Методическая система формирования обобщенных методов проведения физических экспериментальных исследований у студентов физико-математического направления подготовки

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора педагогических наук

методическая система формирования обобщенных методов проведения физических экспериментальных исследований у студентов физико-математического направления подготовки

13.00.02 -- теория и методика обучения и воспитания

(физика)

Смирнов Владимир Вячеславович

Волгоград - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Астраханский государственный университет»

Научный консультант -- доктор педагогических наук, профессор

Стефанова Галина Павловна,

(ФГБОУ ВПО «Астраханский

государственный университет»).

Официальные оппоненты: Сериков Владислав Владиславович,

засл. деятель науки РФ, чл.-кор. РАО,

доктор педагогических наук,

профессор ФГБОУ ВПО «Волгоградский

государственный социально-педагогический

университет», зав. кафедрой управления

педагогическими системами;

Исаев Дмитрий Аркадьевич,

доктор педагогических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Московский педагогический

государственный университет», декан

факультета физики и информационно-

коммуникационных технологий;

Агибова Ирина Марковна,

доктор педагогических наук, доцент

ФГБОУ ВПО «Ставропольский государст-

венный университет», декан физико-математического факультета.

Ведущая организация -- ФГБОУ ВПО «Уральский государственный

педагогический университет».

Защита состоится 23 мая 2012 г. в 12.00 час. на заседании диссертационного совета ДМ 212.027.04 в Волгоградском государственном социально-педагогическом университете по адресу: 400131, г. Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Волгоградского государственного социально-педагогического университета.

Автореферат разослан 18 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Т.М. Петрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Необходимым условием формирования инновационной экономики России является модернизация системы образования, которая становится основой динамичного экономического роста, социального развития общества, фактором благополучия граждан и безопасности страны. Руководители Российской Федерации неоднократно подчеркивали, что стране нужны активные, конкурентоспособные специалисты -- выпускники вузов, молодые ученые, способные самостоятельно осуществлять исследования поставленных проблем и получать практически значимые результаты. Создаются условия для реализации исследовательской деятельности талантливых молодых людей: организуются технопарки, бизнес-инкубаторы, инновационные центры, научно-технические выставки молодежных проектов (Сколково, Зворыкинский проект, программы «Селигер», «СТАРТ», «У.М.Н.И.К.» и мн. др.).

Вузы всегда были заинтересованы в подготовке выпускников, способных самостоятельно и активно действовать. Овладеть какой-либо деятельностью возможно, только многократно выполнив ее. Именно поэтому в учебные планы российских и зарубежных университетов включены формы занятий, позволяющие формировать у студентов исследовательские качества. К ним можно отнести различные виды лабораторных физических практикумов. Обучение студентов исследовательской деятельности на лабораторных занятиях является проблемой не сегодняшнего дня, она стояла и раньше. Не случайно, начиная с середины XVIII в., в университетах создаются учебные и научные лаборатории, «в которых студенты могли бы после лекций осуществлять экспериментальные физические исследования» Болховитинов В. Александр Григорьевич Столетов. -- М.: Мол. гвардия, 1953. -- С. 196. .

На необходимость организации занятий по исследованию изучаемых студентами физических явлений указывали такие выдающиеся физики, как И.А. Иоффе, П.Л. Капица, Л.Д. Ландау, П.Л. Лебедев, Дж. К. Максвелл, А.Г. Столетов, Н.А. Умов, Р. Фейнман и др. Они считали, что «изучать любое явление в природе (будь то падение тела, разряд в трубке, барометрическое давление) необходимо как экспериментальное физическое исследование, при проведении которого надо с самого начала обращать внимание на методику физических исследований» Капица П.А. Эксперимент. Теория. Практика. -- М.: Наука. -- 1987. -- С. 228--229.. В связи с этим возникает потребность в разработке содержания лабораторных работ практикумов и методики их проведения.

В настоящее время существует большое число учебных пособий, содержащих описание лабораторных работ практикумов в различных российских и зарубежных университетах, изданных под редакцией таких известных авторов, как А.С. Ахматов, К.А. Барсуков, С. Герберт, Е.М. Гершензон, Л.Л. Гольдин, В.И. Иверонова, В.И. Козлов, Н.Н. Малов, А.Н. Мансуров, А. Портис, Г. Роуэл, Ю.И. Уханов и др.

Описания лабораторных работ, представленные в большинстве пособий российских авторов, составлены по единой структурной схеме: 1) название работы; 2) цель работы; 3) приборы и принадлежности; 4) теоретическое введение; 5) описание экспериментальной установки; 6) порядок выполнения работы; 7) измерение и обработка результатов; 8) вопросы и упражнения. Аналогичная структура описания лабораторных работ имеет место и в различных практикумах по электрорадиотехнике, физическим основам информационно-коммуникационных технологий и вычислительной технике, основам автоматики и вычислительной технике, специальных физических практикумах.

В московских инженерно-физическом и физико-техническом университетах (МИФИ и МФТИ) -- вузах, где готовят физиков-исследователей, описание работ в практикумах имеет ту же структуру. Незначительное отличие состоит в том, что после описания установки следуют простые экспериментальные задания, выполнение которых, по мнению авторов, позволит студенту понять особенности исследуемого явления и измерительной аппаратуры, убедиться в ее исправности (Л.Л. Гольдин, Ф.Ф. Игошин, С.М. Козел, В.В. Можаев, Э.А. Нерсесов, В.Д. Попов). Зарубежные практикумы не содержат подробного теоретического введения и инструкций по выполнению исследования.

Методика обучения студентов исследовательской деятельности сложилась и включает следующие этапы проведения занятий в различных лабораторных практикумах: получение допуска к выполнению работы по результатам изучения теоретического материала и описанию готовой экспериментальной установки; выполнение работы по жестко регламентированным указаниям; оформление отчета по работе и защита его у преподавателя для получения зачета. Письменный отчет установленной формы содержит предполагаемый результат измерений, и при допущении студентом не слишком большой погрешности работа считается выполненной и защищенной. Как правило, мотивом выполнения лабораторной работы служит получение зачета. Лабораторный практикум воспринимается студентами как не очень нужный, но предусмотренный учебными планами вид занятий.

В вузах, выпускающих физиков-исследователей, занятия практикума отличаются большей самостоятельностью студентов из-за отсутствия детального описания выполнения эксперимента и готового способа оценки погрешности полученного результата. Однако методика их проведения остается такой же, как и в других университетах.

Аналогично проходят занятия практикумов и в зарубежных вузах. При этом следует отметить, что лабораторные работы практикума по общей физике проводятся фронтально. Все студенты получают одинаковые задания, но каждый выполняет его самостоятельно на своей экспериментальной установке с различными исходными параметрами (университет Кларка, г. Вустер, США; университеты городов Зиген (Германия); Куопио (Финляндия); Кембридж (Великобритания); КНК- колледж, г. Гел (Бельгия).

Таким образом, анализ существующей методики проведения занятий лабораторных практикумов в различных университетах позволил сделать вывод о том, что не всегда эти занятия приводят к желаемому результату -- полноценной подготовке студента к самостоятельному проведению экспериментальных исследований. Поиск путей совершенствования содержания лабораторных практикумов и методики их проведения стал предметом многочисленных диссертационных исследований. Сложилось несколько направлений решения этой проблемы.

Одно из них связано с изменением содержания практикумов. Авторы предлагают уйти от традиционной тематики лабораторных работ, относящихся к конкретным разделам курса физики (механика, молекулярная физика, электричество и магнетизм, оптика и др.) и представить практикум в виде системы экспериментальных или «проблемно-ориентированных» задач (В.И. Барчук, А.А. Лагутина, Л.В. Сухотина, И.И. Хинич и другие). Примером могут служить задачи на применение определенных методов исследования физических явлений -- методы оптической, электронной и зондовой микроскопии. Предварительное знакомство студентов с ними предлагается осуществлять на так называемых «интегративных» лекциях (А.А. Лагутина). Другие задачи связаны с изучением физических свойств новых материалов и структур твердотельной электроники (И.И. Хинич). Третья группа учебных экспериментальных задач направлена на создание условий для усвоения студентами методологических знаний: структуры постановки физического эксперимента, способов логико-математической обработки эмпирических данных (В.И. Барчук, Л.В. Сухотина).

Следующее направление исследований связано с модернизацией практикумов путем внедрения в них новых приборов, устройств и современных методов исследования (К.А. Аржаных, М.В. Горшечников, В.В. Майер, Р.В. Майер, И.А. Осипова, А.А. Селиверстова, В.В. Сперантов, И.И. Хинич и др.).

В качестве отдельного направления можно выделить исследования, связанные с введением в практикумы информационных и коммуникационных технологий (ИКТ): исследование с помощью компьютера моделей объектов, физических явлений и процессов, использование в натурном эксперименте датчиковых систем, осуществление обработки экспериментальных данных (А.В. Говорков, В.В. Горин, О.Е. Данилов, Г.В. Ерофеева, К.А. Коханов, В.В. Ларионов, Ю.В. Федорова, Г.А. Шмелева и др.).

По результатам проведенного анализа можно сделать вывод о том, что большинство исследований направлено на разработку приборов, устройств, программных продуктов, различных экспериментальных задач, т. е. средств, с помощью которых можно обучать студентов исследовательской деятельности. При этом форма организации их работы в практикуме остается неизменной: изучение теоретического материала, готовой экспериментальной установки, выполнения рекомендованных действий.

Впервые изменить содержание и форму обучения будущих учителей физики в лабораторном практикуме предложила С.В. Анофрикова, включив в него формирование отдельных обобщенных действий по созданию экспериментальной установки для воспроизведения любого физического явления, планированию и проведению эксперимента. Обучение такой деятельности позволяет получить, по мнению автора, выпускника, способного действовать в быстро меняющихся условиях развития и обновления школьного физического эксперимента. Объясняется это формированием у обучаемых обобщенного метода выполнения экспериментальной деятельности, обладающего свойством широкого переноса и применимого для воспроизведения любых физических явлений в любых конкретных условиях.

Других исследований, связанных с формированием у студентов обобщенных видов деятельности в физических практикумах, ранее не проводилось.

Для того чтобы установить, позволяет ли сложившаяся система обучения студентов в практикумах сформировать у них способности к экспериментальной исследовательской деятельности, был проведен констатирующий эксперимент, в котором приняли участие 1100 студентов 1-3-х курсов физико-математического, педагогического направлений подготовки, технических специальностей различных вузов (классические, технические, педагогические университеты) городов Астрахани, Москвы, Волгограда, Ростова-на-Дону, Брянска. Студентам, завершившим выполнение физического практикума, было предложено выполнить самостоятельно определенные действия, входящие в содержание экспериментальной исследовательской деятельности: сформулировать цель эксперимента, выделить этапы экспериментального исследования, составить план, аргументировать подбор необходимых приборов и метода обработки результатов. Такие же задания получили студенты, выполнившие конкретную лабораторную работу физического практикума. Результаты эксперимента и наши многолетние наблюдения в процессе преподавания убедительно подтвердили, что студенты затрудняются в формулировании цели экспериментального исследования и конечного продукта экспериментальной деятельности, не осознают необходимости последовательного выполнения ее общих этапов. Они затрудняются в применении теоретических положений физики для оценки параметров экспериментальной установки, приборов, технических устройств; предлагают метод обработки результатов только по инструкции. В итоге многочисленные разнообразные лабораторные работы предстают перед студентами как самостоятельные, не связанные друг с другом типы экспериментальной деятельности, и в результате выполнения большого числа работ практикума студенты не приобретают умения ориентироваться в конкретной ситуации физического экспериментального исследования. Таким образом, при сложившейся системе обучения в практикумах невозможно подготовить студентов, в полной мере способных к самостоятельному проведению физических экспериментальных исследований.

Отсутствие целостной методической системы формирования у студентов обобщенных методов проведения физических экспериментальных исследований -- недостаточность разработки цели, содержания обобщенных методов проведения типовых экспериментальных исследований, организационных форм существующей профессиональной подготовки будущих специалистов -- отражает ряд противоречий между:

-- потребностью общества в специалистах, владеющих исследовательской деятельностью, и невозможностью в полной мере удовлетворить эту потребность при сложившейся системе подготовки, ориентированной на передачу знаний, а не на овладение способами деятельности в обобщенном виде;

-- потенциалом экспериментальной физики, в которой существуют общие типовые цели экспериментальных исследований, и невозможностью его реализации в современных практикумах, содержащих множество конкретных лабораторных работ, цели которых не соответствуют конечным продуктам экспериментальной деятельности физиков;

-- возможностью выявления обобщенного содержания методов экспериментальных исследований на основе анализа описаний экспериментальной деятельности выдающихся ученых и направленностью существующей подготовки на обучение студентов множеству частных приемов выполнения конкретных лабораторных работ;

-- необходимостью организации физического практикума, направленного на формирование у студентов обобщенных методов самостоятельного проведения физических экспериментальных исследований, и отсутствием структуры, содержания, методики и дидактического обеспечения проведения такого практикума в вузе.

Существование названных противоречий обусловливает актуальность исследования, проблемой которого является разработка методической системы подготовки студентов к самостоятельному проведению физических экспериментальных исследований, что и определило выбор темы исследования: «Методическая система формирования обобщенных методов проведения физических экспериментальных исследований у студентов физико-математического направления подготовки».

Объектом исследования является процесс обучения студентов физико-математического направления подготовки проведению экспериментальных физических исследований.

Предметом исследования является методическая система формирования у студентов обобщенных методов проведения физических экспериментальных исследований.

Цель исследования -- разработать и реализовать научные основы методической системы формирования у студентов обобщенных методов проведения физических экспериментальных исследований.

Общая идея, положенная в основу исследования, состоит в возможности выявить типы экспериментальных исследовательских задач, решаемых физиками при выполнении конкретных исследований; разработать обобщенные методы их планирования и проведения и не только обучать студентов частным методам выполнения лабораторных работ в практикуме, но и формировать у них каждый обобщенный метод проведения физического экспериментального исследования выделенного типа как деятельность определенного содержания. Вследствие этого многообразие лабораторных работ можно систематизировать по определенным типам экспериментальных исследований.

Под обобщенным методом будем понимать последовательность логически взаимосвязанных обобщенных действий, выполнение которых приводит к достижению заданной цели. Обобщенное действие -- результат обобщения конечных продуктов выполнения конкретной деятельности. Психологами установлено, что обобщенные методы обладают свойством широкого переноса: их можно использовать при решении большого круга задач не только в рамках одного предмета, но и на занятиях по другим дисциплинам, а также в практической деятельности.

В качестве теоретической основы исследования использованы следующие положения философии и психолого-педагогической теории деятельности:

-- человеческая деятельность -- это активность человека, направленная на создание определенного конечного продукта, достижение познавательной или социально значимой цели;

-- цель только тогда побуждает человека к деятельности, когда она порождается его потребностью;

-- сознательная цель, как закон, определяет способ и характер деятельности человека по ее достижению;

-- в цели указывается образец конечного продукта, на создание которого направлена активность человека;

-- деятельность человека по достижению сознательной цели осуществляется в три этапа. На первом -- ориентировочном (проектировочном) -- этапе человек разрабатывает программу преобразования объекта деятельности в конечный продукт с заданными свойствами, т. е. создает ориентировочную основу деятельности (ООД) по достижению цели. П.Я. Гальперин Гальперин П. Я. О методе поэтапного формирования умственных действий // Теории учения: хрестоматия. Ч. 1. Отечественные теории учения / под ред. Н. Ф. Талызиной, И. А. Володарской. -- М.: Ред.-изд. центр «Помощь», 1996. -- 140 с. выделил три типа ООД и в соответствии с этим три типа учения. Третий тип учения является наиболее эффективным и характеризуется тем, что ориентиры предоставляются субъекту в обобщенном виде, характерном для целого класса явлений. В каждом случае ООД составляется обучающимся самостоятельно с помощью данного ему общего метода. Выработанная таким образом ООД является полной, и, соответственно, деятельность, формируемая по этому типу, отличается быстротой и безошибочностью, характеризуется широкой областью применимости. Это означает, что «присвоенные» человеком обобщенные методы выполнения какой-либо деятельности становятся стилем его мышления и обеспечивают независимость от конкретных условий. На втором -- исполнительном -- этапе человек, действуя с материальными объектами и средствами в соответствии с разработанной программой, создает конечный продукт. На третьем -- контрольном -- этапе человек, используя созданный конечный продукт сообразно заложенным в него свойствам, устанавливает, удовлетворяет ли он ту потребность, ради которой был создан.

Гипотезу исследования составило предположение о том, что подготовка студентов к исследовательской деятельности в практикуме по общей и экспериментальной физике возможна, если:

-- выделить типовые познавательные задачи, вытекающие из сущности физического эксперимента и многократно решаемые физиками-экспериментаторами в процессе исследовательской деятельности;

-- цели лабораторных работ физического практикума представить как типовые познавательные задачи, решаемые экспериментально;

-- разработать методы решения этих задач в обобщенном виде и выделить опорные знания, необходимые для выполнения каждого действия метода;

-- формирование обобщенных умений проведения физических экспериментальных исследований осуществлять в рамках целостной методической системы, включающей целевой, содержательный (разработка структуры учебного процесса, содержания занятий практикума, обеспечивающих формирование обобщенных методов проведения физических экспериментальных исследований у студентов, обучающихся на физико-математическом направлении подготовки) и процессуальный (методы, средства и организационные формы, адекватные целям) компоненты;

-- изменить учебный процесс практикума таким образом, чтобы обобщенные методы решения выделенных типовых экспериментальных познавательных задач стали предметом специального усвоения студентов;

-- разработать методику обучения студентов всем действиям, входящим в содержание обобщенных методов, и методам в целом;

-- разработать необходимое дидактическое обеспечение учебного процесса.

В соответствии с целью и гипотезой были сформулированы задачи исследования:

1. Выявить состояние проблемы подготовки студентов к проведению физических экспериментальных исследований.

2. Выделить типы познавательных задач, многократно решаемых физиками в ходе конкретных экспериментальных исследований.

3. Разработать обобщенные методы решения выделенных типов задач.

4. Выделить опорные знания, необходимые для выполнения каждого действия метода.

5. Научно обосновать и разработать концепцию методической системы формирования у студентов обобщенных методов проведения физических экспериментальных исследований.

6. Разработать модель методической системы формирования у студентов обобщенных методов проведения физических экспериментальных исследований.

7. Разработать методику обучения студентов всем действиям, входящим в содержание обобщенных методов, и методам в целом.

8. Экспериментально проверить эффективность разработанной методической системы.

В качестве методологической основы исследования использовались:

-- результаты психолого-педагогических исследований по теории деятельности (Л.С. Выготский, П.Я. Гальперин, В.В. Давыдов, А.Н. Леонтьев, С.Л. Рубинштейн, Н.Ф. Талызина и др.) и их приложения к содержанию и методике обучения исследовательской деятельности (С.В. Анофрикова, И.А. Крутова, А.В. Усова, Т.Н. Шамало и др.);

-- результаты методических исследований, построенных на основе психологической теории планомерного формирования обобщенных видов деятельности при обучении физике школьников и студентов (Е.Ю. Баркова, Н.И. Одинцова, Л.А. Прояненкова, Г.П. Стефанова, Т.А. Твердохлебова, С.А. Тишкова и др.);

-- идеи целостного подхода к изучению педагогических систем (Ю.К. Бабановский, В. С. Ильин, В. В. Краевский, Н. К. Сергеев, В. В. Сериков, Ю. П. Сокольников, Н. Д. Хмель и др.);

-- труды выдающихся ученых, в которых описаны содержание и результаты деятельности по экспериментальному исследованию физических явлений (А. Беккерель, Р. Бунзен, В. Гильберт, Р. Гук, X.Камерлинг-Оннес,
Ш. Кулон, П. Кюри, П.Н. Лебедев, Г. Ом, Б. Паскаль, В.К. Рентген,
М. Складовская-Кюри, А.Г. Столетов, М. Фарадей, Г.-Хр. Эрстед и др.).

Теоретическую основу исследования составили:

-- система взглядов на содержание практикумов и организацию их проведения в различных российских и зарубежных университетах (А.С. Ахматов, К.А. Барсуков, С. Герберт, Е.М. Гершензон, Л.Л. Гольдин, В.И. Иверонова, В.И. Козлов, Н.Н. Малов, А.Н. Мансуров, Э.А. Нерсесов, В.Д. Попов, А. Портис, Г. Роуэлл, Ю.И. Уханов и др.);

-- результаты диссертационных исследований по совершенствованию содержания лабораторных практикумов по физике и методике их проведения (К.А. Аржаных, В.И. Барчук, А.В. Говорков, В.В. Горин, М.В. Горшечников, О.Е. Данилов, Г.В. Ерофеева, К.А. Коханов, А.А. Лагутина, В.В. Ларионов, В.В. Майер, Р.В. Майер, И.А. Осипова, А.А. Селиверстова, В.В. Сперантов, Л.В. Сухотина, Ю.В. Федорова, И.И. Хинич, Г.А. Шмелева и др.);

-- фундаментальные законы, модели, описывающие физические явления, процессы, и экспериментальные методы их исследования (В. Акоста, Э.Б. Бурсиан, Е.М.Гершензон, Г.А.Зисман, Н.Н.Малов, Д. Орир, И.В. Савельев, Д.В. Сивухин, А.В. Тимофеева, Т.И. Трофимова, Б.М. Яворский и др.).

Методы исследования. Теоретические: анализ философской, естественнонаучной, технической, психолого-педагогической, методической литературы по теме исследования; обобщение, классификация, разработка модели деятельности преподавателя по подготовке учебного процесса для обучения студентов исследовательской экспериментальной деятельности; разработка методики формирования у студентов обобщенных методов проведения физических экспериментальных исследований. Экспериментальные: наблюдение за деятельностью преподавателей университетов по организации и проведению практикумов; беседы с преподавателями и студентами различных университетов; анкетирование, педагогический эксперимент; обработка результатов педагогического эксперимента; личное преподавание.

Экспериментальной базой исследования послужили ГОУ ВПО «Астраханский государственный университет», «Астраханский государственный технический университет», «Астраханский инженерно-строительный институт», «Волжская государственная академия водного транспорта», «Московский институт инженеров транспорта», «Донской государственный технический университет» и «Дагестанский государственный университет». Всего в экспериментальном исследовании приняли участие более 1100 студентов и более 20 преподавателей. Исследование проводилось в течение 7 лет (2004--2011 гг.) и включало в себя три этапа.

На первом этапе (2004--2006 гг.) проведено изучение состояния проблемы исследования в педагогической теории и практике; разработан понятийный аппарат; изучены требования государственных и федеральных образовательных стандартов высшего профессионального образования различных специальностей и направлений подготовки; организован и проведен констатирующий эксперимент; получены результаты, позволившие сформулировать цель и задачи исследования, выдвинуть гипотезу.

На втором этапе (2005--2007 гг.) были сформулированы основные положения концепции методической системы подготовки студентов к самостоятельному проведению физических экспериментальных исследований; выделены типы познавательных исследовательских задач, решаемых экспериментально, и разработаны обобщенные методы их решения; разработана модель процесса обучения студентов обобщенным методам решения познавательных задач различных типов. Осуществлялся поисковый этап педагогического эксперимента, на котором устанавливалась возможность реализации всех этапов, описанных в модели учебного процесса. В итоге была предложена методика формирования у студентов обобщенных методов проведения физических исследований в практикумах по общей и экспериментальной физике, разработан учебно-методический комплекс, включающий в себя учебное пособие «Введение в практикум по общей физике», методические рекомендации для преподавателей вузов и рабочую тетрадь для студентов.

На третьем этапе (2007--2011 гг.) проводился обучающий эксперимент, осуществлялись апробация материалов исследования, срезы знаний и умений студентов, формулировались выводы по итогам опытно-экспериментальной работы и оформлялась диссертационная работа.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Процесс обучения студентов общей физике включает в себя теоретическую и экспериментальную подготовку. Содержание экспериментальной подготовки направлено на овладение студентами методами исследовательской деятельности. Формирование исследовательских качеств в физическом практикуме осуществляется через формирование у студентов обобщенных методов планирования и проведения физических экспериментальных исследований, соответствующих типовым познавательным задачам, выявленным в результате изучения исследовательской деятельности физиков-экспериментаторов.

2. Типовыми познавательными задачами, решаемыми экспериментально, являются задачи, связанные с воспроизведением физического явления, установлением факта зависимости одной физической величины от другой, нахождением значения конкретной физической величины и установлением вида зависимости между физическими величинами. В соответствие им поставлены адекватные познавательные задачи практикума по общей физике, решаемые студентами в ходе его выполнения.

3. Сформулировано понятие обобщенных методов решения выделенных типовых познавательных задач, которые представлены последовательностью взаимосвязанных обобщенных действий, соответствующих логике проведения физических экспериментальных исследований.

4. Методологической основой разработки методической системы обучения студентов исследовательской деятельности является концепция, суть которой состоит в следующем:

-- типовые познавательные задачи, решаемые с применением эксперимента, должны стать целями самостоятельного проведения студентами физических экспериментальных исследований в практикумах по курсу общей физики;

-- в процессе реализации физического практикума студенты должны овладеть обобщенными методами решения типовых познавательных задач и применять их при планировании и проведении конкретных экспериментальных исследований.

5. Подготовка студентов к самостоятельному проведению физических экспериментальных исследований может быть обеспечена при реализации методической системы, включающей в себя следующие компоненты:

? целевой -- студенты, владеющие обобщенными методами экспериментального решения типовых познавательных задач;

? содержательный -- знания о физическом эксперименте, умения ставить и решать типовые экспериментальные задачи, владение творческим опытом, понимание значимости и роли эксперимента в физическом познании. Эти элементы опыта находят отражение в разработанной структуре, состоящей из: 1) введения в практикум по общей физике (специально разработанного курса, предшествующего выполнению работ практикума). Учебный процесс в нем организован так, чтобы студенты во время занятий овладели каждым действием, входящим в содержание обобщенных методов решения познавательных задач, и самими обобщенными методами в целом. Для этого они получают опорные знания и многократно выполняют формируемые действия, применяя их; 2) тематических циклов занятий в практикуме по общей физике, на которых студенты получают конкретные исследовательские задания и самостоятельно разрабатывают принципиальные схемы экспериментальных установок для их выполнения, подбирают оборудование (или изучают имеющееся), составляют программу решения поставленной задачи, реализуют ее и обрабатывают полученные результаты самостоятельно выбранным методом;

? процессуальный -- методика обучения, при которой студенты все действия, входящие в содержание обобщенных методов, а также всю систему действий, составляющих содержание методов, многократно выполняют самостоятельно, и методика организации занятий по самостоятельному проведению студентами конкретных исследований. Обобщение построено на основе сущностных характеристик эксперимента и многократном повторении действий физиков-экспериментаторов; комплекс дидактических средств, обеспечивающих подготовку студентов к самостоятельному планированию и проведению исследований, состоящий из:

-- учебного пособия для студентов «Введение в практикум по общей физике», включающего в себя обоснование опорных знаний, необходимых для правильного однозначного выполнения каждого действия обобщенных методов решения познавательных задач выделенных типов, примеры выполнения действий с опорой на эти знания, справочный материал об экспериментальных средствах, применяемых в физических исследованиях;

-- руководства для преподавателей, включающего в себя информацию об особенностях проведения занятий в курсе «Введение в практикум по общей физике», планировании учебного процесса, возможных вариантах выполнения предлагаемых студентам заданий;

-- рабочей тетради для студентов, включающей в себя систему упражнений, позволяющую в удобном для студента темпе многократно выполнять те или иные действия, входящие в содержание обобщенных методов решения ПЗ, контрольные задания для проверки сформированности действий и методов в целом. Тетрадь составлена так, что позволяет студенту сократить непродуктивные затраты времени на оформление рабочих отчетов, а преподавателю -- на контроль качества работы студента.

Научная новизна результатов исследования.

1. Разработана концепция методической системы формирования у студентов обобщенных методов проведения экспериментальных физических исследований в условиях профессиональной подготовки в вузе, отличительной особенностью которой является выделение указанных методов, включающая следующие основные положения:

-- целью экспериментальной деятельности студентов в физических практикумах должны стать типовые познавательные задачи, выделенные в процессе экспериментальной деятельности физиков-исследователей;

-- в физическом практикуме студенты должны овладеть обобщенными методами экспериментального решения типовых познавательных задач и научиться планировать конкретные физические исследования с опорой на обобщенные методы;

-- для осмысления содержания обобщенных методов решения типовых познавательных задач экспериментально они должны быть выделены самими студентами;

-- содержание обобщенных методов проведения физических экспериментальных исследований, соответствующих выделенным познавательным задачам, обязательно должно стать предметом специального усвоения.

2. Впервые на основе анализа экспериментальной деятельности выдающихся физиков и обобщения полученных ими результатов экспериментов выделены четыре типа познавательных задач, которым в соответствие поставлены адекватные познавательные задачи практикума по общей физике, решаемые студентами в ходе его выполнения.

3. Введено в обращение понятие обобщенных методов решения выделенных типовых познавательных задач.

4. Сконструирована модель методической системы, направленной на достижение цели по формированию у студентов обобщенных методов самостоятельного планирования и проведения физических экспериментальных исследований. Ее отличительной особенностью является изменение существующей в университетах структуры физического практикума. Предлагаемая система организации учебного процесса в физическом практикуме по курсу общей физики состоит из двух частей: 1) специальные занятия по формированию обобщенных методов решения познавательных задач выделенных типов, а также обобщенных методов обработки результатов эксперимента; 2) цикл занятий по самостоятельному применению обобщенных методов для планирования и проведения конкретных физических исследований.

В содержание первой части практикума включены выделенные типы познавательных задач, обобщенные методы их решения, опорные знания для выполнения каждого действия метода. Содержанием второй части практикума являются конкретные формулировки целей физических экспериментальных исследований.

Для того чтобы обобщенные методы проведения физических экспериментальных исследований были «присвоены» студентами, необходимы специальные дидактические средства. Для реализации первой части практикума были разработаны задания, позволяющие сформировать у студентов каждое действие обобщенных методов и методов в целом. Для организации самостоятельной экспериментальной деятельности студентов были разработаны задания в виде формулировок познавательных задач различных типов.

Методика формирования у студентов обобщенных методов основана на многократном выполнении отдельных действий, входящих в их содержание, а также всей системы действий, составляющих содержание методов.

Контроль осуществляется за выполнением каждого действия. При организации второй части практикума создаются условия для самостоятельного проведения физических экспериментальных исследований с опорой на обобщенные методы. Контролируется деятельность студентов по конечному результату.

5. Условиями, необходимыми для реализации предлагаемой модели в различных вузах, является специальное обучение преподавателей обобщенным методам решения познавательных задач выделенных типов, методике организации исследовательской деятельности студентов в практикумах и наличие разработанного учебно-методического обеспечения учебного процесса.

Теоретическая значимость проведенного исследования заключается в том, что его результаты вносят вклад в теорию и методику обучения физике (уровень высшего профессионального образования) за счет разработки целостной методической системы формирования у студентов обобщенных методов самостоятельного проведения физических экспериментальных исследований. Результаты исследования конкретизируют положения деятельностной теории обучения обобщенным приемам познавательной деятельности применительно к формированию у студентов вузов обобщенных методов решения типовых познавательных задач; раскрывают содержание экспериментальной исследовательской деятельности студентов при выполнении работ практикума по общей физике через включение их в экспериментальное решение познавательных задач выделенных типов. Полученные результаты могут служить теоретической основой разработки методик обучения исследовательской деятельности студентов других направлений подготовки.

Практическая ценность результатов исследования состоит в том, что выделенные типы познавательных задач, разработанные методы их решения, опорные знания для выполнения всех действий методов, методика организации деятельности студентов в практикумах, методическое обеспечение, входящие в модель учебного процесса, позволяют любому преподавателю вуза после соответствующей подготовки успешно формировать у студентов умения самостоятельно планировать и проводить конкретное экспериментальное физическое исследование. Методическое обеспечение данной модели учебного процесса представлено в виде:

-- учебно-методического комплекса для организации проведения занятий лабораторного практикума по курсу общей физики;

-- учебно-методических пособий по специальным физическим практикумам, рекомендованных УМО и НМC по физике к внедрению в учебный процесс вузов;

-- виртуальными лабораторными практикумами по общей физике и общетехническим дисциплинам.

Апробация результатов исследования осуществлялась через:

-- участие в международных школах-семинарах «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2000--2009), II Международной научно-методической конференции «Новые технологии в преподавании физики: школа и вуз» (Москва, 2000), международных конференциях «Нелинейный мир. Образование. Экология. Экономика. Информатика» (Астрахань, 2003), «Физика в системе современного образования» (Ярославль, 2001, С.-Петербург, 2005, 2007, 2009; Волгоград, 2011), «Современный физический практикум» (С.-Петербург, 2002; Волгоград, 2006; Астрахань, 2008), международных научно-методических конференциях преподавателей вузов, ученых и специалистов «Высокие технологии в педагогическом процессе» (Н. Новгород, 2004--2006), международных научных конференциях «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» (Москва, 2006--2008, 2011), Международном семинаре «Выездная секция по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах» (Астрахань, 2003), международных научно-практических конференциях «Стратегия и тактика социально-экономического развития общества» (Астрахань, 2004), «Инновационные технологии и средства обучения физике, химии, биологии» (Астрахань, 2007), «Информатизация образования» (Калуга, 2007; Славянск-на-Кубани, 2008); Международной заочной научно-методической конференции «Высшее профессиональное образование: современные тенденции, проблемы перспективы» (Саратов, 2010) и других; участие в совместных заседаниях Секции «Физика в педагогических вузах» НМС по физике Министерства образования и науки РФ (5--6 окт. 2006 г., г. Астрахань) и Учебно-методических комиссий по физике УМО по специальностям и УМО по направлениям педагогического образования (10--11 нояб. 2009 г., г. Астрахань); участие в конференциях, проводившихся в 2000--2011 гг. Астраханским государственным университетом и Астраханским областным институтом усовершенствования учителей, на кафедрах общей физики, теоретической физики и методики преподавания физики, на кафедре машин и аппаратов сварочного производства Донского государственного технического университета;

-- публикацию материалов исследования в различных научных, научно-методических изданиях, периодической печати (всего опубликовано более 100 работ общим объемом 108,1 п.л., из них авторских -- 70,4 п.л., в том числе 2 монографии, 12 учебно-методических пособий (5 с грифом НМС по физике для специальности 510400 «Физика»), 18 свидетельств о регистрации интеллектуальной собственности, 21 статья в изданиях, рекомендованных ВАК РФ);

-- вовлечение преподавателей в научно-методический семинар физических кафедр Астраханского государственного университета;

-- использование разработанных в исследовании теоретических положений в кандидатских диссертациях, выполняемых под руководством диссертанта (2 работы находятся в стадии завершения).

Внедрение результатов исследования в практику профессиональной подготовки будущих специалистов осуществлялось в процессе:

-- разработки и реализации опытно-экспериментальных моделей профессиональной подготовки на кафедрах общей физики Астраханского государственного университета (2005--2011 гг.), кафедрах физики и химии Московского института инженеров транспорта (Астраханский филиал, 2005--2011 гг.), кафедрах машиностроения и автоматизации сварочного производства Донского государственного технического университета (2007--2009 гг.);

-- разработки и реализации программ учебных курсов («Введение в практикум по общей физике», «Физические основы оптико-электронных измерений», «Лабораторный практикум. Физика атомов и атомных явлений», «Оптико-электронные измерения: лабораторный практикум», «Электрические и магнитные измерения»); виртуальных физических практикумов для дистанционного образования и рекомендаций по их изучению для студентов и магистрантов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 342 с. Работа включает 78 таблиц, 36 рисунков. Список литературы содержит 265 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении аргументирована актуальность исследования; описан его методологический аппарат (объект, предмет, теоретические основы, гипотеза, цель, задачи и методы исследования); выявлены новизна, теоретическая и практическая значимость исследования; сформулированы положения, выносимые на защиту; приведены сведения о результатах констатирующего эксперимента и об апробации результатов диссертационного исследования.

В первой главе «Состояние проблемы подготовки студентов к проведению экспериментальных физических исследований» представлены результаты анализа содержания лабораторных практикумов по общей физике и состояния подготовки выпускников вузов к самостоятельному проведению экспериментальных физических исследований.

Анализ перечня направлений подготовки студентов в вузах РФ и специальностей, а также государственных и федеральных образовательных стандартов высшего профессионального образования (ГОС ВПО, ФГОС ВПО) позволил установить, что в 24 из 28 укрупненных групп направлений подготовки (например, «Физико-математические науки», «Естественные науки» и др.) физика является обязательным учебным предметом. В учебных планах университетов, где студенты изучают курс общей и экспериментальной физики, на его освоение отводится в среднем около 20% от всего объема учебного времени; в учебных планах зарубежных вузов при подготовке бакалавров физики на данный курс выделено 12% от всего времени обучения.

Фундаментальные исследования в области методологии и философии познания эксперименту отводят особую роль. Он служит и критерием истины, подтверждая или опровергая разработанные теории, и источником возникновения новых представлений об окружающей нас действительности. Эти положения находят отражение и в постнеклассической парадигме образования, предполагающей формирование человека умеющего, а не только знающего.

Единственной формой занятий, позволяющей обучить студентов проведению экспериментальных исследований, является физический практикум, поэтому в учебных планах многих специальностей и направлений подготовки лабораторные работы физического практикума составляют треть учебного времени, отводимого на изучение курса физики.

Для организации и проведения занятий в практикумах российских и зарубежных университетов разработаны учебные пособия для студентов, содержащие описания лабораторных работ. Анализ этих публикаций, сайтов российских и зарубежных университетов позволил установить, что методы планирования и проведения экспериментальных исследований не являются предметом специального усвоения студентами.

В пособиях, как правило, формулируются названия лабораторных работ, а не цели экспериментальных исследований; перечисляются приборы и материалы, используемые в работе; приводится теоретический материал, зачастую опережающий лекционный курс; даются схемы экспериментальных установок; приводится перечень действий студентов для выполнения и получения требуемого результата.

Методика организации занятий во всех практикумах фактически одинакова: осуществление преподавателем допуска студентов к выполнению работы, проведение эксперимента по готовой инструкции на собранной экспериментальной установке, отчет студента о проделанной работе и получение зачета.

Для установления возможности при существующей организации занятий в лабораторном практикуме по общей физике и его методическом обеспечении подготовить студентов к самостоятельному проведению экспериментальных исследований был проведен констатирующий эксперимент, в котором участвовали 1100 студентов, обучающихся на 2--4-м курсах по специальностям «Физика», «Прикладная математика», «Информатика», «Оборудование и технология сварочного производства» (Астраханский государственный университет), «Радиофизика» (Московский инженерно-физический институт), «Прикладная математика и информатика» (Волгоградский государственный педагогический университет), «Эксплуатация электрооборудования и автоматики судов» (Астраханский государственный технический университет). Его целью была проверка умений студентов формулировать цель эксперимента; разрабатывать идею эксперимента и принципиальную схему экспериментальной установки (ЭУ), необходимой для его реализации; составлять план проведения экспериментального исследования; обрабатывать полученные результаты.

Было установлено, что сформулировать цель исследования могут 9% (99 человек из 1100 опрошенных) респондентов, разработать идею эксперимента и принципиальную схему экспериментальной установки по имеющемуся теоретическому описанию -- 5% (55 человек), составлять план проведения экспериментального исследования -- 15% (165 человек), обрабатывать полученные результаты -- 41% (451 человек). Выявлены следующие недостатки содержания и методики проведения физических практикумов:

-- отсутствие в формулировках целей лабораторных работ указаний на конечный продукт экспериментальной деятельности, который не может быть выражен словами «изучить … (указывается конкретный прибор)», «проверить закон … (называется конкретный закон)»;

-- схема экспериментальной установки, программа проведения лабораторной работы, таблица, в которой фиксируются результаты измерений, расчетная формула для вычисления искомой физической величины, методы подсчета погрешностей измерений и вычислений даются студентам в готовом виде;

-- содержание практикумов профессионально не ориентировано: все практикумы по курсу общей и экспериментальной физики одинаковы для подготовки разных специалистов, их отличие состоит лишь в объеме учебного времени, отводимого на выполнение лабораторных работ, и числа этих работ.

В итоге сделан вывод, что существующая организация занятий в практикумах по общей физике и его методическое обеспечение не создают у студентов потребности в овладении исследовательскими экспериментальными умениями -- способностью самостоятельно в ходе экспериментальной деятельности выполнять умственные и практические действия, соответствующие научно-исследовательской деятельности и подчиняющиеся логике научного исследования (Е.С. Кодикова), и не позволяют в полной мере подготовить студентов к самостоятельному проведению экспериментальных исследований.

Во второй главе «Концепция методической системы формирования у студентов обобщенных методов проведения физических экспериментальных исследований» представлены обоснование концепции, ее основные положения и модель методической системы обучения студентов самостоятельному проведению физических экспериментальных исследований. Концепция создается с целью построения модели методической системы обучения студентов и изменения на ее основе целевых, содержательных, процессуальных компонентов их подготовки к самостоятельному проведению физических экспериментальных исследований.

Концепция направлена на изменение сложившихся подходов в структуре учебного процесса, содержании занятий и методике обучения студентов в физических практикумах университетов.

Обоснованием концепции являются фундаментальные представления о сущности физического познания, роли эксперимента в создании теорий и моделей окружающей действительности, изложенные в трудах Ф. Бекона, Н. Винера, В. Гейзенберга, Я.Б. Зельдовича, П.Л. Капицы, П.Е. Сивоконь, И.Е. Тамма, А. Эйнштейна и др., а также закономерности психолого-педагогической теории деятельности, открытые и сформулированные Л.С. Выготским, П.Я. Гальпериным, А.Н. Леонтьевым, С.Л. Рубинштейном и получившие дальнейшее развитие в трудах Н.Ф. Талызиной, З.А. Решетовой, И.А. Володарской, В.В. Давыдова, И.И. Ильясова, Д.Б. Эльконина и др.

Основные положения концепции следующие:

1) Цель подготовки студентов к самостоятельному проведению экспериментальных физических исследований -- студент, владеющий обобщенными методами решения задач, многократно возникающих перед физиками-экспериментаторами.

2) Для достижения цели необходимо так организовать учебный процесс, чтобы знания, опорные для выполнения действий, входящих в содержание обобщенных методов решения, и сами эти методы стали предметом специального усвоения студентами, что позволит подготовить их к будущей профессиональной деятельности.

3) Подготовка студентов к самостоятельным исследованиям должна осуществляться на специально выделенных для этой цели занятиях по общей и экспериментальной физике, которые будут иметь специфическое содержание, методику и дидактическое обеспечение.

4) Учебный процесс должен строиться так, чтобы у студентов возникла потребность в самостоятельном проведении экспериментальных физических исследований.

5) Овладение обобщенными методами самостоятельного проведения экспериментальных физических исследований предполагает, что выделить их должны сами студенты.