Опыт применения проблемно- ориентированных физических практикумов в техническом вузе

Стоящая перед российским образованием проблема модернизации может быть успешно решена, если коренным образом изменить содержание и методологию учебного процесса. Необходимо сочетать традиционное обучение физике и другим естественнонаучным дисциплинам с развитием и формированием творческой учебной деятельности на всех видах занятий: лекционных, практических и лабораторно-практических. Это следует делать на основе современных информационных технологий как средств интеграции методологических, методических подходов и дидактических принципов, т.е. в рамках технологических подходов к обучению, одним из которых является проблемно-ориентированные физические практикумы (ПОФП), включающие системный подход к комплексной организации самостоятельной работы поисковоисследовательского характера в условиях открытого образования [2; 3; 4; 5].

Под содержанием ПОФП понимаются практикумы, в которых на основе интерактивного взаимодействия между субъектами учебного процесса, методиками и средствами обучения, оперативного управления этими ресурсами обеспечивается творческая самостоятельная работа студентов. Основой последней является поисковая учебно-исследовательская деятельность с использованием современных информационных технологий, ориентированная на овладение методами решения проблемных ситуаций, соответствующих актуальным задачам науки и практики [5].

Возможности ПОФП особенно выразительно проявляются и реализуются при системном подходе в использовании функций современных информационных технологий [2]. В этом случае ПОФП в цикле естественнонаучных дисциплин выступают как инновационные технологии, преобразующие характер обучения в отношении целевой ориентации, способов взаимодействия преподавателя и студента, возможности дифференциации, индивидуализации, организации активного участия студентов в творчестве, новых форм самостоятельной работы.

Методическая система ПОФП, разработанная автором, состоит в активном использовании интерактивной видеообучающей системы и оптимальном сочетании натурного, виртуального и вычислительного экспериментов в рамках предлагаемого композиционного физического практикума (в том числе с удаленным доступом) [3]. Исследования показали, что проблемно-ориентированная система практических занятий в цикле естественнонаучных дисциплин в техническом вузе способствует превращению студента в полноправного субъекта образовательной деятельности, активно участвующего в создании эффективной информационно-образовательной среды и осуществляющего диалогическую субъект-субъектную коммуникацию с преподавателем и другими участниками исследовательского мини-коллектива [6].

Описываемый педагогический эксперимент проводился на базе зала НИРС на кафедре физики (ФН-4) МГТУ им. Н.Э. Баумана среди студентов 2-го курса в третьем и четвертом семестрах [4]. В начале семестра преподаватели, работающие в зале НИРС, имеют возможность выбрать из общего потока группы, состоящие из 6–8 студентов, перешедших на 2-й курс с отличными и хорошими оценками по физике за второй семестр. Из таких студентов формируют коллективы (по 2-3 чел.), обучающиеся по индивидуальным планам. Если в других залах 10–15 студентов выполняют одну и ту же лабораторную работу, то в НИРС одновременно выполняются 3–4 разные работы группами по 2–3 человека.

Прежде чем приступить к выполнению работы, студенты получают допуск по разрабо-

Экран журнала прохождения тестов

танной нами компьютерной программе, которая последовательно предлагает вопросы, включающие общую теорию и более узкую теорию конкретных лабораторных работ, в частности методику и технику проведения эксперимента, вывод рабочих формул, схемотехническое моделирование. Часть тестовых заданий позволяет оценить способность студентов как будущих инженеров к обобщенным методам экспериментального исследования. Созданный интерактивный режим позволяет студенту приступить к проведению натурного эксперимента только при правильном ответе на все поставленные вопросы. При этом каждое задание сопровождается подробными теоретическими объяснениями. Результаты тестирования, дата и время прохождения теста выводятся на монитор и заносятся в электронный журнал. Благодаря этому в ходе педагогического эксперимента определяются следующие статистические показатели: мода, медиана, средний арифметический балл, математическое ожидание, дисперсия, среднеквадратическое отклонение, асимметрия, эксцесс, бисе-риальный коэффициент, дифференцирующая способность заданий, корреляция между заданиями теста, надежность теста и др.

Анализ статистических показателей позволяет реализовать следующие процедуры:

– оптимизировать тестовые задания по их качеству (по дифференцирующей способности и трудности в параллельных вариантах);

– дифференцировать студентов по степени подготовленности проводить экспериментальные исследования;

– оценить временные затраты и настойчивость (по числу попыток), т.е. получить индивидуальные личностные характеристики, что необходимо для формирования творческих мини-групп, выполняющих проектнолабораторные работы по темам рабочей программы, вынесенным на самостоятельную работу.

В конце семестра (16–17-я недели) и во время рубежного контроля (9–10-я недели) в режиме контроля остаточных знаний описываемая видеообучающая система предъявляет обучаемому обобщающие вопросы по каждой из выполненных лабораторных работ и выдает студенту по две задачи из банка задач, которые он выполнял в форме домашних заданий. При этом в электронном журнале оцениваются и фиксируются результаты прохождения тестов (см. рис.).

В рамках программы дистанционного обучения [4] на кафедре физики МГТУ им. Н.Э. Баумана создан лабораторный практикум удаленного доступа через сеть Интернет , что для естественных дисциплин представляет особую сложность. Особо следует отметить дистанционные работы: по механике («Изучение ударных и волновых процессов в твердом теле с помощью пьезодатчиков»), разделу «Электричество» («Исследование скин-эффекта»), разделу «Квантовая физика» («Лазерная спектроскопия» и «Изучение космических лучей»). Продолжается развитие дистанционных лабораторных работ практикума с целью охвата всех разделов курса физики в техническом университете.

Управление стендами, сопряженными с персональными компьютерами и сетью Интернет, полностью автоматизировано, что позволяет проводить на стендах исследования и эксперименты в режиме удаленного доступа. Применение этого раздела практикума в режиме демонстрации позволяет расширить круг лекционных экспериментов. Большинство лабораторных работ в зале НИРС отличается от стандартных лабораторных работ возможностью не только ознакомиться с тем или иным физическим явлением, но и определить зависимость этого явления от совокупности различных факторов, влияющих на характер и динамику развития физического процесса. Особое внимание уделено прикладному характеру лабораторных работ и исследований, что важно для будущего выпускника технического университета.

Работа студентов в зале НИРС строится таким образом, что содержит все необходимые компоненты научно-исследовательской работы: многопараметрические измерения, современные методы обработки результатов измерений, планирование эксперимента, проведение самостоятельных исследований наряду с задачами и исследованиями, рекомендуемыми в методических указаниях к лабораторной работе.

Таким образом, в зале НИРС созданы условия для выполнения студентами первых научных исследований, более глубокого изучения курса физики. Занятия в студенческой группе ведут преподаватель кафедры и инженер-лаборант в часы, отводимые студентам учебным расписанием. Продолжительность занятия – 4 академических часа с периодичностью раз в две недели.

Наличие в зале НИРС большого количества лабораторных работ на различные темы дает студенту право выбора работ с учетом его наклонностей и специфики обучения на профилирующем факультете и кафедре. Другими словами, студент сам устанавливает себе индивидуальный график прохождения лабораторного практикума.

Для того чтобы уровень подготовки студентов соответствовал современным стандартам и требованиям, необходимо прежде всего в цели ПОФП включить овладение учащимися методами проведения современных физических исследований, ориентированных на получение заданных конечных продуктов экспериментальной деятельности, и сделать их предметом усвоения. Для этого необходимо:

• а)    разработать принципиально новую структуру практических занятий по естественнонаучным дисциплинам;

• б)    повысить самостоятельность студентов в выборе средств и методов проведения экспериментов;

• г)    обучить студентов современным методам получения и обработки экспериментальных данных и внедрить эти методы в ПОФП.

В конечном итоге речь идет о превращении учебной экспериментальной задачи в модель научно-учебного исследования с присущими ему атрибутами – построением физической и математической моделей рассматриваемого явления, исследованием частных и предельных случаев найденного решения, поиском и разбором аналогий с другими задачами и явлениями, а также сравнением методов их анализа [1; 6]. Используя компьютерные информационные технологии, студент самостоятельно разрабатывает путь решения задачи, проводит эксперимент, строит модель явления, планирует эксперимент, выбирает измерительные средства и методы измерения.

Разработанные нами ПОФП позволяют реализовать в учебном процессе дневного и открытого образования полную систему материальных и виртуальных носителей дидактических средств и принципов в их современной и доступной интерпретации.

Результаты проведенных исследований и педагогических экспериментов были внедрены на кафедрах инженерной экологии и техносферной безопасности Российского государственного открытого технического университета путей сообщения [5], физики-2 Московского государственного университета путей сообщения [2], в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана (кафедра ФН-4) [4], Финансовом университете при Правительстве Российской Федерации на факультете открытого образования [6] и в Институте транспорта и связи (Латвия, г. Рига) [3]. Было показано, что образовательный процесс, основанный на нашем методологическом подходе к организации создания ПОФП, направлен в первую очередь на обеспечение индивидуальной (в т.ч. автономной) и групповой самостоятельной деятельности учащихся по решению учебных и научно-исследовательских задач на основе создания адекватного целям программно-методического и лабораторного комплекса. При этом активное использование ПОФП в системе обучения открывает дополнительные возможности для всестороннего освоения основ и методов наукоемких технологий, в том числе в условиях открытого образования [2; 6].

Необходимо передавать накопленный опыт по созданию ПОФП, используя научно-практические конференции и учебнометодическую литературу.