Многоуровневая организация лабораторных занятий по физике как средство формирования исследовательских компетенций студентов

ется при решении задач, а определенный круг вопросов вынесен на лабораторный практикум. При выполнении лабораторных работ студент получает навыки работы с измерительными устройствами и физическими приборами, а также овладевает методикой проведения физического эксперимента.

Лабораторный практикум, подкрепленный натурным экспериментом, имеет целью не только обеспечение усвоения студентами фундаментальных знаний и законов, но и формирование у них умений и навыков, связанных с моделированием физических процессов и явлений. Грамотная организация учебного физического эксперимента является необходимым условием изучения физических явлений, так как «обеспечивает связь понятийного концептуального аппарата с эмпирическим базисом науки и техники» [1]. Применение передовых образовательных технологий в технических вузах, намеченное в федеральном проекте «Кадры для цифровой экономики», предполагает создание и внедрение в учебный процесс новых типов тренажеров, симуляторов и виртуальных лабораторий [2].

Развитие информационных технологий привело к появлению понятия «виртуальная лабораторная работа», в основе которого лежит имитационное компьютерное моделирование. Виртуальный компьютерный практикум представляет собой один из прогрессивных, динамично развивающихся видов проведения лабораторных занятий. В настоящее время большинство физических лабораторий оборудовано персональными компьютерами, которые применяются главным образом для фиксации, накопления и локальной обработки экспериментальных данных. Сетевые возможности используются в основном для простого обмена данными и поиска справочной информации. При организации работы в форме виртуального лабораторного практикума возможны как реализация фронтального обучения с обязательным присутствием преподавателя в лаборатории, так и проведение синхронного дистанционного обучения, когда обучаемые находятся в физической лаборатории, а их преподаватели пространственно удалены и взаимодействуют в реальном времени через локальные или глобальные компьютерные сети [4].

Комплексный подход в использовании натурного и виртуального практикумов на сегодняшний день методически обоснованы. Не заменяя традиционные формы обуче- ния, применение компьютерных моделей в физическом практикуме дает возможность использовать новые технологии для подготовки будущих инженеров-исследователей [1].

С целью формирования научноисследовательских компетенций у студентов инженерных специальностей на кафедре «Общая и теоретическая физика» Тольяттинского государственного университета (далее – ТГУ) разработана и внедрена в учебный процесс многоуровневая организация лабораторного практикума. Рассмотрим особенности функционирования данной системы на примере изучения темы «Электростатика». При освоении данной темы студентам предлагается выполнить лабораторные работы четырех уровней сложности.

На первом уровне сложности обучающиеся знакомятся с типовыми процедурами проведения лабораторных исследований и правилами оформления полученных результатов. Студенты получают методические указания с детальной пошаговой инструкцией выполнения лабораторной работы. Необходимо точно следовать инструкции и оформлять каждый свой шаг строго регламентированным образом. Например, при вы-

Рисунок 1. Представление результатов выполнения лабораторной работы первого уровня

МНОГОУРОВНЕВАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ ПО ФИЗИКЕ КАК СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ КОМПЕТЕНЦИЙ СТУДЕНТОВ полнении виртуальной лабораторной работы «Исследование поля точечного электрического заряда» (см. Рисунок 1) студенту необходимо, используя модель поля точечного заряда, определить характеристики электрического поля (напряженность и потенциал) в разных точках поля и зарисовать вид силовых и эквипотенциальных линий.

Таким образом, на первом уровне происходит ознакомление обучающихся с основными этапами научно-исследовательской деятельности: постановка задачи исследования, планирование этапов работы, проведение эксперимента, расчет искомых характеристик.

Второй уровень – интерактивный. Данный уровень лабораторного практикума включает в себя элементы более детального исследования физических зависимостей на реальной лабораторной установке в рамках методики, не выходящей за пределы знаний, полученных при изучении теоретического курса. Студенту предлагается использовать навыки, наработанные на первом уровне, для решения поставленных задач и самостоятельно представить результаты исследований в виде таблиц, диаграмм или графиков зависимостей Е = f ( r ) и ϕ = f ( r ) (см. Рисунок 2).

Третий уровень – начальный исследовательский. Данный уровень сложности лабораторного практикума связан с решением нетиповой исследовательской задачи. Студент получает задание, в котором сформулирована только цель работы. Необходимо самостоятельно:

• •    определить порядок проведения эксперимента в соответствии с поставленной целью;

• •    провести необходимые измерения физических величин и оценить погрешность измерений;

• •    представить результаты исследования в виде таблиц, диаграмм или графиков;

• •    объяснить полученные результаты на основе известных физических явлений, законов, теорий; • сделать обоснованные выводы.

Рассмотрим, как реализуется третий уровень сложности лабораторного практикума на примере выполнения лабораторной работы «Исследование электростатического поля на аналоговой модели».

Студенту предлагается исследовать электростатическое поле между электродами произвольной конфигурации. Он должен выбрать одну из предложенных форм электродов (см. Рисунок 3). С помощью преподавателя или инженера нуж- но установить на сеточной модели электроды выбранной формы. По методике, описанной в методических указаниях к данной лабораторной работе, необходимо получить картину распределения эквипотенциальных поверхностей и силовых линий, объяснить, почему силовые линии имеют подобную форму.

Четвертый уровень – продвинутый исследовательский. В рассмотренном нами примере выполнения лабораторной работы «Исследование электростатического поля на аналоговой модели» студенту предлагается провести более глубокое исследование электростатического поля между двумя электродами. В качестве модели исследования предлагается рассмотреть поле плоского конденсатора. Известно, что электрическое поле плоского конденсатора сосредоточено внутри самого конденсатора, при условии, что размеры его обкладок много больше расстояния между ними.

Исследовательские задачи:

• •    изучить поле между обкладками конденсатора, у которого размер обкладок значительно больше расстояния между ними;

• •    выяснить, что будет происходить, если размеры обкладок будут сравнимы с расстоянием меду

  

  Рисунок 2. Результаты обработки измерений при выполнении лабораторной работы второго уровня

  
  
  

  а)                                              б)                                                   в)

  Рисунок 3. Формы электродов: а) два плоских электрода;

  б) плоский и точечный электрод; в) электроды сложной конфигурации.

  
  

ними;проверить наличие электрического поля вблизи обкладок снаружи конденсатора.

Для решения данных задач студенту необходимо:

• •    предложить общую схему исследования;

• •    подобрать необходимый комплект оборудования;

• •    с помощью преподавателя или инженера установить на сеточной модели электроды соответствующей формы;

• •    определить порядок проведения эксперимента в соответствии с поставленной целью;

• •    провести необходимые измерения физических величин и оценить погрешность измерений;

• •    представить результаты исследования в виде таблиц, диаграмм или графиков;

• •    объяснить полученные результаты на основе известных физических явлений, законов, теорий;

• •    сделать выводы по лабораторной работе.

Многоуровневая организация лабораторных занятий по физике в процессе обучения в ТГУ создает возможность обучения студен- тов по индивидуальным образо- • вательным траекториям. Преподаватель конструирует подобную траекторию, соответствующую уровню подготовки каждого обучающегося. При успешной работе студента преподаватель может изменять предварительно выстроенную образовательную траекторию, переводя его с одного уровня выполнения лабораторных работ на другой.

Многоуровневая организация выполнения лабораторных занятий в третьем (последнем) семестре изучения дисциплины физика у студентов ТГУ позволяет сформировать следующие умения, составляющие исследовательские компетенции:

• •    отбирать нужную информацию;

• •    формулировать цель и задачу исследования;

• •    представлять результаты измерений в виде таблиц, графических зависимостей, диаграмм;

• •    проводить расчет погрешности измерений;

• •    применять общие и частные методы расчета физических характеристик;

формулировать обоснованные выводы по итогам проделанной работы.

По результатам выполнения лабораторных работ третьего и четвертого (исследовательских) уровней студенты могут подготовить сообщения для кафедральной студенческой конференции, лучшие из которых выдвигаются для участия в научной студенческой конференции университета. Таким образом, обучающиеся включаются в исследовательскую деятельность со второго курса обучения в ТГУ. Приобретенные исследовательские компетенции успешно применяются студентами при обучении в магистратуре.

Реализация системы многоуровневой организации лабораторных занятий по физике с использованием реального и виртуального физического экспериментов позволяет обеспечить усвоение обучающимися фундаментальных знаний, приобретение умений и навыков самостоятельного решения нестандартных или принципиально новых для студента исследовательских задач.

МНОГОУРОВНЕВАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ ПО ФИЗИКЕ КАК СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ КОМПЕТЕНЦИЙ СТУДЕНТОВ