2010,2011,2012);

- на II научно-практической конференции «Безопасность как фактор устойчивого развития регионов», РГОТУПС, Ижевск, (2007);

- на совещаниях заведующих кафедрами физики технических университетов России (Москва, 2008, 2009,2010,2011);

- на научно-практических конференциях «Неделя науки» - (2007, 2008, 2009, 2010, 2011), «Наука МИИТа - транспорту», Москва (2007,2008,2009,2010, 2011);

через публикацию книг, пособий, статей, научно-методических материалов; организацию и проведение научно-методических конференций по физике, участие в формировании тематики публикуемых в журнале «Физическое образование в вузах» учебно-методических материалов;

в процессе личного участия автора в преподавании физики в лаборатории НИРС НИУ Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана, с участием ведущих преподавателей кафедр вузов Российской Федерации и Латвии (Московский педагогический государственный университет, Волгоградский государственный социально-педагогический университет, МАИ (НИУ), Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), НИЯУ МИФИ, МФТИ (ГУ), Петрозаводский государственный университет, Рижский Институт транспорта и связи, СПб НИУ ИТМО, СПбГПУ, Финансовый университет при Правительстве РФ).

Результаты исследования внедрены в высших учебных заведениях: Московском педагогическом государственном университете, Российском государственном открытом техническом университета путей сообщения (РГОТУПС), Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ), в НИУ Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана и в Финансовом университете при Правительстве РФ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Реализация разработанной методической системы ЭП студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в различных формах обучения (очное, очно-заочное и заочное) позволяет в условиях открытого образования формировать у студентов исследовательские компетенции в области физического эксперимента (эксплуатировать современную физическую аппаратуру и оборудование, использовать специализированные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин, применять на практике базовые общепрофессиональные знания теории и методов физических исследований, пользоваться современными методами обработки, анализа и синтеза физической информации) и обеспечить овладение практическими компетенциями в области организации эксперимента и управления экспериментальной установкой при проведении экспериментальных физических исследований.

2. Модель методической системы ЭП студентов вузов при изучении физики для различных форм обучения в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО, нацеленная на формирование экспериментальных исследовательских компетенций и основанная на системном, деятельностном и проблемно-ориентированном подходах с учетом интерактивного характера обучения, позволяет при использовании специальных компьютерных видеосистем обеспечить дифференциацию и индивидуализацию в обучении при работе в учебных научно-исследовательских виртуальных мини-коллективах, в которых студенты, находясь на удаленном расстоянии друг от друга, совместно получают новые знания в едином учебном процессе.

3. Процессуальный компонент методической системы ЭП студентов вузов при изучении физики для различных форм обучения в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования реализуется через организацию и проведение ФП с применением современного инструментария новых информационных технологий, формирование элементов научно-

исследовательского творчества студентов в их самостоятельной поисковой учебно-исследовательской деятельности, расширение связи содержания лабораторных работ с наукоемкими технологиями.

4. Технология экспериментальной подготовки на базе учебно-научных физических лабораторий в различных формах обучения предполагает различные виды сочетания виртуального, натурного и вычислительного экспериментов в комплексе с компьютерным моделированием и физическим экспериментом с удаленным доступом в зависимости от формы обучения (очной, очно-заочной и заочной), объединив в единый взаимосвязанный процесс обучение и контроль формирования исследовательских компетенций.

5. Методический мобильный комплекс средств реализации ЭП студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования должен включать мобильные компьютеризированные видеосистемы, используемые для реализации физических экспериментов и для контроля сформированности приобретенных компетенций в области физического экспериментирования, специальные мобильные информационно-измерительные системы для выполнения физических измерений, мобильные системы управления физическим экспериментом для задания и определения физических параметров учебной экспериментальной установки и мобильные многофункциональные физические практикумы, позволяющие проводить лабораторные работы в цикле естественнонаучных дисциплин по разным направлениям обучения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка 297 источников, приложений, содержит 52 рисунка и 7 таблиц. Общий объем диссертации - 355 страниц, в том числе основной текст 302 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность проблемы создания методической системы экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин, определены объект, предмет, задачи и цели диссертационного исследования, раскрыты научная новизна, практическая и теоретическая значимость результатов исследования, сформулированы выносимые на защиту положения.

В первой главе «Состояние проблемы экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин» раскрываются место и роль экспериментальной подготовки студентов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в вузах при очном и открытом образовании (ОО). В обзоре дается состояние данной проблемы, обсуждаются противоречия, возникающие между традиционными методами обучения и инструментарием ОО.

В первом параграфе дается анализ состояния экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин при различных формах обучения. Рассматриваются требования, кото-

рые предъявляются к субъектам учебного процесса при проведении экспериментальных работ в различных вузах, и методики проведения этих занятий. В рамках выполнения ФГОС третьего поколения анализируются возможности формирования необходимых исследовательских компетенций студентов вузов. Анализируются недостатки существующих ФП в вузах. Описываются возможности, открывающиеся при проведении ФП, основанных на использовании современных информационных технологий и инструментов ОО, описаны направления их применения.

Отмечаются ограничения, возникающие в проведении ФП при традиционном обучении, указываются методы и пути их устранения.

Проводится анализ степени сформированности необходимых исследовательских компетенций обучаемых в рамках выполнения ФГОС третьего поколения при традиционных методиках проведения ФП, и делается вывод о необходимости разработки такой методики проведения экспериментальной подготовки студентов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин, которая могла бы повысить степень сформированности исследовательских компетенций обучаемых.

Перечислены требования к обучению физике при проведении занятий ФП в условиях ОО (наличие систем видеодопуска, обеспечение выхода в Интернет, наличие специального программного обеспечения и др.).

Во втором параграфе представлены результаты анализа исследований, посвященных содержательным и процессуальным аспектам экспериментальной подготовки студентов при изучении физики. Рассматриваются существующие в различных вузах условия реализации ЭП студентов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО. Анализируются работы, выполненные А.Е. Айзенцоном, Г.В. Ерофеевой, В.В. Ларионовым, JI.B. Масленниковой, И.А. Мамаевой, Е.Б. Петровой, В.В. Смирновым, A.A. Червовой и др., в которых существенное место отведено экспериментальной подготовке студентов.

Анализ научных исследований и публикаций, результаты общения с коллегами из разных вузов показали, что во многих вузах образовательные сетевые ресурсы, разрабатываемые и внедряемые в процесс обучения, не позволяют организовать деятельность педагогов по усвоению в полной мере обучаемыми знаний в цикле естественнонаучных дисциплин и не реализуют компетентност-ного подхода. Делается вывод о том, что при ЭП натурный и виртуальный эксперименты и моделирование на любом уровне в теории и методике обучения физике должны не только рассматриваться как одинаково важные (и дополняющие друг друга), но и составлять комплекс.

Во второй главе «Теоретические основы методической системы экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования» рассматриваются теоретические аспекты экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики.

В первом параграфе анализируются теоретические аспекты применения системного подхода в качестве основы построения методической системы экспериментальной подготовки студентов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин. Отмечается, что системный подход является, прежде всего, направлением методологии научного исследования, в основе которого лежит рассмотрение любого объекта как целостного множества элементов в совокупности отношений и связей между ними, при этом объект исследования рассматривается как система. Проведен анализ применения системного подхода в решении ряда научно-методических проблем, в том числе в системах ЭП студентов вузов при изучении физики, внедрения проблемных заданий в лабораторные эксперименты, расширения связей содержания лабораторных работ с наукоемкими технологиями.

На основе проведенного анализа научно-методологических исследований определены особенности реализации системного подхода при проведении ЭП по физике в цикле естественнонаучных дисциплин:

• системный подход рассматривается как условие обучения, при котором в отличие от традиционного обучения у обучаемых развиваются нестандартные подходы к реализации поставленных задач, активизируется творческий, инновационный компонент учебной деятельности;

• базой проведения ФП являются дифференцированное, компетентност-ное обучение, которое, благодаря современным информационным технологиям, может быть существенно обогащено и дополнено в структурном, методическом и организационном аспектах;

• современные информационные технологии, применяемые в ходе реализации ФП, являются определяющим фактором в системе формирования и реализации ЭП по физике, который позволяет усилить и углубить профессиональную подготовку обучаемых, сформировать их исследовательские компетенции, поднять их творческий потенциал.

Во втором параграфе дается описание теоретических аспектов применения одного из важнейших инструментариев открытого образования — информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) в ЭП студентов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин.

Рассматриваются особенности современных ИКТ и их применения в рамках ОО, взаимосвязи ИКТ и физических практикумов. Делается вывод о том, что свойства ИКТ предопределяют возможности построения методической системы ЭП студентов при изучении физики в условиях ОО. Определяется выбор сочетаний видов физических практикумов для различных форм обучения. Проводится анализ проблем, стоящих перед вузами в условиях ОО, которые требуют первоочередного решения. Это:

• обеспечение равного доступа всем категориям обучаемых к полноценному высококачественному образованию в соответствии с их склонностями и интересами, независимо от страны и района проживания, состояния здоровья, национальной принадлежности, от материального достатка самого студента и/или его семьи;

• обеспечение региональных вузов квалифицированными кадрами с учетом изменяющейся стратегии развития данного региона;

• возможности достижения «образования через всю жизнь»;

• организация гибкой системы открытого образования, опирающейся на индивидуальный график занятий обучаемых.

Проведенный анализ возможностей реализации 00 при ЭП студентов по физике показал, что оно и в настоящее время, и в ближайшем будущем может и должно эффективно осуществляться при дистанционном обучении (ДО). Для организации ДО следует применять широко известные технологии: а) Интернет-технология и сетевая технология обучения; б) телевизионная технология; в) «кейс-технология».

Использование вышеперечисленных технологий в процессе ЭП по физике обусловлено следующими преимуществами: 1) возможность быстрого и постоянного доступа к необходимой информации в любое удобное для студентов время суток; 2) доступ к любому интересующему материалу на неограниченное время и возможность работы с ним; 3) возможность организации индивидуального обучения в соответствии с потребностями и запросами обучаемых; 4) возможность непрерывного расширения и обновления учебного и справочного материала; 5) реализация обратных связей между преподавателем и обучаемым при наименьших материальных затратах в отличие от других, в том числе и от телевизионной технологии; 6) утоление естественной потребности обучаемых в интеграции современных информационных технологий с источниками знаний.

В третьем параграфе описана концепция методической системы ЭП студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО.

Источниками для разработки Концепции послужили:

- научные исследования по теории педагогики,

-научные педагогико-эргономические исследования по теории управления учебным процессом и его оптимизации,

-научные исследования в области теории создания и применения средств обучения физике,

- научные концепции информатизации общества и информатизации образования,

- концепция модернизации российского образования на период до 2020 г.,

- теоретическое обобщение опыта ЭП по физике в ВПО,

- история развития и становления ЭП по физике.

В основу концепции положены:

- федеральный государственный стандарт ВПО третьего поколения,

- современные требования информатизации физического образования,

- современные требования к созданию и применению средств обучения,

- современные требования к организации учебно-воспитательного процесса по физике в ВПО,

- условия реализации развивающего личностно-ориентированного обучения,

- современные достижения науки и техники,

- требования к научной организации педагогического труда и труда обучаемых,

- принципы системности, интеграции и преемственности.

Концепция ориентирована на стратегию ОО в условиях интенсивно развивающихся в России информационного общества и рыночной экономики.

Основные положения концепции методической системы ЭП студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин состоят в следующем.

1. Физические практикумы должны:

а) иметь деятельностную, проблемно-ориентированную направленность обучения и строиться на основе системного подхода;

б) вовлекать обучаемых с помощью современных коммуникационных технологий в учебную, учебно-исследовательскую работу через систему предварительно разработанных заданий;

в) реализовывать применение нестандартных, инновационных подходов к решению проблемных ситуаций, в сочетании с натурным и виртуальным экспериментами.

2. ЭП при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин должна носить исследовательский характер, направленный на освоение инновационных научных разработок на базе фундаментального образования. Учебное экспериментальное исследование по физике студенты должны выполнять в соответствии с методологией научного познания, последовательно проходя и реализуя все его фазы, стадии и этапы — от обнаружения проблемы, проведения экспериментального исследования и до рефлексии получаемых результатов.

3. ЭП студентов вузов при изучении физики должна осуществляться на основе системного подхода, с учетом современных педагогических подходов, общенаучных, дидактических принципов и реализации инновационных методик обучения физике. Она должна быть нацелена на формирование у обучаемых исследовательских компетенций и потребностей использовать полученные знания в будущей практической деятельности по специальности.

4. Структура ЭП должна сочетать натурный и виртуальный эксперименты, компьютерное моделирование и инструментарий дистанционного обучения в соотношениях и пропорциях, отвечающих инновационному научному исследованию. Она должна служить базой для формирования учебной исследовательской лаборатории нового поколения, ориентированной на творческую деятельность студентов на различных этапах учебного процесса, в том числе при переходе от курсов естественнонаучных дисциплин к специальным дисциплинам.

5. Использование современных ИКТ для управления процессом обучения, определение и диагностика уровня подготовленности обучаемого, самооценка и оценка, рейтинг результатов обучения, получение оперативной информации об эффективности усвоения содержания учебного модуля служат целям формирования компетенций, знаний и умений обучаемых.

6. ЭП при изучении физики должна реализовать проблемное и исследовательское обучение, которое включает в себя качественно новую методику обучения и основы наукоемких технологий, имеющих социальное значение, реализуемые благодаря использованию комплекса мобильных средств обучения при выполнении лабораторных работ физического практикума.

7. Инструментарий применяемых в ходе ЭП информационно-коммуникационных технологий должен поддерживать виртуальный физический эксперимент и физический эксперимент с удаленным доступом.

Следствием концепции является модель методической системы экспериментальной подготовки студентов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин, формирующая исследовательские компетенции (эксплуатировать современную физическую аппаратуру и оборудование, использовать специализированные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин, применять на практике базовые общепрофессиональные знания теории и методов физических исследований, пользоваться современными методами обработки, анализа и синтеза физической информации).

На рисунке 1 представлена структурная схема модели методической системы ЭП студентов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин. Основанием модели ЭП являются системный подход, деятельностная и проблемно-ориентированная направленность, интерактивный характер обучения, индивидуализация и дифференциация обучения. Они служат базой для достижения основной цели методической системы ЭП по физике в цикле естественнонаучных дисциплин — формированию исследовательских компетенций.

Средствами, обеспечивающими достижение основной цели, через создание проблемных задач, ситуаций, структурирование проблем служат интерактивная система видеодопуска, ФП, сочетающие натурный и виртуальный эксперименты, современные ИКТ и другие.

Рис. 1. Структурная схема модели методической системы ЭП при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин для очной-заочной системы обучения

В диссертации представлены обоснованные и разработанные автором три варианта модели методической системы экспериментальной подготовки студентов для трех форм обучения (очной, очно-заочной и заочной). Их отличие определяется сменой форм обучения и, как следствие, частичным изменением технологий обучения и средств обучения, поддерживающих эти технологии. Например, при общей для всех форм обучения системах видеообучения, контроля проведения эксперимента и отчетов, натурные ФП используются, в основном, при очном обучении, при очно-заочном обучении возрастает роль ФП, объединяющих несколько лабораторных работ и ФП с удаленным доступом, а при заочной форме обучения основной акцент делается на виртуальные работы и ФП с удаленным доступом. Разработанная модель методической системы ЭП по физике студентов вузов в цикле естественнонаучных дисциплин направлена на развитие творческих способностей обучаемых в области физического эксперимента на основе глубокого научного познания, обеспечение возможностей обучаемым генерировать физические идеи на уровне поставленных учебно-научных задач, формирование экспериментальных исследовательских компетенций у обучаемых и, как следствие, на повышение качества обучения физике.

В третьей главе «Методическая система экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования» рассматривается созданная методическая система ЭП студентов. В первом параграфе формулируются цели и задачи методической системы ЭП при изучении физики в учреждениях ВПО. Основной целью методической системы является формирование исследовательских компетенций студентов и повышение качества обучения физике в условиях ОО, при этом содержательный и процессуальный компоненты этой подготовки в ФП базируются на идеях компетентностного и системного подходов и направлены на формирование элементов научно-исследовательского творчества студентов и организацию их самостоятельной поисковой учебно-исследовательской деятельности. Необходимо при этом опираться на современный инструментарий новых информационных технологий, учитывать современные достижения науки и наукоемких технологий и ориентироваться на самостоятельную деятельность студентов при выполнении учебного и учебно-научного исследования с использованием современных методов науки, при решении конкретных задач профессиональной деятельности в ходе выполнения физических исследований.

Для достижения основной цели необходимо решить ряд задач ЭП: разработка методик проведения физических практикумов для разных форм обучения, соблюдение которых позволит развить творческие способности обучаемых при нестандартных учебных ситуациях и формировать у студентов экспериментальные исследовательские компетенции; переход к регулированию процесса обучения, его конструированию и управлению им; трансформация умений и знаний на вновь создаваемую или созданную проблемную задачу для расширения проблемного поля ФП; структурирование экспериментальных проблем и их решение; разрешение возникающих противоречий в проблемном эксперимен-

тальном задании; раскрытие основных компонентов, структуры и выделение элементов учебного эксперимента; формирование новых компонентов учебного эксперимента на основе выделенных аналогов; визуализация экспериментальных моделей с поэтапным интегрированием в них обучающей информации; возможность создания в одном эксперименте натурных и виртуальных компонентов.

Во втором параграфе рассматривается содержание экспериментальной подготовки (ЭП) студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях 00.

Содержание ЭП студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин структурировано относительно базовой (неменяющейся) и вариативной (изменяющейся) части. Вариативная часть разработана в зависимости от специализации и направления подготовки, а также различия форм обучения. Так, например, для студентов, обучающихся очно в лаборатории научно-исследовательской работы студентов (НИРС) МГТУ им. Н.Э. Баумана, кроме базовых физических экспериментов: «Изучение затухающих механических и электрических колебаний», «Дифракция и интерференция света», «Изучение магнитных полей и поведения в них магнетиков» и других, в вариативную часть программы ЭП включены работы, содержащие элементы учебно-научного исследования: «Изучение высокотемпературной сверхпроводимости», «Исследование газоразрядной плазмы методом электростатических зондов», «Экспериментальное исследование универсальной функции Кирхгофа» и другие. В Российской открытой академии транспорта (МИИТ) для специализаций подготовки «Мониторинг среды обитания» и «Метрология, стандартизация и сертификация» в вариативную часть включены лабораторные работы, характеризующиеся возможностью многоцелевого применения и, тем самым, реализующие идею создания комплекса методических материалов, объединяющих несколько направлений подготовки. К ним относятся многоцелевые лабораторные работы: «Исследование окружающих электромагнитных полей», «Измерение окружающего радиационного фона», «Измерение скорости звука в воздухе» (дисциплина «Акустическая экология»). Эти работы используются при очно-заочной форме обучения.

При очно-заочной и заочной формах обучения вариативная часть содержания ЭП насыщается лабораторными работами ФП с удаленным доступом. Такие лабораторные работы созданы, при непосредственном участии автора, в лаборатории НИРС МГТУ им. Н.Э. Баумана: по механике - «Изучение ударных и волновых процессов в твердом теле с помощью пьезодатчиков», по разделу электричество - «Исследование скин-эффекта», по разделу «Квантовая физика» - «Лазерная спектроскопия» и «Изучение космических лучей». Для всех форм обучения разработаны виртуальные лабораторные работы по компьютерному моделированию физических процессов, входящие в базовую часть ЭП, к ним относятся такие работы, как «Опыт Резерфорда», «Модельные задачи квантовой механики», «Лазерное излучение», и другие.

Общий подход к формированию содержания ЭП направлен на личностно-ориентированное обучение (индивидуальные и дифференцированные задания), стимулирование познавательных инициатив обучаемых на всех этапах учебного процесса (заданий проблемного характера, генерации проблемных ситуаций, познавательных задачах, требующих привлечения знаний из других разделов курса физики для своего решения), формирование исследовательских компетенций в области физического эксперимента.

В третьем параграфе описывается технология проведения ЭП в условиях ОО для различных форм обучения (очного, очно-заочного и заочного).

Рассмотрены вопросы создания ФП, оптимизированных для проведения в условиях ОО, и включающих в себя виртуальный и натурный эксперименты с элементами моделирования. Решена проблема оптимального сочетания виртуального и натурного экспериментов при реализации ЭП по физике в цикле естественнонаучных дисциплин.

Для разных форм обучения разработаны варианты сочетания различных видов эксперимента в ФП (натурный, дистанционный, виртуальный):

- для очной формы используются системы видео-допуска, проектирования и проведения натурного эксперимента, системы обработки экспериментальных данных, составления отчета по экспериментальной работе;

- для очно-заочной формы часть работ (натурных) проводится в учебных лабораториях, аналогично очной форме обучения, но основное отличие заключается в совмещении в одной лабораторной работе нескольких экспериментов. Другая часть ФП проводится в дистанционной и виртуальной формах с получением допусков и составлением отчетов;

- для заочной формы основные работы проводятся в виртуальной и дистанционной формах с получением допусков и составлением отчетов. Во время зачетных сессий преподаватели выезжают в филиалы вузов, оснащенные комплексами мобильных средств проведения ФП на местах.

Для реализации ЭП по физике в условиях ОО осуществляются: 1) натурные физические практикумы; 2) виртуальные компьютерные эксперименты; 3) ФП с удаленным доступом (реализуются в системе ОО в случаях нахождения обучаемого в местности удаленной от учебного заведения, высокой стоимости учебной экспериментальной установки (УЭУ), невозможности обеспечения доступа обучаемым к УЭУ по условиям охраны труда (например, исследование радиоактивности), уникальности УЭУ и т.п.); 4) вариабельный эксперимент (под вариабельным экспериментом понимается такая композиция его натурной и виртуальной частей и компьютерного моделирования, которые частично или полностью перекрывают друг друга в зависимости формы обучения, от места и цели проведения данного эксперимента).

В частности, при исследовании разработанной нами работы ФП с удаленным доступом «Удар двух твердых тел» студенты с помощью виртуальных регуляторов выбирают материалы твердых тел (сталь, медь, алюминий, свинец и др.), устанавливают размеры и форму образцов (шар, стержень, плита), их массу, варьируют скорость ударников (в пределах от нуля до нескольких м/с), из-

меняя нх путем отклонения от преграды на разные углы с помощью электромагнитов, измеряют пьезодатчиками скорости распространения ударных волн в различных твердых телах.

Технология ЭП дает возможность обучаемым проводить моделирование физических процессов, сравнить их результаты с результатами натурных экспериментов, творчески реализовав активную учебную деятельность.

Самостоятельная работа (СР) студентов является неотъемлемой частью методической системы ЭП при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин. Если при очном обучении на СР отводится до 40% времени от общего числа часов занятий, то в ряде вузов на заочном отделений на СР отводится до 80%.

Для повышения эффективности СР в технологии ЭП широко применяется инструментарий ИКТ:

- форумы и чаты, на которых студенты имеют возможность задавать вопросы друг другу, кураторам и преподавателям, обмениваться вариантами решения тех или иных задач,

- персональные кабинеты и страницы преподавателей, на которых обучаемые могут найти конспекты лекций, методические рекомендации по решению задач и выполнению лабораторных работ, персональные и групповые задания, задать вопрос и получить ответ,

- персональный кабинет студента, на котором обучаемый может найти персональные и групповые задания, узнать свой рейтинг и количество набранных баллов и т.п.,

- банки презентаций лекционных демонстраций, записей натурных ФП, методических пособий для лабораторных практикумов, электронных учебников и задачников.

Определено, что технология ЭП при изучении физики позволяет: 1) варьировать информационные технологии, применяемые для визуализации и моделирования, что заметно обогащает методологическую культуру обучаемых по приобретению новых знаний; 2) реализовать некорректно заданные или недостаточно определенные условия проведения эксперимента, что создает избыточную информацию, которая инициирует как интерес, так и любопытство; 3) детализировать информацию с помощью презентаций, схем и интерактивных справок, что дает возможность поэлементно видеоинтегрировать свойства учебного материала; 4) применять натурные эксперименты при сопряжении с виртуальными схемами и синхронном представлении аспектов изучаемого явления для существенного расширения поля самостоятельного анализа в учебной и учебно-исследовательской деятельности.

Методическая система ЭП опирается на технологии организации и проведения ФП, использующие современный инструментарий ИКТ, формирование элементов научно-исследовательского творчества студентов и организацию их самостоятельной поисковой учебно-исследовательской деятельности, применение системного подхода для развития методологической направленности ФП и поддержки лабораторного ФП, расширение связи содержания лабораторных

работ с наукоемкими технологиями, усиление компетентностного компонента в обучении физике, педагогические технологии, направленные на формирование у студентов исследовательских компетенций, необходимых в будущей трудовой деятельности. Методическая система сочетает натурный эксперимент, компьютерное моделирование и виртуальный эксперимент в такой последовательности и в таких соотношениях, которые отвечают учебно-научному поисковому исследованию и различным формам обучения.

В четвертом параграфе рассмотрены средства реализации экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в условиях ОО.

Для проведения ЭП в условиях ОО нами разработан специальный мобильный комплекс (МК), который также можно применять для обучения лиц с ограниченными возможностями. Созданный мобильный комплекс: а) обеспечивает педагогу и студентам оптимальные условия для повышения качества учебно-воспитательного процесса; б) позволяет студенту применять наиболее эффективные методы и приемы выполнения физического эксперимента; в) способствует эффективному использованию учебного оборудования и современных средств ИКТ. Перечисленные возможности МК достигаются посредством педагогических и эргономических требований к созданию компонентов учебного оборудования, входящего в состав МК, учитывающего особенности деятельности преподавателя и студентов при выполнении ФП в условиях ОО. В соответствии с этими требованиями необходимо оптимально организовать образовательные пространства преподавателя и студентов, обеспечить возможность всех функциональных действий во время ЭП, создать благоприятные условия для ЭП по физике с помощью применения разнообразных методов и приемов, предусмотреть оптимальные условия для рационального использования средств обучения, обеспечить надежность и долговечность используемого в МК оборудования, добиться рационального использования средств ИКТ. Также следует учитывать и соблюдать эстетические требования (дизайн приборов, входящих в состав МК, художественно-графическое представление виртуальных сред, наглядность модельного эксперимента и т.п.).

На основе дидактических и эргономических требований автором сформулированы перечисленные ниже принципы построения МК, которые следует рассматривать в тесной связи с содержанием, организационными формами и методами ЭП по физике.

Общий принцип - оборудование МК должно полностью соответствовать содержанию ЭП по физике и применяемым технологиям обучения.

Принцип согласования - все приборы, инструментальные и программные средства должны полностью соответствовать друг другу; необходимо рациональное сочетание всех элементов оборудования с учетом возможных связей и зависимостей между ними.

Принцип минимума - в МК должны быть лишь необходимые приборы и программные средства, однако полностью обеспечивающие учебный эксперимент по всей ЭП по физике в цикле естественнонаучных дисциплин. МК осна-

щается минимальным количеством инструментальных и программных средств, позволяющим получить максимальный педагогический эффект.

Принцип соответствия реальным условиям — приборы и программные средства МК должны отвечать конкретным условиям проведения ЭП по физике в вузе, то есть необходимо учитывать формы обучения (очная, заочная, очно-заочная), контингент студентов, направления и специализации подготовки и т.п.

На основе вышеперечисленных педагогических принципов были определены требования к инструментальным и программным средствам МК. Средства МК должны:

по содержанию - полностью соответствовать программе ЭП по физике и ее задачам;

по характеру — предоставлять возможность применять все виды учебного эксперимента (натурный, виртуальный, модельный, удаленного доступа);

по использованию — давать возможность максимально экономить время студентов при выполнении ФП, с учетом требований научной организации труда и техники безопасности;

по подбору — быть согласованы между собой, а также со специальными средствами ИКТ;

по развитию — иметь «запас роста» на случай пополнения МК новыми приборами и программными средствами;

по стоимости - быть доступными бюджету вуза.

Кроме того, средства МК должны отвечать общим требованиям: соответствовать современному научному уровню, быть простыми, удобными и надежными, удовлетворять требованиям охраны труда.

МК имеет блочно-модульную структуру. Основной модуль МК составляет компьютерная информационно-измерительная система, которая состоит из трех блоков: представления и обработки учебной информации, интерфейсного и измерительного. Блок представления и обработки учебной информации в зависимости от конкретных требований и условий может базироваться на планшетном или наладонном микрокомпьютере, ноутбуке, нетбуке или смартфоне, с установленными в них специальными программными средствами проведения физических экспериментов, обработки полученных данных, составления отчетов по выполнению ФП и т.п. Средства интерфейсного блока обеспечивают стыковку приборов, входящих в состав измерительного блока, с приборами блока представления и обработки учебной информации. В состав интерфейсного блока входят аналого-цифровые преобразователи (АЦП). АЦП служат для преобразования полученной в ходе физических измерений аналоговой информации в цифровую форму. Это необходимо для компьютерной обработки информации. Измерительный блок комплектуется наборами различных датчиков физических величин. В состав МК входят датчики физических величин: момента времени, угловой скорости, угла поворота (состоящие из оптронных пар), температуры (терморезистивный), датчик давления (тензометрический), датчик влажности воздуха (конденсаторный), датчик проводимости (основанный на

измерении сопротивления среды), датчик индукции постоянного магнитного поля (эффект Холла), датчик освещенности (фотоэлемент) и датчик силы (резистор с пружиной).

МК комплектуется дополнительным модулем, состоящим из двух блоков интерфейсного и управления. Интерфейсный блок комплектуется цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП). ЦАПы необходимы для преобразования информации, поступающей от компьютера в цифровой форме в аналоговую форму. Это нужно для информационного воздействия на аналоговые физические приборы. Блок управления составляют робототехнические и контрольно-измерительные приборы, выполняющие функции управления учебным физическим экспериментом и контролирующие его физические параметры. Особую актуальность, наличию в составе МК дополнительного модуля, придают ФП с удаленным доступом.

Для реализации ЭП по физике в условиях ОО, при непосредственном участии автора, создана специальная система видеообучения содержащая обучающие блоки и учебные тесты, в которые входят как общая теория физического процесса, так и те конкретные теоретические вопросы, которые необходимы студентам для проведения лабораторного исследования, как-то вывод рабочих формул, техника и методика проведения эксперимента. При созданном интерактивном режиме система видеообучения позволяет обучаемому проведение натурных и виртуальных экспериментов только при правильных ответах на все поставленные вопросы. Структура созданной видеосистемы содержит две взаимосвязанные части - обучающую и контролирующую, для каждого задания предусмотрены визуализированные теоретические объяснения. В обучающей видеосистеме реализованы мотивационные средства и методы познавательной самостоятельной деятельности обучаемых, она направлена на формирование исследовательских компетенций обучаемых. В ее состав входят прикладные и профессионально направленные задачи, которые предусматривают последовательное усложнение подаваемых материалов.

Обучающая видеосистема оснащена подсистемой видеодопуска, в которую входят: а) набор тестовых анимационных заданий; б) система контроля и сбора данных обучения в виде электронного журнала, фиксирующего все действия студентов; в) коммуникационная система с обратной связью и таймингом, которые обеспечивают диалог «компьютер - студенты» и актуализируют результаты обучения; г) система рейтинговой оценки результатов работы обучаемого; д) набор обучающих видеодемонстраций и экспериментов; е) система визуализирующих видеотренажеров, представляющих экспериментальные и теоретические знания; ж) комплекс с обучающими материалами по каждому тестовому заданию, конкретному вопросу и по конкретной экспериментальной схеме.

В четвертой главе «Педагогический эксперимент по проверке результативности методической системы экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования» анализируются итоги проведенно-

го в ходе исследования педагогического эксперимента в вузах. В первом параграфе дается общая характеристика педагогического эксперимента и описывается констатирующий этап. Критериями достижения результативности служили повышение качества обучения физике в вузе и сформированность у студентов исследовательских компетенций.

Педагогический эксперимент проходил в три этапа (см. таблицу 1): констатирующий, поисковый и обучающий. При проведении педагогического эксперимента были использованы различные методы: беседы и анкетирование, опытное преподавание, лабораторный эксперимент, наблюдение и экспертные оценки. Экспериментальные данные были обработаны с применением методов математической статистики.

В ходе констатирующего этапа изучалось состояния проблемы исследования, выявлялся уровень подготовки обучаемых по физике и их мотивации к изучению естественнонаучных дисциплин, в частности физики, а также уровень овладения ими общенаучными методами познания и степень сформированно-сти исследовательских компетенций при проведении ФП.

Таблица 1

Общая характеристика педагогического эксперимента

Этапы Цель эксперимента Экспериментальная база Число участников

Констатирующий 1994-2003 Изучение состояния проблемы методической системы ЭП по физике в цикле естественнонаучных дисциплин в вузах Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), Российский государственный открытый технический университет путей сообщения (РГОТУПС) (до 1999 г.), Российская открытая академия транспорта (после 1999 г.) (РОАТ), Волгоградский государственный педагогический университет (ВГПУ) 15 преподавателей, 516 студентов, обучающихся по очной, 04-но-заочной и заочной формам обучения во всех вузах.

Поисковый 20032007 Разработка и корректировка концепции и модели методической системы ЭП по физике в цикле естественнонаучных дисциплин в вузах МИИТ, Российская открытая академия транспорта (РОАТ), ВГПУ, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана) 12 преподавателей, 586 студентов, обучающихся по очной, очно-заочной и заочной формам обучения во всех вузах.

«

В 'П

I5

2 ч £

>> Сз

О

Проверка результативности и внедрение в учебный процесс созданной методической системы ЭП по физике в цикле естественнонаучных дисциплин в вузах

МИИТ, Московский педагогический государственный университет (МПГУ), РО-АТ, Волгоградский государственный социально-педагогический университет (ВГСПУ), МГТУ им. Н.Э. Баумана, Институт транспорта и связи (Рига, Латвия), Финансовый университет при Правительстве РФ_

17 преподавателей, 130 студентов, обучающихся по очной, дистанционной и заочной формам обучения во всех вузах

В ходе констатирующего исследования было выявлено неудовлетворительное состояние формирования исследовательских компетенций студентов вузов. На основе результатов констатирующего эксперимента было проведено проектирование настоящего исследования: сформулированы гипотеза и задачи, обоснована его актуальность, выполнена технологическая подготовка. Для получения объективной оценки уровня знаний обучаемых при практических занятиях и степени владения ими экспериментальными методами было проведено анкетирование студентов нескольких факультетов в различных университетах. В опросах участвовало 516 студентов, анкеты содержали 4 вопроса, связанные с формулировкой цели экспериментальной работы, разработкой идеи и схемы эксперимента, плана проведения эксперимента и обработкой полученных данных.

Анализ анкет позволяет сделать вывод: большая часть опрашиваемых затрудняется с ответами на поставленные вопросы, не может сформулировать цели работы, разработать схему и план проведения эксперимента, провести обработку полученных результатов, т.е. не владеет в достаточной мере исследовательскими компетенциями (рис. 2).

По результатам констатирующего эксперимента сделан вывод о неудовлетворительном состоянии проблемы формирования исследовательских компетенций студентов в ходе традиционной ЭП при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин.

Во втором параграфе рассматривается содержание поискового этапа педагогического эксперимента для создания методической системы ЭП студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин. На этом этапе эксперимента решались задачи апробации основных положений концепции, осуществлялись проверка, диагностика, оценка различных подходов к построению методической системы ЭП и поиск правильного решения.

На первой ступени поискового эксперимента для оценки уровня сформированное™ исследовательских компетенций и уровня усвоения знаний использовалась методика поэлементного анализа выполнения заданий студентами экспериментальной и контрольной групп.

Рис. 2. Результаты обработки анкет по первому и третьему вопросам: 1 - доля верных ответов, 2 - частично верные ответы , 3 - неверные ответы, по второму и четвёртому вопросам: 1 - доля верных ответов, 2 - не приступали к заданию , 3 — выполнили задание частично, 4 - не справились с заданием

Эти задания включали умения применять современные физические методы исследования в будущей профессиональной деятельности - самостоятельно осуществлять научное исследование с использованием современных экспериментальных методов науки, самостоятельно и в составе учебных научно-производственных мини-групп решать конкретные задачи профессиональной деятельности при выполнении физических экспериментальных исследований.

По результатам проведенного педагогического эксперимента сделаны следующие выводы:

применение видеообучающей системы допуска к проведению лабораторных работ позволило повысить заинтересованность обучаемых в выполнении практических занятий;

средний балл за лабораторную работу с применением вышеуказанной системы повысился примерно на 1,2 и составил 4,45;

оценки за выполнение домашних заданий в контрольной группе в среднем повысились на 0,75 балла;

итоговые экзаменационные оценки обучаемых в контрольной группе также повысились в среднем на 0,6 балла.

В процессе преподавания в вузах, отобранных для поискового эксперимента, пересматривались методики изучения учебного материала. При этом были разработаны и включены в некоторые практические и семинарские занятия проблемные ситуации и задания. Было проведено тестирование на факультетах СМ (Специального машиностроения) и РК (Робототехника и комплексная автоматизация) НИУ МГТУ им. Н.Э. Баумана (рис. 3 а и б). При повторном тестировании студентов данные результаты были использованы в качестве «контрольных» после изучения всего курса физики.

а) б)

Рис. 3. Результаты тестирования студентов факультетов СМ (а) и РК (б)

Результаты повторного тестирования показали, что проведение ЭП по выбранной в ходе поиска методике увеличивает заинтересованность обучаемых в конечном результате обучения, повышаются их общенаучная подготовка, уровень естественнонаучных знаний. У них формируются исследовательские компетенции в научно-исследовательской и проектно-технологической деятельности. Для подтверждения выбранного варианта методики ЭП при проведении ФП нами использовался метод экспертной оценки, позволяющий оценить эффективность предложенных методов, форм, средств и принципов диссертационного исследования. Группе экспертов (преподавателей различных вузов) были предоставлены учебные материалы и программы. Некоторые из них были проверены в учебном процессе и показали свою результативность. В целом оценки предложенных материалов экспертами оказались положительными, а сделанные ими замечания и комментарии были в дальнейшем учтены.

На второй ступени поискового эксперимента выяснялись возможности реализации инструментария 00, технологические возможности и средства дистанционного доступа и контроля при различных формах обучении. Работа велась в сотрудничестве с инженерами-программистами, преподавателями, кураторами, аспирантами и студентами факультета фундаментальных наук МГТУ им. Н.Э. Баумана и факультета открытого образования Финансового университета при Правительстве РФ.

Было установлено, что реализация разработанной автором методики возможна, если: 1) использовать Интернет-технологии в качестве основы для разработки специальных дидактических средств удаленного доступа; 2) для реализации системного подхода в методике ЭП использовать созданные в этих университетах \уеЬ-порталы и иметь возможность оперативно изменять и добавлять контентное наполнение необходимых приложений на этих сайтах; 3) \уеЬ-порталы будут содержать ряд приложений - курсы лекций, методические рекомендации по решению задач и выполнению домашних контрольных работ; записи лекционных демонстраций как натурных, так и виртуальных, описание всех лабораторных практикумов (компьютерных и натурных), наборы всевозможных тестов для самотестирования; 4) имеется выход на лабораторные рабо-

ты с удаленным доступом; 5) имеются необходимые программные и инструментальные приложения, осуществляющие связь между обучаемыми, между обучаемыми и преподавателями, форумы, чаты, виртуальные кабинеты преподавателя и студента.

Таким образом, в ходе поискового эксперимента созданный инструментарий открытого образования был доработан и проверен. При этом обучающий луеЬ-портал прошел этапы отладки и апробации в качестве дидактического средства дистанционного обучения. Вышеприведенные выводы дали основание утверждать, что разработанная в ходе поискового этапа методическая система ЭП при изучении физики в условиях ОО, может считаться результативной, а использование \уеЬ-порталов при обучении физике в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО дает заметный положительный эффект.

Было получено экспериментальное подтверждение результатов дистанционного обучения с применением ИКТ студентов университетов с учетом их будущей профессиональной деятельности. Оно проявилось в глубоком усвоении учащимися необходимых элементов знаний в профессионально значимых ситуациях, в сформированности у них необходимых общекультурных и профессиональных компетенций, и в приобретении самостоятельности при решении проблемных и профессиональных задач с помощью полученных знаний и умений. На рис. 4 представлены результаты контроля профессиональных компетенций по применению ИКТ при проведении ФП (способность пользоваться современными методами обработки, анализа и синтеза физической информации) в МГТУ им. Н.Э. Баумана в контрольной и экспериментальной группах. Цифры над столбиками - количество студентов, получивших соответствующую оценку.

□ Неудовл. ■ Удовл.

□ Хорошо Ш Отлично

Контрольная Экспериментальная

Рис. 4. Результаты контроля профессиональных компетенций

На третьей ступени поискового эксперимента выяснялись возможности сочетания различных видов лабораторных работ (натурных, дистанционных и виртуальных) для проведения ФП. Были разработаны схемы применения различных видов ФП для различных форм обучения. Так, при очной форме обучения в МГУПС (МНИТ) и НИУ МГТУ им. Н.Э. Баумана при проведении физических практикумов на кафедрах физики были внедрены системы видеодопусков к лабораторным занятиям, что позволило сократить время при допуске обучаемых к проведению работ, а также совместить контролирующие и обучающие функции системы видеообучения при проведении ФП. При дистанци-

онной форме обучения в Российской открытой академии транспорта (РОАТ) и Институте транспорта и связи (Рига, Латвия) студенты, вовлеченные в педагогический эксперимент, имели возможность перед началом лабораторных работ с удаленным доступом провести аналогичные работы на виртуальных тренажерах, что положительно сказалось на конечных результатах проведения практических занятий в условиях ОО. Для лиц с ограниченными возможностями, обучающимся в Головном учебно-исследовательском и методическом центре профессиональной реабилитации НИУ МГТУ им. Н.Э. Баумана, были разработаны мобильные комплексы средств для выполнения ФП в цикле естественнонаучных дисциплин, применение которых позволило повысить результативность при проведении лабораторных работ.

На четвертой ступени поискового эксперимента выяснялись возможности педагогических технологий, применяемых в ЭП по физике студентов в формировании исследовательских компетенций студентов, необходимых в их будущей трудовой деятельности. Преподаватели, осуществляющие данный этап поискового эксперимента, с целью оценки уровня сформированности у студентов профессиональных исследовательских компетенций предлагали обучаемым контрольные задания, при выполнении которых можно было отследить динамику изменения их компетенций при применении методической системы и оценить степень сформированности у них исследовательских компетенций при проведении ФП. Обработка полученных результатов показала положительную динамику степени сформированности исследовательских компетенций в экспериментальных группах.

Таким образом, в результате проведенных поисковых исследований, автору удалось создать методическую систему ЭП студентов высших учебных заведений при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин, содержательный и процессуальный компоненты которой: базируются на идеях ком-петентностного и системного подходов; направлены на формирование элементов научно-исследовательского творчества студентов и организацию их самостоятельной поисковой учебно-исследовательской деятельности; учитывают современные достижения науки и наукоемких технологий; опираются на современный инструментарий новых информационных технологий; ориентируются на самостоятельную деятельность студентов при выполнении учебного и научного исследований с использованием современных методов науки, предлагающих решения конкретных задач профессиональной деятельности.

В третьем параграфе дается описание обучающего этапа педагогического эксперимента по проверке гипотезы исследования. Данный этап эксперимента проводился в двух экспериментальных и трех контрольных группах.

На первом этапе обучающего эксперимента оценивалось качество обучения физике при ЭП в цикле естественнонаучных дисциплин. Оценка качества обучения не сводилась только к тестированию обучаемых (хотя это было одним из показателей качества обучения). Оценка качества обучения осуществлялась комплексно, с применением разных форм, методов и видов контроля (текущего, рубежного, итогового). Процедура оценки качества обучения формировалась следующими элементами: объективностью (в научно обоснованном содержании контрольных заданий, вопросов, тестов), систематичностью (в подчине-

нии одной цели, тесной взаимосвязи различных форм, методов и средств контролирования, проверки, оценивания) и гласностью (открытых испытаний всех обучаемых по одним и тем же критериям, а также оглашения и мотивации оценок). Первым звеном в системе проверки качества обучения стало предварительное выявление уровня знаний студентов. В нашем случае мы применяли систему видеодопуска, предваряющую выполнение ФП при всех формах обучения, которая не позволяет допустить обучаемого к этапу планирования и проведения эксперимента, пока он не ответит на теоретические и контрольные вопросы, связанные с проводимым экспериментальным исследованием. Система видеодопуска снабжена функцией обратной связи. Обратная связь позволяет преподавателю получать сведения о ходе процесса усвоения знаний каждым студентом. Вторым звеном в системе проверки качества обучения являлась текущая проверка в процессе усвоения каждой изучаемой темы. Ее главная функция - обучающая. Студенты при выполнении физического эксперимента отвечали на вопросы о природе данного процесса или явления, объясняли, какие физические закономерности присущи этим процессам. Третьим звеном в системе проверки качества обучения являлась повторная проверка при защите лабораторных работ. Эта проверка является тематической и в ней студенты повторяют ранее изученный материал. Четвертым звеном в системе проверки качества обучения являлась периодическая проверка знаний, умений обучаемых по целому разделу или значительной теме курса (рубежный контроль, проводившийся на 9-10 неделе семестра). Цель такой проверки - диагностирование качества усвоения обучаемыми взаимосвязей между структурными элементами учебного материала, который изучался в разных частях ЭП. Ее главными функциями являются обобщение и систематизация. Например, в третьем семестре студенты МГТУ им. Н.Э. Баумана во время рубежного контроля решали одну задачу и отвечали письменно на два теоретических вопроса. После ответов на вопросы билета происходило собеседование с преподавателем по всему материалу, подготовленному к рубежному контролю. Пятым звеном в организации проверки являлась итоговая проверка и учет знаний, умений обучаемых, приобретенных ими на всех этапах ЭП по физике. Итоговый учет успеваемости (итоговый контроль, зачеты и экзамены) проводились в конце каждого семестра.

По результатам рубежного и итогового контроля, в середине и в конце каждого семестра студенты, обучавшиеся в экспериментальных группах, получали средние баллы на 18-25% выше по сравнению с коллегами из контрольных групп (рис. 5), что свидетельствует о повышении качества обучения физике.

70 60

Єї

50 40

ЕЗ Неудовл. НУдовл. □ Хорошо ■ Отлично

30

20

10

0 = ■■ 1,1 ™ і

Контрольная Экспериментальная

Рис.5. Суммарные баллы по результатам рубежного и итогового контроля

На втором этапе обучающего эксперимента проверялись возможности, предоставляемые созданной методической системой ЭП по физике в области формирования у обучаемых исследовательских компетенции.

Студентам предлагались контрольные задания, по результатам выполнения которых оценивалась степень сформированности у них исследовательских компетенций. На рис. 6 представлены результаты проверки уровня сформированности у обучаемых (общее число студентов 130 человек) исследовательских компетенций. Оценка проводилась по 10-балльной шкале во время защиты студентами результатов экспериментального учебного исследования по тематике работ стандартного ФП, а повторное было выполнено в соответствии с авторской методикой.

40 35 30 25 20 15 10 5 0

Рис. 6. Распределение средних баллов по контролю исследовательских компетенций

Проверялись исследовательские компетенции, включенные в ФГОС ВПО третьего поколения2:

- способность эксплуатировать современную физическую аппаратуру и оборудование,

- способность использовать специализированные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин,

- способность применять на практике базовые общепрофессиональные знания теории и методов физических исследований,

- способность пользоваться современными методами обработки, анализа и синтеза физической информации.

Максимальный балл ставился только в том случае, когда учебно-научное исследование было выполнено полностью, а 0 баллов получали студенты, не приступившие к выполнению исследования. Цифры над столбиками показывают общее число студентов, получивших баллы (от 1 до 10). Полученные результаты были статистически обработаны с применением ¡-критерия Стьюдента и показали устойчивую связь между качеством обучения студентов при ЭП и уровнем сформированности их исследовательских компетенций. Анализ результатов обучающего педагогического эксперимента позволяет сделать вывод, что созданная автором методическая система ЭП по физике студентов вузов в

2 ФГОС ВПО по направлению подготовки «Физика» / Утвержден приказом МО и науки РФ от 14 января 2010 г. № 35.

□ Начальное 35 33 36

■Повторное

25

2 _

14

8 1 1

5 1 1 Я 6

00 1 Л ■■

цикле естественнонаучных дисциплин, позволяет формировать исследовательские компетенции и повысить качество обучения физике в условиях ОО. Т.е. созданную автором методическую систему ЭП по физике можно считать результативной. Подтверждением гипотезы данного исследования является также устойчивость полученных результатов, остающихся стабильными практически в течение всех лет педагогического эксперимента.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. При выполнении данного исследования проведен анализ современного состояния проблемы совершенствования методики экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО. По результатам анализа проблемы установлено, что применение традиционных методов ЭП при изучении физики в современных условиях ОО не эффективно и в методическом отношении морально устарело. Совершенствование данной методики следует проводить с учетом принципа преемственности и системного подхода к учебному физическому эксперименту. Преподаватели высших учебных заведений, будучи ограниченными недостатком учебного времени, мало внимания уделяют системному подходу как основе совершенствования ФП, что кардинальным образом сужает возможность формирования у студентов компетенций научно-исследовательского характера и самостоятельного научно-теоретического мышления. Выявлено также, что применение инструментариев современных информационных технологий для совершенствования методов и средств ЭП студентов вузов при изучении физики является необходимым и достаточным в условиях открытого образования в циклах естественнонаучных дисциплин, учитывающих профили и специализации подготовки.

2. При проведении исследования установлено, что современное открытое образование позволяет реализовать в ряде вузов превалирующую тенденцию к увеличению очно-заочной, заочной и дистанционной форм обучения. Для формирования исследовательских компетенций у обучаемых в условиях ОО используется методическая система ЭП студентов, которая позволяет применять современные ИКТ, использующие видеодопуски, конференции и видео-обучающие программы, виртуальные и дистанционные ФП, интерактивные программные модули.

3. Обоснованы необходимость и возможность разработки концепции методической системы ЭП студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО. По результатам обоснования разработана концепция, теоретические положения которой направлены на формирование у обучаемых исследовательских компетенций, позволяющих использовать современные физические методы исследования в будущей трудовой деятельности. В основу формирования концепции положен системный подход. Теоретические положения разработанной концепции учитывают особенности обучения физике в условия современного информационного общества.

4. Разработанные в ходе исследования модели методической системы ЭП студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин для различных форм обучения в условиях ОО, базирующаяся на применении системного подхода, предполагают реализацию интерактивного характера обучения, основанного на использовании в учебном процессе системы видеоконференций и обучающих видеосистем, являющихся одним из основных инструментариев современного ОО, построенных на основе разработанных лично автором методик проектирования и представления содержания учебного физического эксперимента. Такое обучение позволяет осуществить усиление дифференциации и индивидуализации, что способствует расширению и углублению самостоятельного физического экспериментирования студентов во всех его формах. Разработанные автором модели включают в себя технологию формирования учебных научно-исследовательских виртуальных мини-группах, позволяющих студентам, находясь на удаленном расстоянии друг от друга, совместно получать новые знания в области физического эксперимента и контролировать полученные знания в едином процессе. Теоретической моделью определена структура системы компьютеризированного дистанционного видеообучения, в виде комплекта обучающих экспериментальных физических задач и тестов, снабженных диагностирующим инструментарием и включающих в себя примерную основу учебной и предметной деятельности как результат создаваемого учебного физического явления и логики его анализа. При этом знания по физическому экспериментированию, полученные в ходе выполнения студентами лабораторных ФП, соотносятся с изучаемыми физическими явлениями и с набором самостоятельно приобретенных в собственном опыте приемами экспериментальной научно-поисковой деятельности.

5. Созданная на базе разработанной модели методическая система ЭП студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО базируется на системном подходе. Система опирается на технологии организации и проведения ФП, использующие современный инструментарий новых информационных технологий; формирование элементов научно-исследовательского творчества студентов и организацию их самостоятельной поисковой учебно-исследовательской деятельности; применение системного подхода для развития методологической направленности ФП и поддержки лабораторного ФП; расширение связи содержания лабораторных работ с наукоемкими технологиями; усиление компетентностного компонента в обучении физике; педагогические технологии, направленные на формирование у студентов исследовательских компетенций, необходимых в будущей трудовой деятельности. Методическая система сочетает натурный эксперимент, компьютерное моделирование и виртуальный эксперимент в такой последовательности и в таких соотношениях, которые отвечают учебно-научному поисковому исследованию и различным формам обучения, что послужило основой для создания внутри методической системы специального средства обучения - учебной научной лаборатории

нового поколения, которая ориентирована на проектную и исследовательскую деятельность обучаемых на различных этапах учебного процесса, в том числе при переходе от курса физики к специальным и естественнонаучным дисциплинам.

6. В ходе исследования создан мобильный комплекс средств для реализации созданной методической ЭП студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях ОО, направленный на формирование у обучаемых специальных исследовательских компетенций. Комплекс включает в себя мобильные компьютеризированные видеосистемы, используемые для реализации физических экспериментов и для контроля полученных знаний и умений по физическому экспериментированию, специальные мобильные информационно-измерительные системы для выполнения физических измерений, мобильные системы управления физическим экспериментом для задания и определения физических параметров учебной экспериментальной установки, мобильные многофункциональные ФП, позволяющие проводить лабораторные работы в цикле естественнонаучных дисциплин по разным направлениям обучения (физика для физических специальностей, физика для технических специальностей, физика для педагогических специальностей, физика для специалистов естественнонаучного профиля и т.п.).

7. Проведенный в ряде учреждений ВПО педагогический эксперимент подтвердил предложенную гипотезу исследования о повышении качества обучения физике и формировании исследовательских компетенций у студентов вузов в условиях ОО при реализации созданной методики ЭП. Эксперимент показал, что стабильное повышение качества обучения в вузах связано непосредственно с систематическим целенаправленным применением методик, разработанных лично автором в ходе исследования.

Результаты диссертационного исследования позволяют сделать вывод, что задача создания методической системы ЭП студентов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин нашла свое решение, получила теоретическое обоснование и методику ее практической реализации.

В качестве возможного направления дальнейшей работы по развитию данного исследования предполагается теоретическое исследование целесообразности создания дистанционных образовательных центров ЭП по физике, в которых реализуются лабораторные физические практикумы с удаленным доступом, созданные в рамках методической системы экспериментальной подготовки по физике, разработанной автором. Эти физические практикумы должны быть доступны всем желающим через широкополосные каналы связи. В этих центрах предполагается разработка и внедрение новых технологий и средств обучения физике, соответствующих условиям открытого образования.

Основные результаты диссертационной работы отражены в 94 публикациях автора по теме исследования общим объемом 95 п.л. (авт. вклад 65,5 п.л.), основными из которых являются следующие:

I. Монографии

1. Калачев, H.B. Проблемно-ориентированные физические практикумы в условиях открытого образования в цикле естественнонаучных дисциплин. Практические аспекты. Монография. - М.: Издательский дом МФО. 2011. - 228 с. (14,25 п.л.).

2. Калачев, Н.В. Проблемно-ориентированные физические практикумы в условиях открытого образования в цикле естественнонаучных дисциплин. Теоретические аспекты. Монография. - М.: Издательский дом МФО. 2011. - 216 с. (13,5 п.л.).

3. Калачев, Н.В. Проблемы и особенности использования дистанционных образовательных технологий в преподавании естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования. Монография. - М.: Издательский дом МФО. 2011.-103 с. (6,44 п.л.).

II. Статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

4. Калачев, Н.В. Цикл переносных лабораторных работ по дисциплинам «Физика» и «Методы и приборы контроля окружающей среды и экологический мониторинг» [Текст] / Н.В. Калачев, С.М. Кокин, В.А. Никн-тенко, Е.К. Силина, М.В. Бахарев, А.О. Воробьёв // Физическое образование в вузах.- 2008. - Т. 14. - № 1. - С. 61-69 (0,56 п.л.) (авт. вклад 0,22 п.л., 40%).

5. Калачев, Н.В. Формирование профессиональных компетенций творческого характера в методической системе экспериментальной подготовки по физике студентов педагогических вузов [Текст] / Н.В. Калачев, A.B. Смирнов, С.А. Смирнов // Физическое образование в вузах - 2013. - Т. 19. - № 1. - С. 31-36 (0,38 п.л.) (авт. вклад 0,22 п.л., 59%).

6. Калачев, Н.В. Проблемно-ориентированный лабораторный практикум с элементами деятельностного подхода как средство закрепления знаний по методам математической физики [Текст] / Н.В. Калачев, A.B. Смирнов, О.В. Мирзабекова // Физическое образование в вузах - 2009. - Т. 15. - № 1. - С. 14-18 (0,31 п.л.) (авт. вклад 0,14 п.л., 45%).

7. Калачев, Н.В. Применение видео систем для расширения возможностей проведения лабораторных проблемно-ориентированных практикумов [Текст] / Н.В. Калачев, A.A. Кривченков, Б.Ф. Мишнев, A.A. Муравьев, А.Е. Муравьева // Вестник МГТУ им Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». - 2010. - № 1. - С. 110-117 (0,5 п.л.) (авт. вклад 0,22 п.л., 45%).

8. Калачев, Н.В. Преподавание естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования [Текст] / А.Н. Ланских, Н.В. Калачев // Известия Волгоградского государственного педагогического университета. Серия Педагогические науки. - 2010. - № 7 (51),- С. 16-20 (0,31 п.л.) (авт. вклад 0,2 п.л., 65%).

9. Калачев, Н.В. Проблемно-ориентированные физические практикумы - основа организации лабораторных работ в условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Морозов // Известия Волгоградско-

го государственного педагогического университета. Серия Педагогические науки. - 2010. - № 7 (51),, - С. 80-84 (0,31 п.л.) (авт. вклад 0,19 п.л., 60 %).

10. Калачев, Н.В. Организация проблемно-ориентированных физических практикумов в условиях открытого образования [Текст] / А.М. Афонин, Н.В. Калачев, А.Н. Морозов // Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена. — 2010. — № 135, — С. 174178 (0,31 п.л.) (авт. вклад 0,17 п.л., 55%).

11. Калачев, Н.В. Опыт преподавания естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев // Школа будущего. - 2010, - № 5, - С. 49-54 (0,38 п.л.).

12. Калачев, Н.В. Актуальные проблемы преподавания естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Ланских // Физическое образование в вузах. - 2010. - Т. 16. — № 4. - С. 103-108 (0,38 п.л.) (авт. вклад 0,22 п.л., 60%).

13. Калачев, Н.В. Использование ИТ в преподавании естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Ланских П Ученые записки Петрозаводского государственного университета, том 1 (114), февраль 2011, С. 35-37 (0,19 п.л.) (авт. вклад 0,1 п.л., 55%).

14. Калачев, Н.В. Вопросы преподавания естественнонаучных дисциплин на факультете открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Ланских // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, № 5 (75), 2011. - С. 135-139 (0,31 п.л.) (авт. вклад 0,15 п.л., 50%).

15. Калачев, Н.В. Применение технологий дистанционного обучения при организации преподавания математических дисциплин [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Ланских // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Серия Гуманитарные и общественные науки, № 3 (131), 2011, - С. 80 - 86 (0,44 п.л.) (авт. вклад 0,26 п.л., 60%).

16. Калачев, Н.В. Проблемно-ориентированные физические практикумы в техническом университете. Опыт применения. [Текст] / Н.В. Калачев // Физическое образование в вузах.— 2011. — Т. 17. — № 4. — С. 17—23 (0,44 П.Л.).

17. Калачев, Н.В. Опыт организации преподавания естественнонаучных дисциплин с применением технологий дистанционного обучения [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Ланских // Историческая и социально-образовательная мысль. - 2011.- № 4(9). - С. 68-72 (0,31 п.л.) (авт. вклад 0,19 п.л., 60%).

18. Калачев, Н.В. Разработка и применение проблемно-ориентированных физических практикумов в технических вузах [Текст] / Н.В. Калачев // Школа будущего. - 2012 - № 1. - С. 88-95 (0,5 п.л.).

19. Калачев, Н.В. Опыт применения проблемно-ориентированных физических практикумов в техническом вузе [Текст] / Н.В. Калачев // Из-

вестия Волгоградского государственного педагогического университета. Серия Педагогические науки. - 2012. - № 1 (65). - С. 108-111 (0,25 п.л.).

20. Калачев, Н.В. Методика разработки проблемно-ориентированных физических практикумов в технических вузах [Текст] / Н.В. Калачев // Вестник МГТУ им Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». - 2012. — № 1 (44). С. 119-125 (0,44 п.л.).

21. Калачев, Н.В. Информационно-измерительные системы для проблемно-ориентированных физических практикумов с удаленным доступом [Текст] / Н.В. Калачев, A.B. Смирнов, С.А. Смирнов // Физическое образование в вузах.- 2012. - Т. 18. - № 1. - С. 140-147 (0,5 п.л.) (авт. вклад 0,3 п.л., 60%).

22. Калачев, Н.В. Диверсификация физических практикумов в российских технических вузах [Текст] / Н.В. Калачев, Н.М. Кожевников, А.Н. Морозов // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Серия Гуманитарные и общественные науки, № 1 (143), 2012. - С. 133 - 136 (0,25 п.л.) (авт. вклад 0,15 п.л., 60%).

23. Калачев, Н.В. Оптимизация физических практикумов в вузах в цикле естественнонаучных дисциплин [Текст] / Н.В. Калачев, // Физическое образование в вузах.- 2012. - Т. 18. - № 4. - С. 43-50. (0,5 п.л.)

24. Калачев, Н.В. Специализированному лабораторному практикуму по физике (НИРС) - 20 лет [Текст] / H.A. Задорожный, Н.В. Калачев, А.Н. Морозов, СЛ. Тимченко // Физическое образование в вузах. - 2012. - Т. 18. - № 4. - С. 59-67. (0,56 п.л.) (авт. вклад 0,34 п.л., 60%).

III. Учебные и учебно-методические пособия

25. Калачев, Н.В. Конспект лекций по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация»: Учебное пособие [Текст] / С.М. Кокин, B.C. Фокин, Н.В. Калачев - М.: Российская открытая академия транспорта, МИИТ, 2010. -56 с. (3,5 п.л.) (авт. вклад 2,1 п.л., 60%).

26. Калачев, Н.В. Конспект лекций по дисциплине «Мониторинг среды обитания» Акустическая экология: Учебное пособие [Текст] / С.М. Кокин, В.Н. Долженко, Н.В. Калачев - М.: Российская открытая академия транспорта, МИИТ, 2010. - 54 с. (3,38 п.л.) (авт. вклад 1,86 п.л., 55%).

27. Калачев, Н.В. Конспект лекций по дисциплине «Мониторинг среды обитания» Радиационная экология: Учебное пособие [Текст] / С.М. Кокин, Е.К. Силина, Н.В. Калачев - М.: Российская открытая академия транспорта, МИИТ, 2010. - 64 с. (4 п.л.) (авт. вклад 2,4 п.л., 60%).

28. Калачев, Н.В. Конспект лекций по дисциплине «Мониторинг среды обитания» Экология электромагнитного излучения: Учебное пособие [Текст] / С.М. Кокин, A.A. Фортыгин, Е.К. Силина, Н.В. Калачев - М.: Российская открытая академия транспорта, МИИТ, 2010. - 60 с. (3,75 п.л.) (авт. вклад 1,13 п.л., 30%).

29. Калачев, Н.В. Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов IV курса «Радиационная экология»: Учебно-

методическое пособие [Текст] / С.М. Кокин, Е.К. Силина, Н.В. Калачев - М.: Российская открытая академия транспорта, МИИТ, 2010. - 28 с. (1,75 п.л.) (авт. вклад 0,96 п.л., 55%).

30. Калачев, Н.В. Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов IV курса «Электромагнитное загрязнение на железнодорожном транспорте»: Учебно-методическое пособие [Текст] / С.М. Кокин, A.A. Фортыгин, Е.К. Силина, Н.В. Калачев - М.: Российская открытая академия транспорта, МИИТ, 2010. - 36 с. (2,25 п.л.) (авт. вклад 1,13 п.л., 50%).

31. Калачев, Н.В. Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов IV курса «Шум и вибрация на транспорте»: Учебно-методическое пособие [Текст] / С.М. Кокин, Н.В. Калачев, Б.В. Карелин, Н.Р. Кустова, В.Н. Долженко — М.: Российская открытая академия транспорта, МИИТ, 2010. - 56 с. (3,5 п.л.) (авт. вклад 1,22 п.л., 35%).

32. Калачев, Н.В. Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов IV курса «Акустическая экология»: Учебно-методическое пособие. [Текст] / С.М. Кокин, Н.В. Калачев, Б.В. Карелин, Н.Р. Кустова, В.Н. Долженко. — М.: Российская открытая академия транспорта, МИИТ, 2010. - 52 с. (3,21 п.л.) (авт. вклад 1,46 п.л., 45%).

33. Калачев, Н.В. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов IV и V курсов «Мониторинг среды обитания»: Учебно-методическое пособие. [Текст] / С.М. Кокин, В.Е. Бурак, Т.Ф. Климова, Н.В. Калачев — М.: Российская открытая академия транспорта, МИИТ, 2010. — 88 с. (5,5 п.л.) (авт. вклад 1,8 п.л., 33%).

34. Калачев, Н.В. О преподавании естественнонаучных дисциплин на факультете открытого образования (препринтное издание) [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Ланских, Е.В. Райкина. М.: Финансовый университет, 2011. - 32 с. (2 п.л.) (авт. вклад 0,9 п.л., 45%).

35. Калачев, Н.В. Физика. Сравнение светотехнических характеристик лампочек накаливания и газоразрядной энергосберегающей лампочки. Методические указания к лабораторной работе № 500: Учебно-методическое пособие. [Текст] / С.М. Кокин, Л.С. Журавлева, Е.О. Дубовицкая, E.H. Будилова, В.А. Никитенко, Н.В. Калачев - М.: МИИТ, 2012. - 24 с. (1,5 п.л.) (авт. вклад 0,68 п.л., 45%).

36. Калачев, Н.В. Лабораторный практикум МиП-07, МиП-08, МиП-09, МиП-10, МиП-11, МиП-12, МиП-13, МиП-14 для студентов IV курса специальности «Инженерная защита окружающей среды» и «Безопасность жизнедеятельности в техносфере»: Учебно-методическое пособие [Текст] / С.М. Кокин, Л.С. Журавлева, Е.К. Силина, Н.В. Калачев - М.: МИИТ, 2012. - 76 с. (4,75 п.л.) (авт. вклад 1,9 п.л., 40%).

IV. Статьи в других изданиях

37. Калачев, Н.В. Учебный комплект датчиков физических величин для контроля окружающей среды и экологического мониторинга [Текст] / С.М. Кокин, Н.В. Калачев, М.В. Бахарев, А.О. Воробьев // Учебная физика. — 2007. - № 2.-С. 113-117(0,31 п.л.) (авт. вклад 0,13 п.л., 40%).

38. Калачев, H.B. Многоэтапные лабораторные работы, выполняемые в процессе изучения нескольких дисциплин [Текст] / С.М. Кокин, Н.В. Калачев, Е.К. Силина, В.Н. Недостаев // Учебная физика. - 2008. - № 2. - С. 104-106 (0,19 пл.) (авт. вклад 0,1 п.л., 53%).

39. Калачев, Н.В. Введение специального практикума в курс общей физики [Текст] / А.И. Андреев, С.М. Кокин, Н.В. Калачев, Я.М. Кривошеев, C.B. Мухин, В .В. Некрасов, В.А. Никитенко, A.B. Пауткина // Учебная физика. -2010. - № 4. - С. 41-44 (0,25 п.л.) (авт. вклад ОД пл., 40%).

40. Калачев, Н.В. Лабораторная работа «Сравнение характеристик источников света разных типов» [Текст] / Н.В. Калачев, С.М. Кокин, В.А. Никитенко, В.Н. Недостаев, Е.О. Дубовицкая, Л.С. Журавлева, E.H. Будилова// Учебная физика. - 2011. -№ 4. - С. 35-40 (0,38 п.л.) (авт. вклад 0,1 пл., 27%).

41. Калачев, Н.В. Возможности и особенности преподавания естественнонаучных дисциплин в системе дистанционного обучения на факультете открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Ланских // Современный научный вестник, № 8 (104), 2011, серия Педагогика, - С. 32-54 (1,44 п.л.) (авт. вклад 0,86 пл., 60%).

42. Калачев, Н.В. Методика преподавания естественнонаучных дисциплин на факультете открытого образования Финуниверситета [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Ланских, Е.В. Райкина // Вестник Елецкого государственного университета им. И.А. Бунина, Вып. 28: Серия «Педагогика» (История и теория математического образования). - Елец: ЕГУ им. И.А. Бунина, 2011, С. 91-99 (0,63 п.л.) (авт. вклад 0,34 пл., 55%).

V. Материалы конференций

43. Калачев, Н.В. Формы организации проблемно-ориентированных физических практикумов в системе дистанционного обучения [Текст] / Н.В. Калачев, A.B. Смирнов// Труды Международной научно-практической конференции «Методология конструирования учебной деятельности по физике. Общеобразовательные учреждения, вуз», 19-20 мая 2009 года, Московский государственный областной университет, кафедра методики преподавания физики. - М., МОГУ. 2009. - С. 10-12 (0,19 пл.) (авт. вклад 0,15 пл., 80%).

44. Калачев, Н.В. Системный подход как основа проблемно-ориентированных физических практикумов в условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев // Труды Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного образования: опыт и инновации», 25-26 ноября 2009 г., Ульяновский госпедуниверситет, г. Ульяновск, часть 2, С. 143-145 (0,19 пл.).

45. Калачев, Н.В. Цикл переносных лабораторных работ по дисциплинам «Физика» и «Методы и приборы контроля окружающей среды и экологический мониторинг» [Текст] / Н.В. Калачев, С.М. Кокин, В.А. Никитенко, Е.К. Силина, М.В. Бахарев, А.О. Воробьёв // Труды Х-й Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум», Астрахань 2008, под редакцией Н.В. Калачева и М.Б. Шапочкина, М. Издательский дом МФО.-2008.-С. 115- 116. (0,13 п.л.) (авт. вклад 0,08пл., 60%).

46. Калачев, Н.В. Использование среды Lab VIEW как основы проблемно-ориентированных физических практикумов в условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев, А. А. Кривченков // Сборник трудов VIII-й Международной научно-практической конференции 2009 «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments», 2021 ноября 2009 г., РУДН, Москва, С. 373-375. (0,19 пл.) (авт. вклад 0,15 пл. 80%).

47. Калачев, Н.В. Особенности применения видеообучающей системы в лаборатории НИРС при дистанционных физических практикумах [Текст] / Н.В. Калачев // Сборник тезисов докладов Международной школы-семинара «Физика в системе высшего и среднего образования России» 2010 г., Москва, под ред. проф. Г.Г. Спирина, МАИ, С. 151-152 (0,13 пл.).

48. Калачев, Н.В. Системный подход в организации преподавания естественнонаучных дисциплин на факультете открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Ланских // Сборник докладов VII Международной научно-практической конференции «Европейская наука XXI века - 2011» 07-15 мая 2011 г, Том 14, педагогические науки, Психология и социология, Przermysl, Nauka i studia, 2011, С. 29-33 (0,31 пл.) (авт. вклад 0,22 пл., 70%).

49. Калачев, Н.В. Дистанционные физические практикумы в условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев // Актуальные проблемы преподавания физики в вузах и школах постсоветского пространства. Материалы Международной школы-семинара «Физика в системе высшего и среднего образования», июнь 2011 г., Москва. / Под ред. проф. Г.Г. Спирина - М.: АПР, 2011, С. 115-116 (0,13 пл.).

50. Калачев, Н.В. Лаборатория «НИРС» и проблемы организации дистанционных физических практикумов [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Морозов // Х1-я международная конференция «Физика в системе современного образования», 19-23 сентября 2011 г., Волгоград, изд. ВГСПУ «Перемена», Т. 1, С. 123-125 (0,19 п.л.) (авт. вклад 0,12 пл., 65%).

51. Калачев, Н.В. Оперативная проверка знаний по физике с помощь компьютерной системы экспресс-контроля [Текст] / Н.В. Калачев, С.М. Кокин, В.А. Никитенко, С.В: Мухин // Сборник Трудов 17-й Всероссийской научно-практической конференции «Учебный физический эксперимент. Актуальные проблемы, современные решения» Глазов, январь 2012 г. - С. 11 (авт. вклад 0,03 пл. 50%).

52. Калачев, Н.В. Организация дистанционных физических практикумов в технических вузах [Текст] / Н.В. Калачев // Сборник трудов ХП Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум», Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 25-27 сентября 2012 г. / под ред. Н.В. Калачева и М.Б. Шапочкина, М.: Издательский дом МФО. - 2012. С. 132-133 (0,13 пл.).

Подписано к печати 21.06.13. Заказ №453 Объем 2,75 печ.л. Тираж 130 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

Текст диссертации автор научной работы: доктора педагогических наук, Калачев, Николай Валентинович, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

05201351517

Калачев Николай Валентинович

МЕТОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ ПО ФИЗИКЕ СТУДЕНТОВ ВУЗОВ В ЦИКЛЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ДИСЦИПЛИН

13.00.02-Теория и методика обучения и воспитания (физика)

Диссертация на соискание ученой степени доктора педагогических наук

Научный консультант -д.п.н., профессор A.B. Смирнов

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................................................4

ГЛАВА 1. Состояние проблемы экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин.......................................................................................................24

§ 1.1. Анализ состояния экспериментальной подготовки по физике студентов вузов в цикле естественнонаучных дисциплин и перспективы ее

развития в условиях открытого образования......................................24

§ 1.2. Анализ результатов теоретических исследований по проблеме

экспериментальной подготовки по физике студентов вузов...................43

Выводы по главе 1.......................................................................73

ГЛАВА 2. Теоретические основы методической системы экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого

образования............................................................................77

§ 2.1. Теоретические основы методической системы экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в

цикле естественнонаучных дисциплин..............................................77

§ 2.2. Теоретические аспекты применения информационных и коммуникационных технологий в экспериментальной подготовке студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных

дисциплин........................................................................................................87

§ 2.3. Концепция и модель методической системы экспериментальной подготовки по физике в цикле естественнонаучных

дисциплин в условиях открытого образования................................118

Выводы по главе 2......................................................................144

ГЛАВА 3. Методическая система экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования..............................148

§ 3.1. Цели и задачи методической системы экспериментальной

подготовки при изучении физики в вузах.......................................148

§ 3.2. Содержание методической системы экспериментальной подготовки по физике в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях

открытого образования...............................................................153

§ 3.3. Технология экспериментальной подготовки по физике в

условиях открытого образования для различных форм обучения...........171

§ 3.4. Средства реализации экспериментальной подготовки по физике студентов вузов в цикле естественнонаучных дисциплин в

условиях открытого образования...................................................209

Выводы по главе 3......................................................................229

ГЛАВА 4. Педагогический эксперимент по проверке результативности методической системы экспериментальной подготовки студентов вузов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в

условиях открытого образования................................................233

§ 4.1. Общая характеристика педагогического эксперимента и его

констатирующий этап................................................................233

§ 4.2. Поисковый этап педагогического эксперимента...............244

§ 4.3. Обучающий этап педагогического эксперимента...............253

Выводы по главе 4.....................................................................262

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА.. Приложения ....

265 .269 303

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях многие учреждения ВПО Российской Федерации проходят этап преобразования в инновационные университеты, национальные исследовательские университеты и федеральные университетские центры, в которых осуществляется подготовка бакалавров, магистров и специалистов, обладающих полноценным творческим потенциалом и способных вести на базе современных фундаментальных научных исследований разноплановую научно-исследовательскую, внедренческую деятельность в большом диапазоне наукоемких технологий и специальностей.

Поставленные в инновационных программах подготовки кадров в высших учебных заведениях и в концепции коренной модернизации российского образования на период до 2020 [238] года задачи будут выполняться при оптимальном сочетании профессиональной и фундаментальной направленности образования, при значительном усилении творческого компонента учебной деятельности и реализации компетентностного, исследовательского, контекстного и практико-ориентированного подходов к обучению. В этой связи новые подходы в обучении физике и другим естественнонаучным дисциплинам следует рассматривать как неотъемлемую часть полноценного образования, направленного на решение поставленных перед ним задач и вносящего существенный вклад в развитие творческой личности, владеющей методологией инновационной внедренческой деятельности, личности, которая готова квалифицированно и самостоятельно решать сложные профессиональные задачи.

Для формирования у студентов исследовательских компетенций в учебные планы зарубежных и российских вузов включены различные формы занятий, позволяющие эти качества сформировать и закрепить. К

таким видам занятий относятся лабораторные физические практикумы (ФП) в цикле естественнонаучных дисциплин, позволяющие в процессе обучения формировать у студентов навыки научно-исследовательской деятельности.

Уже с середины XVIII века А.Г. Столетовым создаются учебные и научные лаборатории в университетах, «в которых студенты могли бы после лекций осуществлять экспериментальные физические исследования» [20]. Выдающиеся физики прошлого и современности Ж.И. Алферов, И.А.Иоффе, П.Л.Капица, Л.Д.Ландау, П.Н.Лебедев, Дж.К.Максвелл, А.Г. Столетов, Н.А. Умов, Р. Фейнман и другие неоднократно указывали на обязательность организации исследовательских занятий для изучения студентами основных физических явлений. Так, П.Л. Капица писал, что «изучать любое явление в природе (будь то падение тела, разряд в трубке, барометрическое давление) необходимо как экспериментальное физическое исследование, при проведении которого надо с самого начала обращать внимание на методику физических исследований» [146]. Наполнение новым содержанием лабораторных ФП в цикле естественнонаучных дисциплин, необходимость и потребность постоянного совершенствования методик их проведения, остаются актуальными и в настоящее время. В базовые естественные науки входят астрономия, биология, география, геология, физика и химия. Все они используют математическое или компьютерное моделирование для описания рассматриваемых явлений.

Выполненный нами констатирующий эксперимент указывает на то, что в настоящий период во многих вузах наблюдается устойчивая тенденция сокращения часов, выделяемых на экспериментальную подготовку, а содержание и методы проведения лабораторных практикумов не позволяют сформировать у студентов исследовательские компетенции.

Педагогический эксперимент показал, что проблема может быть решена, если: 1) изменить методику проведения лабораторных ФП так, чтобы формирование исследовательских компетенций, в сочетании с развитием творческой личности в плане научно-исследовательской деятельности, базировалось на современных информационных технологиях как основном средстве поддержки новой формы образования - открытого образования; 2) проводить лабораторные ФП с учетом комплексной организации самостоятельной работы студентов поисково-исследовательского характера с использованием современных информационно-коммуникационных технологий.

Существует достаточно большое число исследований, посвященных различным связанным с нашим исследованием аспектам теории и методики проведения физических практикумов в школе и в вузе, в том числе проблеме их оптимизации, а также методике обучения физике в вузе. Среди них:

работы Ю.К. Бабанского, В.А. Сластенина, В.П. Каширина и др., посвященные оптимизации учебного процесса в целом и физического практикума, в частности, труды Л.И. Анциферова, разработавшего концепцию системности и оптимизации школьного физического эксперимента; исследования Р.И. Малафеева, создавшего методику проблемного обучения при выполнении физического эксперимента. Значительный вклад в теорию и практику использования учебного эксперимента при обучении физике внесли также В.А. Буров, С.Е. Каменецкий, В.В. Майер, Н.Я. Молотков, A.A. Покровский, С.А. Хорошавин, Т.Н. Шамало, Н.М. Шахмаев, В.Ф. Шилов и другие;

исследования по методике обучения физике в системе высшего профессионального образования, выполненные А.Е. Айзенцоном, А.Д. Гладуном, Г.В. Ерофеевой, В.В. Ларионовым, Л.В. Масленниковой,

И.А. Мамаевой, Е.Б. Петровой, A.A. Червовой и др., в которых существенное место отведено экспериментальной подготовке студентов;

работы А. Д. Гладуна, В.В. Ларионова, Г.Г. Никифорова, В.Г. Разумовского, В.В. Смирнова, A.B. Усовой, С.А. Хорошавина, Т.Н. Шамало, Н.И. Шефер и др., посвященные проблемно-исследовательскому обучению физике и исследовательским образовательным технологиям;

исследования, рассматривающие применение современных информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) в обучении физике в учреждениях ВПО (Г.А. Бордовский, Ю.С. Брановский, Е.В. Данильчук, В.А. Извозчиков, В.В. Лаптев, М.П. Лапчик, В.В. Ларионов, A.B. Могилев, А.И. Назаров, Е.С. Полат, Т.К. Смыковская, и др.).

Наиболее близкими к теме нашего исследования являются работы В.В. Смирнова и В.В. Ларионова, которые посвящены методике экспериментальной подготовки студентов в физических практикумах. Однако В.В. Смирнов решает проблему организации и проведения практикума по общей физике при обучении будущих учителей физики, которая входит в профессиональный блок основной образовательной программы, при этом все лабораторные работы выполняются на реальном оборудовании. Диссертация В.В. Ларионова посвящена проблемно-ориентированной очной системе обучения физике студентов технических вузов и не содержит элементов открытого образования.

В то же время наметившаяся к началу XXI века тенденция получения высшего образования заочным (дистанционным) путем привела к развитию новых форм обучения - открытому образованию. Так в Финансовом университете при Правительстве РФ (http ://www. fa.ru/) после присоединения к нему в 2012 году Всероссийского заочного финансово-

экономического института, Государственного университета Министерства финансов РФ и Всероссийской государственной налоговой академии Министерства финансов РФ общее число обучаемых выросло до 85 ООО человек, но только 5 ООО из них обучаются по очной форме. В Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ -http://www.miit.ru/) обучаются 118 ООО человек в 37 филиалах 24 субъектов РФ, причем большая часть обучается по очно-заочной и заочной формах обучения. Аналогичная картина наблюдается в Санкт-Петербургском национальном минерально-сырьевом университете «Горный» (http://www.spmi.ru) - 16 875 обучаемых в 2012 году, из них 6 728 на очной форме обучения. Однако методическая система обучения физике, в том числе экспериментальной подготовки по физике в системе открытого образования, сочетания этой системы с традиционным очным и очно-заочным обучением до настоящего времени не создана.

Кроме того, остается открытой проблема экспериментальной подготовки по физике студентов нефизических специальностей, тех, для которых физика или естествознание входят в блок естественнонаучных и математических дисциплин.

Таким образом, проведенный анализ исследований, научно-методических публикаций, результаты констатирующего этапа педагогического эксперимента, выполненного в ходе настоящего исследования, показали, что, несмотря на особую значимость отмеченных выше научно-исследовательских работ, целенаправленные научно-педагогические исследования, направленных на разработку методической системы экспериментальной подготовки по физике студентов вузов в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования, не проводилось. Практически полностью отсутствуют научно-методические работы, предлагающие новые концептуальные подходы к формированию содержания, организационно-процессуальных форм и

методов проведения лабораторных физических практикумов в блоке естественнонаучных дисциплин, реализуемых в условиях открытого образования, развивающих исследовательские компетенции обучаемых и соответствующих новой программе модернизации отечественного физического образования.

Вышеизложенное позволило выделить ряд противоречий, связанных с экспериментальной подготовкой по физике студентов учреждений высшего профессионального образования:

• между потребностью современного общества в специалистах, способных использовать современные физические методы исследования в своей профессиональной деятельности и существующим уровнем их экспериментальной подготовки при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин;

• между задачей формирования у студентов исследовательских компетенций и существующей системой их экспериментальной подготовки в процессе обучения физике, осуществляющейся в рамках традиционных технологий обучения, не позволяющих в полной мере формировать эти компетенции на современном уровне;

• между потенциалом физического практикума как формы и средства экспериментальной подготовки студентов к успешному решению профессиональных задач, связанных исследовательской деятельностью и с применением физических методов исследования и недостаточной разработанностью теоретических и методических основ их проведения в условиях реформирования системы образования;

• между возможностями системы открытого образования, широким внедрением его инструментария в образовательную практику и отсутствием методики проведения лабораторных физических практикумов в современных условиях открытого образования, направленной на формирование у студентов вузов исследовательской компетентности в

процессе их самостоятельной поисковой учебно-исследовательской деятельности.

Из комплекса выявленных противоречий становится очевидной необходимость обоснования и разработки и практической реализации концепции и модели новой методической системы экспериментальной подготовки студентов учреждений высшего профессионального образования при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин применительно к современным условиям открытого образования (00).

Все изложенное свидетельствует об актуальности избранной автором темы исследования «Методическая система экспериментальной подготовки по физике студентов вузов в цикле естественнонаучных дисциплин», проблемой которого является поиск ответа на вопрос, какой должна быть система экспериментальной подготовки студентов вузов в цикле естественнонаучных дисциплин с учетом проходящего в настоящее время реформирования системы образования.

Объект исследования: процесс обучения физике студентов учреждений высшего профессионального образования.

Предмет исследования: методическая система экспериментальной подготовки студентов при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин в учреждениях высшего профессионального образования.

Цель исследования: обоснование, разработка и реализация концепции методической системы экспериментальной подготовки студентов в физических практикумах в цикле естественнонаучных дисциплин.

Гипотеза исследования состоит в предположении о том, что экспериментальная подготовка студентов высших учебных заведений при изучении физики в цикле естественнонаучных дисциплин обеспечит формирование их исследовательских компетенций и повышение качества

обучения физике в условиях 00, если содержательный и процессуальный компоненты этой подготовки в физических практикумах будут:

•базироваться на идеях компетентностного и системного подходов; •направлены на формирование элементов научно-исследовательского творчества студентов и организацию их самостоятельной поисковой учебно-исследовательской деятельности;

•учитывать современные достижения науки и наукоемких технологий;

•опираться на современный инструментарий новых информационных технологий;

•ориентироваться на самостоятельную деятельность студентов при выполнении учебного и научного исследований с использованием современных методов науки, предлагающих решение конкретных задач профессиональной деятельности.

В соответствии с целью и гипотезой исследования были поставлены следующие задачи:

1. Выявить состояние проблемы э