4 ВВЕДЕНИЕ
Наметившийся подъем промышленного производства в Российской Федерации требует подготовки большого количества высококвалифицированных инженеров. На сегодняшний день ас-симметричная структура экономики востребует только в основном следующую группу специалистов: экономисты, юристы и менеджеры. В ближайшее десятилетие по расчетам Института народнохозяйственного прогнозирования РАН престижными станет и вторая группа профессий: инженеры новых технологий, специалисты связанные с бизнес-информатикой и вычислительными технологиями. По отчетам комиссии по реформированию государственной службы при президенте РФ Россия в 2004 г. столкнулась с отсутствием квалифицированных инженеров - невиданная раньше проблема для России! Причин этому несколько: во-первых, проблема высшей школы в том, что в России мас-совое высшее образование перестало быть высшим, оно стало средним техническим, средним профессиональным; во-вторых, в технических вузах отсутствует серьезная материально-техническая база для подготовки инженеров; в-третьих, плоды последнего десятилетия экономического спада в России — это размытая профессиональная мотивация у молодежи. Многие поступающие в вузы думают о чем угодно - престиже, отсрочке от армии, приятном времяпровождении, но не о получаемой специальности, потому что знают - работу придется искать, и неиз-вестно, чем еще заниматься.
Геометро-графическая подготовка формирует теоретико-практическую основу у обучаемого для изучения и выполнения различных работ дисциплин циклов ОПД и СД, составляя фун-
5 дамент общей инженерной подготовки. Как показывает анализ
многочисленных публикаций и наше исследование, в настоящее время знания, умения и навыки будущего специалиста в геометро-графической сфере, ориентированные на использование средств вычислительной техники в решении прикладных задач сформированы не должном уровне. Как отмечают многие авторы (Б.В. Гнеденко, К.К. Гомоюнов и др.), в деле математической подготовки выпускников технических вузов имеются существенные проблемы. Наблюдаются серьезные пробелы в знании теоретического материала, формализм в знаниях, неумение применять теоретические знания на практике, оторванность геометро-графических знаний от их математического аппарата.
Проблемы математической подготовки, и в частности геометрической подготовки, будущих инженеров всегда интересовали математиков и деятелей в области математического образования. Этому уделяли внимание такие крупные зарубежные математики и педагоги, авторы многочисленных учебников и задачников по математике, как А. Пуанкаре, Ф. Клейн, Г. Вейль, Д. Пойа, М. Берже, и российские - М.В. Остроградский, Н.Я. Виленкин, Н.В. Ефимов, М.М. Понтрягин и др. В последние годы появился целый ряд трудов, посвященных разработке методических принципов преподавания математических дисциплин в высшей школе: Б.В. Гнеденко, М.В. Потоцкий, А.Г. Мордкович, Г.Л. Луканкин и др. Ряд авторов отмечают, что методика преподавания геометрии находится в определенном смысле на стыке философии, математики, логики, психологии, биологии, кибернетики и, кроме, того искусства. Фундаментальные работы в области теории и методики обучения геометрии, связанные с проблемой формирования и развития пространственного мышления
6
учащихся и выработкой новых концептуальных подходов к изучению геометрии в школе и вузе проведены такими педагогами, как Г.Д. Глейзер, В.А. Гусев, А.А. Столяр, И.М. Яглом и др. При исследовании конструктивного подхода к обучению геометрии мы опирались на следующие учебники и задачники, ориентированные на развитие пространственного мышления и практической направленности обучения геометрии в вузе на основе ин-тегративно-целостного и проблемно-деятельностного подхода к обучению геометрии следующих авторов: М.Берже, И.М. Яглом, O.K. Житомирского, Н.В. Ефимова и др.
В области внедрения компьютерных технологий в образовательное пространство отметим работы педагогов: С. Пейперта, И.В. Роберт, М.А. Холодной, Е.И. Машбиц, Т.В. Габай, А.А. Червовой и др., а также диссертационные работы авторов, посвященные вопросам совершенствования содержания и методики преподавания высшей математики в вузах средствами компьютерных технологий: Ю.А. Первина, М.Н. Марюкова, В.Р. Май-ера и др.
Термин «геометро-графическая подготовка» частью педагогов воспринимается, как подготовка по дисциплине «Начертательная геометрия и Инженерная графика». В настоящем исследовании этот термин был расширен, что отражает мнения ведущих геометров и интеграционные тенденции сегодняшнего развития высшего профессионального образования, направленные на установление взаимосвязи, преемственности и интеграции учебных предметов: к геометро-графической подготовке были отнесены дисциплины «Высшая математика (разделы прикладной геометрии)», «Начертательная геометрия и Инженерная графика», «Компьютерная графика».
7 Анализ педагогической и специальной литературы позволил
выделить пути интенсификации геометрической подготовки будущих инженеров технического вуза. Основные выявленные направления совершенствования математической подготовки решают, на наш взгляд, отдельные частные проблемы: реформиро-вание содержания и внедрение продуктивных технологий в процесс обучения. Такие наметившиеся тенденции в области образования, как фундаментализация, междисциплинарная интеграция, внедрение активных методов обучения требуют целостного и непрерывного подхода с позиции результативности. Указанный подход к выявлению путей интенсификации геометро-графической подготовки может быть реализован только с позиций формирования «профессиональной компетентности», где результат геометро-графической подготовки закладывается уже на уровне подходов к формированию компонентов образовательной деятельности. Такое упорядочение образовательной деятельности позволит рассчитывать на достижение качественных преобразований в формировании и развитии субъекта. Совершенно обосновано в проекте государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования 2004 г. (в соответствии с квалификацией инженер-магистр) определены образовательные ориентиры компетентностного подхода к подготовке инженеров технических вузов. Отметим, что нами не обнаружено педагогических исследований, направленных на формирование профессиональной компетентности в сфере геометро-графического знания в условиях информатизации общества.
В последнее время в учебном процессе технических вузов, начиная с первого курса, интенсивно применяются компьютерные графические технологии, к которым обычно относят: САПР,
8 мультимедиа -, геоинформационные -, растро-векторные, CALS
- технологии и технологии иллюстративной графики. Объем, циркулируемой в этих технологиях графической информации, превышает 50%. Исследование вопроса дидактических основ эффективного применения указанных средств обучения в мате-матической подготовке, и в частности геометрической, показало, что основная часть работ посвящена созданию обучающих программ. Нами не выявлены работы, исследующие пути эффективного применения данных средств в процессе обучения геометро-графическим дисциплинам студентов технических вузов, в контексте формирования профессиональной компетентности.
Недостаточная разработанность концептуальных подходов к формированию геометро-графической профессиональной компетентности в среде компьютерных средств обучения и необходимость такой разработки подтверждает актуальность нашего исследования. Обзор отечественных и зарубежных работ, посвя-щенных исследованию теоретических и практических подходов обучения геометрии в высшей школе, анализ учебных планов позволил выявить противоречие между социальным заказом общества на специалистов инженерного профиля, обладающих профессиональной компетентностью, одной из компонентов которой является геометро-графическая профессиональная компетентность, и недостаточной разработанностью педагогической системы ее формирования во втузах. Данное противоречие определило проблему исследования: разрешение противоречия меж-ду потребностями общества в инженерах-профессионалах, обладающих геометро-графической компетентностью, и недостаточной разработанностью теоретико-методологических и практиче-
9 ских подходов ее формирования выделенными техническими
средствами обучения в технических вузах.
Цель исследования: научно-теоретическое обоснование и разработка теоретико-методологических и практических подходов к формированию геометро-графической профессиональной компетентности будущего инженера на основе применения компьютерных графических технологий.
Объект исследования', процесс обучения дисциплинам геометро-графического профиля будущего инженера.
Предмет исследования: геометро-графическая профессиональная компетентность студентов технического вуза.
Гипотеза исследования: процесс формирования геометро-графической компетентности во втузе будет более эффективным, если:
- концепция формирования геометро-графической компетентности в техническом вузе будет строиться в соответствии с иерархией результативности образовательной деятельности в сфере геометро-графического знания;
- сущностные характеристики понятия геометро-графической компетентности субъекта уточнены в соответствии с основными тенденциями в образовательной политике и отражают особенности современной системы профессиональной деятельности инженера в среде компьютерных технологий;
- основой для теоретико-методологических и практических подходов к формированию компонентов дидактической системы, реализующей образовательный процесс геометро-графической подготовки (к отбору содержания, выявлению методов и организационных форм), служат сформулированные сущностные характеристики геометро-графической компетентности субъекта.
10
Для достижения поставленной цели и проверки гипотезы необходимо решить следующие задачи:
1. Сформулировать понятие «геометро-графическая компетентность» студентов втузов в условиях информатизации общества с позиции иерархии результативности образовательной деятельности в области геометро-графического знания;
2. Сформулировать и обосновать теоретико-методологические и практические подходы формирования содержания, методов и организационных форм обучения, направленных на формирование геометро-графической компетентности студентов во втузе средствами компьютерных графических технологий;
3.Экспериментально проверить эффективность разработанной дидактической системы формирования геометро-графической компетентности будущего инженера.
Методологическую и теоретическую основу исследования составили: деятельностный подхода к обучению (Л.С. Выготский, П.Я. Гальперин, Н.Ф.Талызина и др.); проблемы формирования компетентности специалиста (Б.С. Гершунский, Э.Ф. Зеер и др.); проблемы формирования графической культуры специалиста (М.В. Лагунова), особенности математического мышления (Г.Вейль, А. Пуанкаре и др.); развитие пространственного мышления в процессе обучения геометрии (Г.Д. Глейзер, И.С.Якиманская и др.); теория и методика обучения математике в вузе (Ф.Клейн, Г.Д.Глейзер, В.А. Гусев, А.Г. Мордкович, Ю.М. Колягин, Л.Д. Кудрявцев, Д. Пойа, Л.С. Понтрягин, В.Г. Болтянский, Н.Я. Виленкин и др.); конструктивный подход к изучению геометрии (А.Д.Александров, А.А. Столяр, Л.М.Фридман и др.).
11
Методы исследования. Для решения задач исследования в диссертации применены следующие методы педагогического исследования: анализ психолого-педагогической, методической, специальной литературы по проблеме диссертации; изучение и анализ педагогического опыта; педагогические наблюдения, анкетирование, индивидуальные и групповые беседы с преподавателями, инженерно-техническими работниками, студентами; проведение педагогического эксперимента; статистическая обработка и интерпретация экспериментальных данных.
Экспериментальная база исследования: Нижегородский государственный технический университет; областная олимпиада школьников по компьютерной геометрии и графике, проводимая НГТУ совместно с Министерством образования и науки Администрации Нижегородской области, Всероссийская студенческая олимпиада по графическим информационным технологиям и системам, проводимая НГТУ по приказу Министерства образования РФ в течении последних 15 лет, где автор настоящего исследования входил в состав методической группы.
Этапы исследования: исследование проводилось на базе Нижегородского государственного технического университета и включало несколько этапов.
1 этап (1997-1999 гг.) - анализ философской и педагогической литературы по проблеме исследования, анализ недостатков в геометро-графической подготовке будущих специалистов-выпускников технических вузов, изучение особенностей обучения дисциплинам геометро-графического цикла в технических вузах и возможных направлений совершенствования содержания, методики и организации математической подготовки во втузах.
12
2 этап (1999-2003 гг.) - разработка дидактической системы,
нацеленной на формирование геометро-графической компетентности будущего специалиста, разработка критериально-диагностического аппарата, проведение педагогического эксперимента с целью выявления эффективности предложенной ди-дактической системы, ориентированной на формирование геометро-графической компетентности студента во втузе.
3 этап (2003-2004 гг.) - подведение итогов и обобщение результатов педагогического эксперимента.
Научная новизна проведенного исследования заключается в следующем:
1.Дано авторское определение геометро-графической компетентности, как компонента профессиональной компетентности, определена ее структура и иерархия формирования у студентов втузов;
2.Разработаны теоретико-методологические подходы формирования геометро-графической компетентности студентов средствами компьютерных графических технологий; дидактическая система целенаправленного формирования фундаментальных и профессионально-значимых умений, навыков и мотиваций в области геометро-графического знания, пространственного мышления будущих специалистов в связи с развитием компьютерных технологий;
3.Предложены обновленное содержание, реализующее системный, целостностный и практико-ориентированный подходы к обучению геометрии во втузе, новый подход к установлению связей между дисциплинами геометро-графического цикла на основе математического моделирования элементов конструктив-
13
ной деятельности в процессе решения учебных конструктивно-технических задач.
4.Показано, что в геометро-графической подготовке студентов технического вуза конструктивно-аналитический подход позволяет сместить акцент со средств учебной деятельности на средства обучающей деятельности в использовании компьютерных графических средств обучения; исследована роль и место наглядности этих средств в процессе обучения студентов геометро-графическим дисциплинам;
5. Разработан критериально-диагностический аппарат для количественного анализа эффективности предлагаемых образовательных подходов к разным группам студентов.
Теоретическая значимость исследования определяется:
• разработкой теоретико-методологических подходов формирования геометро-графической компетентности студентов на основе анализа развития образовательной науки и особенностей современной системы профессиональной деятельности инженера в области математического знания в условиях информатизации общества;
• определением характеристик конструктивно-технических задач в современных условиях, предложено обновленное содержание и подход к решению этих задач, предполагающее построение нескольких моделей, с акцентом на математическое моделирование;
• разработкой основ использования компьютерных средств обучения, ориентированных на формирование компонентов геометро-графической компетентности студентов технического вуза.
Практическая значимость исследования:
14
• рекомендации по усовершенствованию содержания, методики и организации процесса обучения дисциплинам геометро-графического цикла используются при разработке рабочих программ курсов «Высшая математика», для проектирования содержания регионального курса «Вычислительная геометрия», интегративных электронных курсовых работ по геометрическому моделированию технических вузов;
• разработан и апробирован учебно-методический комплекс, включающий рабочие программы дисциплин геометро-графического цикла, банк электронных заданий, учебное пособие, диагностические материалы, направленных на формирование геометро-графической компетентности студентов во втузе;
• экспериментальные результаты внедрения дидактической системы позволяют делать выводы об эффективности формирования геометро-графической компетентности студентов компьютерными средствами обучения во втузе.
Обоснованность и достоверность научных положений диссертационной работы подтверждаются их согласованностью с научными достижениями и практикой российских и зарубежных ученых и педагогов в области теории и методики преподавания геометро-графических дисциплин естественнонаучного, общего и профессионального уровня, обеспечены теоретическим и экспериментальным доказательством выдвинутых утверждений, применением комплекса методов исследования.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
1. Авторское определение геометро-графической компетентности, которая является одной из составляющей профессиональной компетентности студентов технического вуза, рассматриваемой нами в контексте иерархической лестницы результатив-
15
ности образовательного процесса геометро-графической подготовки инженера во втузе;
2. Теоретико-методологические подходы формирования геометро-графической компетентности студентов втуза средствами компьютерных графических технологий;
3. Конструктивно-аналитический подход к решению учебных конструктивно-технических задач, реализующий взаимосвязь и интеграцию математической и общепрофессиональной геометрической подготовки во втузе;
4. Дидактическая система поэтапного формирования геометро-графической компетентности будущих инженеров, включающая дополненное содержание дисциплин геометро-графического цикла, новый подход к решению учебных конструктивно-технических задач компьютерными средствами обучения, разработанные основы применения выделенных средств обучения и организационные формы непрерывной геометро-графической подготовки студентов втуза;
5. Критериально-диагностический аппарат, позволяющий количественно оценить уровневые показатели геометро-графической компетентности студентов, ориентированный на определение: уровня усвоения предметного знания, уровня умений и навыков в выделенной области знания, уровня развитости пространственного мышления; степени владения средствами компьютерных технологий; уровня активности в многообразной учебной деятельности.
Апробация результатов исследования.
Основные результаты диссертационных исследований были доложены и обсуждены:
16
на аспирантских семинарах кафедры "Графические информационные системы", НГТУ, 1990-2004 гг.;
на IX, X, XI Всероссийской конференции по компьютерной геометрии и графике "Кограф", г. Н. Новгород, 1999 -2004 гг.;
на II Межрегиональной конференции "Новейшие технологии - инструмент повышения эффективности управления", г. Н. Новгород, 2002 г.;
на II Всероссийской научно-методической конференции "Информационные технологии в учебном процессе", г. Н. Новгород, 2003г.;
на 5-ой Юбилейной выставке «Современная образовательная среда», проводимой в рамках Всероссийского форума «Образовательная среда 2003» (29 октября-1 ноября 2003 г. Москва, ВВЦ);
на V Международной научно-методической конференции преподавателей вузов, ученых и специалистов «Высокие технологии в педагогическом процессе» г. Н. Новгород, 2004 г.;
в рамках разработки пилотного проекта «Создание в НГТУ единой образовательной информационной среды 1-ой ступени геометрической и графической подготовки открытого инженерного образования» (приказ № 27 от 27.02.03);
в рамках совместного проекта НГТУ и МГТУ им. Баумана, направленного на разработку образовательного портала по геометрической и графической подготовке (приказ № 114 от 10.11.03).
Тема исследования является составной частью работы по гранту МО РФ «Инновационные технологии при обучении есте-
17 ственнонаучным и математическим дисциплинам» (шифр ГО-
2.1-84).
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, бибилиографического списка литературы (151 наименования), а также содержит 5 таблиц, 16 рисунков и 5 приложений. |
