Обучение физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий

Вознесенская, Наталья Владимировна

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

автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Обучение физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий

Автореферат

Автор научной работы: Вознесенская, Наталья Владимировна
Ученая степень: кандидата педагогических наук
Место защиты: Саранск
Год защиты: 2006
Специальность ВАК РФ: 13.00.02

Диссертация

Автореферат диссертации по теме "Обучение физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий"

На правах рукописи

ВОЗНЕСЕНСКАЯ Натальи Владимировна

ОБУЧЕНИЕ ФИЗИКЕ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

13.00.02 - теория и методика обучения н воспитания (физика)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Москва 2006

Работа выполнена на кафедре общенаучных дисциплин Рузаевского института машиностроения Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева

Научный руководитель:

доктор педагогических наук, профессор Масленникова Людмила Васильевна

Официальные оппоненты: доктор педагогических наук, профессор Исаев Дмитрий Аркадьевич

доктор педагогических наук, профессор Иванов Александр Иванович

Ведущая организация: Волжский государствашый инженерно-педагогический университет

Защита состоится <<>^>» 2006 года в 15 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.154,05 при Московском педагогическом государственном университете по адресу:

119992, г. Москва, ГСП-2, ул. М. Пироговская, д. 29, аул. 30. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета по адресу:

119992, г. Москва, ГСП-2, ул. М. Пироговская, д, 1.

Автореферат разослан «УУ» О/СПсЯ-^ЬЯ- 2006 года. Ученый секретарь

диссертационного совета ■^¿-¿СС? " ^ КВ. Шаронова

Общая характеристика исследования

В настоящее время общепризнанно, что традиционное понимание профессионального инженерного образования как усвоения определенной суммы знаний, основанного на преподавании фундаментальных, общетехнических и специальных дисциплин, является недостаточным. В ходе изучения профессионально-технической среды современных промышленных предприятий, установлено, что в профессиональную деятельность специалистов машиностроения активно проникают информационные и телекоммуникационные технологии, что вызывает острую потребность в специалистах, умеющих для решения профессиональных задач использовать не только фундаментальные теории, но и современные компьютерные технологии. Для эффективной подготовки таких специалистов решающее значение имеет поиск и создание нетрадиционных педагогических решений, разработка и использование новых подходов, идей и методов обучения, способных улучшить содержание образования и уровень подготовки выпускников, в частности, по физике, которая представляет собой фундаментальную основу, дисциплин технического направления.

Как показал анализ работ но методике преподавания физики в профессиональных учебных заведениях, фундаментальная подготовка студентов к осуществлению профессиональной деятельности инженера наиболее полно может быть реализована в условиях профессиональной направленности обучения (А.Е. Айзен-цон, Л.О., Измайлова, Л.В. Масленникова и др.). Причем, принцип профессиональной направленности должен найти свое отражение в деятельности, адекватной современным условиям. Дня студентов инженерных специальностей эта деятельность связана с использованием компьютерных технологий при решении физических задач с профессиональным содержанием.

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

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

Таким образом, существуют противоречия:

— между характером профессиональной деятельности инженера в инноваци-

о иной среде промышленных предприятий и сложившейся системой подготовки студентов технических вузов в области физики;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- осуществить экспериментальную проверку гипотезы исследования.

Дня решения поставленных задач использовались следующие методы:

- теоретические — анализ философской, естественнонаучной, научно-технической, психолого-педагогической литературы; анализ содержания документов по модернизации Российского образования, основных направлений информатизации системы образования, изучение рынка компьютерных технологий; проведение сравнений и аналогий, обобщение, синтез; моделирование педагогических ситуаций; анализ инновационного педагогического опыта;

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

Научная новизна исследования.

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

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

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

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

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

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

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

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

3. Предложена и реализована методика применения современных компьютерных технологий для проведения практических и лабораторных занятий, выпол-

нения курсовых и научно-исследовательских работ по физике в технических вузах, включающая:

- формирование мотивов применения компьютерных технологий;

- установление взаимосвязи аудиторных занятий и самостоятельной работы студентов;

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

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

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

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

Практическая значимость исследования состоит в том, что разработан учебно-методический комплекс для осуществления фундаментальной и профессионально-направленной подготовки по физике студентов инженерных специальностей с применением современных компьютерных технологий, включающий рабочую программу по физике для направления подготовки 657800 «Конструктор-ско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»; задания для практических и лабораторных работ по физике, реализующие взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы студентов, и учебное пособие для преподавателей и студентов технических вузов, в котором изложены основы применения совокупности различных компьютерных технологий при выполнении курсовых и научно-исследовательских работ по физике.

Апробации и внедрение результатов исследования. Дня апробации материалы исследования были представлены:

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

- на научных сессиях Мордовского государственного педагогического института им. М.Е. Евсевьева и Самарской государствеш юй академии путей сообщения имели М.Т, Елизарова (Саранск, Самара, 2001 - 2006);

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

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

- на заседании кафедры теории и методики обучения физике МПГУ (Моск-

ва, 2006);

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

Исследовательская работа осуществлялась со студентами специальностей 151001 «Технология машиностроения», 151002 «Металлообрабатывающие станки и комплексы», 110301 — «Механизация сельского хозяйства», 110304 — «Технология обслуживания и ремонта машин в агропромышленном комплексе», на базе Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева,

На защиту выносятся:

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

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

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

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

На первом этапе с 2001 по 2002 гх. изучалось современное состояние теории и практики обучения физике студентов технических вузов с использованием со-време1шых компьютерных технологий: осуществлялся анализ документов по модернизации российского образования, Государственного стандарта высшего профессиональною образования, квалификационных характеристик, учебных планов н программ по физике для инженерных специальностей, проводился констатирующий эксперимент.

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

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

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и пята приложений. Общий объем диссертации 220 страниц, основной текст диссертации составляет 173 страницы. Работа включает 35 рисунков, 19 таблиц и 4 схемы. Библиографический список содержит 170 наименований.

Основное содержание диссертации

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, обозначается проблема, определяются цель, объект, предмет и гипотеза исследования, в соответствии с которыми формулируются задачи исследования, приводятся сведения о методах и этапах их выполнения, об апробации результатов исследования, раскрываются научная новизна, теоретическая и практическая значимость исследования, формулируются положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние проблемы обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий» на основе анализа задач и состояния инженерного образования в современных условиях выявлены требования, предъявляемые к выпускникам технических вузов и инновационные характеристики профессиональной деятельности инженера. .

Исходя из общих требований, предъявляемых к специалисту, сделан вывод о том, что важнейшую роль в системе высшего технического образования играет фундаментальная подготовка по физике. С другой стороны, образование новых производственных технологий, внедрение средств и систем автоматизации на основе микропроцессорной техники во все сферы производства, проектирования, конструирования, в технологические процессы создания и испытания промышленной продукции предъявляют к профессиональной квалификации инженера дополнительные требования, заключающиеся в овладении компьютерными технологиями, формализованными методами решения инженерных задач, опирающихся на знания фундаментальных наук, в первую очередь физики. Из них основными являются следующие: эффективное использование компьютерных технологий для расчетов физических параметров технологических процессов; для статистической обработки результатов эксперимента и прогнозирования; организация выбора и использование компьютерных технологий при реализации процессов проектирования и изготовления изделий, обладающих оптимальными физическими параметрами; создание физических моделей процессов и систем.

Однако, высокие требования, предъявляемые стандартом высшего профессионального образования, входят в противоречие с уже сложившейся системой обучения физике студентов технических вузов. При увеличении объема учебного материала, число обязательных часов на изучение учебного материала сокращается. Выходом из сложившейся ситуации является активизация самостоятельной работы студентов с помощью компьютерных технологий. Но, как показал констати-

рующий эксперимент, несмотря на то, что число студентов, имеющих навыки работы с компьютером достаточно высокое, студенты не применяют компьютерные технологии для решения физических задач. В первую очередь это происходит потому, что не сформированы необходимые для этого мотивы и навыки. В результате выпускники оказываются не готовыми к решению профессиональных задач, возникающих в инновационной деятельности инженера.

Отражение проблемы повышения качества подготовки студентов по физике в технических вузах имеется в работах А.Е. Айзенцона, С.Ю. Бурмиловой, A.A. Гла-дуна, Г.В. Ерофеевой, А. Б. Жмодяк, А.Ф. Иоффе, JLB. Масленниковой и др. Анализ источников позволил выделить в подходах к ее решению два основных научно-методических направления. Исследования первого из них посвящены организации профессионалыю-ориентированного обучения физике, способствующего получению знаний, умений, навыков на профессионально значимом материале, что обеспечит в будущем качественное выполнение специалистом своих функциональных обязанностей. В груше работ, относящихся ко второму направлению, рассматриваются вопросы, как общего, так и частого характера, применения персональных компьютеров при обучении физике студентов инженерных специальностей. Тем не менее, исследования, посвященные комплексному подходу к проблеме использования компьютерных технологий при обучении физике студентов технических вузов с учетом их будущей профессиональной деятельности при сохранении фундаментального подхода, практически отсутствуют.

Таким образом, проведенный анализ состояния теории и практики обучения физике студентов технических вузов позволяет констатировать:

— несмотря на осведомленность студентов о роли и месте компьютерных технологий в будущей профессиональной деятельности, они испытывают затруднения при использовании компьютерных технологии при решении физических задач;

— при обучении физике студентов инженерных специальностей используется ограниченное количество компьютерных технологий (электронные книги, мультимедиа-технологии, технологии тестового контроля и др.), которые не отражают специфику технического вуза, применяются эпизодически, в основном .для решения традиционных задач. Для осуществления эффективного процесса обучения физике необходимо расширение средств компьютерных технологий в технических вузах.

Вторая глава «Теоретические основы обучения физике студентов технических вузов с использования современных компьютерных технологий» посвящена разработке методики обучения физике студентов втузов с использованием современных компьютерных технологий, и следующие положения составляют ее теоретическую основу.

Обучение физике студентов технических вузов осуществляется на двух различных уровнях. Так как одна из целей курса физики технического вуза - формирование фундаментальных знаний о физических явлениях, законах и теориях, о методах познания в физической науке и формирование научного мировоззрения, то первый уровень — инвариантный (базовый), при этом ведущим принципом обучения является принцип фундаментальности.

Но обучение физике студентов технического вуза имеет и специфические цели — создание научной базы студента для изучения общетехнических и специальных дисциплин; формирование видов деятельности, адекватных профессиональной деятельности инженера и др. Поэтому обучение на втором уровне ориентировано на применение физических законов и явлений в профессиональной деятельности. Следовательно, построение дидактического процесса на втором уровне следует проводить на основе междисциплинарного подхода и принципа профессии нальной направленности обучения. Причем, при изучении каждого раздела и темы курса физики необходимо сначала обеспечить формирование фундаментальных знаний, а затем перейти к рассмотрению конкретных процессов и явлений, относящихся к профессиональной деятельности будущего инженера.

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

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

Отбор содержания обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий заключается в выборе такого учебного материала, который будет использоваться в предстоящей профессиональной деятельности инженера, при этом необходимо руководствоваться принципами дидактики и следующими критериями:

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

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

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

В соответствии с перечисленными принципами и критериями разрабатывалось содержание рабочей программы по физике, фрагмент которой представлен в таблице 1.

Таблица 1

Фрагмент рабочей программы по изучению вопроса «Упругие сипы» __курса механики__

Содержание базового уровня Содержание профессионально-ориентированного уровня Использование компьютерных технологий Программное обеспечение

Общее представление об упругих силах. Поняли упругой деформация. Понятие о жестко-, его. Коэффициент жесткости. Закон Гука. Упругие деформации в машиностроении. Влияние упругих деформаций системы станок-приспособление-кнструмент-деталь па точность механической обработки. Понятие о жесткости системы стаяок-приспособление-инструмент-деталь. Упругий н остаточные напряжения. Расчет и проектирование раишчньк механических устройств с использованием технология расчета методом конечных элементов. Модуль упругие деформации пакета шхит.

Таким образом, одной из особенностей курса физики в техническом вузе является выделение профессионально значимого материала, необходимого для осуществления инновационной деятельности инженера, связанной с использованием компьютерных технологий. Причем, важным компонентом содержания обучения физике студентов технических вузов должен стать не только учебный материал, но и соответствующие этому материалу компьютерные технологии, создающие условия для более глубокого понимания физических законов, явлений и процессов.

Понятие компьютерной технологии вытекает из понятия информационной технологии. В толковом словаре терминов понятийного аппарата информатизации образования, разработанного в ИИО РАО, информационная технология определена как «практическая часть научной области информатики, представляющая собой совокупность средств, способов, методов автоматизированного сбора, обработки, храпения, передачи, использования, продуцирования информации для получения определенных, заведомо ожидаемых, результатов». Компьютерная технология -информационная технология, реализация которой осуществляется с помощью средств микропроцессорной («компьютерной») техники (рис. 1).

Кампыотарж*

тмнопяии

Рис. 1. Систематизация информационно-компьютерных технологий В основу выбора соответствующих компьютерных технологий по каждому

разделу и теме взяты разработанные И.Е. Вострокнутовым принципы педагогической целесообразности применения компьютерных технологий, которые видоизменены и адаптированы для обучения физике студентов технических вузов:

а) применение компьютерных технологий должно обеспечить достижение учебных целей и задач, ставящихся перед курсом обучения физике и органически вписываться в учебный процесс;

б) применение компьютерных технологий должно обеспечить интенсификацию учебного процесса, т. е., учебный материал, усвоенный студентами с использованием компьютерной технологии за определенный промежуток времени, должен быть больше, чем при использовании традиционных методов и средств, а уровень усвоения учебного материала не ниже того, что достигается без компьютерных технологий;

в) разному содержанию должны соответствовать разные компьютерные технологии, применяемые ори обучении, исключение составляют универсальные системы;

г) применение компьютерных технологий целесообразно при изучении только тех тем, которые наиболее эффективно могут быть усвоены с помощью данной компьютерной технологии.

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

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

Применение компьютерных технологий следует полностью совместить с тра-дициошшми формами обучения; лекциями, практическими и лабораторными занятиями, которые предполагают значительную самостоятельную внеаудиторную работу студента. При этом самостоятельная работа студентов должна представлять собой логическое продолжение аудиторных занятий, обеспечивая. непрерывное физическое образование в техническом вузе и ее активизация с помощью компьютерных технологий является необходимым условием для эффективной организации учебной деятельности при остром дефиците учебного времени.

Своеобразной формой организации самостоятельной работы студентов, как на базовом, так и на профессионально-ориентированном уровнях, является выполнение курсовой работы и научно-исследовательская работа по физике. Сравнение прилагаемых к учебным программам примерных перечней тем курсовых работ по физике, информатике и общетехническим дисциплинам Приводит к выводу, что их

Схема 1. Компьютерные технологии в обучении физике студентов технических вузов

интеграция в единый учебный процесс не находит должного отражения в техническом вузе. В результате курсовая работа по физике часто имеет реферативный характер и сводится к сбору материала из разных источников. При этом компьютер используется лишь как средство для оформления готовой курсовой работы с помощью технологии обработки текстовой информации. Такой подход воспитывает у будущих специалистов формальное, бессистемное отношение к инженерной работе в целом, т. е. заведомо снижает качество профессиональной подготовки студентов. Использование компьютерных технологий, применяемых в практике инженера, при решении физических задач по производственной или научно-исследовательской тематике является одной из важнейших форм активизации учебного процесса и развития самостоятельности у студентов в принятии конкретных решений.

Научно-исследовательская работа студентов выступает органической составной частью целостной системы подготовки специалистов и осуществляется нами как система усложняющихся задач, решение которых приводит к неуклонному обогащению исследовательского опыта, личностного и профессионального самоопределения студентов. К основным формам научно-исследовательской работы студентов технических вузов мы относим следующие: работа студенческих иауч-

но-исследовательских кружков, выполняющих исследования по проблемам, связанных с научными интересами как отдельных преподавателей, так и кафедр в целом; работа студентов на базе промышленных предприятий; участие в научных конференциях, выступление с докладами и сообщениями по материалам исследований; представление материалов научно-исследовательской деятельности на конкурсы различного уровня (внутривузовский, региональный, всероссийский и тл.); исследовательская работа, проводимая по индивидуальному плану.

На всех формах аудиторных и внеаудиторных занятий обучение физике студентов технических специальностей можно осуществлять с применением традиционных методов, но с учетом новых возможностей, предоставляемых компьютерными технологиями.

Таким образом, в соответствии с современными требованиями к профессиональной подготовке выпускника технического вуза нами представлены теоретические основы построения методики обучения физике с использованием совокупности различных современных компьютерных технологий, применяемых в практике инженера и оказывающих влияние на цели, содержание, методы, формы и средства обучения.

В третьей главе «Методика применения компьютерных технологий при обучении физике студентов технических вузов» па примере специальностей 151001 «Технология машиностроения», 151002 «Металлообрабатывающие станки »комплексы», 110301 — «Механизация сельского хозяйства», 110304 — «Технология обслуживания и ремонта машин в агропромышленном комплексе» представлена методика проведения практических и лабораторных занятий по физике и организации самостоятельной работы студентов (домашние задания, курсовые работы, научно-исследовательская работа), в первую очередь предполагающая формирование мотивов применения компьютерных технологий при решении физических задач. Ведущим методом обучения в этом случае становится метод проблемных ситуаций и развертывание на их основе активной поисковой деятельности студентов. При создашш проблемных ситуаций необходимо противопоставить новые факты и наблюдения сложившейся системе знаний в противоречивой форме. Например, студенты осознают необходимость применения компьютерных технологий с целью реализации методов линейного и нелинейного программирования при решении задачи оптимизации физических параметров некоторого технического устройства, вступающем в противоречие с имеющимся на .данном этапе обучения математическим аппаратом.

Однако, систематически использовать данную форму работы на аудиторных занятиях в отведенные программой часы невозможно. Поэтому необходима активизация самостоятельной работы студентов с помощью компьютерных технологий. С этой целью предлагается для организации аудиторной и внеаудиторной (самостоятельной) работы студентов применять контролируемые домашние задания по теме аудиторного занятия, которые формируются в зависимости от действий (анализ физической задачи, установление факта необходимости применения компьютерной технологии, выбор компьютерной технологии решения, решение или продолжение начатого решения задачи с использованием выбранной компьютерной технологии и анализ полученных результатов), совершаемых совместно на ау-

диторном занятии (Л) или самостоятельно (Б). Комбинируя в различных вариантах действия по выполнению заданий, можно сформировать различные методики проведения практических и лабораторных занятий с последующей организацией самостоятельной работы студентов (табл. 2).

Таблица 2

Действия 1 2 3 4

А Б А Б Л Б А Б

Анализ физической задачи (начало решения') * * * *

Установление факта необходимости применения компьютерной технологии * • • *

Выбор компьютерной технологии решения я соответствующего программного обеспечения * * *

Решение (или продолжение начатого решения) задачи с использованием выбранной компьютерной технологии « * •

Анализ

В зависимости от индивидуальных особенностей студентов и уровня компьютерной подготовки каждого та или иная технология используется более или менее развернуто (то сокращается до операции, то, наоборот, разворачивается в систему действий с иерархией операций). При такой организации самостоятельной работы студентов роль преподавателя сводится к созданию банка разноуровневых задач для составления индивидуальных домашних работ и к тщательной разработке а внедрению в учебный процесс методических и учебных пособий, которые выполняют не только информационную, но и организационно-контролирующую и управляющую функции. Задача в этом случае состоит в обеспечении оптимального сопряжения самостоятельной работы студента с формами контроля и самоконтроля.

Под банком задач мы понимаем систематизированный набор физических задач, а том числе и с профессиональным содержанием, классифицированных по томам, по типу и уровню трудности. Для каждого типа задач необходимо выделить действия, реализуемые с использованием современных компьютерных технологий.

Первый тип задач — вычислительные, предполагающие выполнение следующих расчетов с использованием компьютерных технологий:

1. Вычисления, повторяющиеся многократно по одной и той же формуле. Например, многократные вычисления по выведенной формуле при различных значениях входных переменных.

2. Вычисления слишком громоздкие, чтобы их можно выполнить вручную, так как при этом не будет обеспечена необходимая точность и потребуется много времени.

3. Вычисления, основанные на изученном студентами математическом аппарате (аппарат дифференциального и интегрального исчисления, матричные методы, решение различного рода уравнений и систем уравнений).

Второй тип задач — графические, в которых ответ на поставленный вопрос выражается графически или ответ не может быть получен без графика. Действия,

реализуемые с использованием компьютерных технологий: построение графика на основе данных условия; поиск значения физической величины по графику; интерполяция и экстраполяция; регрессионный анализ (определение вида функциональной зависимости величин по виду заданного графика); построение трехмерных поверхностей; анимация.

Третий тип задач - физические задачи, решение которых не может быть рассмотрено на уровне имеющегося у студентов математического аппарата на данном этапе обучения. Это физические задачи, использующие аппарат численных методов, например, задачи, сводящиеся к нелинейным уравнениям (нахождение собственных значений энергии для прямоугольной потенциальной ямы конечной высоты —решение уравнения Шредингера); задачи, сводящиеся к решению уравнений в частых производных (определение электростатического потенциала в двумерной плоскости, который описывается уравнением Пуассона или Лапласа) и др. Особого внимания заслуживают задачи оптимизации, поскольку создание конструкций, обладающих теми или иными оптимальными физическими и техническими параметрами, является одной из главных задач инженерного проектирования. Например, для научно-исследовательской работы студента можно предложить следующее задание. В погрузочных машинах часто применяется ползунково-кривошипный механизм с возвратно-поступательно движущимся ползуном, являющимся частью гидравлического или пневматического цилиндра, при помощи которого отклоняется стрела. Его проектирование включает выбор оптимальных физических и геометрических характеристик, обеспечивающих надежную работу механизма при любом положении его частей. Студентам предлагается определить оптимальный вес поднимаемого груза, минимальную и максимальную амплитуду движений и т.п.

Методика применения компьютерных технологий на лабораторных работах по физике предполагает, по крайней мере, две возможности. Во-первых, использование готовых, моделирующих лабораторную установку программ (например, распространяемых на CD и DVD дисках, написанных преподавателем, студентом или группой студентов). Однако, скрытость компьютерных вычислительных процессов, которые не позволяют проследить и понять связь и взаимное влияние различных физических параметров, оказывает плохую услугу профессиональной подготовке, т.к. для будущих инженеров очень важны навыки работы С экспериментальным оборудованием, и даже самый лучший компьютерный опыт не может полностью заменить реальный. Во-вторых, проведение исследований на реальной установке с последующим использованием компьютерных технологий для снятия с приборов экспериментальных данных и осуществления управления этими приборами (аппаратно-программный комплекс LabView); статистической обработки результатов эксперимента; графического представления числовых данных; исследования физических процессов и явлений в более широкой области изменения параметров и выхода за пределы эксперимента. При этом совершенствование физического практикума следует осуществлять по следующим направлениям: а) модернизация базовых лабораторных работ; б) постановка новых лабораторных работ с профессиональным содержанием на традиционном н на специальном оборудова-

нищ в) введение элементов исследовательской работы, что в настоящее время, так или иначе, связано с использованием компьютерных технологий.

Применен!« компьютерных технологий при обучении физике в технических вузах позволяет ввести в учебный план следующие курсовые работы:

- курсовые расчетные работы с постановкой конкретных профессиональных задач и с количеством заданных параметров от 15 до 20, свойственных различным специальностям;

- курсовые работы с элементами научного характера (с элементами проектирования объектов и оптимизации физических параметров, экспериментальные работы, где основой для получения исходных данных для расчетов служат результаты эксперимента и др.).

В ходе исследования сформулированы требования к задачам для курсовых работ по физике:

- профессиональные объекты и технологические процессы, лежанье в основе физической задачи должны быть выбраны такими, в которых наиболее ярко отражены фундаментальные законы и явления физики;

- постановка задачи должна быть проблемной, максимально приближенной к профессиональной деятельности инженера, позволяющая максимально раскрыть преимущества использования современных компьютерных технологий при ее решении, например при решении различного рода уравнений и систем, не имеющих аналитического решения и тл.;

- решение задачи должно обеспечивать исследовательский характер учебного процесса, организацию поисковой учебно-познавательной деятельности, направленной, прежде всего на формирование у студентов опыта самостоятельного приобретения новых знаний, их применения в новых условиях, на обогащение опыта творческой деятельности.

Цели и процесс решения каждой такой задачи опираются на единый комплексный подход, который вариативен ш трем направлениям: технологический процесс, лежащий в основе задачи; физические параметры и используемые компьютерные технологии. Это позволило нам разработать три труппы заданий для курсовой работы по физике соответствующие технологическому процессу никелирования металлической детали в гальванической ванне, технологическому процессу термической обработки детали с использованием муфельной печи и индуктора.

Кроме того, для курсовой работы по физике научно-исследовательского характера может быть предложена тематака из области промышленно-экономических проблем. Например, проектирование изоляции трубы с минимальными затратами при известных коэффициентах теплопроводности и стоимости материала внутреннего и внешнего слоя изоляции, геометрических параметров трубы, коэффициентах теплоотдачи на внутренней и внешней поверхности трубы и тл.

Таким образом, методика применения современных ко^иугерных технологий на практических и лабораторных занятиях по физике, при выполнении курсовых и научно-исследовательских работ в технических вузах предполагает:

- формирование мотивов применения компьютерных технологий;

- установление взаимосвязи аудиторных занятий и самостоятельной ра-

боты студентов;

В четвертой главе «Оценка эффективности разработанной методики обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий» приведено описание организации, проведения и анализа результатов экспериментальной работы по проблеме исследования. Эксперимент включал три этапа: констатирующий, поисковый и обучающий (табл. 3).

Таблица 3

Данные об организации педагогического эксперимента_

Этапы Годы Участники Цели

| | Г» 2001 2002 гг. Студенты 1 - 2 и 5 курсов инженерных специальностей Мордовского гос. ун-та им. Н.Х1 Огарева. Всего 403 студента. Преподаватели физики и общетехнических дисциплин инженерных факультетов (всего 7 преподавателей). Выявить уровень подготовки студентов по физике, умения применять полученные знания при решении физических задач с профессиональным содержанием и определить степень готовности студентов к использованию компьютерных технологий при обучении физике.

11 II 2002 2003 гг. Студенты 1 -3 курсов Руззевского института машиностроения (вссго 225 студента). Преподаватели физики, общетехнических и специальных дисциплин. Определить теоретические основы по~ строения методики обучения физике студентов втузов и разработать коакретаую методику использования компьютерных технологий на практических и лабораторных занятиях по физике, а также при выполнении курсовых и научно-исследовательских работ.

н 2003 2006 гг. Студенты 1 — 5 курсов инженерных специальностей Мордовского гос. ун-та им, Н.П, Огарева. Всего 540 студентов. Преподаватели физики, общетехнических я специальных дисциплин (всего 15 преподавателей). Проверить справедливость гипотезы исследования.

В результате констатирующего эксперимента, описанного в первой пхаве, обоснована актуальность темы исследования.

Практическим итогом второго этапа педагогического эксперимента явились;

- рабочая программа по физике для направления подготовки 657800 «Кон-структорско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»;

- задания к лабораторным и практическим занятиям, реализующие взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы студентов;

- задания к курсовым и научно-исследовательским работам по физике.

На этапе обучающего эксперимента осуществлялась проверка выдвинутой гипотезы исследования, и решались следующие основные задачи:

1. Оценить эффективность методики обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий.

2. Определить влияние разработанной методики обучения физике студентов технических вузов с использованием компьютерных технологий на эффективность обучения общетехническим и специальным дисциплинам.

При проверке эффективности разработанной методики обучения применялись следующие показатели: усвоение теоретических знаний и умение решать профессиональные задачи. Поэтому студентам контрольных и экспериментальных групп была предложена диагностическая контрольная работа ПО физике, содержащая задания трех уровней: первого — воспроизведение, основанное на понимание фундаментальных законов науки, второго — применение знаний при решении физических задач, связашгых с производственными объектами и технологическими процессами и третьего — использование современных компьютерных технологий при решении физических задач с профессиональным содержанием. Результаты выполнения контрольной работы представлены на диаграмме 1._

I ; I • i

100 I 1 ' ' i 50 ' 1 90 [1: " ¡40- j I J i

- 1 r " ......

- - T - 7 = - ! -*- k - -

1 ■' 1 : 'го- - - - - - - - T f - - - - p

1 I- 2 i 3 I 4 3 в I в I: 9 I 1» 11 i \2 | ,3 t «1 1S

! ! > lypoeotfc ' . : i ft уроаань • Номер задания - Г III уровень : 1 i ■ i i

- , | ■ .■ ■ . : : ' ■ fpynrw с гру'плы

Диаграмма 1. Результаты выполнения диагностической контрольной работы студентами экспериментальных и контрольных групп

Из Диаграммы 1 видно, что студентов, выполнивших задания на каждом уровне, в экспериментальных грушах больше) чем в контрольных.

В качестве количественного метода обработки результатов .сравнительного эксперимента использовался критерий Вальда-Вольфовица, реализованный в статистическом пакете STAT1STTCA с помощью непараметрической процедуры Wald- Wolfowitz run test. На уровне значимости а - 0,03 было получено выборочное

значение г, »-2,23. Сравнение t, »-2,23 с и „ - ы0575 1,96, |z,j>u „, позволяет

' 2

сделать вывод, что обучение физике студентов технических вузов по предложенной методике способствует повышению уровня фундаментальной подготовки сту-

дентов и формированию, видов профессиональной деятельности инженера, в том числе связанных с использованием современных компьютерных технологий.

Сравнительный анализ результатов эксперимента также показал, что время, необходимое для изучения профессионально значимого материала по физике, при обучении с использованием компьютерных технологий в среднем сократилось на 25% без ухудшения качества обучения. Это позволяет сделать вывод, что применение компьютерных технологий при обучении физике интенсифицирует процесс усвоения новых знаний. При этом положительно относиться к самостоятельному изучению нового материала стали 98% студентов, в то время, как в начале эксперимента таких студентов было 45%; к научно-исследовательской работе — 83% , при начальном значении 21%.

Решающим критерием эффективности разработашюй методики обучения следует считать результаты обучения не только по физике, но и по другим дисциплинам, показывающие, каково влияние знаний полученных при изучении физики на уровень изучения общетехнических и специальных дисциплин. Сравнение результатов сдачи экзаменов студентов контрольной и экспериментальной групп по соответствующим дисциплинам (диаграмма 2) проводилось на основе критерия х3 •

Диаграмма 2. Результаты сдачи экзаменов по общетехническим и специальным дисциплинам студентами экспериментальных и контрольных трупп

Анализ результатов расчета статистики критерия Г««!, дает основание утверждать, что различия в качестве знаний учащихся экспериментальных и контрольных групп являются достоверными и значимыми в пользу учащихся экспериментальных групп.

Таким образом, результаты опытно-экспериментальной работы подтверждают гипотезу о том, что профессионально-ориентированное обучение физике студентов инженерных специальностей с использованием совокупности различных современных компьютерных технологий, применяемых в практике инженера, способствует повышению уровня фундаментальной подготовки студентов и формированию некоторых видов профессиональной деятельности, характерных для инновационной среды промышленных предприятий.

Заключение

1. Проведен анализ научной, психолого-педагогической, методической литературы и диссертационных исследований, посвященных проблеме использования информационных и телекоммуникационных технологий в образовании в целом, а также вопросам применения компьютерных технологий при обучении физике студентов технических вузов.

2. На основе анализа направлений совершенствования высшего технического образования и констатирующего эксперимента обоснована актуальность проблемы обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий.

3. Разработаны теоретические основы построения методики обучения физике в технических вузах с использованием современных компьютерных технологий на аудиторных занятиях во взаимосвязи с самостоятельной работой студентов, учитывающие специфику профессионалы юй деятельности инженера в инновационной среде промышленных предприятий. Уточнены цели обучения физике студентов технических вузов. Осуществлен отбор содержания обучения физике с применением компьютерных технологий на основе сочетания принципов фундаментальности, профессиональной направленности и информатизации обучения. Обоснована целесообразность использования компьютерных технологий, применяемых в практике инженера, при обучении физике студентов технических вузов.

4. Предложена и реализована методика применения современных компьютерных технологий для проведения практических и лабораторных занятий, а также выполнения курсовых и научно-исследовательских работ по физике в технических вузах. Показано, что для успешной деятельности инженера в инновационной среде промышленных предприятий, подготовка студентов втузов должна быть направлена на формирование действенных мотивов применения компьютерных технологий при решении профессиональных задач, основой которых являются законы и явления физики.

5. Разработан учебно-методический комплекс для осуществления фундаментальной и профессионально-направленной подготовки по физике студентов инже-перно-технических специальностей с применением современных компьютерных технологий.

6. Проведена опытно-экспериментальная проверка эффективности разработанной методики обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий. Выявлена положительная динамика влияния ' компьютерных технологий на формирование интереса к науке, на уровень фундаментальной подготовки студентов и готовности будущего инженера к профессиональной деятельности.

Дальнейшее развитие исследуемой темы предполагается проводить в соответствии с ближайшими перспективами развития компьютерных технологий, применяемых в практике инженера и их внедрения в образовательный процесс технических вузов. Прежде всего, это относится к разработке методики подготовки инженера к осуществлению профессиональной деятельности в инновационной среде промышленных предприятий на основе применения С АЕ-технологий.

Список пу бликаций автора по теме диссертации

Ученые пособия

1. Вознесенская Н.В. Компьютерное моделирование в MS Excel и MathCad: Учебное пособие. - Типография «Рузаевский печатник», Рузаевка, 2004,- 96 с.6 пл.

2. Масленникова JIB,, Вознесенская НЗ, Курсовая работа по физике с использованием современных компьютерных технологий: Учебное пособие. — Изд-во Мордов, ун-та, 2006. — 64 с. 4 пл. (авторских 80%)

Статьи в рефериру^ыу шпяпияу

3. Вознесенская Н.В. Обучение физике студентов инженерных специальностей с использованием современных компьютерных технологий // Интеграция образования, 2006. - № 4,- с. 59 - 67.0,4 пл.

Статьи

4. Вознесенская Н.В. Современные компьютерные технологии в курсе физики инженерных специальностей It Преподавание физики в высшей школе / Научно-методический журнал. -М., 2003. - № 26. - С. 99-102.0Д5 пл.

5. Масленникова JIB., Вознесенская HJ3. Использование современных компьютерных технологий при обучении физике в технических вузах // Преподавание физики в высшей школе / Научно-методический журнал. - М, 2004. 29. - С. 37-43,0,4 пл. (авторских 50%)

6. Масленникова JIB., Вознесенская 1I.B. Анализ компьютерных технологий для решения задач по физике в технических вузах // Материалы IV Международной конференции «Новые технологии в преподавании физики:школанвуз».-М.: МПГУ, 2005.-№ 31.-С. 124- 130,0,4пл. (авторских 80%)

7. Масленникова JLB,, Вознесенская Н.В. Обучение физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий // Материалы V международной научной конференция «Физическое образование: проблемы и перспективы развития». — М.: МПГУ, 2006. - С. 205-210.0,3 пл. (авторских 70%)

8. Вознесенская Н.В., Полунина И.П. Статистическая обработка экспериментальных данных // Материалы Ш Всероссийской научно-практической конференции «Организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств». - Саранск. Изд-во Мордов. ун-та, 2003. - С. 50-55.0,3 пл. (авторских 50%)

9. Вознесенская Н£. Применение MathCad при выполнении курсовой работы по физике // Материалы V Всероссийской научно-практической конференции «Организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств». - Саранск: Изд-во Мордов, ун-та, 2005. - С. 47 - 55.0,5 пл.

10. Вознесенская Н.В. Оптимизация курсовых работ по физике в техническом вузе с помощью компьютерных технологий // Материалы VTII научной конференции молодых ученых Мордовского государственного университета имени Н.П Огарева; В 3 ч. Ч. 3: Технические науки. - Саранск: Изд-во Морив, ун-та, 2003. - С. 55-61,0,25 пл.

11. Вознесенская Н.В. Использование новых компьютерных технологий на лабораторных работах по физике // Современные проблемы психолого-педагогических наук: Сб. научных трудов.- Саранск: МГТШ, 2003. -№20,-С. 65-70.03 пл.

12. Маюгеашикова Л.В., Вознесенская Н.В. Курсовая работа во физике как форма реализации связи фундаментальных и прикладных знаний в техническом вузе И Организация проблемного обучения в школе и вузе: Сб. научных статей. - Саранск: МГПИ, 2003. - С. 69-72.0.25 пл. (авторских 50%)

13. Вознесенская Н.В. Методическая система обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий // Совершенствование учебного процесса на основе новых информационных технологий: Сб. научно-методических трудов. — Саранск: МГТТИ, 2005. -№ 5.-С 11-17.0,4 пл.

14. Вознесенская Н.В. Использование математических пакетов н САПР при решении задач курсовой работы по физике в техническом вузе // Совершенствование учебного процесса на основе новых информационных технологий: Сб. научно-методических трудов. - Саранск: МГПИ, 2006.-№б.-С. 26-31.0,3 пл.

Подл, к печ. 09.10.2006_Объем 1.2S п л. Ззкаэ №. 147 Тир 100 экз.

Типография МПГУ

Содержание диссертации автор научной статьи: кандидата педагогических наук, Вознесенская, Наталья Владимировна, 2006 год

Введение.

Глава 1. Состояние проблемы обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий.

1.1. Современные требования к подготовке инженерных кадров.

1.2. Содержание курса физики для инженерных специальностей.

1.3. Констатирующий эксперимент.

1.4. Анализ исследований по проблеме использования компьютерных технологий при обучении физике в технических вузах.

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

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

2.2 Понятие и классификация современных компьютерных технологий.

2.3. Анализ программного обеспечения, применяемого в техническом вузе при обучении физике.

Глава 3. Методика применения компьютерных технологий при обучении физике студентов технических вузов.

3.1. Методика применения компьютерных технологий на практических занятиях по физике.

3.2. Лабораторный практикум по физике в техническом вузе с применением компьютерных технологий.

3.3. Курсовые и научно-исследовательские работы по физике в техническом вузе с применением компьютерных технологий.

Глава 4. Оценка эффективности разработанной методики обучения физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий.

4.1. Организация и методика проведения педагогического эксперимента.

4.2. Поисковый эксперимент.

4.3. Обучающий педагогический эксперимент.

Введение диссертации по педагогике, на тему "Обучение физике студентов технических вузов с использованием современных компьютерных технологий"

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

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

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

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

Таким образом, существуют противоречия:

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

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

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

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

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

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

- осуществить экспериментальную проверку гипотезы исследования.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы:

- теоретические - анализ философской, естественнонаучной, научно-технической, психолого-педагогической литературы; анализ содержания документов по модернизации Российского образования, основных направлений информатизации системы образования области, существующего информационного обеспечения региональной системы образования и изучение рынка компьютерных технологий; проведение сравнений и аналогий, обобщение, синтез; моделирование педагогических ситуаций; анализ инновационного педагогического опыта;

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

Научная новизна исследования.

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

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

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

- формирование мотивов применения компьютерных технологий;

- установление взаимосвязи аудиторных занятий и самостоятельной работы студентов;

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

Практическая значимость исследования состоит в том, что разработан учебно-методический комплекс для осуществления фундаментальной и про-фессионалыю-направленной подготовки по физике студентов инженерно-технических специальностей с применением современных компьютерных технологий, включающий рабочую программу по физике для направления подготовки 657800 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»; задания для практических и лабораторных работ по физике, реализующие взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы студентов, и учебное пособие для преподавателей и студентов технических вузов, в котором изложены основы применения совокупности различных компьютерных технологий при выполнении курсовых и научно-исследовательских работ по физике.

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

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

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

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

Исследовательская работа осуществлялась со студентами специальностей 151001 «Технология машиностроения», 151002 «Металлообрабатывающие станки и комплексы», 110301 - «Механизация сельского хозяйства», 110304 -«Технология обслуживания и ремонта машин в агропромышленном комплексе», на базе Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева.

На защиту выносятся:

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

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

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

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

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

Выводы по главе 1

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Схема 2. Взаимодействие компонентов методической системы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- взаимосвязь между учебной и научной деятельностью студента.

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

Схема 3. Компьютерные технологии в обучении физике

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

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

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

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

Список литературы диссертации автор научной работы: кандидата педагогических наук, Вознесенская, Наталья Владимировна, Саранск

1. Данные методы применяются в различных сочетаниях и считаются методами активного обучения, поскольку в центре внимания находится студент, приобретающий фундаментальные физические знания через профессиональную деятельность и на основе опыта.

2. Информационные Компьютерные

3. Кроме того, компьютерные технологии позволят индивидуализировать учебный процесс при сохранении его целостности.

4. При этом, обучение физике студентов технических вузов с использованием компьютерных технологий должно основываться на единых заданиях фундаментального плана и актуальных для конкретных специальностей заданиях с профессиональным содержанием.

5. Схема 4. Компьютерные технологии в обучении физикестудентов технических вузов

6. Анализ программного обеспечения, применяемого в техническом вузепри обучении физике

7. Проанализируем каждый подход.

8. В высших учебных заведениях данные средства могут быть применены индивидуально в домашних условиях или в качестве демонстраций на лекциях при помощи мультимедийного проектора.

9. Рис. 8. Движение тела по наклонной плоскости

10. В рассматриваемой задаче силу Fr целесообразно разложить на две составляющие силу нормального давления N и силу трения Fmp, т.к. последняя пропорциональна модулю силы N:1. Fmp=hN

11. Составим уравнение движения тела на основе второго закона Ньютона:та = mg + Fr = mg + N + F

12. Чтобы осуществить вычисления, необходимо перейти от векторов к их проекциям на направление оси ОХ. Проекции векторов равны:ах=а gx =gsina Nx=0 Fmpx = -kN = -kmg cos a

13. Тогда уравнение примет видта = mg sin а kmg cos a

14. Найдем ускорение из формулы:1. S = S0+V0t + ^1. Так как S0, V0=0, то2 S

15. Преобразуя уравнение та = mg sin a -kmg cos а найдемj ак = tga-g cos а

16. Количество теплоты, выделяющееся в проводнике за время t равно:1. Q = FU-t,aK,откудаQи =

17. Путь, пройденный телом во время падения равен т.к. V0 = 0, то21. V S

18. В соответствии с уравнением температурного баланса:0^Сдтд(Т.М-Тти)

19. Qi =см-тЛты -LJ, где ГШ11-комнатная температура.

20. Определим удельную теплоемкость детали из условия Qi=Q2 (при теплообмене потери энергии не происходит):

21. СЛтд(Т^-ТКом) = СжтЛТ™ ~ToJ1. Q Сжтж(Т1ж ~ Ттк )11 ffl/((L-L)

22. Зная удельную теплоемкость, по табличным данным определяем, что деталь сделана из стали.1. Тогдаи= Q =Сжтж(ТМк.-Тт1)

23. Для расчета и контроля размерностей в формулах, по которым проводятся расчеты целесообразно использовать MathCad (рис. 9).

24. Рис. 9. Применение размерных переменных в MathCAD

25. Пакеты, реализующие технологию блочного моделирования Matlab-Simulink-StateFlow, EASY, подсистема SystemBuild пакета MATRIXx, VisSim; LabView, DasyLab и др.

26. Пакеты, ориентированные на использование схемы гибридного автомата-Shift, Model Vision Studium, сокращенно MVS и др.

27. Project Edit Mode! Tods Windsв sf ьft Spring oscillations

28. Options Simulation Tools Window Help^^ jg1. QQ