Теоретические основы фундаментальной естественно-научной подготовки студентов технического вуза в условиях использования информационных технологий

Актуальность исследования. Во всём мире идёт поиск новых систем образования, более демократичных, диверсифицированных и результативных с позиций интересов общества. Стремление преодолеть в образовании культурную замкнутость и профессиональную ограниченность, ориентация на широко образованную и гармоничную личность характерны для всего мирового сообщества. Демократизация российского общества, реформирование и перевод народного хозяйства в рыночные отношения также изменили цели и задачи профессиональной подготовки студентов. Внедрение достижений науки и техники в производство и новые технологии обусловливают необходимость в личности высоко интеллектуальной, способной адаптироваться к изменяющимся условиям жизни и профессиональной деятельности.

В России на фоне глубоких социальных перемен с начала девяностых годов система образования находится в стадии реформирования. Необходимость реформ вызвана, в частности, тем, что в высшей школе по целому ряду направлений образовался существенный разрыв между глобальными потребностями общества и результатами образования: между объективными требованиями времени и общим недостаточным уровнем образованностимежду профессиональной ориентацией и потребностью личности в гармоническом удовлетворении разнообразных познавательных интересовмежду современными методологическими подходами к развитым наукам и архаическим стилем их преподавания.

Попытки модернизации высшего образования у нас неоднократно предпринимались в шестидесятые, восьмидесятые годы. Однако они не привели к серьезному успеху, поскольку не затрагивали концептуальных основ системы образования. Все это привело в последние годы к кристаллизации новой образовательной парадигмы, в рамках которой происходит пересмотр ориентиров и приоритетов: с примата прагматических знаний на развитие общей культуры и научных форм мышленияс исторического контекста становления научного знания на современные представления о структуре и целостном содержании системы наук. Современная реформа образования в России характеризуется процессом изменения приоритетов государственной политики и ориентацией на обеспечение непрерывности образования, его фундамента-лизацию. Особенностью происходящего в мире знаний является изменение ценностных ориентиров. Новым является заказ на активное мировоззрение, так как затребованная деятельность связана с применением профессионального знания к другим областям и на этом основании с его развитием. Несмотря на переживаемый нашей общественной системой кризис, потребность в образовании продолжает увеличиваться. Очевидна острая необходимость постоянного переучивания и повышения квалификации кадров, оперативного и интенсивного освоения новых видов деятельности и в связи с этим необходимость повышения эффективности и качества обучения в системе профессионального образования.

Известный ученый и педагог, академик П. Л. Капица утверждал: «.задача, поставленная перед образованием, заключается не только в том, чтобы давать человеку всесторонние знания, необходимые для того, чтобы стать полноценным гражданином, но и развивать в нем самостоятельность мышления, необходимое для развития творческого восприятия окружающего мира» [160, с. 245].

Сегодня в высшей школе происходит поиск путей перехода к новой образовательной парадигме. Речь идёт о достижении принципиально новых целей высшего образования, состоящих в достижении нового уровня образованности отдельной личности и общества в целом. Однако, структура курса физики не подвергалась пересмотру, по крайней мере, в течение последних пятидесяти лет, сводясь к последовательности традиционных разделов «Механика». «Молекулярная физика», «Электромагнетизм» и т. д. Она лишь аддитивно дополнялась по мере возникновения новых научных результатов. Так появились разделы «Ядерная физика», «Элементарные частицы» и др. Кроме того, в этих условиях количество часов на изучение курса непрерывно и неоправданно сокращалось, что превратилось уже в серьезную угрозу фундаментальности высшего технического образования. Методология естествознания привлекалась только на уровне онтологии, лишь для интерпретации конкретных результатов.

В этой связи E.JI. Белкин, A.A. Бондарева, В. Д. Горский, A.JT. Денисова, Д. В. Кузнецова, A.B. Романов исследовали вопросы целенаправленного и эффективного формирования у обучаемых творческого мышления, как необходимого компонента личностной характеристики специалиста, позволяющей им оптимально решать профессиональные задачи в условиях современной информационной среды.

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

В работах В. М. Блинова, П. Я. Гальперина, В. Ф. Лысова, В. В. Майера, A.B. Машукова с сотрудниками, Н. Я. Молоткова, Б. Н. Мухаметовой, Е. Б. Петровой, В. В. Светозарова, Ю. В. Светозарова, А. М. Толстика, М. Ф. Щанова исследовались вопросы формирования исследовательских умений и навыков в условиях современного лабораторного практикума по физике. С этой же целью в течение более 10 лет коллектив сотрудников ВГТУ принимает активное участие в международных конференциях, посвященных современному физическому эксперименту, проведение которых регулярно организует московское физическое общество.

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. Кроме того, методологический компонент учебных знаний представлен неадекватно его роли в науке.

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.

Конструктивным шагом на пути модернизации образования и приведения его в соответствие с перспективными интересами развития человека и человечества явилась новая образовательная парадигма, которая сформировалась в течение 1990;1994 годов коллективом исследователей (О.Н. Голубе-ва, А. Д. Суханов, E.H. Князева, С. П. Курдюмов и др.).

Важнейшим компонентом новой образовательной парадигмы является концепция фундаментализации, которая призвана 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. Однако, если рассмотреть программы, цели и содержание обучения дисциплинам естественно-научного цикла, по которым реализуется естественно-научная подготовка, то следует отметить в плане формирования мышления специалиста высокую степень их суверенизации: математика формирует математическое мышление, физика — физическое и т. д. Аналогичным образом строится и программа по философии естествознания для аспирантов. В результате, знания и умения, полученные в рамках одной дисциплины, с трудом переносятся в другую.

В качестве одного из главных направлений перехода к образовательной парадигме для условий начала XXI века авторы аналитического доклада Института информатизации [235] 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 процесса современными информационными и телекоммуникационными технологиями.

Сегодняшний 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 Герасимовым Б. И. и Денисовой А. Л. [62- 83] анализ показал, что использование информационно — вычислительной техники при соблюдении ряда определенных условий способствует повышению качества процесса формирования готовности к профессиональной деятельностиоптимизации процесса подготовки специалистовформированию навыков информационного моделированияосуществлению непрерывной подготовки специалистов высшей квалификации.

К сожалению, методические аспекты информационных технологий образования не успевают за развитием технических средств, поскольку в методическом плане они интегрируют знания таких разнородных наук, как психология, педагогика, математика, кибернетика, информатика, причем психолого-педагогический базис является определяющим в этой интеграции. Именно отставание в разработке психолого-педагогических проблем, «нетехнологичность» имеющихся разработок считают одной из основных причин разрыва между потенциальными и реальными возможностями информационных технологий в образовании [305]. Ведь в процессе обучения важна не информационная технология сама по себе, а то насколько ее использование реализует достижение поставленных образовательных целей. Кроме того, в методике и практике преподавания физики остается неразработанной проблема систематического отображения концепции и методологии математического моделирования при изучении теоретического материала.

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

Вступление России в Болонское соглашение привело к необходимости соотнесения стандартов высшего профессионального образования в России с подходами и принципами, реализующимися в рамках ведущих мировых образовательных систем. Совершенствование образовательных технологий и педагогических методик на основе кредитно-модульной системы и компе-тентностного подхода должно, прежде всего, служить повышению эффективности учебного процесса. При проектировании содержания ФГОС 3-го поколения [283−284] наряду с компетентностным подходом и задачами по выполнению Болонских соглашений заложены следующие принципы: сочетание фундаментальности и профессиональной ориентированности образованияподход к обучению как к исследовательскои практико-ориентирован-номудеятельностный, в том числе, задачный и контекстный подходы к обучениюличностная ориентированность обучениянаправленность предметного содержания на освоение физических наук как основы интеграции естественнонаучных знаний.

В современных условиях акценты в образовании смещаются с принципа адаптивности на принцип компетентности выпускников. A.B. Хуторской рассматривает компетенцию в системе общего образования как совокупность взаимосвязанных качеств личности, отражающих заданные требования к образовательной подготовке выпускников, а компетентность — как обладание человеком соответствующей компетенцией [292]. В результате полученного образования у человека должно быть сформировано целостное социальнопрофессиональное качество, позволяющее ему успешно решать производственные задачи и взаимодействовать с другими людьми, быть активным членом гражданского общества.

Второе направление предстоящих изменений связано с необходимостью внедрения в построение государственных образовательных стандартов модульных технологий. Однозначного понимания, что следует считать «модулем дисциплин» в среде специалистов, работающих над созданием новых образовательных программ, до сих пор не существует, поэтому решение этого вопроса вообще, а в применении к физическим и математическим дисциплинам, в частности, является весьма актуальным.

Наконец, важнейшим моментом является необходимость формирования государственных стандартов высшего профессионального образования третьего поколения на основе использования системы зачетных единиц (кредитов), выступающих в качестве меры трудоемкости учебной работы и выражающей совокупность всех составляющих учебного процесса [161].

Однако, исследования и опыт практической работы позволяют выявить наличие в системе преподавания в высшем техническом учебном заведении следующих еще существующих и требующих решения противоречий между: содержанием и использующимися технологиями образования, с одной стороны, и быстро меняющимися потребностями практики, бурным ростом научных и технических достижений человечества, лавинообразным ростом новой информации, с другойглобальными потребностями общества и результатами образованияестественным интересом молодежи к компьютеру и отсутствием в преподавании курса физики психолого-педагогической базы для ориентации этого интереса на формирование базового уровня подготовки по естественнонаучным дисциплинаммежду групповой формой организации процесса подготовки и индивидуальными потребностями личности в развитии творческих способностеймежду усреднёнными характеристиками изложения материала и субъективными характеристиками его усвоениявысоким уровнем развития вычислительной техники и недостаточным осознанием роли и возможностей ЭВМ в современной инженерной и научной деятельностипотребностью общества в образованной, развитой личности и падением интереса учащихся к образованию, к знаниямнеобходимостью формирования осознанных действенных знаний учащихся и преобладанием вербальных методов обучения.

Эти противоречия являются следствием недостаточной фундаментали-зации профессионального образования.

Гуманизация процесса обучения путем его индивидуализации с помощью ЭВМ ставит на повестку дня актуальные вопросы исследования и разработки компьютерных технологий, реализующих новые принципы обучения. Технические преимущества компьютеризации достаточно очевидны, но анализ явления информатизации и последствий его широкого распространения, проведенный А. Л. Денисовой, показывает необходимость обратить внимание на качество информационных услуг, предоставляемых конкретному пользователю. В этой связи потребности в решении задач информатизации образования стимулируют научный поиск и исследования различных аспектов этого процесса. Существует достаточно много работ, посвященных компьютерным обучающим модулям, но в них не ставятся четко вопросы мотивации активного самообразования, мотивации фундаментальной естественнонаучной подготовки, становления современного уровня компьютерной грамотности. Ведь в процессе обучения важна не информационная технология сама по себе, а то насколько ее использование реализует достижение поставленных образовательных целей.

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 методологических 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. Анализ литературных данных и различных программных оболочек для использования в преподавании показывает, что 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. Отсутствие комплексного подхода к компьютеризации учебного процесса в литературных источниках свидетельствует об актуальности проблемы совершенствования фундаментальной естественнонаучной подготовки студентов и необходимости проведения дополнительных исследований в этом направлении.

Проблема исследования заключается в необходимости разрешения указанных выше противоречий для повышения качества фундаментальной естественно-научной подготовки студентов в контексте информатизации и формирования мотивации самообразования.

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 фундаментальной естественнонаучной 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 обучаемогона этапе проектирования компьютерных модулей сопровождения учебного курса учтено комплексное сочетание методологических, дидактических и психологических требований на основе современной парадигмы образованияразработана и внедрена методика компьютерного сопровождения различных видов учебных занятийв компьютерных обучающих модулях заложен механизм формирования познавательной мотивации, ориентированной 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, A.B. Соловов, М. С. Чванова и др.), исследования целенаправленного и эффективного формирования у обучаемых творческого мышления, как необходимого компонента личностной характеристики специалиста (Е.Л. Белкин, A.A. Бондарева, В. Д. Горский, А. Л. Денисова, Д. В. Кузнецова, A.B. Романов), конструктивные идеи концепции фундаментализации новой образовательной парадигмы модернизации образования (О.Н. Голубева, А. Д. Суханов, E.H. 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, A.B. Машуков с сотрудниками, Н. Я. Молотков, Е. Б. Петрова, В. В. Светозаров, Ю. В. Светозаров, A.M. Тол-стик, М.Ф. Щанов), ценностный подход к содержанию подготовки специалистов (З.Д.Жуковская), общие закономерности процесса формирования профессионально-личностного саморазвития (A.A. 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 анализапедагогические наблюдения за исследовательской деятельностью студентов, беседы с преподавателями, студентами, анкетирование, контрольные срезыпоэтапные контрольные тесты проверки эффективности разработанной методики формирования исследовательских умений и навыков у студентов при изучении курса физикипедагогический эксперимент, статистическая обработка экспериментальных данных, содержательная интерпретация полученных результатов.

Научная новизна исследования: на дидактическом теоретическом и методологическом уровнях разработана концепция повышения качества фундаментальной естественно-научной подготовки будущего инженера в условиях системного использования информационных технологий, которая включает методику проектирования учебных компьютерных модулей на примере курса физики. 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 мотивации самообразования и исследованы возможности ее 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 естественнонаучной подготовки студентов.

Теоретическая значимость исследования состоит в том, что: установлена взаимосвязь развития творческих способностей и формирования мотивации самообразования с системой контекстной помощи в компьютерных модулях, что является вкладом в развитие целостной теории профессиональной подготовки студентов технического вузапредложен комплексный дидактический инструментарий компьютерных технологий для образовательного процесса, отличающийся наличием дополнительных новых связей между компонентами компьютеризированной обучающей среды и основанный на активном диалоге и обратной связисформулированы критерии оценки качества фундаментальной естественнонаучной подготовки студентов в техническом вузена основе системно-деятельностного подхода разработана новая методика активизации образовательной среды в компьютерном практикуме, предусматривающая формирование элементов и структуры среды и научный подход к исследованию явлений.

Практическая значимость исследования заключается в том, что методика организации учебной деятельности студентов в рамках лабораторного практикума по выполнению индивидуализированных расчетно-графических заданий доведена до практического применения и может быть полезна и интересна студентам, аспирантам и преподавателям естественно-научных дисциплин в техническом вузе.

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.

Обоснованность и достоверность результатов, содержащихся в диссертации, обеспечивается.

• методологической основой исследования, комплексным использованием методов различных научных дисциплин, а также соответствием методов исследования цели, объекту, предмету и задачамвнутренней непротиворечивостью результатов исследования и их соответствием теоретическим положениям педагогики, информатики, математики, синергетики, естествознаниядлительностью и повторяемостью эксперимента в Воронежском государственном техническом университете, позволившем подтвердить выдвинутую гипотезурезультатами анкетирования участников эксперимента на различных его этапах, разными формами апробации полученных результатов и проверкой эффективности полученных данных в процессе авторской многолетней преподавательской деятельности, а также позитивным опытом коллег, внедряющих материалы исследований в практику.

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

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 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.

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-экспериментальной работыосуществление 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;2006 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.

Результаты научного исследования апробированы на международных, республиканских конференциях «Современный физический практикум», «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. Основные результаты по теме исследований автора опубликованы в 75 печатных работах общим объемом более 50 печатных листов.

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 знанийосвоение 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 принциповформированием аналитико-синтетических представлений сущности рассматриваемых явлений при их математическом и имитационном моделированииориентацией на непрерывное и развивающее обучение при переходе от изучения курса общей физики к специализированным курсам выпускающих кафедрформированием 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 342 страницах и содержит введение, 4 главы, библиографию, 11 таблиц, 55 рисунков и приложения.

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

В первой главе «Теоретико-методологический анализ проблемы информатизации фундаментальной естественно-научной подготовки 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. Рассмотрены психологические особенности мышления и усвоения знаний, необходимые для проектирования компьютерной поддержки обучения. На основе проведенного анализа установлены особенности проектирования компьютерной поддержки обучения и функции компьютерной обучающей системы.

Вторая глава «Методологические основы и реализация фундаментальной естественно-научной в компьютерном практикуме» посвящена описанию предлагаемой автором инвариантной составляющей дидактической системы совершенствования фундаментальной естественно-научной подготовки инженеров в техническом вузе в компьютерной обучающей среде. Описаны пути формирования научного мировоззрения студентов в преподавании курса физики. Раскрыты условия, 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. Познание закономерностей явлений и принципов физического моделирования развито автором на основе теории подобия, применение которой для исследования релаксационных процессов позволило установить соответствие физических параметров разных систем в пространстве и во времени. Выполняя предлагаемые задания, студент не только знакомится со средствами математической обработки результатов измерений, но и работает в экспериментальной части с электронными датчиками, аналого-цифровыми преобразователями, что формирует у него навыки научно-исследовательской работы. 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.

Вариативная составляющая дидактической системы совершенствования фундаментальной естественно-научной подготовки инженеров в техническом вузе представлена в третьей главе «Методика компьютерного сопровождения учебных занятий с элементами автоматизации физического эксперимента и математической обработки результатов» на примере курса физики. С учетом установленных методологических и психологических положений формирования мотивации в компьютерной среде детально описана авторская методика повышения уровня фундаментальной подготовки и активизации усвоения учебного материала при решении расчетно-графических задач на аудиторных практических занятиях и при самоподготовке студентов, раскрыты этапы формирования исследовательских умений и навыков и управления этим процессом. Весь изучаемый материал с учетом системы дидактических показателей, использует третий уровень представления учебного материала — уровень математического описания явлений, который создает возможность количественного прогнозирования результатов физических явлений. Определены дидактические цели и средства для достижения второго или третьего уровня усвоения учебного материала.

В четвертой главе «Методика и результаты опытно-экспериментальной работы» проанализированы вопросы проектирования учебно-исследовательского измерительного стенда и особенности его программной оболочки. Здесь подробно описаны этапы планирования и проведения педагогического эксперимента, назначение заданий, описание тем и целей их включения, определение количества вопросов в каждой теме и типов заданий. Кроме того, здесь же приведены требования и примеры оформления лабораторной работы физического практикума и контрольные вопросы, которые дополнительно развивают научный подход к проведению физического эксперимента и повышают качество усвоения учебного материала.

Основные результаты эксперимента:

1. проведен сравнительный анализ подходов к процессу тестирования знаний, по результатам которого предложен комплекс средств автоматизированного контроля знаний;

2. разработаны тесты для контроля знаний по темам курса информатики «Погрешности измерений», «Электромагнетизм» и «Основы теории энергетических зон», апробированные на всех специальностях;

3. разработаны методические рекомендации для преподавателей и студентов по выполнению работ компьютеризированного практикума;

4. апробации комплекса средств тестирования зафиксировали педагогический эффект повышения в среднем на 15%. 20% уровня успеваемости студентов по перечисленным выше учебным темам.

Нами использовалось также автоматизированное средство тестирования, обучения и контроля знаний, структурно состоящее из двух дидактически неразрывно связанных, взаимодополняющих частей, текстовой и компьютерной. Такой комплекс обеспечивает единство активного самостоятельного процесса по овладению обучаемыми знаниями, навыками и умениями в соответствии с целями обучения по данной учебной дисциплине. Текстовая часть с включенной в контекст системой управления познавательной деятельностью обучаемого представляет собой учебно-методическое пособие, составленное с учетом психолого-педагогических особенностей диалога человека с компьютером. Компьютерная часть представляет собой комплект (систему) обучающих, информационно-справочных и контролирующих программных модулей, состав которых определяется в зависимости от дидактических задач, решаемых с их помощью. Данный комплект позволяет в диалоговом режиме общения обучаемого с ЭВМ гарантированно достичь запланированных целей обучения.

Заключение

.

Обращение к фундаментальной естественно-научной подготовке студентов технического вуза с использованием средств компьютерных технологий вызвано не только необходимостью повышения качества профессиональной подготовки студентов технического вуза и их готовности к профессиональной деятельности. Снять противоречия между объективными требованиями времени и общим недостаточным уровнем образованности можно, только усилив фундаментальное образование в области естественнонаучных дисциплин, основой которых является физика. Хорошая фундаментальная подготовка, являющаяся основным отличительным свойством университетского обучения, обеспечивает успех выпускнику как в чисто профессиональной области, давая ему основу профессиональной деятельности, так и в социальной сфере, усиливая его социальную защищенность. Повышение уровня базового образования молодежи способствует формированию одной из ключевых групп компетенций — исследовательских и самообразовательных.

Между тем в стране действуют объективные факторы, которые могут способствовать решению вопроса о повышении уровня и роли фундаментальной составляющей инженерного образования. По имеющимся оценкам, специальное образование выпускников технических вузов во многом не востребовано и устаревает каждые 8−10 лет, тогда как фундаментальное образование призвано служить инженеру всю жизнь. При проектировании содержания ГОС 3-го поколения наряду с компетентностным подходом и задачами по выполнению Болонских соглашений заложено сочетание фундаментальности и профессиональной ориентированности образования и направленность предметного содержания на освоение физических наук как основы интеграции естественно-научных знаний. Поэтому можно говорить о благоприятных условиях для подготовки инженерных кадров с фундаментальным естественнонаучным образованием. Нельзя не воспользоваться возможностью поднять уровень фундаментального образования, включив в курсы научные достижения последних десятилетий.

Теоретико-методологической основой для решения поставленных в настоящем исследовании 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.

При создании системы обеспечения фундаментальной подготовки средствами компьютерных технологий, адекватной современному уровню информатизации, нами установлены особенности и функции компьютерной обучающей среды, рассмотрены проблемы валеологического плана и коммуникативного общения. Дидактическая система комплексного компьютерного сопровождения основана на использовании функционально связанного набора подсистем учебно-методического, информационного, математического и инженерно-технического обеспечения, предназначенного для оптимизации процесса обучения и работающего в диалоговом режиме. Психологическое обеспечение образовательных процессов, связанных с компьютерным сопровождением, направлено на сближение процедур обучения с мотивационными потребностями и склонностями обучаемых.

Выделение фундаментальной подготовки в качестве центрального элемента компьютеризированной системы учебных знаний предопределило направления практической реализации поставленной задачи и повлекло многоплановое воздействие на субъекты и объекты всей педагогической системы и на внешнюю среду. Переход системы на более высокий уровень целостности осуществлен по следующим направлениям:

• изменением содержательной части отдельных компонентов — оперативной ее коррекцией, активной работой с графическим материалом;

• совершенствованием формы представления их пользователю — наличием дополнительного дидактического инструментария;

• наполнением функциональных связей между компонентами дополнительным новым содержанием — формированием основ научного мировоззрения;

• установлением дополнительных новых связей между компонентами системы — свободой выбора траектории изучения учебного материала, формированием навыков информационной культуры.

Диагностическими целями концептуальной модели фундаментальной подготовки студентов технического вуза являются: формирование научного мировоззрения, аналитико-синтетического метода исследования явлений, представления о целостной системе наук. Выделение физики как фундаментальной основы всего цикла естественно-научных дисциплин обусловило основное направление совершенствования системы компьютерной поддержки преподавания физики — единство методологического подхода на протяжении всего курса с позиции внутренней целостности физического знания и физического мышления.

При анализе деятельности по условию ее выполнения, отношения к препятствиям и конечному результату было установлено, что внешняя мотивация не способствует преодолению препятствий, более того, поскольку не важен результат деятельности, то к ее прекращению может быть найдена любая причина. Более продуктивной является мотивация, которая определяется как интерес. Если деятельность происходит по интересу, то обучающийся пытается преодолеть возникающие преграды, поскольку его не только привлекает сам процесс деятельности, но и необходим ее результат. Учитывая большую роль мотивационно-ориентировочного направления на начальной стадии обучения в вузе, нужно определить формирование познавательного интереса как один из основных путей совершенствования фундаментальной естественно-научной подготовки и повышения творческой активности студентов.

Отличительной особенностью концептуальной модели является механизм формирования познавательной мотивации, заложенный в компьютерных обучающих модулях еще на этапе проектирования и ориентированный на развитие творческих способностей обучающихся. Впервые в решении задач интенсификации автоматизированного обучения установлена взаимосвязь развития мотивации самообразования с системой контекстной помощи в учебных компьютерных модулях.

Предположение о возможности формирования и развития в компьютерной обучающей среде устойчивой внутренней мотивации самоподготовки за счет тщательной проработки системы контекстно зависимой помощи подтверждено в сравнительном эксперименте.

В предложенной модели 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.

Планомерное и поэтапное развитие компьютерной грамотности заключается в освоении графических методов, которые дают возможность представить в целом ход явления и выявить соотношения между различными физическими величинами. К таким работам относятся различные расчетно-графические задания, выполняемые на протяжении всего курса обучения. На этом этапе прививаются простейшие приемы математического моделирования с целью прогнозирования результата при изменении начальных условий эксперимента.

Решение проблемы фундаментализации на основе предлагаемой концептуальной модели компьютеризированного практикума привело нас к созданию серии программ повышенной сложности, где обучаемый получает возможность экспериментировать самостоятельно — компьютерная система превращается в рабочий инструмент, причем не только инструмент математического моделирования. Для этого нами разработана оригинальная программная оболочка автоматизированного лабораторного стенда, включающая несколько функционально связанных подсистем. Здесь заметную роль играет использование компьютерной метрологии, когда ЭВМ является измерительным прибором и позволяет обрабатывать получаемую информацию, представлять ее в удобной для наблюдения форме.

По результатам диссертационного исследования сделаны следующие выводы:

1. Практическая реализация в учебном процессе принципов дидактического конструирования компьютерной поддержки преподавания курса физики, сформулированных в положениях, выносимых на защиту, и заявленных методик свидетельствует о том, что выдвинутые нами гипотезы в целом подтвердились. Важным результатом анализа является вывод о том, что система компьютерного сопровождения преподавания учебного курса, направленная на формирование мотивации к получению фундаментального образования, может стать эффективной системой поддержки саморазвития студентов технического вуза, утверждения их профессионального достоинства.

2. Выполнено научно-методическое и экспериментальное обоснование методики формирования и развития мотивации самообразования в компьютерной обучающей среде Подтверждена возможность формирования внутренней мотивации к изменению причины неудач при выполнении заданий по схеме «нет результата — недостаточно усилий» за счет тщательной проработки системы контекстно зависимой помощи.

3. На основе методологического интегративного подхода к проблеме конкретизированы направления и условия повышения качества фундаментальной естественно-научной подготовки и развития творческих способностей обучаемых. Методологическое обоснование компьютерной поддержки явилось платформой для реализации в учебном процессе пакетов компьютерных модулей для практических занятий и лабораторного практикума по физике.

4. Показано, что компьютерная метрология развивает творческие способности обучаемых и подготавливает их к исследовательской деятельности. Компьютерное сопровождение учебного курса предполагает активное самообразование студентов, как на аудиторных занятиях, так и в домашних условиях и в режиме удаленного доступа.