CC BY
123
Инновации в образовании Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2 012, № 1 (1), с. 18-24
УДК 378
ПОДГОТОВКА ПО ФИЗИКЕ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗОВ В РАМКАХ ВАРИАТИВНОГО КОМПОНЕНТА УЧЕБНОГО ПЛАНА
© 2012 г. Ю.Г. Родиошкина, Л.В. Масленникова
Мордовский госуниверситет им. Н.П. Огарева, Саранск
Псступила в редакцию 12.12.2011
Приводятся особенности методики обучения физике студентов технических вузов в рамках вариативного компонента учебного плана на примере спецкурсов по физике. Спецкурсы основаны на интеграции физических теорий с техническими и способствуют формированию профессионально направленных знаний и умений по физике.
Ключевые слсва: фундаментальная и профессионально направленная подготовка, вариативный компонент, спецкурс, методика, последовательность действий.
Национальная доктрина образования в Российской Федерации акцентирует внимание на необходимости подготовки высококвалифицированных специалистов, способных к самообразованию, профессиональному росту в условиях развития новых наукоемких технологий. Усовершенствование традиционных форм вузовского образования и поиск новых подходов, идей и методов обучения, способных улучшить качество образования и уровень подготовки выпускников, в частности по физике (которая является фундаментальной основой дисциплин технического направления), - актуальная проблема современного инженерного образования.
Для эффективной подготовки студентов инженерных специальностей необходимо формирование системы фундаментальных физических знаний в совокупности с умениями применять их в конкретной производственной деятельности, как на фундаментальном, так и на профильно-ориентированном уровне. Вариативный компонент курса физики в техническом вузе должен способствовать формированию умений проецировать физические явления и законы на объекты профессиональной деятельности.
Однако выполненный в ходе исследования анализ опыта обучения в инженерно-технических вузах, учебных планов и программ, квалификационных характеристик и стандартов для инженерных специальностей позволил выявить следующее:
- число обязательных часов на изучение физики неуклонно сокращается, а объем учебного материала при этом увеличивается;
- программа по физике для технических вузов не отражает в полной мере профессиональную направленность обучения, что не позволяет
обеспечить должную мотивацию изучения физики и соответственно требуемый уровень подготовки;
- уровень умений студентов применять фундаментальные физические знания к решению профессиональных задач является низким, студенты не видят связи физики с профильными дисциплинами.
В то же время не все резервы учебного плана используются для решения задачи повышения уровня подготовки по физике студентов технических вузов. В частности, Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования (ГОС ВПО) содержит вариативный компонент, включающий систему спецкурсов. В стандартах второго поколения на изучение вариативной части отводилось 5% учебного времени; в стандартах третьего поколения - 50% учебного времени. Однако, как показывает проведенный нами анализ тематики спецкурсов, спецкурсы и вариативный компонент в целом не реализуют свой потенциал в качестве средства совершенствования подготовки по физике. Содержание существующих спецкурсов по физике для студентов инженерных специальностей не отражает специфику будущей профессиональной деятельности.
Анализ исследований по проблемам повышения качества подготовки по физике студентов технических вузов показал, что, несмотря на значительное число работ как общего, так и частного характера, подготовка студентов по физике в рамках вариативного компонента учебного плана с использованием спецкурсов по физике, отражающих связь физических и технических теорий, не рассматривалась.
Таким образом, существуют противоречия:
- между возможностями вариативного компонента учебного плана (в частности, в форме спецкурсов) в повышении уровня подготовки студентов по физике и существующей системой физического образования в технических вузах, которая не включает спецкурсы по физике;
- между задачей формирования профессионально направленных знаний и умений по физике и существующей методикой обучения физике в техническом вузе, которая не позволяет в полной мере решить эту задачу.
Эти противоречия определили актуальность нашего исследования, проблемой которого является поиск ответа на вопрос, какой должна быть методика подготовки студентов технических вузов по физике в рамках вариативного компонента учебного плана.
В целях повышения качества подготовки по физике студентов инженерных специальностей нами предлагается включить в учебный план технических вузов профессионально направленные спецкурсы по физике, основанные на интеграции физических и технических теорий [1]. Данные спецкурсы целесообразно вводить на 3-м курсе обучения, когда студентами уже получен значительный объем знаний в полностью изученных курсах физики, химии, математики, теоретической механики, материаловедения, математического моделирования, технологии конструкционных материалов.
Интегрированные спецкурсы по физике в рамках вариативного компонента учебного плана при обучении физике студентов технических вузов должны удовлетворять следующим требованиям:
- соответствовать профилю специальности студентов;
- опираться на содержание основного курса физики;
- обеспечивать переход мыслительной деятельности студентов с одного уровня усвоения знаний на другой;
- отражать актуальные проблемы техники, новейшие методы обработки материалов, современные методы контроля материалов на основе физических законов и теорий.
Обучение физике студентов технических вузов в рамках вариативного компонента учебного плана на занятиях спецкурсов по физике требует выделения компонентов методической системы: цели, содержание, методы, формы и средства обучения. В этой системе цели обучения являются компонентом, определяющим содержание других компонентов системы и характер их взаимосвязей.
Основная цель спецкурсов по физике - научить студентов применять основные физические явления и законы к различным объектам профессиональной деятельности - является отражением тенденций развития современной техники, ориентирует на соответствие глубокой фундаментальной и профессионально направленной подготовки студентов технических вузов их личным потребностям и потребностям общества.
Основаниями для построения профессионально направленных спецкурсов по физике для определенных групп профессий могут быть перспективные направления развития конкретной инженерной специальности, инновационные технологии, современные методы контроля качества и т.п. Это дает возможность вводить в учебный план технических вузов спецкурсы, направленные на физическое моделирование технологических процессов, рассмотрение физических основ волновых процессов в технике, неразрушающих методов контроля, механических разрушений в технике, электрофизических методов обработки и т.п. [2].
Для достижения целей обучения необходимо определить содержание процесса обучения -знания и умения, которые должны быть сформированы у студентов, а также методы, формы и средства, с помощью которых осуществляется достижение цели.
Содержание спецкурсов по физике для студентов технических вузов должно удовлетворять дидактическим принципам (интеграции, непрерывности и преемственности обучения, фундаментальности и профессиональной направленности, межпредметных связей и др.). Ведущей идеей, положенной в основу методики обучения физике студентов технических вузов на занятиях спецкурсов по физике, является принцип интеграции, реализация которого обеспечивает неразрывную связь физических и технических знаний.
На первоначальном этапе разработки содержания спецкурсов по физике возникает вопрос о характере представления учебной информации, т.е. что выдвигается на первый план, что уходит на второй план. Возможны два варианта: согласно первому варианту основными являются физические явления и законы (инвариантный компонент), а профессионально направленный материал (варьируемый компонент) - второстепенным; и наоборот, когда на первый план выдвигаются технологический процесс или оборудование, а на второй - их физические основы, что характерно для преподавания специальных дисциплин. Возможно даже смешивание двух этих вариантов в одном спецкурсе, а оконча-
тельный выбор варианта зависит от содержания конкретного спецкурса. Например, спецкурс, направленный на рассмотрение физических основ волновых процессов, происходящих в технике, реализуется по первому варианту, т.е. инвариантный компонент - явления и законы курса физики, варьируемый - волновые процессы в технике (шум, вибрация оборудования, резонанс и т.д.). Спецкурс, направленный на рассмотрение физических основ неразрушающих методов контроля, реализуется по второму варианту (инвариантный компонент - методы контроля качества продукции, варьируемый -физические основы этих методов). Выбор второго варианта объясняется тем, что один конкретный метод контроля основан на положениях сразу из нескольких разделов физики. Например, капиллярный метод контроля основан на нескольких физических явлениях, таких как люминесценция, капиллярные явления и др.
Современные технологии, переход к инновационной инженерной деятельности требуют от современных инженерных кадров не только знания основ физической науки (особенно разделов «Механика», «Молекулярная физика», «Электричество») и владения умениями решать задачи по физике, но и владения умениями выполнять исследовательскую работу (осуществлять моделирование и конструирование объектов профессиональной деятельности на основе физических и технических теорий, находить границы применимости данных теорий, получать навыки проведения опытно-конструкторских работ).
Таким образом, содержание спецкурсов по физике составляет учебный материал, который включает инвариантный (фундаментальные знания - физические понятия, законы, научные теории), варьируемый (профессионально направленные знания - умения применять физические знания при решении профессиональных задач) и исследовательский (проведение экспериментальной и исследовательской работы) компоненты. Например, в содержание спецкурса по физике, направленного на рассмотрение физических основ волновых процессов, предлагается включать физические основы колебательных и волновых процессов, проявляющихся в технических устройствах и объектах, профессиональные направленные знания (вибрация жесткой системы «станок - приспособление -инструмент - деталь», биение инструментов при механической обработке и т.п.), исследовательский компонент (резонансные кривые при разрушении деталей, конструкций машин и механизмов и т.п.).
Следовательно, спецкурсы по физике, являясь промежуточным звеном между курсом физики и профильными (общетехническими и специальными) дисциплинами в техническом вузе, могут значительно расширить и углубить физические знания, повысить профессиональную мотивацию за счет решения новых видов профессиональных задач, способствовать формированию умений проведения исследовательской работы.
Исследование показало, что наиболее полно поставленным целям обучения физике в рамках вариативного компонента учебного плана соответствует спецкурс «Физические основы неразрушающих методов контроля в машиностроении». Во-первых, его содержание соответствует специальности студентов (выпускники технических вузов должны быть знакомы с физическими основами методов контроля); отражает актуальную проблему развития техники (значительно ужесточились требования к качеству продукции и возросла роль неразрушающего контроля). Во-вторых, содержание спецкурса охватывает почти все разделы физики, причем студенты могут не только повторить пройденный материал курса физики, но и получить новые интегрированные знания с профессиональным содержанием. В-третьих, выполнение работ исследовательского характера в рамках предлагаемого спецкурса позволяет самостоятельно овладевать новыми знаниями и умениями конструировать и моделировать объекты профессиональной деятельности на основе фундаментальных физических теорий.
Способами реализации цели и содержания являются методы, технологии обучения. Приоритетными из них являются те, которые формируют у студентов инженерных специальностей умения применять физические знания, умения усваивать принцип работы и устройство технических объектов, умения конструировать и моделировать объекты профессиональной деятельности на основе фундаментальных физических теорий. Среди таковых выделим гностические методы (проблемного изложения, частично-поисковый, исследовательский и др.), методы самоуправления учебными действиями (самостоятельная работа с литературой, над задачей и др.), методы контроля (лабораторного, машинного, самоконтроля и др.).
В прямой зависимости от содержания и методов обучения находятся формы обучения. В качестве формы организации нами были выбраны лекционные, лабораторные занятия и самостоятельная работа.
Цели спецкурсов по физике для студентов технических вузов
Расширение фундаментальных физических знаний
Формирование умений применять физические знания при решении профессиональных задач
Формирование умений выполнять
исследовательские
задания
Дидактические принципы обучения (интеграции, систематичности, межпредметных связей и т.п.)
Содержание спецкурсов по физике в техническом вузе
Физика
Инвариантный компонент Варьируемый компонент
(фундаментальные (применение физических знаний
физические законы в объектах профессиональной
и теории) деятельности)
Исследовательский компонент (проведение экспериментальной и исследовательской работы)
Общетехнические и специальные дисциплины
Методы обучения в спецкурсах по физике:
гностические методы (проблемного изложения, частично-поисковый, исследовательский), методы самоуправления учебными действиями (самостоятельная работа и т.п.)
Формы обучения:
лекционные, лабораторные занятия и самостоятельная работа
Средства:
система заданий к лекциям, лабораторным и самостоятельным работам
Рис. 1. Модель методики обучения физике студентов технических вузов на занятиях спецкурсов по физике
Методы и формы организации учебного процесса реализуются через дидактические средства формирования познавательной и профессиональной деятельности. Эффективным средством обучения студентов технических вузов на спецкурсах по физике могут выступать задания [3], разработанные нами в ходе проведения исследования и предложенные для использования в учебном процессе технических вузов. Таким образом, выделенные компоненты системы обучения физике на занятиях спецкурсов по физике связаны между собой и являются необходимыми. Приведенные выше основные положения методики обучения физике студентов технических вузов на занятиях спецкурсов по физике позволяют сконструировать ее модель (рис. 1) и могут стать основой для совершенствования фундаментальной и профессионально направленной подготовки по физике.
В этой модели представлены следующие компоненты методики обучения физике студентов технических вузов в рамках вариативного компонента учебного плана на занятиях спецкурса по физике: цели изучения спецкурсов, дидактические принципы (интеграции физических и технических теорий, фундаментальности и профессиональной направленности, межпредметных связей и т.п.), которым должно удовлетворять содержание спецкурсов по физике; содержание спецкурсов по физике, включающее инвариантный, варьируемый и исследовательский компоненты; методы, которыми достигается поставленная цель; формы (лекционные, лабораторные занятия и самостоятельная работа) и средства обучения (система заданий к лекционным, лабораторным и самостоятельным работам).
В результате разработан особый интегрированный спецкурс «Физические основы неразрушающих методов контроля в машиностроении», который вводится в объеме 105 часов на 3-м курсе обучения студентов инженерных специальностей. Целями данного спецкурса являются формирование знаний о физических основах неразрушающих методов контроля качества, формирование умений применять средства контроля и диагностики.
В результате изучения дисциплины студенты должны получить знания об основных неразрушающих методах контроля качества, о приемах и способах проведения контроля, о физических основах методов дефектоскопии.
Таким образом, содержание спецкурса «Физические основы неразрушающих методов контроля в машиностроении» включает инвариантный, варьируемый и исследовательский компоненты. К инвариантному компоненту относятся физические основы методов контроля - молекулярная физика, электродинамика, оптика, колебания и волны, квантовая механика, к варьируемому - методы контроля (капиллярный, магнитный, визуально-оптический и др.). Исследовательский компонент позволяет рассматривать условия регистрации и снятия характеристик при проведении неразрушающего контроля.
В качестве форм обучения выбраны: лекции, лабораторные занятия и самостоятельная работа. Лекционные занятия данного спецкурса содержат сведения о неразрушающих методах контроля, их физических основах, применяемом оборудовании и процессе снятия необходимых характеристик.
На лабораторных занятиях студенты знакомятся с экспериментальными установками, специально созданными коллективом кафедры для данного спецкурса. Разработано одиннадцать лабораторных работ по спецкурсу, например «Счет деталей на конвейере фотоэлектрическим методом», «Определение толщины никелевого покрытия на стальной проволоке», «Измерение угловой скорости индуктивным методом» и др.
Самостоятельная работа студентов в рамках вариативного компонента представлена исследовательскими работами и опытно-конструкторскими разработками. Исследовательская работа студентов может быть представлена в следующих направлениях:
- исследование проблемы увеличения срока службы и восстановления работоспособности деталей;
- физическое моделирование технологических процессов в машиностроении и др.
Таким образом, разработаны содержание спецкурсов по физике в техническом вузе, методика проведения занятий на спецкурсах по физике. Тематика лабораторных и самостоятельных работ определена в соответствии с профилем специальности студентов, с опорой на содержание основного курса физики и направлена на решение задач и проблем инженерной специальности.
Педагогический эксперимент, целью которого была проверка формирования необходимых знаний и умений, проводился в Рузаевском институте машиностроения Мордовского госуни-верситета им. Н.П. Огарева со студентами общей численностью 560 человек. Было проверено формирование восьми элементов подготовки по физике в рамках вариативного компонента учебного плана (1 - фундаментальные физические знания, 2 - профессионально направленные знания, 3 - междисциплинарные знания, 4 -способность решать задачи по физике, 5 - способность решать задачи с профессиональным содержанием, 6 - способность решать творческие инженерные задачи, 7 - способность проводить самостоятельное исследование, 8 - способность к конструированию и моделированию объектов профессиональной деятельности на основе фундаментальных физических теорий). Результаты исследования элементов подготовки по физике в начале формирующего этапа эксперимента (входной контроль), выраженные в процентах, сравнивались с результатами после завершения обучения по экспериментальной методике (итоговый контроль). Для этого после каждой темы проводились контрольные работы, при проверке и анализе которых выявлялось число студентов, усвоивших тот или иной комплекс знаний.
Сформированность определенных знаний и умений оценивалась в 1 балл. В соответствии со специально разработанными критериями оценки выполнения работы, каждый студент мог попасть в одну из четырех категорий: неудовлетворительно, удовлетворительно, хорошо, отлично. Студент попадал в категорию «неудовлетворительно», если его работа оценивалась от 0 до 10 баллов; в категорию «удовлетворительно», если его работа оценивалась от 11 до 20 баллов; в категорию «хорошо» - от 21 до 30 баллов; в категорию «отлично» - 31-35 баллов. При этом мы использовали условные обозначения: уровень фундаментальных физических
знаний и сформированность умений применять эти знания при решении профессиональных и исследовательских задач ниже обязательного -«низкий», обязательный - «средний», выше обязательного - «высокий».
Рис. 2. Гистограмма распределения результатов обследования студентов инженерных специальностей в зависимости от уровней подготовки: а - низкий, б - средний, в - высокий. Цифрами обозначены, соответственно: 1 - фундаментальные знания, 2 - профессионально направленные знания, 3 - междисциплинарные знания, 4 -способность решать задачи по физике, 5 - способность решать задачи с профессиональным содержанием, 6 -способность решать творческие инженерные задачи, 7 - способность проводить самостоятельное исследование, 8 - способность к конструированию и моделированию объектов профессиональной деятельности на основе физических теорий
1
Рис. 3. Диаграмма изменения среднего показателя элементов подготовки по физике студентов инженерных специальностей. Цифрами обозначены, соответственно: 1 - фундаментальные физические знания, 2 - профессионально направленные знания, 3 - междисциплинарные знания, 4 - способность решать задачи по физике, 5 - способность решать задачи с профессиональным содержанием, 6 - способность решать творческие инженерные задачи, 7 - способность проводить самостоятельное исследование, 8 - способность к конструированию и моделированию объектов профессиональной деятельности на основе фундаментальных физических теорий
По полученным данным строились гистограммы распределения результатов обследования студентов инженерных специальностей. На рис. 2 представлена гистограмма, построенная по данным обследования после эксперимента.
Количественная оценка подготовленности по каждому элементу определялась по процентному соотношению студентов, находящихся на каждом уровне подготовки, по среднему показателю динамических рядов С, определяемому по формуле С = (а + 2Ь + 3с)/100, где а, Ь, с -количество студентов (в %), находящихся на
низком, среднем и высоком уровнях подготовки. Для наглядности по значениям количественного показателя С строилась лепестковая диаграмма (рис. 3), из которой видно, что до эксперимента студенты по большинству показателей находятся на низком уровне подготовки (незаштрихованная часть). После проведения эксперимента эти уровни значительно увеличились для всех элементов, значения С больше или равны двум.
Таким образом, у студентов технических вузов, обучающихся по разработанной методике,
возрастает уровень фундаментальных знаний по физике, формируются умения применять эти знания при решении профессиональных задач и умения выполнять исследовательские задания.
При этом важно сохранить тот потенциал, который студенты получают при изучении основного курса физики и профессионально направленных спецкурсов, в дальнейшем. Мы предлагаем рассмотреть возможность изучения студентами дисциплин в малых творческих группах по различным методам обучения (проблемному, модульному, индивидуальному и др.) с целью создать в техническом вузе особую творческую образовательную среду для формирования у студентов инженерного мышления.
Списск литературы
1. Родиошкина Ю.Г. Особенности методики преподавания спецкурсов по физике для студентов инженерных специальностей // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2009. № 3. С. 37-42.
2. Масленникова Л.В., Родиошкина Ю.Г. Вариативный компонент курса физики в техническом вузе (на примере спецкурсов по физике): Учебное пособие. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2009. 124 с.
3. Родиошкина Ю.Г. Спецкурсы по физике как средство совершенствования учебного процесса в техническом вузе // Ярославский педагогический вестник. Серия Гуманитарные науки. 2010. №1. С. 121126.
PHYSICS TRAINING FOR STUDENTS OF TECHNICAL COLLEGES WITHIN THE FRAMEWORK OF A VARIABLE COMPONENT OF THE CURRICULUM
Yu. G. Rodioshkina, L. V. Maslennikova
The article presents some particular features of the methods used for teaching physics to students of technical colleges within the framework of the variable component of the curriculum as illustrated by special courses in physics. Such special courses are based on the integration of physical theories with technical theories, thus promoting the formation of professional knowledge and skills in physics.
Keywords: basic and profession-oriented training, variable component, special course, teaching methods, sequence of actions.
