2

• На правах рукописи

Елисеев Владимир Александрович

Теоретические основы фундаментальной

естественно-научной подготовки Студентов

Технического вуза в условиях использования информационных технологий

Специальность 13.00.08 - Теория и методика

профессионального образования

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора педагогических наук

Елец - 2007



Работа выполнена в Воронежском государственном

техническом университете.

Научный консультант:

доктор педагогических наук, профессор

Жуковская Зоя Дмитриевна

Официальные оппоненты:

доктор педагогических наук профессор

Подаева Наталия Гергиевна

доктор педагогических наук профессор

Молотков Николай Яковлевич

доктор физико-математических наук профессор

Зеленин Вячеслав Михайлович

Ведущая организация:

Орловский государственный технический университет

Защита состоится 12 ноября 2007 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.059.02 по присуждению ученой степени доктора педагогических наук в Елецком государственном университете им. И.А. Бунина по адресу: 399770. г. Елец Липецкой области, ул. Коммунаров, 28, ауд. № 301.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Елецкого государственного университете им. И.А. Бунина по адресу: 399770. г. Елец Липецкой области, ул. Коммунаров, 28.

Ученый секретарь диссертационного

совета профессор Е.Н.Герасимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Одна из основных задач, стоящих перед современным образованием, формулируется как воспитание и обучение разносторонне развитой личности. В этой связи возникает несоответствие между реальными требованиями общества и потенциальными возможностями студента, уровнем его специальной подготовки для осуществления творческой деятельности.

Ряд авторов отмечают, что процесс усвоения знаний в традиционном обучении фактически не связан с процессом познания в науке, что негативно сказывается на организации процесса формирования готовности обучаемых к профессиональной деятельности в современной информационной среде.

Тенденции развития технологии, усиление неопределенности в прогнозировании структуры потребителей научных и технических специалистов определяют рост значимости совершенствования и обновления знаний, необходимости перехода к непрерывному и двухуровневому образованию с превалированием фундаментального, общенаучного компонента.

При проектировании содержания ГОС 3-го поколения наряду с компетентностным подходом и задачами по выполнению Болонских соглашений заложены следующие принципы:

§ сочетание фундаментальности и профессиональной ориентированности образования;

§ подход к обучению как к исследовательско- и практико-ориентированному;

§ деятельностный, в том числе, задачный и контекстный подходы к обучению;

§ направленность предметного содержания на освоение физических наук как основы интеграции естественнонаучных знаний.

Фундаментальная естественно-научная подготовка студентов призвана способствовать формированию одной из ключевых групп компетенций - исследовательских и самообразовательных.

Для повышения качества профессионального образования представляется необходимым: 1) переместить фокус внимания преподавателей и обучающихся с проблемы изучения прагматических знаний на формирование научных форм системного мышления; 2) изменить содержание и методологию учебного процесса таким образом, чтобы, помимо изучения процесса формирования науки, значительная часть времени уделялась выработке современных представлений о целостном содержании системы наук, перспективах ее дальнейшего развития и роли каждой конкретной учебной дисциплины в этом процессе. Другими словами, акцент должен быть сделан на изучение наиболее фундаментальных законов природы и общества в их современном понимании с учетом возможностей и образовательных запросов личности.

Под фундаментализацией образования следует понимать, прежде всего: а) выделение универсальных по своей сути, основополагающих знаний, выведение их на приоритетные позиции и придание им значения основы для накопления других знаний, формирования умений и навыков, б) сближение образования и науки. Сущность фундаментализации образования состоит в том, что каждая область знания, изучаемая в вузе, является частью всего комплекса связанных с нею наук. Для более глубокого понимания специальности необходимо изучение всех наук, входящих в её систему.

Конструктивным шагом на пути модернизации образования и приведения его в соответствие с перспективными интересами развития человека и человечества явилась образовательная парадигма, которая сформирована коллективом исследователей (О.Н. Голубева, А.Д. Суханов, Е.Н. Князева, С.П. Курдюмов и др.).

Концепция новой образовательной парадигмы трактует фундаментальность как категорию качества образования и образованности личности. Задача фундаментального образования обеспечить оптимальные условия для воспитания гибкого и многогранного научного мышления, различных способов восприятия действительности, создать внутреннюю потребность в саморазвитии и самообразовании на протяжении всей жизни человека.

Проблеме формирования и развития творческого мышления, особенностям организации учебно-творческой деятельности посвящены работы В.И. Андреева, Л.Л. Гуровой, В.В. Давыдова, З.Д.Жуковской, В.Т. Кудрявцева, И.Я. Лернера, А.Н. Лук, Я.А. Пономарева, В.Г. Разумовского, В.Т. Титова, А.З. Рахимова и других.,

В работах П.Я. Гальперина, В.Ф. Лысова, В.В. Майера, А.В. Машукова с сотрудниками, Н.Я. Молоткова, Б.Н. Мухаметовой, В.В. Светозарова, Ю.В. Светозарова, А.М.Толстика, М.Ф. Щанова и других ученых приведены результаты формирования исследовательских умений и навыков в условиях современного лабораторного практикума по физике.

В качестве одного из главных направлений реализации новой образовательной парадигмы в условиях начала XXI века авторы аналитического доклада Института информатизации рассматривают, помимо фундаментализации образования на всех уровнях, внедрение методов опережающего и развивающего образования на основе использования перспективных информационных технологий и повышение доступности качественного образования путем развития системы дистанционного обучения и средств информационной поддержки образовательного процесса современными информационными и телекоммуникационными технологиями.

Современный этап использования информационных технологий характеризуется переходом от решения задач производства и управления к решению социальных задач. Основное внимание в области информатизации социальной сферы уделяется использованию новых информационных технологий в образовании. Проведенный Б.И. Герасимовым и А.Л. Денисовой анализ показал, что использование информационно-вычислительной техники при соблюдении ряда определенных условий способствует повышению качества образовательного процесса и формированию готовности к профессиональной деятельности, формированию навыков информационного моделирования, потребности непрерывного образования.

Физика является мировоззренческой наукой, лежащей в основе современного естествознания, поэтому формирование именно физического знания, является актуальной проблемой в образовании. Эта проблема особенно важна при обучении студентов на младших курсах, когда физическая картина мира воспринимается на всех ступенях организации материи - от элементарных частиц до Вселенной и развивается физическое мышление как инструмент познания.

В работах П.И. Образцова, О.П. Околелова, А.В. Соловова обоснована техническая возможность проектирования учебной дисциплины как дидактической системы, позволяющей педагогу через информационную составляющую процесса обучения осуществлять целостную технологию обучения. Однако в этих работах не отражены вопросы методики формирования научного мировоззрения, развития мотивации самообразования, которые являются актуальными на начальной стадии обучения в техническом вузе.

Сложность проблемы эффективной реализации функциональных возможностей компьютера в процессе обучения определяется еще и тем обстоятельством, что, характеризуясь многообразием связей, она должна решаться в условиях ряда противоречий в системе профессионального образования. При этом темпы решения проблемы должны соответствовать динамике информатизации. В публикациях В.П. Беспалько, Е.И. Виштынецкого, А.Л. Денисовой, А.О. Кривошеева, Е.Н. Машбиц, П.И.Образцова, О.П. Околелова, А.В. Соловова, А.Я. Савельева, Н.Ф. Талызиной, М.С. Чвановой и других ученых на эту тему представлен ряд существенных научных результатов.

Тем не менее, анализ публикаций показывает, что целенаправленных исследований по вопросам разработки новых концепций, содержания, организационных форм и методов комплексного использования всех возможностей современных средств информационных технологий в преподавании еще недостаточно.

В приведенных исследованиях рассматривались либо общие проблемы развития системы профессионального образования, либо проблемы совершенствования отдельных компонентов системы в рамках образовательной парадигмы, или в контексте информатизации и индивидуализации образования. Исследования же проблемы развития самообразования в таком важном контексте как мотивация фундаментального естественно-научного образования с использованием информационных технологий не проводилось. Таким образом, современное состояние теоретической разработки проблемы организации учебной деятельности, отражающей тенденции фундаментализации и использования компьютерных технологий в образовании при подготовке будущих инженеров, способных решать весь комплекс задач в сложных условиях современного этапа развития общества, а также необходимость разрешения многочисленных противоречий свидетельствуют об актуальности исследования методологических принципов дидактической системы фундаментальной естественно-научной подготовки инженеров средствами компьютерных технологий.

Теоретические исследования и систематизация опыта практической работы позволили выявить наличие в существующей системе естественно-научной подготовки в высшем техническом учебном заведении целого ряда противоречий между:

§ потребностью общества и фактическим качеством естественно-научной подготовки в профессиональном образовании;

§ групповой формой организации процесса подготовки и индивидуальными потребностями личности в качественном образовании и развитии творческих способностей;

§ естественным интересом молодежи к компьютеру и отсутствием в преподавании учебных курсов психолого-педагогической базы для ориентации этого интереса на формирование базового уровня подготовки по естественно-научным дисциплинам;

§ высоким уровнем вычислительной техники и недостаточным осознанием роли и возможностей ЭВМ в современной инженерной и научной деятельности;

§ необходимостью формирования осознанных действенных знаний обучаемых и преобладанием вербальных методов обучения.

Проблема исследования заключается в необходимости разрешения указанных выше противоречий. Постановка проблемы позволит повысить качества фундаментальной естественно-научной подготовки студентов в контексте информатизации и формирования мотивационного синдрома.

Тема исследования «Теоретические основы фундаментальной естественно-научной подготовки студентов технического вуза в условиях использования информационных технологий» обусловлена актуальностью решения и педагогической значимостью этой проблемы.

Объектом исследования является процесс профессионального образования в техническом вузе.

Предмет исследования - фундаментальная естественно-научная подготовка студентов технического вуза в условиях системного использования информационных технологий.

Цель данного исследования - разработка теоретико-методологического обоснования концептуальной модели фундаментальной естественно-научной подготовки студентов технического вуза в условиях использования информационных технологий.

Гипотеза исследования - качество естественно-научной фундаментальной подготовки студентов технического вуза в контексте их профессиональной деятельности может быть повышено, если:

§ на основе методологических принципов будет разработана концептуальная модель фундаментальной естественно-научной подготовки в компьютерной обучающей среде, системообразующим элементом которой является развитие личности обучаемого;

§ на этапе проектирования компьютерных модулей сопровождения учебного курса учтено комплексное сочетание методологических, дидактических и психологических требований на основе современной парадигмы образования;

§ разработана и внедрена методика компьютерного сопровождения различных видов учебных занятий;

§ в компьютерных обучающих модулях заложен механизм формирования познавательного мотивационного синдрома, ориентированный на развитие творческих способностей обучающихся.

В соответствии с объектом, предметом, целью и гипотезой исследования сформулированы следующие задачи:

1. разработать и обосновать концептуальную модель фундаментальной естественно-научной подготовки в условиях системного использования информационных технологий;

2. разработать и внедрить в учебный процесс методику комплексного компьютерного сопровождения учебных занятий, ориентированную на повышение качества фундаментальной естественно-научной подготовки студентов;

3. определить психолого-педагогические условия формирования мотивации самообразования и самооценки в процессе создания и реализации компьютерных обучающих программ;

4. провести педагогический эксперимент и оценить эффективность модели фундаментальной естественно-научной подготовки в компьютерной обучающей среде.

Теоретико-методологической основой для решения поставленных задач послужили концептуальные положения философии, теории развивающего и деятельностного подхода к повышению качества обучения, работы, раскрывающие дидактические принципы обучения, современные активные методы обучения, интенсификации и мотивации учебной деятельности:

§ философские положения теории познания, теории деятельности, формирования личности и становления специалиста (Ю.К. Бабанский, П.Я. Гальперин, Б.С. Гершунский, З.Д.Жуковская, И.А. Зимняя, Я.А. Коменский, А.Н. Леонтьев, И.Я. Лернер, А. Маслоу, Н.Ф. Талызина и др),

§ исследования, раскрывающие различные аспекты процесса информатизации образования (А.П. Ершов, А.Л. Денисова, Е.И. Машбиц, А.В.Могилев, А.О. Кривошеев, П.И.Образцов, О.П. Околелов, И.В Роберт, А.В. Соловов, М.С. Чванова и др.),

§ исследования целенаправленного и эффективного формирования у обучаемых творческого мышления, как необходимого компонента личностной характеристики специалиста (Е.Л. Белкин, А.А. Бондарева, В.Д. Горский, А.Л. Денисова, Д.В. Кузнецова, А.В. Романов),

§ конструктивные идеи концепции фундаментализации новой образовательной парадигмы модернизации образования (О.Н. Голубева, А.Д. Суханов, Е.Н. Князева, С.П. Курдюмов и др.),

§ работы по проблеме формирования исследовательских умений и навыков в условиях современного лабораторного практикума по физике (В.М. Блинов, П.Я. Гальперин, В.Ф. Лысов, В.В. Майер, А.В. Машуков с сотрудниками, Н.Я. Молотков, Е.Б. Петрова, В.В. Светозаров, Ю.В. Светозаров, А.М. Толстик, М.Ф. Щанов),

§ ценностный подход к содержанию подготовки специалистов (З.Д.Жуковская),

§ общие закономерности процесса формирования профессионально-личностного саморазвития (А.А. Вербицкий, Т.И. Шамова).

С позиций кибернетики основополагающими явились работы, раскрывающие методы, средства и алгоритмы учебной деятельности.

Важным источником исследования являются материалы автора, накопленные за 45-летнюю педагогическую и научно-исследовательскую деятельность в качестве школьного учителя (9 лет) и преподавателя физики Воронежского государственного технического университета (36 лет).

Для реализации цели, проверки гипотезы и решения поставленных задач использованы следующие методы исследования:

§ общенаучные методы: формальной логики, системного, индуктивно-дедуктивного анализа;

§ педагогические наблюдения за исследовательской деятельностью студентов, беседы с преподавателями, студентами, анкетирование, контрольные срезы;

§ поэтапные контрольные тесты проверки эффективности разработанной методики формирования исследовательских умений и навыков у студентов при изучении курса физики;

§ педагогический эксперимент, статистическая обработка экспериментальных данных, содержательная интерпретация полученных результатов.

Научная новизна исследования:

§ разработана и теоретически обоснована концептуальная модель фундаментальной естественно-научной подготовки, функционирующая в условиях системного использования информационных технологий и способствующая формированию профессионально значимых качеств будущего инженера. На методологическом, теоретическом, дидактическом и концептуальном уровнях предложено решение проблемы повышения качества фундаментальной естественно-научной подготовки студентов в условиях современной информационной среды,

§ определены образовательная, воспитательная и развивающая функции компьютерной обучающей среды, обеспечивающие ее эффективное включение в систему учебного процесса технического вуза,

§ раскрыт и реализован психолого-педагогический механизм формирования в компьютерной среде мотивационного синдрома и исследованы возможности его коррекции в процессе учебной деятельности обучающихся,

§ определены психолого-педагогические условия организации исследовательской работы студентов как дополнения к основному курсу, рассчитанные на современный уровень компьютерной грамотности. Информационные технологии представлены как комплекс действенных средств интеграции методологических приемов, математических методов и дидактических принципов,

§ разработана и внедрена в учебный процесс методика компьютерного сопровождения различных видов занятий курса физики в техническом вузе, включающая комплексное методическое, аппаратное и программное обеспечение фундаментализации естественно-научной подготовки студентов средствами компьютерных технологий,

§ сформулированы критерии оценки качества фундаментальной естественно-научной подготовки студентов.

Теоретическая значимость исследования состоит в том, что:

§ с учетом социально-экономических, психолого-педагогических факторов раскрыты проблемы, выявлены педагогические функции и особенности мотивации в компьютерной обучающей системе, направленные на повышение качества и роли фундаментальной естественно-научной подготовки в системе профессионального образования;

§ конкретизированы пути повышения качества фундаментальной естественно-научной подготовки студентов в преподавании курса физики в техническом вузе;

§ на основе системного анализа структуры фундаментальной подготовки студентов, где системообразующим фактором является развитие творческих способностей обучающихся, разработан новый подход к решению проблемы мотивации самообразования в компьютерной обучающей среде. Выявлена роль компьютерного сопровождения преподавания в изменении причинной схемы неудач при выполнении заданий;

§ предложен комплексный дидактический инструментарий компьютерных технологий для образовательного процесса, позволяющий реализовать научность, системность, наглядность, индивидуальность, последовательность, преемственность, единство требований, активный диалог, обратную связь;

Практическая значимость исследования заключается в том, что на основе целостной дидактической системы компьютерного сопровождения фундаментальной подготовки разработана и внедрена в учебный процесс методика проведения индивидуализированных расчетно-графических заданий и лабораторного практикума, позволяющая оптимально адаптировать компьютерные модули к индивидуальным характеристикам обучающихся.

Результаты работы использованы в учебном процессе для существенного повышения фундаментального естественно-научного образования и развития мотивации активной самостоятельной творческой деятельности студентов.

Разработанный автором пакет прикладных компьютерных программ интенсивного обучения, набор которых направлен на развитие потенциальных возможностей личности обучающегося в соответствии с современной парадигмой фундаментализации образования, зарегистрирован в ОФАП и может быть непосредственно использован в других вузах и школах, в системе дистанционного обучения и для самоподготовки.

Апробация результатов исследования и внедрение разработанной системы осуществляется в течение более двадцати лет на кафедре физики Воронежского государственного технического университета и других вузов Воронежа. Результаты научного исследования доложены и положительно оценены на международных, республиканских конференциях «Современный физический практикум», «Физика в системе современного образования», «Современные технологии обучения», «Проблемы интеллектуализации образования», научно-практических и других конференциях, симпозиумах, опубликованы в журналах «Физическое образование в вузах», «Системный анализ и управление в биомедицинских системах». Коллектив сотрудников ВГТУ, руководимый автором, принимает активное участие в выполнении межвузовской комплексной программы МО РФ «Наукоемкие технологии образования» со дня ее создания. Материалы исследований (концептуальная модель фундаментальной естественно-научной подготовки средствами компьютерных технологий, принципы организации компьютеризированных практических занятий по физике) положены в основу курсов лекций, лабораторных и практических занятий и включены в график учебного процесса.

Обоснованность и достоверность результатов, содержащихся в диссертации, обеспечивается методологической основой исследования, позволившей определить научные подходы к исследованию проблемы и доказать выдвинутую гипотезу. Методологические позиции адекватны целям, предмету и задачам исследования. Надежность результатов обусловлена и комплексным использованием методов различных научных дисциплин, а также широкой апробацией полученных данных в процессе личной многолетней преподавательской деятельности, позитивным опытом коллег, использующих материалы автора, их сравнимостью с массовой практикой.

Базой исследования являлся Воронежский государственный технический университет. В исследовании приняли участие более тысячи студентов, из которых отобраны три группы: одна контрольную и две экспериментальные группы

Этапы исследования:

Первый этап (1990-1995 гг.) - определение проблемы исследования и обоснование её актуальности. В этот период анализировалось состояние подготовки студентов к исследовательской работе, изучалась соответствующая литература, выявлялись противоречия в теории и практической деятельности, определилась методология и разрабатывалась методика исследования. В результате этой работы была сформулирована гипотеза, намечены цели, задачи и методы исследования, определялось содержание экспериментальных занятий со студентами.

Второй этап (1995-1999 гг.) - осуществлялась теоретическая работа, направленная на поиск путей, методов и приемов формирования исследовательских умений и навыков у студентов физико-технического факультета. Подготовка теоретической базы для проведения опытно-экспериментального обучения; осуществление констатирующего и формирующего экспериментов. Для осуществления поставленных целей обучения создан компьютерный класс кафедры физики, установлены критерии и направления оценки качества фундаментальной подготовки инженеров. Разработано и осуществлено аппаратное и программное обеспечение для компьютерного сопровождения курса физики.

Третий этап (1999-2007 гг.) - реализация разработанной автором комплексной программы формирования исследовательских умений и навыков у студентов (в двух вузах г. Воронежа); анализ, систематизация и обобщение результатов проведенной работы. Результаты ее подтверждены документально многими актами внедрения в практику учебного процесса.

На защиту выносятся следующие результаты, раскрывающие теоретические положения и условия, которые обеспечивают и стимулируют развитие отвечающей тенденциям информатизации образования системы фундаментальной естественно-научной подготовки в техническом вузе:

1. Концептуальная модель фундаментальной естественно-научной подготовки в компьютерной обучающей среде, системно включающая в отличие от традиционной методики:

§ эвристический подход и дополнение компонентов теоретического и образного мышления (экспериментально-исследовательскую работу с графиками);

§ формирование системного мышления будущего специалиста за счет развития связей между различными компонентами системы учебных знаний;

§ освоение студентами научных методов экспериментальных исследований.

2. Методика компьютерного сопровождения учебных занятий, ориентированная на развитие творческой активности студентов при проведении лабораторного практикума с элементами автоматизации физического эксперимента и математической обработки результатов. Кроме мотивационного фактора с учетом структуры учебных знаний фундаментализация инженерного образования обеспечивается:

§ изучением закономерностей явлений и понятий, теоретических положений, которое осуществляется на базе фундаментальных идей и принципов;

§ формированием аналитико-синтетических представлений сущности рассматриваемых явлений при их математическом и имитационном моделировании;

§ ориентацией на непрерывное и развивающее обучение при переходе от изучения курса общей физики к специализированным курсам выпускающих кафедр;

§ формированием устойчивых навыков владения средствами и технологией информационной культуры.

3. Методологически и психологически обоснованная система контекстно зависимой помощи в диалоговых компьютерных модулях, обеспечивающая возможность формирования в компьютерной обучающей среде мотивации самообразования и самооценки.

4. Комплекс программных, аппаратных и методических средств компьютерного сопровождения преподавания курса физики.

Структура диссертации:

Содержание исследования изложено на 316 страницах и содержит введение, 4 главы, библиографию, 11 таблиц, 55 рисунков.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены цель научного поиска, объект, предмет, гипотеза, ставятся задачи исследования, определяются этапы и методы исследования; охарактеризованы научная новизна и практическая значимость исследования; формулируются положения, выносимые на защиту, приводятся сведения об апробации работы и внедрении ее результатов.

В первой главе «Теоретико-методологический анализ проблемы фундаментальной естественно-научной подготовки студентов технического вуза в условиях использования информационных технологий» представлен теоретический анализ состояния исследуемой проблемы и психолого-педагогических основ применения компьютерных технологий в системе профессионального образования, позволяющих реализовать принципы современной педагогической парадигмы в преподавании физики, рассмотрены вопросы формирования мотивации познавательной деятельности в компьютерной обучающей среде. На основе проведенного анализа установлены особенности проектирования компьютерной поддержки обучения и функции компьютерной обучающей системы.

Для определения принципов создания системы обеспечения фундаментальной подготовки по естественно-научным дисциплинам средствами компьютерных технологий, адекватной современному уровню информатизации, автором рассмотрены и проблемы валеологического плана, связанные с физическим, психическим и социальным здоровьем человека. Воздействие электромагнитных излучений, высокочастотное мелькание экрана, неестественный колорит цветов, повышенное напряжение при работе с компьютером - вот неполный перечень отрицательных воздействий на человека.

Из общей проблематики коммуникативного общения вытекают базовые трудности решения проблемы психологического и эргономического обеспечения процессов индивидуального компьютерного обучения. Это, во-первых, возможно неосознанное, навязывание пользователю своего способа видения системы фактов и выводов в данной области знания. Во-вторых, как за счет отсутствия, так и за счет изобилия деталей объяснения может происходить неадекватный способ передачи информации. В качестве примера можно привести либо плохо составленное меню, либо плохо проработанную систему подсказки. Кроме того, причины появления у обучаемых не только дискомфорта, но и устойчивых ощущений своей непригодности к работе могут быть связаны со сложностью определения исходного состояния знаний, способностей и навыков учащегося.

В исследованиях М.С. Чвановой отмечается и некоторое торможение процесса оперативной коррекции, которое порождается отсутствием ряда "фоновых" компонент (интонации, жестов, мимики и др.), сопровождающих "традиционное" общение в процессе обучения. Учет этих и других явлений требует, помимо соблюдения традиционных психолого-педагогических принципов, выполнения ряда специфических требований при организации компьютеризированного обучения. Наши исследования показали, что крайне важным фактором для проектируемых обучающих программ является наличие в них понятной системы использования возможностей программы.

Однако, автор согласен с позицией А.В. Соловова, который отмечает, что относительная легкость получения результата с применением ЭВМ снижает интерес к самому результату. Плохую услугу инженерной подготовке иногда оказывает и скрытность вычислительных процессов, выполняемых на ЭВМ. Многие вычисления, которые мы нередко объявляем рутинной работой, обладают большим обучающим эффектом, так как позволяют проследить и понять связь значений варьируемых переменных технического объекта с его характеристиками. При этом осваиваются преимущественно формализованные методы, а анализ результатов расчетов оказывается на втором плане.

Известный специалист в области синергетики профессор А.А. Колесников обозначил еще и методологическую проблему, связанную с применение компьютерных технологий. Дело в том, что современный компьютер, оперируя огромным количеством данных, может создать у неискушенного студента или молодого ученого иллюзию всеохватности изучаемой проблемы. В действительности же компьютер нередко способствует размножению деталей и частностей рассматриваемого явления, придавая важное значение именно частным случаям.

Следовательно, психологическое обеспечение образовательных процессов, связанных с компьютерным сопровождением, должно быть направлено на сближение процедур обучения с мотивационными потребностями и склонностями обучаемых. Это означает, что современная система автоматизированного обучения должна уже на стадии разработки строиться как мотивационно обоснованная структура.

Принятая нами дидактическая система комплексного компьютерного сопровождения фундаментальной естественно-научной подготовки инженеров основана на использовании компьютерных технологий как функционально связанного набора подсистем учебно-методического, информационного, математического и инженерно-технического обеспечения, предназначенного для оптимизации процесса обучения и работающего в диалоговом режиме. С этой точки зрения компьютерные технологии рассматриваются нами как действенные средства интеграции методологических приемов организации познавательной деятельности, математических методов описания явлений и дидактических принципов выдачи информации.

Применение информационных технологий в процессе обучения, не отменяя его классические принципы, генерирует новые дидактические принципы (индивидуализации, многоканальности, модульности и другие). Наибольшими возможностями, пожалуй, обладает активный и дружественный диалог в компьютерной обучающей среде. Как показали наши исследования, методически проработанная контекстная помощь, «всплывающие» подсказки и доступная в любой момент справка стимулируют проявление своеобразного «синдрома незавершенного действия», характерного для компьютерных игр. При выполнении учебных заданий на компьютере это позволяет формировать мотивационную составляющую процесса обучения.

Необходимость поиска путей совершенствования фундаментальной подготовки на основе информационных технологий обуславливает с одной стороны постановку прикладной задачи разработки компьютерных средств поддержки профессионального образования, ориентированной на создание не отдельных фрагментов, а комплексов, обеспечивающих полноценную проработку учебного материала от теории до решения нетиповых задач, а с другой - разработку методических основ функционирования таких комплексных систем. Требуют своего решения и вопросы развития системы широкого психологического обеспечения процесса обучения с использованием компьютера. Под этим подразумевается целый спектр средств, направленных на сближение мотивационных потребностей, интеллектуальных и творческих особенностей личности учащегося со структурой и содержательной организацией учебного материала по результатам. В настоящее время психологические исследования еще не составили целостной картины развития личности и ее профессионализации в условиях компьютерного обучения и формирования новообразований когнитивной и мотивационно-смысловой сфер обучаемого.

Приведенный анализ состояния исследуемой проблемы позволяет сделать следующие выводы:

§ Информатизация рассматривается как необходимое условие и важнейший этап, затрагивающий все основные направления реформирования системы образования в России, однако, качество информационных услуг, используемых в образовательном процессе, может быть повышено за счет усиления методологической компоненты,

§ В ходе компьютеризации обучения в техническом вузе необходимо не только сохранить, но и с помощью средств вычислительной техники усилить инженерную подготовку, опирающуюся на знание и понимание фундаментальных физических принципов построения и функционирования технических объектов и процессов.

§ Анализ имеющихся работ по использованию в образовании компьютерной поддержки показывает, что еще не выработаны четкие критерии оценки качества фундаментальной подготовки, которые определяют цели и направления модернизации процесса.

§ Существует достаточно много работ, посвященных компьютерным обучающим модулям, но в них не заложены основы и методы формирования мотивации фундаментальной естественно-научной подготовки, мотивации активного самообразования и становления современного уровня компьютерной грамотности.

Во второй главе «Теоретико-методологическое обоснование концептуальной модели фундаментальной естественно-научной подготовки студентов технического вуза» рассмотрена структура учебных знаний, ее основные компоненты, новые отношения между ними при наличии компьютерной поддержки, приводящие к повышению качества фундаментальной естественно-научной подготовки студентов. Описаны условия формирования научного мировоззрения студентов в преподавании курса физики. Раскрыты методы и приемы, способствующие наиболее эффективному формированию навыков математического моделирования и развитию творческой активности студентов при проведении компьютерного лабораторного практикума с элементами автоматизации физического эксперимента. Здесь же приведено описание разработанных автором компьютерных лабораторных практикумов, имеющих целью развитие мотивации познавательной деятельности студентов, формирование у них навыков научной работы, интенсификацию самостоятельной работы студентов.

При изучении курса физики наиболее эффективным является разработка и реализация модели организации деятельности субъектов образовательного процесса в дидактической компьютерной среде только на методологической основе, отражающей диалектическое единство непрерывного и дискретного, целостного и структурного. Необходимо, чтобы ценностные ориентации в процессе обучения были смещены на развитие и саморазвитие духовно - нравственных качеств личности, ее культуры, интеллигентности. Поскольку культура противостоит некультурности, варварству, дикости, то понятие «культура» характеризует и меру образованности, и степень овладения деятельностью. Кроме того, уровень культуры человека определяется не только тем, что он есть сегодня, но и тем, к чему он стремится. Одна из уникальных характеристик человека с высокой культурой - это способность к непрерывному самообразованию, самовоспитанию и саморазвитию.

Базовым в теории открытого образования является синергетический подход, где главный акцент делается на изучение открытых систем, которые обмениваются энергией и веществом с внешним миром, где система рассматривается с позиций самоуправления, самоорганизации, саморазвития. Поскольку дидактическая компьютерная система не существует без взаимодействия и без обмена информацией со средой, то она по отношению к субъектам образовательного процесса должна рассматриваться как система, стоящая на более низкой иерархической ступени.

Выделив в целостном педагогическом процессе использования компьютерной обучающей среды систему учебных знаний, мы рассматривали взаимодействие элементов как внутри нее, так и с внешними объектами (со средой). В концепции личностно ориентированного образования как системообразующий фактор необходимо четко выделить развитие личности обучаемого. Это придает определенность структуре системы подготовки специалистов в техническом вузе, конкретизирует не только представление о центральном ее элементе - фундаментальной естественно-научной подготовке, но и определяет состав других элементов системы, непосредственно с ним связанных.

В общей системе учебных знаний подсистема фундаментального естественно-научного образования находится на достаточно высоком уровне. Однако проведенный нами анализ конкретизации структуры, свойств и особенностей этой подсистемы, взаимодействия ее элементов позволил определить для студентов инженерных специальностей технического вуза три основных направления, по которым возможен переход ее на более высокий уровень целостности: мотивационно-ориентировочное направление, исполнительское и контрольно-оценочное. Как показывают наши исследования, такой переход можно осуществить двумя путями. Первый состоит в совершенствовании содержательной части отдельных компонентов и формы представления их пользователю, а второй - в установлении дополнительных новых связей между отдельными компонентами системы. Выделение фундаментальной естественно-научной подготовки в качестве центрального элемента системы учебных знаний предопределило направления практической реализации поставленной задачи и позволило установить не только функциональные связи между отдельны ми компонентами системы.

Повышение качества фундаментальной естественно-научной подготовки в общей системе учебных знаний повлекло и его многоплановое воздействие на субъекты и объекты всей педагогической системы и на внешнюю среду. Базовые функции педагогической системы и функциональные связи между отдельными ее компонентами наполняются дополнительным новым содержанием (рис.1), вследствие этого система переходит на более высокий уровень целостности.

Рис.1. Дополнительное содержание функциональных связей между компонентами компьютеризированной педагогической системы.

Индивидуализация и дифференциация обучения с одновременным повышением его эффективности, организация новых форм взаимодействия в процессе обучения, изменение содержания обучения, совершенствование управления образованием - это лишь небольшой перечень влияния, которое оказывает на объекты педагогической системы передача функций центрального элемента системы фундаментальным естественно-научным знаниям. Что касается субъектов этой системы - обучающихся, то изменение за счет компьютеризации процесса познания в направлении фундаментального естественно-научного образования обуславливает формирование способности к моделированию физических явлений, научного стиля исследования объектов, явлений и процессов, то есть формирование способной к самосовершенствованию всесторонне развитой личности. При обучении с использованием компьютера основные коммуникации проходят при невербальном общении, поэтому актуализируются требования герменевтического принципа методологии. Следование этому принципу должно быть направлено на то, чтобы обучаемый понимал смысл изучаемого материала. Герменевтика и переводится, как разъясняю, истолковываю.

Наши исследования и практический опыт работы выявили основные направления повышения качества фундаментальной естественно-научной подготовки современных студентов технического вуза:

§ углубление теоретической подготовки,

§ формирование материалистического мировоззрения,

§ формирование аналитико-синтетического подхода к исследованию закономерностей физических явлений,

§ формирование навыков моделирования физических явлений,

§ использование методов математической обработки результатов эксперимента,

§ развитие навыков автоматизации физического эксперимента,

§ приобщение студентов к активному участию в научной работе,

§ формирование компьютерной грамотности.

В разработанной нами модели фундаментальной естественно-научной подготовки инженеров в техническом вузе фундаментализация инженерного образования с использованием компьютерной поддержки преподавания кроме мотивационного фактора с учетом приведенной структуры учебных знаний обеспечивается:

§ изучением частных факторов, отдельных закономерностей явлений, понятий, теоретических положений, которое осуществляется на базе фундаментальных идей и принципов.

§ ориентацией на непрерывное и развивающее обучение при переходе от общей физики к специальным курсам выпускающих кафедр. Четко выраженный когнитивный характер и преемственность показаны на примере применения теории погрешностей к обработке результатов первых работ лабораторного практикума по физике.

§ переходом от анализа к синтезу рассматриваемых явлений и их математическому и имитационному моделированию. Это способствует более глубокому пониманию сущности явлений. формированием устойчивых навыков владения средствами и технологией информационной культуры, освоением студентами научных методов экспериментальных исследований.

§ результаты лабораторного практикума интерпретируются не только наглядным представлением функциональных зависимостей в виде гистограмм и графиков, описанием с помощью аналитических выражений, но и объяснением закономерностей с привлечением модельных представлений существующих теорий. Например, диодная модель p-n-перехода дает возможность определения количественных соотношений между параметрами прибора как с помощью машинной обработки и метода наименьших квадратов, так и с помощью применения графических экспресс-методов.

Учитывая большую роль мотивационно-ориентировочного направления на начальной стадии обучения физике в вузе, нужно определить формирование познавательного интереса как один из основных путей совершенствования фундаментальной естественно-научной подготовки и повышения творческой активности студентов.

Рис. 2. Концептуальная модель фундаментальной естественно-научной подготовки.

В предложенной модели (рис. 2) лабораторный эксперимент является источником получения знаний и методом обучения, сочетающим наглядность и деятельность Он сводится не только к иллюстрации физических явлений, доказательству научных положений, но и знакомит с методами измерений и применяемыми приборами, дает возможность студенту самому оценить вклад в погрешность различных факторов. При проектировании содержания лабораторного практикума по физике его методологическую основу составили идеи системно-деятельностного подхода - базой воспитательного и образовательного процессов является личная деятельность обучаемого, а функция преподавателя заключается в умении направлять и регулировать эту деятельность в направлении повышения качества фундаментальной естественно-научной подготовки. Определенные таким образом направления повышения качества фундаментальной подготовки реализованы в Воронежском государственном техническом университете на примере курса физики в комплексе компьютерных средств сопровождения учебного процесса

Наши исследования показали, что лабораторный практикум как форма обучения представляет широкие возможности для реализации деятельностного подхода:

§ обучаемые объединяются в относительно небольшие группы с близким уровнем знаний и умений,

§ в этом случае наиболее естественным образом создается обучающая и воспитывающая среда, которая связана со спецификой данной формы обучения: определенные правила обучения, методика, цели и задачи,

§ выполнение лабораторных работ практикума обеспечивает большую самостоятельность обучаемым, практически недоступную в других видах деятельности. В то же время преподаватель в случае необходимости может вмешаться в процесс обучения, осуществить индивидуальный подход к каждому учащемуся,

§ среда обучения в таком практикуме отличается наличием не только особого психологического климата, в ней явно реализуется комплекс педагогических, эстетических, технических и других компонентов.

В отличие от традиционной методики мы получили положительный результат при активизации самообразования студентов как за счет современного научного подхода к эксперименту и обработке его результатов, так и за счет тренинга внутренней мотивации путем изменения причинных схем. Расширенная возможность тренировки и самоконтроля в данной предметной области является особенностью данной работы.

Личностно-ориентированный подход в лабораторном практикуме осуществлен на основе многовариантности заданий, системе контекстно зависимой помощи, дружественном интерфейсе. Дифференцированный подход в обучении осуществляется на индивидуальном уровне, когда сам обучающийся, исходя из своих особенностей и возможностей, определяет личную "траекторию" своего продвижения по теме.

Выработке устойчивого интереса к учебно-исследовательской работе способствует богатый информационно-дидактический инструментарий компьютерных технологий для представления учебного материала. Управление познавательной деятельностью студентов и контроль процесса обучения производится по результатам оперативной диагностики и тестирования.

Программы носят разветвленный характер и алгоритм их прохождения, темп обучения или тренировки зависит от самого обучаемого. В них предусмотрена регистрация как конечных, так и промежуточных результатов, поэтому обучаемый может выполнять работу раздельно во времени. Такой подход применяется на фронтальных лабораторных занятиях для студентов всех специальностей с начала обучения в вузе.

С целью повышения качества фундаментальной естественно-научной подготовки и развития творческих способностей обучаемых нами разработана методика формирования навыков научно-исследовательской деятельности и развития творческой активности студентов в лабораторном физическом практикуме с элементами автоматизации физического эксперимента. Особенностью ее является усиление компонентов репродуктивного и продуктивного типов мышления компонентами творческого мышления (экспериментально-исследовательской деятельностью).

В процессе практической реализации этой методики были решены и эргономические проблемы для обеспечения органичности и удобства взаимодействия человека и машины. Эти проблемы рассмотрены на двух уровнях; прикладном и системном. В первом случае речь идет об эргономических характеристиках человеко-машинного общения, а во втором - об основных идеях и принципах построения и функционирования системы в целом.

Решение проблемы фундаментализации и повышения качества естественно-научной подготовки посредством компьютеризированного лабораторного практикума привело нас к созданию серии программ повышенной сложности, каждая из которых содержит концентрированный теоретический раздел, определяющий базовые понятия и поясняющий суть задачи, лежащие в ее основе закономерности. Затем следует демонстрационный раздел, показывающий в динамике в нужном темпе все фазы процесса. После этого обучаемый получает возможность экспериментировать самостоятельно - компьютерная система превращается в рабочий инструмент, причем не только инструмент математического моделирования, но и в измерительную систему.

Как показали наши исследования, применение в данной методике компьютерной метрологии предоставляет субъектам педагогического процесса и дополнительные дидактические возможности, которые:

§ создают у студентов положительную мотивацию, что активизирует учебную деятельность уже на этапе подготовки к лабораторной работе;

§ стимулируют самостоятельное изучение реально протекающих физических явлений, и приобщают студентов к экспериментально-исследовательской деятельности.

При измерениях вольтамперных характеристик нелинейных элементов оказывается возможным не только вычислить их параметры, но и объяснить физические процессы, которые приводят к нелинейности зависимостей и применить для объяснения явлений последние достижения квантовой механики.

Все это позволяет закрепить закономерности и выводы зонной теории, связать особенности внутреннего строения и свойств кристаллов с их внешними проявлениями, что значительно повышает как интерес к самостоятельной работе студентов с ЭВМ, так и качество фундаментальной подготовки специалистов.

Самостоятельная работа студентов в таком стиле не только снимает затруднения при восприятии нового материала, но и способствует анализу различных проблемных ситуаций и формированию самостоятельных выводов и обобщений, что увеличивает мотивацию познавательной деятельности при изучении физики.

Использованный автором подход, заключающийся во включении эспериментально-исследовательской работы уже на начальной стадии обучения, хорошо вписывается в решение вопроса о ранней специализации при изучении общеобразовательных дисциплин, поскольку формирует у студента ментальный опыт и такой уровень профессиональной компетентности, который обеспечивает правильное поведение инженера в конкретных ситуациях.

Методика реализована в разработанных алгоритмах и пакетах программ автоматизированных информационных, обучающих и контролирующих модулей, допускающих и внеаудиторную самостоятельную работу студентов по следующим темам курса физики: «Измерение вольтамперной характеристики терморезистора», «Изучение затухания люминесценции», «Исследование релаксационных явлений» и в компьютерном сопровождении темы «Основы зонной теории».