Методические аспекты применения кейс-метода в обучении студентов физике (на примере темы "Электромагнитные волны радиодиапазона")

Тенденция перехода высшего образования от предметно-центрированной к компе-тентностной модели обучения обусловлена потребностью общества в высококвалифицированных кадрах, которые обладают широким кругозором, нестандартным мышлением, творческими способностями и высокой мотивацией к самообразованию. Современная наука и техника развиваются настолько быстро, что полученные знания значительно устаревают за время обучения в вузе, поэтому важнейшие компетенции студентов должны быть связаны не с узкопредметной подготовкой, а со способностью ориентироваться в информационном потоке, действовать в ситуациях неопределенности, оценивать степени риска своих решений. Этого невозможно достичь без фундаментальной подготовки в области естественных наук и, в частности, физики как науки о наиболее общих закономерностях окружающего мира и методах его познания.

Р.С. Немов приводит данные, полученные американским исследователем Л.Р. Хармоном, что «более высокие показатели интеллекта имеют физики (140,3%), математики (138,2%), инженеры (134,8%), замыкают этот список химики (131,5%) и биологи (126,1%)» [10, с. 297], т. е. изучение физики способствует развитию интеллекта и логического мышления.

Физика дает вспомогательные знания для многих профессий. Особое значение фундаментальное физическое образование имеет для подготовки инженеров, способных решать инженерно-технические задачи на высоком научном уровне, врачей, понимающих общие закономерности функционирования человеческого организма и принципы действия мед-оборудования и техники, а также учителей, которые призваны формировать научно обоснованное миропонимание молодого поколения. Именно в этих направлениях подготовки физика осталась базовой учебной дисциплиной, обязательной для изучения. Однако в настоящее время физическое образование находится в состоянии острого кризиса. Об этом свидетельствует опыт работы авторов в педагогическом (Е.В. Донскова) и инженерном (Ю.В. Юханов, Д.В. Семенихина) вузах, а также результаты многочисленных исследований в вузах разных профилей.

Наиболее серьезными проблемами, стоящими перед физическим образованием в российских вузах, являются следующие:

• 1)    общее снижение качества школьного образования, что значительно затрудняет освоение студентами не только специальных дисциплин естественно-научного и технического характера, но даже базового курса общей физики;

• 2)    слабая мотивация студентов на изучение физики, которая объясняется сложностью содержания учебного курса; скудностью контекстов учебной информации; применением преимущественно пассивных знаниевоцентри-рованных, а не активных студентоцентрированных технологий обучения;

• 3)    катастрофическое уменьшение количества часов, отводимых на учебный курс физики (даже в инженерно-технических вузах за 50 лет количество часов сократилось более чем в четыре раза, при том что объем учебного материала увеличился более чем в полтора раза за счет открытий, произошедших в физике и технике в последнее время, без изучения которых инженерное образование немыслимо).

Эти проблемы приводят к тому, что физическое образование, получаемое в вузе, ста-

новится не опорой профессиональной компетентности, а только способом расширить общий кругозор студентов, что для многих направлений подготовки катастрофично. Это требует кардинального изменения методики обучения физике в вузе. Возникает потребность в разработке и внедрении методов и технологий обучения, позволяющих максимально уплотнять учебный процесс без потери качества образования. Одно из возможных решений – кейс-метод, уже доказавший свою эффективность во многих сферах.

Впервые метод кейс-стади был применен в конце XIX в. профессором Х.К. Лэнгделлом в школе права Гарвардского университета. Как отмечают Л.И. Губернаторова и К.В. Галкина, «одна из причин его возникновения состояла в том, что в обучении гуманитарным дисциплинам не было задачников, в которых бы описывались ситуации, которые позволяли бы обучать студентов применять теоретические знания на практике» [4, с. 49]. Широкое распространение метод получил в 1970–1980 гг., а в России всплеск интереса к нему начался в конце ХХ в. на волне кардинальных изменений системы образования.

Кейс-метод (от англ. case – «случай, ситуация») – «анализ реальной ситуации (определенных вводных данных), описание которой одновременно отражает не только какую-либо практическую проблему, но и актуализирует определенный комплекс знаний, который необходимо усвоить при разрешении данной проблемы» [9, с. 183]. В таких ситуациях фундаментальная теория не иллюстрируется примерами из жизни, а осваивается в процессе изучения и анализа конкретных примеров.

В зарубежной педагогике кейс-метод применяется в основном в профессиональном образовании в преподавании права, экономики, социологии и психологии. Большой вклад в его разработку и обоснование внесли ученые Гарвардского университета (Х.К. Лэнгделл [14], В.К. Кестер [13] и др.), создав и опубликовав системы кейсов, которые широко применяются в учебной практике многих стран.

В России изначально использовали переведенные кейсы и разработанные западными педагогами приемы и методы работы с ними, однако в последнее десятилетие появились и оригинальные российские исследования. Защищено несколько кандидатских диссертаций, изданы учебные пособия, опубликованы результаты научных исследований и практического опыта в периодических изданиях и сборниках материалов конференций. Большинство работ посвящены проблемам применения кейс-метода при изучении гуманитарных, социально-экономических и правовых дисциплин в системе профессионального и высшего образования.

Кейс-метод как новая технология рассматривается и в исследованиях по теории и методике обучения физике. В этой области достигнуты следующие результаты:

• ‒    обосновано применение кейс-метода как средства оптимизации и повышения качества физического образования (Л.И. Губернаторова [4], И.Н. Лысенко [9]);

• ‒    разработаны кейсы по разным темам школьного курса физики, направленные как на достижение предметных результатов (А.Р. За-ляева и А.В. Кузнецова [5] и др.), так и на мотивирование школьников к естественно-научному образованию (С.А. Коряжкина [7]);

• ‒    разработаны профориентированные кейсы для конкретных направлений подготовки в технических вузах (Н.В. Зубова [6]) и медицинских вузах (А.Н. Бирюкова [1]).

Однако кейс-метод только начинает внедряться в систему физического образования, а поэтому разработка, обоснование и апробация теоретических и методических аспектов этого метода являются на сегодняшний день актуальной проблемой. Основная функция кейс-метода по физике в вузе – научить студентов решать неструктурированные проблемные задачи c разными контекстами (инженерно-техническим, медицинским, педагогическим, экологическим, общекультурным и пр.) на основе фундаментальных физических знаний, которые должны стать опорой при формировании общих и специальных профессиональных компетенций.

Метод предполагает организацию познавательной деятельности посредством кейса. Это письменное описание реальной или вымышленной ситуации с системой заданий, выполнение которых ориентирует обучающихся на анализ ситуации и поиск вариантов ее решения.

В структуре кейса выделяют два основных раздела: ситуацию и задание. Разделы могут дополняться и расширяться в зависимости от содержания и целей конкретного кейса.

Наш опыт показывает, что в обобщенной структуре кейса по физике для вуза целесообразно использовать четыре раздела: «Ситуация», «Задания», «Вспомогательная информация», «Критерии оценки».

Раздел «Ситуация» содержит описание природной, бытовой, научной или технической ситуации. Это может быть пример из жизни или художественного произведения, цитата из научной или специальной литературы, фотография или репродукция картины, фрагмент фильма или телепередачи и др. Причем это не структурно оформленный текст в виде физической задачи, с уже заданной логикой решения, а описание естественно-научной или инженерно-технической проблемы, которая создает интеллектуальное затруднение, требующее от студента средствами учебного предмета физики освоить новое знание и найти новый способ действия.

Раздел «Задания» представляет собой систему вопросов и заданий разных типов, выстроенную в соответствии с таксономией образовательных целей (Л. Андерсон и Д. Крас-вол [12]): помнить → понимать → применять → анализировать → оценивать → создавать. Каждое задание должно вносить свой вклад в понимание и решение ситуационной задачи, а также в формирование новых предметных знаний и умений.

В первый блок входят задания на актуализацию и повторение сформированных ранее знаний по физике, которые станут опорой для решения ситуации. Это могут быть простые вопросы на воспроизведение определений физических явлений и величин, формулировку законов и формул и пр.

Второй блок формируют задания на непосредственный анализ ситуации, позволяющие студенту выявить наличие дефицита знаний и умений по физике и осознать потребность в освоении учебного содержания в объеме и на уровне, которые необходимы для решения. Это могут быть вопросы на рассуждение, задания на математическое обоснование, расчетные и экспериментальные задачи, в процессе выполнения которых устанавливаются причинно-следственные связи между физическими явлениями, законами, принципами и деталями, описанными в ситуации.

Третий блок состоит из заданий на расширение проблемного поля ситуации. Это может быть прогнозирование последствий, ретроспективный анализ, поиск альтернативных решений, моделирование в условиях профессиональной деятельности, моделирование или конструирование технических устройств, описанных в ситуации, и др.

Раздел «Вспомогательная информация» может включать ссылки на учебную и науч- ную литературу, адреса тематических веб-ресурсов, глоссарий терминов, таблицы физических величин и констант, опорные схемы, методические указания, инструкции, примеры решения стандартных физических задач и другие материалы. При этом важно, чтобы объем вспомогательной информации не был чрезмерным, давал студенту надежную опору для всестороннего глубокого анализа ситуации, но при этом не ограничивал свободу выбора источников информации и самостоятельность познавательной деятельности.

Раздел «Критерии оценки» знакомит студентов с требованиями к качеству решения ситуации, что не только помогает объективно оценивать свои достижения, но и мотивирует на более ответственную работу над кейсом. Критерии должны отражать специфику заданий конкретного кейса, но в общем включают следующие параметры:

• ‒    владение понятийным аппаратом физической науки;

• ‒    понимание смысла физических явлений и законов и умение применять их на практике;

• ‒    логичность и структурированность решения;

• ‒    полнота анализа и аргументированность выводов;

‒ самостоятельность и оригинальность решения.

Приведем пример кейса по теме «Электромагнитные волны радиодиапазона». Выбор темы обоснован актуальностью применения радиоволн в жизни современного человека – в быту, медицине, промышленности, транспорте, средствах связи и других областях. Самая таинственная и интересная среди них – радиоэлектронная борьба (РЭБ), с которой связано множество обывательских мифов, научнофантастических гипотез, а также антинаучных теорий.

В курсе общей физики в вузе на изучение радиоволн отводится мало времени, а теория и практика радиоэлектронной борьбы рассматривается только в профильных вузах, причем понимание физических основ РЭБ – это важная составляющая научно обоснованного мировоззрения современного человека. Эффективным методом решения этой проблемы являются кейсы, которые позволяют, не меняя традиционного содержания и структуры физического образования в вузе, рассмотреть практическое применение электродинамики в военной сфере и научно объяснить несостоятельность слухов, транслируемых СМИ. При этом следует отметить, что разработанных и опубликованных в доступных источниках кейсов по этой теме нет.

Приведем пример кейса из комплекта под общим названием «Так ли уж волшебна “война волшебников”?», который посвящен технологии радиоэлектронной маскировки.

Кейс «Так ли уж волшебна “война волшебников”? Видимый-невидимый стелс»

Ситуация:

• 1.    Уинстон Черчилль называл это «войной волшебников», в СССР называли «радиопротиводействием», сейчас называют «радиоэлектронной борьбой» (РЭБ). РЭБ – это область техники и технологии от технологии стелс до радиоэлектронных ловушек, от средств электронной поддержки (радиоразведки) до средств создания помех («радиоэлектронной защиты»), от компьютерных вирусов до электромагнитного оружия [11, с. 6].

• 2.    По окончании операции «Буря в пустыне» заместитель командующего ВВС США Джон Уэлч заявил: «Технология “стелс” вернула нас к тому фундаментальному принципу войны, который зовется сюрпризом. Если вы можете добиться эффекта неожиданности, вы получите большое преимущество» [2].

• 3.    Фрагмент художественного фильма «Стелс» (режиссер Роб Коэн, компания Columbia Pictures, 2005 год), в котором изображен учебный бой стелс-самолета.

Задания:

Вспомнить

• 1.    Дайте определение понятий «шкала электромагнитных волн», «радиодиапазон».

• 2.    Поясните понятия бегущей, сферической, поперечной электромагнитной волны.

• 3.    Поясните законы отражения и преломления электромагнитных волн на границе раздела двух сред, условие согласования двух сред.

• 4.    Какие технические устройства используют для излучения, передачи и приема радиоволн? Каков принцип работы радиолокационной станции?

• 5.    Какие физические принципы лежат в основе стелс-технологии:

Объяснить

• •    Как в стелс-технологии достигается максимальное поглощение радиоизлучения поверхностью корпуса объекта?

• •    Почему стелс-самолеты имеют не аэроди-намичную форму? Какая конфигурация стелс-са-молета обеспечивает защиту от обнаружения?

• •    Какие материалы являются радиопрозрачными? Приведите примеры таких материалов. Для изготовления каких частей стелс-самолетов они используются?

• •    Почему металлические нити вплетаются в прозрачный материал фонаря кабины экипажа?

• •    Зачем воздухозаборник стелс-самолета установлен в верхней части фюзеляжа?

• 6.    Какие качества стелс-самолета, продемонстрированные в фильме «Стелс», реальны, а какие вымышлены?

• 7.    В каких отраслях кроме авиации используются стелс-технологии? Есть ли между ними принципиальные различия?

• 8.    Докажите или опровергните возможность создания «фанерного стелс-самолета» и «плазменного стелс-самолета».

• 9.    Существуют ли стелс-технологии в живой природе? Что общего и отличного у них?

Доказать

Вспомогательная информация: см. [2; 3; 8; 11].

Критерии оценки:

• •    владение понятийным аппаратом электродинамики;

• •    понимание смысла физических явлений и законов и умение применять их для объяснения практических ситуаций;

• •    логичность и структурированность решения;

• •    полнота анализа и аргументированность полученных выводов;

• •    самостоятельность и оригинальность найденного решения.

Решая данный кейс, студенты:

‒ повторяют базовые знания из раздела «Электродинамика»;

‒ приобретают новые предметные знания;

‒ формируют универсальные и общекультурные компетенции (в любом направлении подготовки);

‒ создают опору для общих и специальных профессиональных компетенций (в инженерно-техническом и педагогическом направлениях подготовки).

Разработанные кейсы были успешно апробированы в учебном процессе Волгоградского государственного социально-педагогического университета и Южного федерального университета при изучении раздела «Электродинамика». На практике было доказано, что кейс-метод является эффективным средством обучения студентов физике и позволяет решать актуальные проблемы физического образования в вузах, а именно: повысить качество предметной подготовки за счет многократного повторения базовых физических знаний, помочь студентам понять личностный смысл предметных знаний и мотивировать на изучение физики, а также не снижать уровень физического образования в условиях систематического уменьшения количества часов, отводимых на курс общей физики.