Рис. 6. Структура модели учебного процесса по обучению студентов обобщенным методам проведения физических экспериментальных исследований

При выполнении лабораторных работ в других практикумах целесообразно учитывать новые качества студентов и изменять инструкции к лабораторным работам, заменив подробные указания формулировкой целей экспериментальных исследований и предоставив студентам самостоятельно разрабатывать пути их достижения. Структура модели учебного процесса по подготовке студентов, способных самостоятельно проводить физические экспериментальные исследования, представлена на рис. 6.

Новое содержание занятий в практикуме по общей физике диктует и новую методику обучения, особенность которой в первом и втором семестрах состоит в том, что студенты во время занятия самостоятельно прорабатывают параграф учебного пособия «Введение в практикум по общей физике», в котором изложены опорные знания для правильного выполнения определенного действия, и многократно тренируются в выполнении этого действия (деятельности) на определенных заданиях.

Роль преподавателя заключается в направлении работы студентов, их консультировании по мере необходимости. Каждое занятие должно быть обеспечено учебной и справочной литературой по физике в достаточном количестве. Каждый вид деятельности (действие) студенты должны освоить за одно занятие и получить зачет. Это -- обязательное условие допуска студента к следующему занятию, так как овладение каждым последующим действием (деятельностью) предполагает обязательное овладение предыдущим. Примерно половина занятий в каждом из этих семестров проводится без использования оборудования, т. е. теоретически (на этих занятиях формируются виды деятельности, осуществляемые при подготовке исследования и обработке его результатов). После овладения обобщенными методами решения типовых экспериментальных задач студенты могут работать по графику. Особенность методики проведения этих занятий состоит в том, что студенты получают только формулировку цели исследования и в домашних условиях разрабатывают принципиальные схемы ЭУ. Это является допуском к работе. Во время занятия студенты должны соотнести предложенную им ЭУ с одной из разработанных принципиальных схем, выделить элементы этой установки, составить программу исследования, выполнить его и обработать полученные результаты осознанно выбранным методом оценки. Отчет о проведенном исследовании должен соответствовать системе действий, составленной студентом в виде программы исследования.

Для многократного выполнения студентами каждого формируемого действия необходимо подготовить специальные задания в виде сформулированной цели и набора из 8--10 ситуаций. Так, при формировании действий по обработке результатов измерений в рабочей тетради студентам предлагаются задания следующих видов (приведены фрагменты заданий):

1. Запишите исправленное значение физической величины и укажите поправку в следующих ситуациях:

1. Шкала термометра оказалась плохо скрепленной с капилляром, в результате чего она опустилась на два деления по сравнению с нормальным положением. Цена деления шкалы термометра -- 2 град/дел. Столбик ртути опущенного в воду термометра остановился напротив отметки, соответствующей 18 °С.

2. Деревянная ученическая линейка начинается не с нулевой отметки. Перед ней имеется еще пять миллиметровых делений. Ученик, измеряя длину карандаша, приложил его к началу линейки. Измерения дали 152 мм.

3. Стрелка вольтметра, рассчитанного на 25 В и содержащего 75 делений, оказалась сбитой вправо на 1,5 деления. Показания вольтметра -- 17,2 В.

4. Цена деления экрана осциллографа -- 5 В/дел. Измерения с использованием закрытого входа (прибор фиксирует только постоянную составляющую напряжения) показали отклонение луча на половину деления в положительную сторону. Измерения переменного напряжения (открытый вход) дали значение амплитуды отрицательной полуволны 15 В.

5. Измерительная термопара содержит два спая - один нулевой, находящийся при температуре таящего льда, другой контролирует измеряемую температуру. Льда не оказалось, нулевой спай находится при комнатной температуре 18С.

2. Укажите ошибки, допущенные экспериментатором при вычислении случайной погрешности и в методике проведения эксперимента в указанных ниже ситуациях:

1. Для нахождения индуктивности катушки школьного трансформатора ученик собрал схему, состоящую из катушки, амперметра и вольтметра, и включил ее в цепь переменного тока. В ходе выполнения измерений он заметил, что ток в цепи уменьшается при сохранении неизменным приложенного напряжения. Он провел пять измерений, нашел среднее арифметическое полученных результатов. Среднюю абсолютную погрешность увеличил в три раза и полученный результат принял за случайную погрешность измерения.

2. Ученик с помощью динамометра пять раз измерил силу трения при движении бруска по наклонной плоскости, каждый раз меняя значение приложенной силы. Затем он нашел среднее арифметическое полученных результатов и их отклонения от среднего, среднюю абсолютную погрешность увеличил в три раза и полученный результат принял за случайную погрешность измерения.

При формировании некоторых действий студентам предлагается работать по учебным картам, в которых указаны действия и ориентиры для их безошибочного выполнения. Общее представление об организации деятельности студентов при обучении самостоятельному проведению экспериментальных физических исследований можно получить из табл. 4.

В пятой главе «Педагогический эксперимент» описаны организации педагогического эксперимента и анализ результатов экспериментальной работы по проблеме исследования. Эксперимент осуществлялся в три этапа: констатирующий, поисковый и обучающий. Цели каждого этапа, число участников приведены в табл. 5.

Таблица 5

Организация педагогического эксперимента

Примечания:

1 Студенты, обучающиеся 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).

2 Студенты, обучающиеся на 1--3-м курсах по специальностям «Физика», «Прикладная математика», «Информатика», «Оборудование и технология сварочного производства» (Астраханский государственный университет, Донской государственный технический университет), «Эксплуатация электрооборудования и автоматики судов» (Астраханский государственный технический университет); студенты 2-го курса инженерно-технических специальностей (Московский институт инженеров транспорта); студенты 1--2-го курсов, обучающиеся по специальности «Промышленное и гражданское строительство» (Астраханский инженерно-строительный институт).

3 Преподаватели кафедр общей физики, теоретической физики и методики преподавания физики АГУ, физики АГТУ, физики и химии МИИТ, физики АИСИ, машиностроения и автоматизации сварочного производства ДонГТУ.

В ходе обучения студентов контролировались: 1) сформированность всех действий, входящих в обобщенные методы экспериментального решения познавательных задач; 2) умение самостоятельно планировать и проводить конкретные исследования. Для проверки сформированности у студентов действий обобщенных методов предлагались задания, целью которых было обязательное фиксирование выполняемых действий. При этом студентам предлагались физические явления, которые не изучаются в практикуме по общей физике. Например: 1) «Воспроизведите физическое явление кавитации. Укажите последовательность ваших действий»; 2) «Проведите исследование по установлению факта зависимости проводимости полупроводникового образца от приложенного к нему механического напряжения. Укажите последовательность выполняемых вами действий»; 3) «Проведите исследование по нахождению значения гравитационной постоянной. Укажите действия метода исследования»; 4) «Экспериментально установите вид зависимости напряжения электрического пробоя воздуха от температуры. Укажите последовательность ваших действий». От студента требовалось спланировать и зафиксировать действия по проведению исследования.

Для выяснения соответствия представленного конкретного плана проведения исследований обобщенным методом решения задачи данного типа в выполненных работах проверялось наличие каждого действия, входящего в обобщенный метод. Это позволило установить, опираются ли обучаемые на усвоенные ими обобщенные методы при планировании своих действий по решению конкретной задачи. Полученные результаты представлены на рис. 7. Диаграмма построена на основании анализа ответов 223 студентов.

Для того чтобы выяснить подготовленность студентов к самостоятельному проведению любых экспериментальных исследований (т. е. решена ли цель проведенного исследования), на третьем этапе обучения им предлагались задания вида «Воспроизвести явление магнитострикции для стального стержня», «Найти значение удельного вращения плоскости поляризации в магнитном поле для Bi-содержащей монокристаллической пленки феррит-граната», «Установить вид зависимости механического гистерезиса упругих свойств твердого тела от геометрических размеров образца». На четвертом этапе задания были профессионально-ориентированными, связанными с изучаемыми дисциплинами, но в соответствующих практикумах они не встречались (рис. 7).

Некоторые из предложенных задач стали темами выпускных квалификационных работ, были реализованы в виде действующих экспериментальных установок, получили детальную разработку в конкурсных проектах (У.М.Н.И.К., СТАРТ и др.) различных уровней. Например, разработаны: устройство для демонстрации преобразования аналогового сигнала в цифровой и влияния на форму сигнала времени квантования и дискретизации (получен патент); стенд, состоящий из девяти установок для установления вида зависимости состояния выходов логических схем от сигналов, поданных на их входы (свидетельство о регистрации интеллектуальной собственности); установки для изучения вида зависимости плотности жидкостей от температуры, частоты колебаний струны от ее геометрических параметров, силы натяжения и материала и др. Способность применять сформированные обобщенные методы проведения исследований была подтверждена на широком круге профессиональных дисциплин у студентов, обучающихся по различным направлениям.

Условные обозначения:

Рис. 7. Результаты сформированности действий, входящих в обобщенные методы решения познавательных задач различных типов

При разработке оценочных критериев и показателей в качестве основы была использована методика пооперационного и поэлементного анализа А.В. Усовой. Оценивались: а) коэффициент сформированности умений Кс = n/N , где n -- число верно выполненных действий в алгоритме деятельности, N -- число всех действий при индивидуальной оценке студента; б) коэффициент овладения деятельностью Ко = Т/Т1 , где Т1 -- время, затраченное студентом, Т -- время, затраченное специалистом на выполнение деятельности (под специалистом в данном случае понимается преподаватель, ведущий занятия); в) коэффициент овладения деятельностью КТ = a/b , где а -- число верно выполненных заданий теста, b -- число всех заданий теста. Коэффициенты Ко и КТ схожи между собой, но используются для оценки результативности различных видов деятельности. Значение коэффициентов 0,91--1 считалось оптимальным; 0,81--0,9 -- достаточным.

Результаты выполнения всех предложенных заданий показали, что были достигнуты оптимальные значения коэффициентов усвоения.

Для оценки динамики формирования обобщенных методов самостоятельного проведения экспериментальных исследований у студентов сравнивались биноминальные распределения в трех генеральных совокупностях: после двух, четырех и пяти семестров обучения (для бакалавра физики). В качестве оценок вероятностей успешного освоения материала берутся доли студентов, правильно решивших задание. Проверяется гипотеза при альтернативной гипотезе . Выборочное значение критической статистики вычисляется по формуле

.

Используется односторонний критерий. Критические точки определяются по правилу

,

Где Ф(х) -- функция Лапласа, б -- выбранный уровень значимости. По таблице критических точек находим, что при б = 0,05 значение , а при б =0,01 значение . В табл. 6 приведены выборочные значения критической статистики.

Таблица 6

Выборочные значения критической статистики оценки сформированности обобщенных методов проведения экспериментальных исследований

Из таблицы видно, что при переходе от второго к четвертому семестру вероятности усвоения обобщенных методов решения всех задач значительно возрастают. При переходе от четвертого семестра к пятому вероятности успешного усвоения практически не меняются. Это свидетельствует об устойчивости достигнутого успеха. Можно считать, что формирование обобщенных методов происходит после полутора -- двух лет обучения.

Исходя из результатов педагогического эксперимента, можно утверждать, что предложенная концепция и модель учебного процесса позволяют подготовить студентов к самостоятельному проведению любых экспериментальных исследований.

Основные выводы и результаты диссертационного исследования

Итогом проведенного исследования является концепция методической системы формирования у студентов обобщенных методов проведения исследований, соответствующих типовым познавательным задачам, решаемым экспериментально.

1. Проанализировано состояние проблемы обучения студентов методам проведения экспериментальных исследований. Установлена необходимость формирования у студентов обобщенных методов проведения любых экспериментальных исследований, что сделает выпускников университетов независимыми от конкретных условий будущей профессиональной деятельности.

2. В результате изучения и анализа работ физиков-экспериментаторов выделены цели их экспериментальной деятельности, которые обобщены в познавательные задачи следующих типов: воспроизведение физического явления (ПЗ№1); установление факта зависимости одной физической величины от другой (ПЗ№2); нахождение значения физической величины (ПЗ№3); установление вида зависимости одной физической величины от другой (ПЗ№4).

3. Выявлено содержание обобщенных методов решения выделенных типовых познавательных задач и установлена логическая последовательность их применения для проведения экспериментальных исследований.

4. Разработана методическая система формирования у студентов университетов обобщенных методов проведения физических экспериментальных исследований.

5. Предложена модель учебного процесса по реализации разработанной концепции, изменяющей структуру практикума по общей физике. Доказана необходимость проведения вводного цикла занятий по формированию у студентов обобщенных методов решения типовых экспериментальных задач.

6. Разработана методика освоения обобщенных методов проведения исследований, соответствующих выделенным типовым познавательным задачам, которая обеспечивает формирование каждого действия метода; формирование обобщенных методов в целом и применение их для проведения конкретных экспериментальных исследований при изучении различных разделов курса общей физики; успешное применение студентами обобщенных методов при самостоятельном планировании и проведении конкретных экспериментальных исследований в различных лабораторных практикумах по электрорадиотехнике, основам автоматики и вычислительной техники, специальным физическим практикумам.

7. Разработан учебно-методический комплекс, включающий в себя учебное пособие, рабочую тетрадь для студентов, методические указания для преподавателей. Применение учебно-методического комплекса позволяет получить запланированный результат обучения.

8. Результаты педагогического эксперимента подтвердили гипотезу исследования. Студенты способны самостоятельно проектировать и создавать экспериментальные установки для воспроизведения любых физических явлений. Некоторые из студентов достигают такого уровня применения обобщенных методов, что могут разрабатывать оригинальные экспериментальные установки, не описанные в имеющихся практикумах. Большинство студентов способны переносить сформированные обобщенные методы с учебной деятельности на выполнение научно-исследовательских работ при дипломном проектировании, подготовке магистерских диссертаций и разработке проектов для участия в конкурсах и грантах. Преподаватели вузов после специального обучения могут успешно реализовать учебный процесс по формированию у студентов обобщенных методов экспериментальных исследований, соответствующих выделенным типовым познавательным задачам.

Основные результаты диссертационного исследования отражены в следующих публикациях автора

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Смирнов, В.В. Использование стандартных программных пакетов для реализации университетских лабораторных практикумов / В.В. Смирнов // Педагогическая информатика. -- 2005. -- № 5. -- С. 110--118 (0,5 п. л.).

2. Смирнов, В.В. Содержание деятельности по формированию у студентов университетов системы знаний о физических принципах работы компьютера / О.М. Алыкова, В.В. Смирнов // Физическое образование в вузах. -- 2006. -- Т. 12. № 4. -- С. 12--25 (авт. -- 0,45 п. л.).

3. Смирнов, В.В. Содержание, организация и принципы построения лабораторного практикума по общей физике в университетах / В.В. Смирнов // Физическое образование в вузах. -- 2007. -- Т. 13. № 2. -- С. 58--69 (0,8 п. л.).

4. Смирнов, В.В. Учителю о подготовке физического эксперимента / В.В. Смирнов // Физика в школе. -- 2007. -- № 7. -- С. 61--69 (0,5 п. л.).

5. Смирнов, В.В. Использование сочетания натурного и виртуального экспериментов при формировании экспериментальных умений у студентов в физическом вузе / В.В. Смирнов // Физическое образование в вузах. -- 2008. -- Т. 14. № 4. -- С. 113--128 (1 п. л.).