5 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования. Формирование творческой личности будущего специалиста является актуальной проблемой не только для высшей школы, но и важнейшей социально — экономической задачей всего общества. Решение этой задачи заключается, прежде всего, в развитии творческих способностей студентов на всех этапах обучения, повышения их интеллектуального потенциала, активности и самостоятельности. Процесс обучения студентов заключается в использовании различных приемов и методик передачи знаний. Первым актом в обучении является доведение учебной информации до студентов, но в то же время, это не только сообщение и усвоение знаний, привитие навыков и умений. Следовательно, это сложная система организации, управления и развития познавательной деятельности студентов, это процесс многостороннего формирования знаний специалиста высшей квалификации. Такая система требует особой организации учебного процесса, всесторонней оценки возможностей средств, форм и методов обучения. Ведь обучаемый должен сначала воспринять содержание, осмыслить его, затем запомнить, и, наконец, научиться применять его на практике. В условиях возрастающего информационного потока все сложнее обеспечить высокий уровень образования, применяя для этой цели только традиционные методы обучения. Все это заставляет педагогов постоянно искать новые методы и формы образовательной деятельности, совершенствовать методику обучения, внедрять в учебный процесс более эффективные методы и средства с тем, чтобы активизировать процесс усвоения знаний, формирование умений и навыков. А это предполагает организацию научно - обоснованного учебного процесса, соответствующего современным и перспективным направлениям науки и техники. Только обучение с широким,
комплексным использованием разнообразных технических средств позволяет осуществить в учебных заведениях научную организацию труда студентов и преподавателей. Чтобы правильно решить эти вопросы, нужно тщательно пересмотреть организацию процесса обучения, методику и техническое оснащение лекционной аудитории, которая должна обеспечиваться звукотехническими и светопроекционны-ми средствами передачи информации и другими наглядными устройствами, повышающими эффективность восприятия информации студентами. При этом они не должны заменять собой лекционные демонстрации, как основу иллюстративно — объяснительного метода обучения, а должны дополнять их и поддерживатъ\ Для совершенствования учебного процесса необходим комплексный подход к процессу обучения с применением новейших технических средств обучения (ТСО) и информационных технологий. При этом возникает проблема их проектирования, создания и использования, а также оценки их педагогической полезности.
Данная работа посвящена вопросу разработки и методического сопровождения современных ТСО при изучении электростатических полей. Обращение к этому разделу не случайно. Как показали результаты исследования, проведенного методистами пединститутов Урало-Сибирской зоны, под руководством профессоров А. В. Усовой и Н. Н. Тулькибаевой, имеющийся в наличии натурный физический эксперимент не способствует качественному формированию понятия электростатического поля. Многие из разделов по изучению электростатики вообще не сопровождаются натурным физическим экспериментом (вероятно, в связи со сложностью его постановки). Возникает противоречие, не позволяющее достигнуть желаемого результата, а именно, недостаточная разработка натурного физического эксперимента не способствует активизации процесса усвоения знаний, формированию
умений и навыков, развития творческого мышления студентов. Восполнить эти пробелы и решить данную проблему возможно постановкой виртуального эксперимента с использованием учебного мультимедийного комплекса.
Применение данного комплекса одновременно решает на практике и проблему наглядности, которая до сих пор является одной из актуальных ведущих методологических проблем в области естественных наук, в частности, физики, задача которой обеспечивать связь наблюдаемых явлений и создаваемых представлений с сознательным глубоким пониманием существа предмета изучения. Виртуальный эксперимент играет роль опосредственной наглядности, отражает предмет изучения в образах, верных изображениях (действительных и условных), т.е. выражает признаки, проводя их через мышление.
Цель исследования состоит:
- в математическом обосновании использования учебного мультимедийного комплекса в учебном процессе;
- в разработке методики создания программной части мультимедийного комплекса (в эту же часть входит разработка сценария для программной части мультимедийного комплекса) и методики включения УММК в лекционный курс «Общая физика» на примере раздела «Электростатика».
Объектом исследования является учебный процесс обучения физики в техническом вузе.
Предметом исследования является разработка средств сопровождения лекций курса физики в ВУЗе на основе современных технологий.
Гипотеза исследования: если при проведении лекций наряду с традиционным демонстрационным экспериментом использовать УММК, включающий в себя набор компьютерных задач и методику
их применения, то процесс усвоения физических знаний будет происходить более эффективно (улучшается понимание, запоминание, активизируется познавательная деятельность студентов, усиливается наглядность).
В соответствии с целями и гипотезой были определены следующие задачи:
- изучить имеющиеся возможности современных ТСО и проблемы, возникающие в процессе их использования в лекционном сопровождении;
- определить условия применения УММК в практике лекционного обучения;
- улучшить возможности комплекса путем оптимизации технических характеристик его различных составляющих;
- разработать методику включения натурного и мультимедийного экспериментов в лекционный курс;
- разработать учебные программные продукты для мультимедийного комплекса по разделу курса общей физики «Электростатика».
Методологической основой исследования являются работы ряда отечественных и зарубежных ученых в области содержания образования (Гершунский Б. С, Леднев В. С, Скаткин Н. Н. и др.), интенсификации учебно-воспитательного процесса (Бабанский Ю. К., Данилов М. А., Занков Л. В., Кирсанов А. А. и др.), педагогического прогнозирования (Гершунский Б. С), создания и применения средств обучения (Зазнобина Л. С, Леднев В. С, Шахмаев Н.М. и др.)> компьютеризации и информатизации образования (Антонов И. Н., Бобко И. М., Разумовский В. Г., Кузнецов Э. И., Лапчик Н. П., Роберт ИВ., Уваров А. Ю., Борк А и др.), психологии восприятия информации (Выготский Л. С, Ломов Б. Ф. и др.), проектирования педагогических систем (Бес-палько В. П., Ильясов И. И., Кузьмина Н. В., Назарова Т. С. и др.).
Методы педагогического исследования.
Для решения и раскрытия поставленных задач, а также проверки исходных предположений, использовались следующие методы исследования:
- изучение и анализ литературы по дидактическим, педагогическим, психологическим и техническим проблемам, связанными с информатизацией образования;
- изучение и обобщение практического опыта использования новейших технических средств обучения в методике преподавания физики;
- педагогический эксперимент;
- анкетирование;
- психологическое тестирование.
Программный продукт.и методика его использования должны быть построены таким образом, чтобы доводить усвоение учебного материала до уровня активного использования его при решении поставленной задачи.
Принцип технического использования программной части мультимедийного комплекса. Все задачи представляют собой пакет программ, написанных для IBM-совместимых компьютеров и работают под управлением операционной системы MS-DOS версии не ниже 6.2. Меню выбора позволяет выбирать то или иное задание и запустить в желаемой последовательности показ составляющих его фрагментов. Благодаря использованию объектно-ориентированной оболочки, программный продукт обладает современными средствами диалога: объемные диалоговые окна, кнопки и т.д.
С целью облегчения работы лектора управление программным продуктом в процессе чтения лекции осуществляется с помощью ма-
10
нипулятора «мышь», хотя предусмотрена и возможность управления с клавиатуры.
Научная новизна и теоретическая значимость проведенного исследования заключается в том, что:
- адаптирована к учебному процессу математическая модель (теорема К. Шеннона), на основе которой можно определить возможности использования в педагогическом процессе УММК, а также выявить и обосновать дидактические условия интенсификации учебного процесса;
- разработана методика совместного использования натурного и виртуального экспериментов в курсе физики;
- разработана методика взаимодействия со студентами на основе проблемных ситуаций, созданных с помощью УММК.
Практическая значимость работы определяется тем, что:
- разработана методика создания учебных программ и непосредственно программы, обеспечивающие эффективное изучение раздела физики «Электростатика»;
- разработан педагогический сценарий компьютерного сопровождения лекционного материала по теме «Электростатика»;
- определены условия для максимально эффективного применения УММК в практике лекционного обучения.
По результатам создания педагогического сценария, проектирования и создания программного продукта для учебного мультимедийного комплекса получены сертификаты научно-методического совета Министерства образования РФ. Это говорит о том, что разработанный нами программный продукт для учебного мультимедийного комплекса соответствует требованиям, предъявляемым к программным продуктам, и рекомендован к внедрению в высших и средних учебных заведениях.
11
Опытно-экспериментальной базой служил:
- Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (г. Барнаул):
- Высшее Военное Авиационное Училище Летчиков (г. Барнаул).
На защиту выносится методика организации и проведения процесса обучения студентов с использованием УММК по разделу общей физики «Электростатика», включающая в себя следующее:
- совместное использование натурного и виртуального экспериментов в лекционном курсе;
- применение педагогического сценария при разработке и проведении лекции;
- способы создания и разрешения проблемных ситуаций с применением УММК.
Обоснованность и достоверность научных результатов и выводов обеспечена:
- использованием методов математического моделирования для расчета экспериментальных данных для получения наглядной и качественной интерпретации их результатов;
- использованием методов математической статистики для обработки экспериментальных данных;
- системным подходом к описанию и изучению объекта исследования, достаточной представительностью выборки обучаемых.
Апробация результатов исследования. Основные положения работы докладывались на следующих конференциях и совещаниях: семинаре «Интенсивные технологии в современном образовательном процессе» (г. Пенза, 1997 г.), третьей городской межвузовской научно-практической конференции «Молодежь - Барнаулу» (Барнаул, 2001), Н-й международной научно-методической конференции «Качество образования. Проблемы оценки. Управление. Опыт» (Новоси-
12
бирск, 1999 г.), V-й международной конференции «Современные технологии обучения» (Санкт-Петербург, 1999 г.), международной конференции «Современные технологии обучения» (Санкт-Петербург, 1998 г.), 54-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета (Барнаул, 1996 г.), конференции «Наука и образование: пути интеграции» (Анжеро-Судженск, 1998 г.), 56-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета (Барнаул, 1998 г.), IV-й международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в преподавании электротехнических дисциплин» (НЭТИ-98) (Астрахань, 1998 г.)
13
1 УЧЕБНЫЙ МУЛЬТИМЕДИЙНЫЙ КОМПЛЕКС КАК СРЕДСТВО
ОБУЧЕНИЯ
1.1 Значение физического эксперимента в учебном процессе
Особенностью XXI века является развернувшаяся между развитыми странами конкуренция по качеству интеллектуальных ресурсов и качеству образования [103, 145]. От этих составляющих во многом зависит судьба прогресса России. Однако, перестройка образования не может быть выполнена традиционными методами и средствами[1-3, 26]. Характер обучения должен быть нацелен на приобретение фундаментальных знаний и одновременно давать глубокую специальную подготовку [35].
Информационные технологии [74, 84] - один из путей решения проблемы повышения качества профессиональной подготовки специалистов. Компьютер сегодня является одним из средств, активизирующих познавательную деятельность студента и позволяющих преподавателю рациональней использовать отведенное на занятия время. Наиболее разумным методом преподавания является метод, при котором основные элементы преподавания соответствуют основным элементам процесса научного познания [147]. Основным источником научного познания является опыт. Но сами по себе ни опыт, ни разум не имеют большой силы. Процесс мышления состоит в том, что опыт дает разуму пищу для размышления. Активизация мышления обучающегося происходит в результате внутренних усилий, связанных с решением поставленной задачи.
Информационные технологии включают программированное обучение, интеллектуальное обучение, экспертные системы, мультимедиа, имитационное обучение, демонстрации [39, 47, 64]. Эти частные мето-
14
дики должны применяться в зависимости от учебных целей и учебных ситуаций: в одних случаях необходимо глубже понять потребности студента; в других - важен анализ знаний в предметной области; в-третьих -необходимо учесть психологические аспекты обучения. В качестве важнейших характеристик информационных технологий выделяют:
1) типы компьютерных обучающих систем (обучение и тренировка, программированное обучение, интеллектуальное репетиторство);
2) обучающие средства;
3) инструментальные системы.
Таким образом, главное в информационных технологиях - это компьютер с соответствующим техническим и программным обеспечением, что подтверждает и определение: информационная технология обучения - процесс подготовки и передачи информации обучаемому, средством осуществления которого является компьютер.
Такой подход отражает первоначальное понимание педагогической технологии как применение технических средств в обучении, которые должны решать дидактические проблемы в русле управления процессом обучения с точно заданными целями, достижение которых должно поддаваться чёткому описанию и определению. Педагогические технологии - это не просто использование технических средств обучения [97, 101, 158]. Педагогические технологии - выявление принципов и разработка приемов оптимизации образовательного процесса путем анализа факторов, повышающих образовательную эффективность посредством оценки применяемых методов [2, 76-79].
Таким образом, во главе становится процесс обучения со своими особенностями, а компьютер - это мощный инструмент, позволяющий решать новые, ранее не решенные дидактические задачи. Суть основного принципа системного внедрения компьютеров в образовательный процесс состоит в том, чтобы не перекладывать на компьютер традици-
15
онно сложившиеся приёмы и методы, а перестраивать их в соответствии с новыми возможностями, которые дают компьютеры. На практике это означает более полное решение задач, которые в силу различных объективных причин (большой объём, громадные затраты времени) не решаются на текущий момент или решаются неполно, но решение которых вполне возможно с помощью компьютера. Для реализации указанной программы необходимо использовать компьютерное сопровождение, характерными особенностями которого, в отличии от традиционных способов обучения, являются следующие:
- состязательная активизация мышления;
- длительная и устойчивая активность обучаемого;
- творческий характер и эмоциональная окрашенность процессов принятия решений;
- повышение интенсификации мыследеятельности.
Все атрибуты процесса научного познания (анализ и синтез, абстрагирование, идеализация, обобщение и ограничения, моделирование, дедукция) должны органически присутствовать в преподавании общей физики. Систематический вывод, столь важный для курса теоретической физики, не играет доминирующей роли в курсе общей физики. Наибольший интерес для курса общей физики представляют общие физические концепции, а также их экспериментальное обоснование. Главное при этом - научиться физически мыслить, т.е. освоить стиль мышления современной физики. Это, прежде всего, понимание роли эксперимента в физике; умение делать выводы из сопоставления теории и эксперимента; умение выделить главное, существенное; отвлечение от несущественного; понимание роли идеализации в физике [87]. Таким образом, в преподавании общей физики реализуется модель процесса научного познания. Это определяет место и значение эксперимента в целом и компьютерного эксперимента в частности. Эксперимент в курсе общей
16
физики играет двоякую роль. Во-первых, трудно переоценить его роль в физической аудитории, где студент решает самостоятельно ряд экспериментальных задач. Во-вторых, велика роль лекционного эксперимента (качественного и количественного) [55, 96, 100]. Лекционный эксперимент имеет большое методическое значение, поскольку воздействуя не только на умственную, но и эмоциональную деятельность человека, на его воображение, он облегчает запоминание и способствует формированию конкретных физических понятий, представлений и концепций. Поэтому физический эксперимент должен быть неотъемлемой частью любой лекции по курсу общей физики. Вместе с тем преподаватель физики часто испытывает затруднения при организации и проведении лекционного эксперимента не только из-за дефицита времени, но и из-за отсутствия необходимого оборудования. Существенную помощь в данном случае может оказать компьютер.
Процесс преподавания с компьютерным сопровождением эффективен в том случае, если он строится в соответствии с ведущими принципами обучения: наглядности, направленности, научности, сознательности и активности студентов в обучении при руководящей роли преподавателя [17]. Необходимость такого сочетания обусловлена объективными законами познания. Компьютерное сопровождение - это наглядный метод обучения, упорядоченные способы взаимосвязанной деятельности преподавателя и студента, в процессе которой осуществляется передача и приём фактологического материала с помощью показа и зрительного восприятия с применением компьютерных средств. Компьютерное сопровождение в физике обеспечивает создание чувственно наглядных образов [40, 55], которые служат материалом для дальнейшего обобщения и формирования физических представлений [113, 136-140, 141,150].
17
1.2 Место технических средств в процессе обучения
Приведение материально-технической базы вузов в соответствии с современным уровнем научно-технического прогресса является насущной задачей [88,89]. Составной ее частью в учебном заведении является лабораторно-техническая база, от состояния которой зависит уровень практической подготовки будущих инженеров. Лабораторно-техническую базу учебного заведения, как известно, составляет целый комплекс технического оборудования, в который входят как объекты изучения, так и средства для их изучения. К ним относятся: образцы промышленного изготовления, подлежащие изучению, лабораторные установки, позволяющие изучать не только физические процессы, происходящие в изучаемых образцах, но и методы исследования; контрольно-измерительная аппаратура, с помощью которой производится анализ изучаемых процессов; технические средства передачи информации и приема от студентов обработанной информации, технические средства для привития навыков. Столь большой комплекс лабораторно-технического оборудования можно подразделить на две группы: объекты изучения и технические средства обучения.
Главным условием применения технических средств обучения является их педагогическая целесообразность [18]. Только там они должны применяться, где их использование будет оправдано как с педагогической, так и с экономической точки зрения. Изучение сложных процессов в их динамике и взаимосвязи производится с привлечением таких технических средств как действующие макеты, стенды, диафильмы и кинофрагменты. Вместо сложных и дорогостоящих натурных экспериментов в вузах широко проводятся эксперименты с использованием электронных моделирующих устройств. Для механизации процесса сбора и обработки обратной информации от студентов к преподавателю стали широко при-
18
меняться технические средства контроля. Таким образом, под техническими средствами обучения в учебном процессе следует понимать различные технические средства, способствующие более глубокому восприятию студентами учебной информации, привитию им практических навыков, а также технические средства обратной связи.
В зависимости от конкретных условий должно быть найдено место различным техническим средствам в учебном процессе и определена их роль в разнообразных формах учебной работы [11, 65, 73, 95].
Чтобы технические средства обучения были эффективны, они должны учитывать психологические факторы обучаемых. Нельзя приспосабливать психику обучаемого к недостаткам технических средств, а, наоборот, необходимо создавать такие технические средства обучения, которые были бы приспособлены к психике человека и его физиологическим особенностям. Поэтому необходимо научное обоснование требований, предъявляемых к различным ТСО, исходя из психологических характеристик обучаемых и их возрастных особенностей [46].
Оснащение вуза новейшим оборудованием всегда требует затраты больших средств, поэтому важно использовать их наиболее рационально. Рассмотрим, в каких формах учебной работы возможно применение ТСО и каким требованиям они должны удовлетворять. Несмотря на разнообразие форм учебной работы, ее основу составляют: лекция, как способ передачи информации; самостоятельная работа, как основа всякой учебы; и контроль знаний. От уровня организации этих основных форм зависит эффективность всего процесса обучения [148] (при этом нельзя забывать, что только тогда целесообразно применение ТСО, когда они дают несомненный эффект и имеют преимущество перед другими средствами учебного процесса).
Лекция, как способ передачи информации, является первым актом в обучении. Доведение учебной информации - это не только сообщение и |
