Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

СОЗДАНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО СТАНДАРТА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТНО- ОРИЕНТИРОВАННЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ФИЗИКЕ

Ларионов В.В. 1 Лидер А.М. 1
1 ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Рассмотрено обучение физике на основе формирования универсального стандарта для физического практикума. Дано определение натурно-виртуального, виртуально-натурного эксперимента. Они составляют основу для проектной среды. Теоретической базой стандарта для проектной среды служит дифференцированный, проблемный и проектный методы обучения. В проектной среде осуществляется постановка проблемы, выдвижение гипотезы, установление сущности явления, соотнесение физических знаний и физических эффектов для их практического применения и реализации в виде учебных внедренческих проектов. Даны примеры превращения стандартных лабораторных работ по физике в проектные задания. Обсуждены возможности, предоставляемые студентам в предлагаемой системе обучения для реализации творческих способностей. Даны рекомендации по применению разработанного стандарта и приведены этапы организации проектных работ, конкретные предложения студентов. Данные педагогического эксперимента подтверждают эффективность рассматриваемой модели стандарта.
обучение физике
универсальный стандарт
лабораторные работы
натурные и виртуальные устройства
проектная среда
1. Александров И.В., Афанасьева А.М., Строкина В.Р., Тучков С.В. Опыт организации проблемно-ориентированной внеаудиторной деятельности студентов // Инновации в образовании. – 2013. – № 4. – С. 120–127.2. Ерофеева Г.В., Панкина А.С. Подготовка высокопрофессиональных специалистов в техническом университете // Наука и школа. – 2010. – № 2. – С. 16–18.
3. Ларионов В.В., Лидер А.М., Писаренко С.Б. Лабораторно-проектные работы в системе физического практикума // Физическое образование в вузах. – 2007. – Т. 13. – № 2 – С. 69–78.
4. Ларионов В.В., Поздеева Э.В., Толмачева Н.Д. Методические приемы реализации проблемно-ориентированного обучения физике в техническом университете // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 4; URL: www.science-education.ru/108-8582 (дата обращения: 25.05.2013).
5. Ларионов В.В., Тюрин Ю.И. Проблемно-ориентированное обучение физике в техническом университете // Высшее образование в России. – 2009. – № 6. – С. 156–159.

Лабораторные работы являются эффективной средой для реализации проектно-ориентированного обучения физике в техническом университете. Их применение способствует формированию у будущего инженера устойчивого методологически мотивированного и ориентированного интереса к обучению физике, умения востребовать и использовать ее научное содержание в качестве методологического, экспериментального и технологического средства инженерной внедренческой деятельности. Несмотря на высокую значимость проблемы, ее комплексного решения не существует до сих пор. Требуется организация методологической направленности учебного процесса по физике в той части, которая касается поддержки эксперимента, существенно расширяющего тематику обучения и учебных исследований студентов [1, 2]. Необходимы более конкретные методические приемы и соответствующая модель применения лабораторных работ для создания на их базе проектной среды. Такая среда представляет также основу организации самостоятельной учебно-исследовательской работы студентов младших курсов, отражающей внедренческий характер будущей профессиональной деятельности [3]. Поставленная задача может быть выполнена посредством тщательно отобранных приемов и стандартов по видам лабораторных работ в условиях развивающихся компьютерных технологий. Это является целью данной работы.

Методы решения проблемы

В качестве варианта создания нового стандарта предлагается использовать структурные составляющие проблемно-ориентированного проектного обучения физике, которое предполагает совместную деятельность [4] на основе ИКТ, оперативное управление творческой самостоятельной работой студентов, ориентированной на овладение методами поиска и решения проблем, обучению их внедрения в жизнь.

Проблемно-ориентированная проектная система обучения физике в техническом вузе [4] способствует повышению эффективности обучения, так как включает разработку проектов на семинарских занятиях из стандартных учебников, реальных учебных проектов в период учебной практики [4], в период выполнения лабораторных работ физического практикума, усиливает внимание к обучению физике нестандартных явлений, наукоемким технологиям. При этом в качестве системообразующего элемента используется ИКТ. Критериями эффективности служат объем знаний, их прочность, умение принимать самостоятельные решения и нести ответственность за их реализацию, творческий уровень усвоения знаний, мотивацию и интерес к обучению выбранной специальности. В теоретическом плане базой проектного обучения служит проблемное обучение, дифференцированное обучение, личностно-ориентированное обучение, включение идей об инженерном мышлении как творческом процессе (П.Л. Капица), онтодидактический подход и проектирование во всех видах учебной деятельности. Информационно-коммуникационные технологии в системе обучения физике наиболее выразительно используются посредством выполнения лабораторных работ, разработки проектов на семинарских занятиях, реальных учебных проектов в период учебной практики. Структурирование проблемы, проблемной ситуации и проблемной задачи обеспечивает формирование физических идей на уровне проекта (рис. 1). Эта схема дополняется соответствующим стандартом.

pic_69.wmf

Рис. 1. Содержание этапов разработки проектов на лабораторных занятиях по физике

pic_70.wmf

Рис. 2. Структурные составляющие физического практикума по предлагаемому стандарту

Предлагаемый стандарт содержит лабораторные работы следующего типа (рис. 2), где приняты следующие обозначения: В – виртуальный (полностью имитирующий натурный эксперимент), Н – натурный эксперимент, натурно-виртуальный – это натурный эксперимент, сопровождаемый визуализацией явлений, протекающих на микроуровне, и недоступный непосредственному наблюдению, ВЧ – вычислительный эксперимент. Компьютеризированный эксперимент – сбор данных и обработка осуществляется с помощью компьютера и соответствующих датчиков. Автоматизированный эксперимент осуществляет управление процессом измерения.

Разработка проектов на лабораторных занятиях по предлагаемому стандарту включает следующие этапы работы студентов:

1. Формирование минигруп для разработки проектов.

2. Подбор и представление задач и лабораторных устройств проектного типа из числа имеющихся в базе кафедры физики университета.

3. Обсуждение отдельных предложений составом всей студенческой группы.

4. Для каждого утвержденного проекта с участием всех студентов составляется общий план-схемы и отдельных ее элементов для ее реализации.

5. Обсуждение возможностей технической реализации проекта (все студенты) и его финансирования (уровень кафедры и института).

6. Составление план-графика выполнения проектов на семестр.

7. Выявление и постановка проблемных ситуаций по каждому проекту (коллективное обсуждение).

8. Презентация отдельных этапов реализации проектов, представленных минигруппами.

9. Защита и демонстрация проектов.

В качестве примера приведем лабораторную работу по изучению явления интерференции. Студенты использовали фотографию реальной интерференционной картины для создания виртуального прибора. В отличие от стандартного подхода в виртуальном приборе использованы элементы натурного объекта.

pic_71.tif

Рис. 3. Фото реальной интерференционной картины, полученной на натурном приборе. Используется для создания виртуального прибора

pic_72.tif

Рис. 4. Виртуально-натурный прибор для изучения явления удлинения стержня при нагревании методом интерференции

Студенты на лабораторных занятиях по изучению явления интерференции разработали проект следующего типа (рис. 4): стержень-проволоку нужно растянуть, прежде чем, например, залить бетон. Гидравлические домкраты дороги и ненадежны. Электротермический нагрев быстр и дешев, но возникает противоречие между необходимым удлинением и температурой нагревания стержня. Для необходимого удлинения требуется температура 800 °С, но при 400 °С проволока теряет свои механические свойства. Как устранить данное противоречие? Нужно использовать два стержня, последовательно соединенные друг с другом, и осуществить следующие действия:

1) нагреть стержень номер 2;

2) зафиксировать нагретый стержень;

3) охладить данный стержень.

Можно поставить вопрос о быстром охлаждении. В этом случае нужно искать материал для второго стержня. Здесь применяются тепловое воздействие и явление изменения длины при нагревании. Стержень 2 нагреть, зажать, охладить. Охлаждаясь, стержень 2 растянет стержень 1. Свойства стержня не изменятся при нагревании, но он будет растянут.

Данный пример демонстрирует использование стандарта для приобщения студентов к созданию новых виртуальных приборов. Для оценки уровня усвоения предметного материала и творческого уровня усвоения знаний использовалась методика поэлементного анализа выполнения заданий студентами контрольной и экспериментальной групп [5]. Эксперимент показывает, что большая часть студентов контрольных групп ограничивались формальным подходом, основанным на сведениях из теоретической части курса, а при экспериментировании применяет метод действий по образцу, что соответствует репродуктивному и алгоритмическому уровням усвоения (таблица). Значительная часть студентов экспериментальных групп использовали для выполнения заданий композиционный способ выполнения задания, включая структурирование проблемы и проблемной ситуации, постановку дополнительных проблемных вопросов и создание программных средств эксперимента, проявляя продуктивный и творческий уровни усвоения (таблица). Позитивное влияние предлагаемого стандарта и схемы обучения физике оценивались по двум аспектам:

А. Уровень овладения методологией ведения проектно-ориентированных лабораторных работ натурно-виртуального типа и системного применения ИТ при выполнении учебно-исследовательской работы (применяется прежний метод (таблица).

Б. Общий уровень освоения предметных знаний и их прочность при обучении физике:

1) по результатам рейтинга, экзамена и комплексных контрольных заданий экспериментального типа;

2) по оценке результатов защиты НИР, обоснованию актуальности темы, высказыванию своей точки зрения (уровень знания);

Уровень усвоения учебного материала студентами экспериментальных и контрольных групп (пример выборки)

Элементы анализа

Относительное число студентов, %

Экспериментальные группы

Размер выборки N = 350

Контрольные группы

Размер выборки N = 367

Репродуктивный

28

62

Продуктивный

55

26

Творческий

17

12

3) по объяснению выбора плана исследования, его логичности (уровень понимания); самостоятельному составлению компьютерных программ (уровень применения); аргументированностью ответов на конференции (уровень анализа);

4) по оценке разных подходов к проблеме и самооценке в ходе выполнения проектов в составе мини-коллектива, по умению принимать самостоятельные решения и нести ответственность за их реализацию.

Исследование показало, что применение натурно-виртуальных работ преподаватели ТПУ и ряда вузов оценивают как улучшение изучения материала – 60 %, улучшение понимания предмета – 21 %. При этом 19 % респондентов считают, что предлагаемый проектный метод недоступен в силу отсутствия виртуальных работ в рамках единого государственного экзамена по физике в средней школе.

Выводы

Необходимость обеспечения методологически направленного процесса обучения физике студентов технического университета внедренческого типа делает целесообразным и возможным создание универсального стандарта на основе лабораторных работ нового типа.

1. Стандарты для проектно-ориентированной системы обучения физике позволяют формировать умения выявлять проблемные ситуации при решении познавательных задач в виде учебных проектов в условиях самостоятельной и иной учебно-исследовательской деятельности.

2. Сочетание натурного, виртуального эксперимента и моделирования в физическом практикуме является проектной средой и необходимым элементом учебной лаборатории нового поколения по физике.

3. Использование в учебном процессе видеообучающих экспериментов на основе цифровых технологий в качестве стандарта соответствует интерактивному характеру обучения, реализует его индивидуализацию и дифференциацию, позволяет формировать мини-коллективы для самостоятельной работы студентов, объединяет обучение и контроль в единый взаимосвязанный процесс.

Рецензенты:

Никитенков Н.Н., д.ф.-м.н., профессор физико-технического института Томского политехнического университета, г. Томск;

Пичугин В.Ф., д.ф.-м.н., зав. кафедрой теоретической и экспериментальной физики Томского политехнического университета, г. Томск.

Работа поступила в редакцию 07.05.2013.


Библиографическая ссылка

Ларионов В.В., Лидер А.М. СОЗДАНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО СТАНДАРТА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТНО- ОРИЕНТИРОВАННЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ФИЗИКЕ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6-4. – С. 985-989;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31677 (дата обращения: 23.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074