CC BY
65
УДК 378.147
ББК 74.584(2)738.1
Куклина Наталья Робертовна
аспирант г. Киров
Решение комплексных практических задач на основе межпредметных связей - одно из важнейших направлений систематизации знаний студентов
Главная цель статьи — показать одно из направлений повышения качества профессиональной подготовки в ВУЗе на примере разработки и внедрения в учебный процесс комплексных заданий по инженерной графике на основе межпредметных связей с высшей математикой и информатикой. Новизна работы — в практической реализации интеграции знаний и умений из различных дисциплин в процессе решения творческих задач.
В условиях динамичности, нестабильности реального мира подготовка профессионалов-специалистов в высших учебных заведениях традиционными методами не удовлетворяет требованиям времени. Знания устаревают быстро, следовательно, надо уже в вузе научить студентов их пополнять, обновлять, вырабатывать умение их искать. Изучение опыта предшествующих поколений, познание закономерностей окружающего мира являются основой всех мыслительных процессов.
Наука и образование - взаимосвязанные развивающиеся системы, в которых в настоящее время существует ряд противоречий. Одно из основных -противоречие между возрастающим объёмом информации и возможностями её использования в решении практических задач. Современный уровень развития наук, более глубокое осознание взаимосвязи между различными областями знания требует их систематизации на основе общности объектов познания. Очевидно, не в количестве знаний, а в системном подходе к формированию теоретических знаний и умении их творческого применения к решению практических задач - один из путей разрешения указанного противоречия.
Системный подход в процессе познания позволяет посмотреть на объект более гибко. «Основной нерв» процесса мышления в том, что «объект в процессе мышления включается во все новые связи и в силу этого выступает во всё новых понятиях из объекта, таким образом, как бы вычерпывается всё новое содержание; он как бы поворачивается каждый раз другой своей стороной, в нём выявляются всё новые свойства». [4, с. 46]
Систематизация знаний по каждой учебной дисциплине осуществляется по основным направлениям:
1) цели и задачи изучения дисциплины, её место в системе подготовки специалиста;
2) законы и закономерности, взаимосвязь между отдельными частями и вопросами;
3) концепции и принципы построения учебной дисциплины;
4) методы и средства познания, инновационная деятельность;
5) проблемно-поисковая деятельность студентов по получению новых знаний и выработки навыков их использования. [6]
Систематизация знаний необходима не только в пределах каждого учебного предмета, но и всего комплекса изучаемых в ВУЗе по специальности предметов, образующих систему. Каждый предмет - элемент этой системы, играющий свою роль в целостности, в связи с другими элементами. В результате, складывается полная картина развития системы образования в целом по специфичности:
• специфичные свойства целого;
• структура и системообразующие связи;
• многообразие формы существования целого;
• уровни строения системы;
• описание системы в «статике» и «динамике»;
• выделение главных противоречий, лежащих в основе развития системы. [7]
В результате - полнота, высокая степень обобщённости.
Познавательная деятельность студентов носит осознанный рефлексивный характер. Есть возможность сравнить, использовать методы решения проблем одной дисциплины в других дисциплинах.
Приёмы познавательной деятельности могут быть сформированы на разном уровне общности. Замена частных приёмов обобщенными приёмами повышает развивающий эффект обучения, качество усвоения знаний, их прочность.
Характеристики познавательной деятельности:
1) прочность знаний (зависит от степени их обобщения)
2) осознанность действия заключается в умении обосновать, аргументировать правильность его выполнения;
3) разумность действия определяет содержание его ориентировочной основы
Умение мыслить: анализировать, обобщать, строить систему доказательств - показатель уровня познавательной деятельности человека. [5,6]
Вывод: системный подход к формированию теоретических знаний и умений играет важную роль в фундаментальной подготовке специалиста, позволяет понять общность познавательных действий, возможность творческого применения знаний межпредметного характера к решению практических задач.
В некоторой степени, современные учебные программы в вузах отражают системный подход к изучению процессов, происходящих в природе, обществе и производстве. Но существующий предметный способ распределения знаний со сложившимися границами учебных предметов препятствует реализации системного подхода в обучении специалиста-профессионала.
Важную роль в реализации системного подхода к изучению объектов и процессов реального мира играет внедрение в обучение принципа межпредметных связей, который позволяет всесторонне изучить объекты познания и формирования навыков комплексного решения теоретических и практических проблем современности. Большую роль в формировании системного мышления, диалектической мыслительной деятельности оказывает решение комплексных задач по установлению межпредметных связей при изучении различных предметов.
Приобретение знаний в единстве сущностной и операционной сторон учебной деятельности позволяет студентам овладеть системным, диалектическим подходом к процессу и результату мыслительной деятельности.
Качество геометро-графической подготовки инженеров в вузе определяется:
• уровнем знаний по инженерной графике, математике, информатике, специальным дисциплинам;
• уровнем умений решать задачи по инженерной графике, математике, информатике, специальным дисциплинам;
• культурой умственного труда. [3]
Математические знания являются основой для глубокого понимания межпредметных связей. Использование методов математического моделирования позволяет осуществить межпредметную связь между предметами инженерной графики, математики и информатики.
Мы предлагаем методику решения задач на основе межпредметных связей начертательной и аналитической геометрий средствами компьютерных технологий.
В данной работе, в отличие от методик, отражающих традиционные подходы преподавания начертательной геометрии:
1) теоретически обоснована целесообразность реализации межпредметных связей начертательной геометрии, математики и информатики при обучении студентов технического вуза с целью формирования технического мышления будущего инженера;
2) разработана методика реализации межпредметных связей начертательной геометрии, математики и информатики (при решении фронтальных и индивидуальных практических заданий).
Данная методика позволяет на практике реализовать интеграцию знаний и умений из различных дисциплин при решении конкретных задач, позволяет более глубоко осмыслить взаимосвязь теорий различных наук, изучающих одни и те же объекты действительности. На основе комплексного подхода к осмыслению межпредметных связей осуществляется творческое решение задач по инженерной графике. Решение таких заданий - не просто применение имеющихся знаний в новых условиях, но более глубокое осознание взаимосвязей между понятиями и методами исследования в различных науках.
Л.Д. Столяренко определяет техническое мышление как специфическое следствие научного и практического мышления. [9] Мы считаем, что формировать техническое мышление необходимо не только при изучении специальных дисциплин, но и при изучении общеобразовательных и общетехнических дисциплин на основе решения задач межпредметного характера. Примером реализации в учебном процессе данного положения является предлагаемая методика. Решение задач графическим методом формирует у студентов практическое мышление. Решение задач с помощью компьютерного моделирования активизирует теоретическое мышление. Используя межпредметные связи между начертательной геометрией, математикой и информатикой в предлагаемой методике у студентов происходит формирование образного и логического мышления в равной мере и в комплексе, что необходимо для развитого профессионального мышления инженера.
Предложенный метод разработки индивидуальных заданий на основе межпредметных связей инженерной графики, высшей математики и информатики позволяет:
1) применить знания из математики и информатики при решении задач начертательной геометрии;
2) осуществить студентам самостоятельный текущий контроль выполненной графической работы и проанализировать правильность решения задачи, в результате анализа происходит более глубокое осознание традиционного метода Монжа;
3) применение информатики позволяет увеличить скорость решения задач, показать многовариантность решений при различных значениях параметров;
4) графическое изображение результатов способствует повышению уровня пониманий, развитию образного мышления студенты приобретают опыт самостоятельного решения комплексных проблемных заданий.
Методика позволит улучшить процесс формирования у студентов системного технического мышления посредством решения задач межпредметного характера. Осознанное применение связей между дисциплинами позволяет глубже понять их роль в решении жизненно важных задач в будущей профессиональной деятельности. Опыт решения таких задач способствует развитию всех видов умственной деятельности.
Научность предлагаемой методики решения задач основана на теории и расчётных методах высшей математики, применяемых в информатике, т. к. любое исследование можно считать истинной наукой, если оно прошло через математическое доказательство.
Алгоритм решения задачи, выполненный компьютерным способом соответствует алгоритму решения задачи, выполненного традиционным
методом начертательной геометрии, который подвергается формализации и переводу на язык ЭВМ.
Решение задач начертательной геометрии при помощи компьютера требует знаний аналитической геометрии. Ещё Г. Монж, основоположник начертательной геометрии, указывал на необходимость сближения методов аналитической и начертательной геометрий, так как начертательная геометрия вносит присущую ей наглядность в изображении геометрических объектов, а математика вносит в начертательную геометрию свойственную ей универсальность.
Чтобы обеспечить достаточно высокую степень формализации решения задачи по начертательной геометрии, студенты составляют уравнения геометрических образов по комплексному чертежу.
Идея предложенной методики заключается в решении задачи как традиционным графическим способом (при помощи чертёжных инструментов по правилам начертательной геометрии), так и компьютерным способом (основанном на аналитическом решении поставленной задачи). Компьютерный способ решения задачи предполагает составление математической модели условия задачи по его графической модели, ввод исходных данных в программу, получение результата на экране компьютера в виде чертежа в двух проекциях с аксонометрическим изображением, вывод на экран численных значений решения задачи.
В данной методике при объяснении нового материала используется метод проблемного изложения. Прежде чем излагать материал, ставиться проблема, формулируется познавательная задача, а затем, сравнивая различные точки зрения, демонстрируется выбранный вариант решения поставленной проблемы. Студенты становятся свидетелями и, в некотором смысле, соучастниками научного поиска.
При решении конкретных практических задач используется частично-поисковый метод. Сущность его заключается в организации активного поиска
решений задачи под руководством преподавателя. Процесс мышления принимает активный характер, но поэтапно направляется и контролируется педагогом или самим учащимся. Такой метод способствует активизации мышления, возбуждения интереса к знаниям и познанию. В процессе обсуждения проблемных ситуаций и выдвижения рациональных предложений используются методы стимулирования и мотивации учебно-познавательной деятельности (одобрение, похвала, контроль и т. д.)
Цели занятия, проводимого по данной методике:
1) Сознательное усвоение учебного материала.
2) Повышение мотивации изучения данного предмета.
3) Профессиональная направленность изучения предмета.
4) Развитие мышления.
5) Приобретение навыков комплексного использования знаний из различных дисциплин для решения практических задач.
6) Применение знаний из других дисциплин в новых условиях.
7) Развитие творческой активности.
Решение данной задачи проводится после изучения теоретического материала темы «Пересечение поверхностей» и включает в себя следующие этапы:
I. Подготовительный этап:
1. Выдача задания преподавателем студентам.
2. Самостоятельный анализ студентом текста задачи.
3. Вычерчивание в 2-х проекциях заданных геометрических тел на формате АЗ.
4. Построение линии пересечения поверхностей
II. Основной этап
1. Обоснование необходимости графического и компьютерного решения задачи.
2. Повторение материала из смежной дисциплины.
3. Изучение программного продукта «Пересечение поверхностей».
4. Показ преподавателем примера составления математической модели решения задач.
5. Фронтальная работа студентов по получению компьютерного решения задачи.
6. Самостоятельная разработка студентами математической модели решения задачи.
7. Проверка преподавателем построенной студентами математической модели решения задачи.
8. Ввод математической модели в компьютер.
9. Решение задачи на компьютере.
10. Сравнительный анализ результатов, полученных компьютерным и графическим способами. В случае необходимости, корректировка чертежа, выполненного графическим способом.
11. Оценка выполненной работы преподавателем.
Экранные формы компьютерного варианта решения задачи представлены на рисунках 1,2,3.
Необходимость совместного рассмотрения графического и компьютерного метода объясняется тем, что графический вариант решения задачи очень трудоёмок, требует значительных временных затрат для исполнения. К недостаткам графического метода можно отнести также неизбежно возникающие погрешности в решениях задач. Компьютерный вариант точен, нагляден, характеризуется быстрым исполнением введённой в компьютер задачи. Совместное рассмотрение графического и компьютерного способа решения задачи необходимо для проверки точности графического решения. Компьютерный способ реализует просмотр различных вариантов решения задачи. Например, определение линии пересечения цилиндрических поверхностей при различных диаметрах, в том числе при равных диаметрах, когда демонстрируется теорема Монжа. Предусматривается решение
творческих задач: по заданной линии пересечения моделируются пересекающиеся поверхности.
Применение данной методики позволяет повысить интенсивность обучения: за время занятия решается большое количество задач. Использование компьютерных технологий позволяет сделать наглядным процесс обучения. Аксонометрическое изображение можно рассматривать с разных точек зрения. Выполнено цветовое оформление решения задачи.
Проведение занятий по данной методике в очередной раз подтвердило положение, что использование нетрадиционных методов преподавания значительно повышает мотивацию изучения предмета.
Знания, умения и навыки из аналитической геометрии, информатики находят практическое применение при изучении начертательной геометрии. Происходит синтез знаний, создается целостное восприятие окружающей действительности, формируется интегративный тип мышления.
В процессе решения такой задачи в сознании студента создаётся математическая модель, являющаяся ориентировочной основой. В исполнительной части модель материализуется, преобразуется в вербальную форму, переходит из внешней во внутреннюю, включается в когнитивные структуры, становиться понятием, убеждением - интериоризуется. Затем материальная модель заменяется её экранным изображением. Студент может управлять преобразованием, перемещая их, вводя различные параметры. В результате меняется стиль мышления, т. к. вместе с образным мышлением развивается логическое алгоритмическое мышление.
Решение нестандартных задач, имеющих прикладное значение -получение нового продукта, полезного для окружающих. Преподаватель и студент выступают в роли партнёров в совместной деятельности.
Для студента решение таких задач - переход к частично-поисковой, исследовательской деятельности: поиск информации, разработка математической модели, использование компьютера для реализации решения задачи, получение результата. Преподаватель помогает правильно выбрать
направление исследования, критически осмыслить и оценить полученные результаты. Таким образом, интеграция учебных дисциплин на основе общих методов обработки информации позволяет оценить развивающие возможности методов компьютерного образования.
*) Пересечение поверхностей
Работа Инфо Примеры
Ш*I
Коэффициенты уравнения поверхности 1
Вид поверхности: | Конус
Ось вращения: [г Диапазон по оси вращения:| (Г
(х-Г~Г~) + (у-| 0 ) - (2-ПГ)
ГТ
ГГ
Г~2"
10
Коэффициенты уравнения поверхности 2
Вид поверхности: | Сфера
(х-Гб- А (у-Го- >$ &-ГГ" )=Г5
Диапазон по оси вращения:] 0
ГТ
ГТ
ГТ
Диапазон определения линии пересечения по оси г: | о | 10 Точек в диапазоне: | 20
I*7 Рассчитывать линию пересечения Старт
Расчет завершен. (21.2 сек)
Рис. 1. Задание исходных данных
МАТЬАВ
П1е ЕсМ Мею \«/еЬ Мпс1ою Не1р
□ (£ | 1 % № « ~ Щ 9 СиггегЮ^есЛогу: | С:^а11аЬт2^огк>Реге5есЬеп1е
| Соттагк!
Подождите, идет расчет ... Диапазон: 2.2204е-01б... 8. ко^о_тах=2
Опорные точки:
X: 5.00 1 00
У: 0.00 0 00
1: 0.00 8 00
Промежуточные точки линии: X: 5.00 2.92 2.92 1.48 1.48 0.68 0.68 0.52 0.52 1.00 У: 0.00 3.02 -3.02 3.06 -3.06 2.51 -2.51 1.72 -1.72 0.00 2: 0.00 1.60 1.60 3.20 3.20 4.80 4.80 6.40 6.40 8.00 Расчет линии и построение поверхностей: 21.2 сек. Завершено.
Рис. 2. Окно вывода координат точек
Figure No. 1
File Edit View Insert Jools Window Help Невидимые линии
Рис. 3. Окно вывода графиков В условиях разрозненного изучения различных дисциплин в ВУЗе у студентов складывается сумма разрозненных знаний, не взаимосвязанных, не способствующих творческому их применению на практике. Предложенный метод разработки индивидуальных заданий на основе межпредметных связей инженерной графики, высшей математики и информатики позволяет понять, глубоко осознать взаимосвязь явлений, как выражение общей закономерности существования мира. Поэтому познание окружающей действительности возможно лишь на основе всестороннего системного исследования объектов, выделения всех существенных связей и отношений. Реализация решения задач начертательной геометрии на компьютере требует установления новых связей между математическими понятиями и их компьютерными расчётами. В результате студенты приобретают практические навыки в решении комплексных проблем. Практические задачи, которые приходится решать выпускнику вуза, комплексны. Их успешное решение может быть связано с умением поиска новой информации, обновлением знаний, их творческого
применения. Высокая продуктивность умственной деятельности специалиста-
профессионала зависит не от количества полученных им знаний в процессе обучения в вузе, а от степени их упорядоченности, систематизации. Предметный принцип распределения знаний приводит к слабому отражению связей между науками, не способствует формированию знаний как целостной системы. Решить проблему формирования системного технического типа мышления в процессе обучения в вузе можно только на основе интеграции знаний на принципе межпредметных связей. Только принцип межпредметных связей позволяет всесторонне изучить объект познания, осознать роль каждого изучаемого в вузе предмета в подготовке специалиста.
Заочная аспирантура Нижегородского государственного педагогического университета, кафедра обще профессиональной подготовки.
Библиографический список
1. Выготский, Л. С. Педагогическая психология [Текст] / Л. С. Выготский. -М.: Педагогика-Пресс,1999. - 534 с.
2. Дьюи, Дж. Психология и педагогика мышления [Текст]: пер. с англ. / Дж. Дьюи. -М.: Лабиринт,1999. - 192 с.
3. Лагунова, М.В. Современные подходы к формированию графической культуры студентов в технических учебных заведениях [Текст] / М.В. Лагунова: монография. -Н. Новгород: издательство ВГИПА, 2001. - 260с.
4. Морозов, А. В. Креативная педагогика и психология [Текст] / А. В. Морозов, Д. В. Чернилевский. - М.: Традиция, 2004. - 559 с.
5. Пойа, Д. Математическое открытие [Текст]: пер. с англ. / Д. Пойа. -М.: Наука, 1970.-448 с.
6. Решетова, 3. А. Психологические основы профессионального обучения [Текст] / 3. А. Решетова. - М.: изд-во МГУ, 1995. - 196 с.
7. Решетова, 3. А. Формирование системного мышления в обучении [Текст] / 3. А. Решетова. - М.: ЮНИТИ, 2002. - 344 с.
8. Рубинштейн, С. Л. Основы общей психологии/ [Текст] / С. Л. Рубинштейн. - СПб.: Питер, 2004. - 712 с.
9. Столяренко, Л.Д. Психология/ [Текст] / С. Д. Столяренко. - СПб.: Питер, 2006. - 592 с.
