Проблемно-ориентированные физические практикумы - основы организации лабораторных работ в условиях открытого образования

во предметных, межпредметных, интегративных знаний, умений и навыков, которые обеспечивают достижение определённого уровня образованности. Данные положения легли в основу предлагаемой нами видеообучающей системы, содержащей анимации, фрагменты учебных фильмов, фотографии, цветные рисунки, схемы и графики, входящей как составной, неотъемлемый элемент в ПОФП. Элементы, составляющие обучающую систему (фильмы, анимации, тренажёры), фрагментарно используются в многочисленных электронных пособиях как в России [2 и др.], так и за рубежом [3]. Существуют и автономные тестовые системы, выполняющие контролирующую функцию [4]. В предлагаемой нами работе разработаны новые подходы к элементам видеообучающей системы, в которой объединены оба эти направления дидактики, ибо в рамках проблемных ситуаций (при тестовом контроле и т.п.) предъявляемые визуализированные теоретические сведения многократно усиливают познавательную деятельность студентов. Таким образом, новизна элементов этой видеообучающей системы состоит в том, что предъявление обучающей информации, подготовка студента к экспериментальному исследованию, обучение и контроль сведены в единый педагогически регламентированный процесс. Структурное взаимодействие элементов этой системы реализуется при диалоге преподавателя и студента, студента и компьютерной программы.

Разработанная на кафедре физики МГТУ им. Н.Э. Баумана компьютерная программа 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 обобщённым методам экспериментального исследования. Для этого в них включаются вопросы:

– Какова физическая основа предлагаемого метода измерений?

– Какие действия необходимы для реализации данного метода и оценки его эффективности?

– Какие из разработанных методов (известных в литературе) определения конкретных физических величин являются наиболее эффективными?

– Какие приборы требуются для проведения данных измерений и т. д.?

– Какие величины могут быть измерены непосредственно?

Обучающая особенность разработанной системы заключается в том, что студентам предлагаются как теоретические объяснения, сопровождаемые анимациями и фрагментами учебных фильмов, созданными на комплексе приборов в лаборатории НИРС, кафедры физики нашего университета, так и виртуальные тренажёры. Тренажёры заменяют готовый теоретический ответ, предлагая студентам самим прийти к выводу о существующей зависимости между физическими параметрами для объекта исследования. Виртуальные тренажёры позволяют получать наглядные динамические иллюстрации физических экспериментов и явлений, воспроизводить их скрытые детали, которые не видны при наблюдении реальных экспериментов.

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 его прохождения выводятся на монитор и заносятся в электронный журнал.В ходе педагогического эксперимента определяются следующие статистические показатели: мода, медиана, средний арифметический балл, математическое ожидание, дисперсия, среднеквадратическое отклонение, асимметрия, эксцесс, бисериальный коэффициент, дифференцирующая способность заданий, корреляция между заданиями теста, надёжность 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 готовности проводить экспериментальные исследования;

• •    оценить затраты времени и настойчивость (по числу попыток), т.е. выявить индивидуальные личностные характеристики, необходимые для формирования творческих минигрупп, выполняющих проектно-лабораторные работы по темам рабочей программы, вынесенным на самостоятельную работу.

В конце семестра в режиме контроля остаточных знаний описываемая видеообучающая система предъявляет обобщающие вопросы по каждой из выполненных лабораторных работ.

Результаты прохождения тестов оцениваются и фиксируются в электронном журнале.

В изучении физики ключевое место занимает лабораторный практикум. В рамках дистанционного обучения [5–6] для студентов на кафедре физики МГТУ им. Н.Э. Баумана создан лабораторный практикум удаленного доступа через сеть Интернет , что для естественных дисциплин представляет особую сложность. Можно выделить два вида лабораторных работ удаленного доступа: 1) использующие компьютерное моделирование и 2) на базе реальных лабораторных установок, удаленный доступ к которым осуществляется через Интернет или корпоративную сеть. Реализация лабораторных работ второго типа представляет собой особую сложность для физики и всех естественнонаучных дисциплин, т.к. требует наличия дополнительного оборудования по сопряжению лабораторной установки с ЭВМ, разработки систем автоматического управления установкой и соответствующего программного обеспечения. Отметим, что на кафедре физики МГТУ им. Н.Э. Баумана реализованы несколько таких лабораторных работ, т.к. физика является в основе экспериментальной дисциплиной [7]. Это лабораторные стенды по механике, электричеству и квантовой физике, среди них по механике – «Изучение ударных и волновых процессов в твердом теле с помощью пьезодатчиков», по электричеству – «Исследование скин-эффекта», квантовой физике – «Лазерная спектроскопия» и «Изучение космических лучей». Развитие такого практикума продолжается с целью охвата всех разделов курса физики в техническом университете.

На кафедре создан также целый ряд работ по компьютерному моделированию физических процессов. Они используются при проведении занятий со студентами в лаборатории научно-исследовательской работы студентов (НИРС). В качестве примера можно привести «Опыт Резерфорда», «Модельные задачи квантовой механики», «Лазерное излучение» и др.

После 15-летнего периода развития практикум НИРС представляет собой учебнонаучный комплекс, включающий следующие взаимосвязанные структуры:

• 1.    Практикум по курсу общей физики.

• 2.    Практикум выпускающей кафедры.

• 3.    Автоматизированный практикум удаленного доступа с использованием сети Интернет.

• 4.    Виртуальный практикум по компьютерному моделированию физических процессов и явлений.

• 5.    Совместную с Физическим институтом им. П.Н. Лебедева РАН учебно-научную лабораторию «Лазерная физика».

Отбор студентов в зал НИРС идет на конкурсной основе. Для обучения на III семестре в первую очередь приглашаются студенты, получившие на I курсе (II семестр) отличные и хорошие оценки по физике по разделу «Механика, молекулярная физика и термодинамика» и другим дисциплинам. Для обучения на IV семестре принимаются студенты, имеющие повышенные оценки по результатам учебы на III семестре, в том числе в зале НИРС.

Каждый семестр в зале НИРС обучаются до 200 студентов (всех факультетов и специальностей МГТУ), из которых формируются группы по шесть – семь человек. За 15-летний период работы зала в нем прошли обучение 4000 студентов II курса. В зале НИРС размещены 70 лабораторных работ, в которых изучаются фундаментальные законы, явления и эффекты в области электромагнетизма, оптики, квантовой и ядерной физики, физики твердого тела и жидкости.

Половина представленных работ – оригинальные разработки кафедры как результат внедрения в учебный процесс научноисследовательских работ, проводимых преподавателями и сотрудниками кафедры. Остальные лабораторные работы созданы на базе типовых установок и оборудования, серийно выпускаемых отечественной промышленностью, в том числе НПО «Русучприбор».

Практикум оснащен современными приборами: в зале установлены лазер на парах меди с мощностью излучения 104 Вт при работе в импульсном режиме; телескоп космических лучей; пьезоэлектрический комплекс для изучения импульсных процессов; стенд для изучения сверхпроводимости; голографическая установка; монохроматоры; осциллографы разных марок и другое оборудование.

В зале НИРС широко используются персональные компьютеры с набором программ для моделирования физических процессов, управления экспериментом и обработки экспериментальных данных.

Сотрудниками кафедры созданы лабораторный практикум удаленного доступа, состоящий из автоматизированных лабораторных стендов для изучения ударных и волновых процессов, скин-эффекта, космических лучей и лазерной спектроскопии. Управление стендами, сопряженными с персональными компьютерами и сетью Интернет, полностью автоматизировано, что позволяет проводить ис- следования и эксперименты в режиме удаленного доступа. Применение этого раздела практикума в режиме демонстрации позволяет расширить круг лекционных экспериментов.

Большинство лабораторных работ в зале НИРС отличаются от стандартных лабораторных работ тем, что позволяют не только ознакомиться с тем или иным физическим явлением, а 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 она 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 их 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 – четыре академических часа с периодичностью раз в две недели.

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

Помимо лабораторных работ дистанционное обучение физике должно включать в себя такие виды занятий, как лекции для проработки теоретического материала и семинары, на которых реализуются практические методы решения задач данной дисциплины. В МГТУ им. Н.Э. Баумана создан портал системы открытого образования «Инженер», одной из задач которого является организационнотехническая поддержка обучения с использованием ресурсов информационных технологий [8].

Лекции обязательно включают в себя лекционные демонстрации, причем не только для высшей, но и для средней школы. В средней школе проблема лекционных демонстраций стоит наиболее остро и может быть решена по мере развития в нашей стране сети Интернет и корпоративных сетей системы высшего и среднего образования.

Базой для методических разработок в области дистанционного обучения по физике для студентов может служить разработанный в МГТУ им. Н.Э. Баумана курс «Физика в техническом университете» в виде серии книг-учебников. Для школьников и абитуриентов используются также методические материалы, разрабатываемые подготовительными курсами и вечерней физико-математической школой при МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Отдельную проблему при дистанционном обучении составляет проблема лекционных демонстраций. Ввиду единства законов природы и их проявлений именно в этом направлении особенно эффективна кооперация усилий. Такие демонстрации могут быть реализованы и как часть электронного учебника, и отдельным блоком. Аналогом того, что хотелось бы видеть для студентов, можно считать, например «Открытую физику», разработанную в МФТИ [9], лекционные демонстрации, созданные в МГУ им. М.В. Ломоносова на кафедре общей физики для физического факультета, многочисленные разработки Санкт-Петербургского ГИТМО и многих других вузов. В Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики на портале дистанционного обучения студенты имеют возможность дистанционно получать доступ к большому набору информационных ресурсов. Им предлагается следующий набор программно-технических модулей, позволяющий реализовывать все виды учебной работы:

• •    электронные конспекты;

• •    информационные ресурсы;

• •    электронные тесты;

• •    виртуальные лабораторные работы;

• •    электронные практикумы.

На портале два раза в год проводится аттестация всех студентов.

Решение всех обозначенных проблем возможно только в рамках широкой кооперации с различными учебными заведениями как Москвы, так и регионов РФ. Для обмена информацией в рамках физического сообщества России создана, активно используется и представляется весьма перспективной обменная сеть (phys- icsnet.ru).Это относится как к созданию методических материалов, так и к разработке унифицированного технического обеспечения как сетей, так и систем удаленного доступа. Только развитие сетевых ресурсов и насыщение их методическими материалами, разнообразными по форме и содержанию, позволит сделать дистанционное образование эффективным инструментом решения образовательных задач в самом широком смысле. Решение этой стратегической задачи – основная цель разработки концепции программно-методического и технического обеспечения дистанционного обучения для циклов естественнонаучных дисциплин и основ построения дистанционного обучения физике.