Как учить физике инженеров. Практика

Монография

ВВЕДЕНИЕ

Диагностика уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики предназначена для оценки эффективности процесса формирования указанного качества личности. Под профессиональной компетентностью будущих инженеров в настоящей монографии понимается интегральная характеристика готовности студентов к реализации профессиональных функций и действий специалистов на основе полученных физико-технических знаний. Показателями профессиональной компетентности будущих инженеров являются профессиональные компетенции, определенные ФГОС ВПО 2009 г. для каждого направления подготовки, и сгруппированные в монографии по обобщенным видам профессиональной деятельности инженеров (научно-исследовательской; организационно-управленческой; проектно-конструкторской; производственно-технологической; сервисно-эксплуатационной).

Методическая система формирования профессиональной компетентности будущих инженеров представляет собой взаимосвязанную совокупность структурных компонентов, обеспечивающую организацию и функционирование учебно-квалификационной деятельности преподавателей и студентов, направленной на приобретение будущими инженерами профессиональной компетентности в процессе изучения физики. Для описания структуры указанной методической системы в настоящей монографии использована следующая схема методической системы по Кузьминой Н. В [121—123]. Подробнее структура и содержание указанной системы представлено в монографии [94], ниже будет представлена краткая характеристика основных компонентов указанной системы.

Цель формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики – достижение оптимального уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров.

Содержание формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики включает в себя: подбор тематического содержания изучаемых разделов физики в соответствии с материалом других дисциплин, изучаемых одновременно; профессиональная дифференциация содержания дисциплины «Физика».

Методы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики будут описаны по классификации методов обучения Бабанского Ю. К. [33]. Методы организации и осуществления учебно-познавательной деятельности: словесные (устного изложения материала по физике, обсуждение, рассказ, беседа, интервью, доклад, выступление), наглядные (использование физических демонстраций с профессиональной спецификой, показов), практические (изложение логики решения инженерной задачи на основе физических знаний; применение компьютерных практикумов в процессе обработки данных); репродуктивные (изложение физических законов, способов решения задач и упражнений, проектная и частично-поисковая деятельность). Методы контроля и самоконтроля: проверки и самопроверки знаний по физике; тестирование, анкетирование, выполнение заданий по определению уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров. Методы стимулирования учебно-познавательной деятельности: деловые игры, интерактивные ситуации, проблемное изложение материала по физике, поощрение, дифференциация заданий по физике.

Методы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики. В настоящей монографии мы будем придерживаться определения Коджаспировой Г. М. и Коджаспирова Ю. А. согласно которому, при выполнении определенных требований, совокупность разработанных авторских методик формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики может быть названа технологией [107]. Автором разработано четыре педагогических технологии: интерактивно-коммуникационная, информационно-аналитическая, проектная и продуктивная технология формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики. Подробное описание содержания указанных педагогических технологий приведено в монографии [94].

Организационные формы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики. Персональные консультации-тренинги и выполнения заданий по компьютеризированной обработке данных по физике. Групповое выполнение заданий по физике (в форме деловой игры, и самоуправления). Фронтальное тестирование и анкетирование. Лекционно-семинарская система, самостоятельная работа, смешанная и комбинированная форма организации занятия по физике. Лекция (вводная, информационная, обзорная, проблемная, с визуализацией, бинарная, с запланированными ошибками, конференция, консультация, дискуссия, деловая игра, блицтурнир, брифинг, кино-, теле и видео-лекция). Практические занятия по физике (в проблемной форме, по образованию понятий, установлению законов; с использованием компьютерных (в том числе и диагностических) средств, по обобщению и систематизации знаний). Семинары по физике (семинар-конференция, консультация, коллоквиум, зачет, тестирование, контрольная работа, деловая игра, видеоконференция, вебинар). Лабораторная работа (ситуативно-мотивационная, исследовательская, опытно-экспериментальная, эвристическая, контрольно-аналитическая формы организации лабораторного занятия с использованием авторских компьютерных практикумов обработки полученных физико-технических результатов лабораторных исследований). Самостоятельная работа (рефераты, материалы для изучения, индивидуальные задания). Экскурсия (вводные, текущие, итоговые экскурсии на предприятия и организации, позволяющие изучить физические основы необходимых видов инженерной деятельности).

Средства формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики. Печатные образовательные издания (пособия по формированию профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики; литература по физике, рабочие тетради для лабораторных работ по физике; шаблоны решения задач). Электронные образовательные ресурсы (мультимедийные лекции, компьютерная программа «Диагностика уровня развития профессиональных компетенций студентов», тестовая база данных, база данных обучающих материалов и алгоритм ее использования, системы КОМПАС-3D и MATLAB, табличные процессоры Microsoft Excel и OpenOffice.org Calc, демоверсии инженерных программных продуктов, образовательные ресурсы, электронные издания, учебники и энциклопедии, учебные курсы, мультимедийное обеспечение лабораторных комплексов). Аудиовизуальные средства (фото и видеоматериалы, презентации по физике, кино и видео фильмы и их фрагменты). Наглядные пособия (плакаты, стенды, интерактивные доски, демонстрационные установки, приборы, макеты, модели, коллекции). Учебные приборы, (штангенциркуль, весы, секундомер, микрометр, вискозиметр, манометр, термометр, пирометр, мультиметр, омметр, амперметр, вольтметр, милливеберметр, люксметр, логометр, осциллограф, звуковой генератор, микроскоп, барометр и др.). Наблюдаемые на экскурсиях объекты профессиональной деятельности инженеров, инструменты и оборудование, а так же создаваемые студентами их макеты и модели.

1.1. Критерии оценки уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров

В целях оценки уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров следует описать показатели, как совокупность профессиональных компетенций, определенных ФГОС ВПО 2009 г. и сгруппированных по обобщенным видам профессиональной деятельности инженеров и определить 4 уровня сформированности указанных показателей: оптимальный, допустимый, критический, недопустимый, и сформулировать критерии оценки уровня сформированности указанного качества личности.

В практике описания критериев качества профессиональной подготовки специалистов используются различные методологические подходы. Методика оценки уровня компетентности выпускников технических вузов на основе критериев профессионализма и компетентности была разработана Чурляевой Н. П. [262]. В своих работах она использовала структурно-компетентностный подход к построению педагогической системы подготовки специалистов в техническом вузе при помощи учебных модулей и специальных педагогических технологий с использованием имитационных механизмов организации учебной деятельности. Методы диагностики качества обучения студентов в современном вузе на основе информационно-экспертной системы с индикативными показателями разрабатывала Левина Е. Ю. [131].

В настоящей монографии под критериями понимаются признаки, на основании которых формируется оценка уровня сформированности профессиональной компетентности, фактическое основание такой оценки. Под показателями профессиональной компетентности понимаются профессиональные компетенции, характеризующие наличие профессионально-значимых физико-технических знаний и сформированных практических навыков и умений реализации профессиональных функций и действий инженера. Уровнем развития профессиональной компетентности мы будем называть степень развития соответствующих показателей. Мониторинг уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров будет проводиться в соответствии с критериями его оценки на основании модели, выбранных показателей по четырем уровням их сформированности: оптимальному, допустимому, критическому, недопустимому. В соответствии с моделью профессиональной компетентности будущих инженеров критерии качественной оценки уровня профессиональных компетенций предполагают структуризацию по обобщенным видам профессиональной деятельности инженеров: научно-исследовательской, организационно-управленческой, проектно-конструкторской, производственно-технологической и сервисно-эксплуатационной. Представленные критерии оценки уровня сформированности профессиональных компетенций будущих инженеров разделены на инвариантную и вариативную части. Инвариантная часть информирует об уровне сформированности профессиональных компетенций будущего инженера на основании обобщения характеристик профессиональной деятельности, представленной в ФГОС ВПО 2009 г. различных направлений профессиональной подготовки инженеров, а вариативная часть на примере выбранной специальности отражает ее квалификационную специфику. В таблице 1.1. представлено описание критериев оценки уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров.

Таблица 1.1.

Критерии оценки уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров

1.2. Организация опытно-экспериментальной работы по формированию профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики

В настоящем параграфе описана методика организации экспериментальной проверки эффективности системы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики. Проверке подвергается гипотеза о том, что закономерное повышение определенного в соответствии с моделью (по разработанным критериям) уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров возможно, если реализовать экспериментальную методическую систему через активное использование технологий формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики с учетом профессиональной специфики выбранных направлений подготовки. Воспользуемся следующей трактовкой педагогических понятий, применяемых в настоящей главе. «Результаты профессионального обучения (подготовки) – 1) общие и профессиональные компетенции, соответствующие определенному уровню образования и квалификации; 2) социально и профессионально значимые характеристики качества подготовки выпускников образовательных учреждений профессионального образования» [218, С. 10.]. «Профессиональное обучение – организованный процесс освоения компетенций, необходимых для выполнения определенных трудовых функций» [218, С. 11.].

Тематически опытно-экспериментальная проверка выдвинутой гипотезы исследования может быть сфокусирована на решении следующих задач:

– определение с помощью статистических методов анализа соответствия между содержанием разработанных критериев оценки уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров и их количественными значениями; разработка графической оценочной методики получения количественного значения уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров с учетом всех ее показателей;

– выяснение возможности существования взаимного влияния выделенных в экспериментальной модели групп профессиональных компетенций специалиста, характеризующих профессиональную компетентность будущих инженеров, как их интегративную общность;

– выявление статистических закономерностей в изучаемой динамике полученных эмпирических данных, позволяющих судить об эффективности предложенной экспериментальной системы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики.

В целях проверки выдвинутой рабочей гипотезы в соответствии с разработанным исследовательским планом с помощью различных методов и средств анализа (в том числе и их компьютеризацией, произведенной автором настоящей монографии) может быть проведена подробная аналитико-синтетическая работа, в которой экспериментальной проверке подвергается эффективность системы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики.

Организационно-методическая реализация экспериментальной работы в целях проверки выдвинутой гипотезы исследования может включать в себя четыре этапа: поисковый, констатирующий, формирующий, контрольный. Планирование проведения аналитико-экспериментальной работы в этом случае заключает в себе следующие элементы рациональной организации проверки эффективности гипотезы исследования: оптимальный выбор и теоретический анализ исследуемых параметров и характеристик успешности формирования профессиональной компетентности будущих инженеров (поисковый эксперимент); определение первоначального состояния изучаемого объекта – уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров, достигаемого в традиционном обучении физики в техническом вузе (констатирующий этап); оценка результатов реализации сконструированной и научно обоснованной педагогической системы (формирующий этап), обобщенный статистический анализ результатов исследования (контрольный этап). Подробная информация о задачах и ожидаемых результатах перечисленных этапов успешно реализованного педагогического эксперимента приведена ниже в Таблицах 1.2.1, 1.2.2., 1.2.3, 1.2.4.

Таблица 1.2.1.

Поисковый этап педагогического исследования 2008—2009 г.г.

На поисковом этапе педагогического эксперимента могут быть использованы следующие методы исследования: анализ традиционных и инновационных научно-педагогических принципов, средств, технологий и форм организации изучения физики, способных повысить эффективность формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики; логическое осмысление возможности и актуальной оправданности профессионализации процесса обучения физике студентами инженерно-технических специальностей, научно-методическое конструирование и разработка экспериментальной педагогической системы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики.

Таблица 1.2.2.

Констатирующий этап педагогического исследования 2008—2009 г.г.

В процессе констатирующего этапа педагогического эксперимента могут быть использованы следующие научные методы:

– наблюдение за деятельностью преподавателей физики и студентов в процессе методической организации изучения курса физики, оценка ее результатов: итогов прохождения федерального интернет-тестирования по физике (ФЕПО), результатов традиционного внутри вузовского тестирования по физике (входной контроль остаточных знаний), итогов проведения межфакультетских олимпиад по физике;

– анализ системы профессиональной подготовки будущих инженеров в процессе изучения курса физики; изучение и совершенствование содержания использующихся рабочих программ и учебно-методических комплексов, фондов контрольно-оценочных заданий, материалов традиционной и новаторской тестовой и задачной базы по физике; содержания лабораторных работ. Изучение специфики использующегося физического оборудования, применяемого на лабораторных работах и лекционных демонстрациях, оценка профессионального содержания курса физики, доступности и интерактивности компьютерных моделей и мультимедийных демонстраций, материалов компьютерного лабораторного практикума, физических стендов, современных инновационных научно-методических разработок, диссертаций, авторефератов, статей, монографий по методике обучения физике студентов инженерно-технических специальностей;

– интервью с преподавателями физики о качестве, трудностях, стратегиях и направлении развития инженерного физического образования; обсуждение научно-методической литературы, дискуссии о практике и тактике внедрения инновационных педагогических разработок обеспечения курса физики. Анкетирование и беседы со студентами инженерно-технических специальностей относительно затруднений освоения получаемых физических знаний и их адаптации к предполагаемой области собственного профессионально-личностного развития;

– анализ, определение и классификация причин появления выявленных основных затруднений преподавателей физики и студентов инженерно-технических специальностей, возникающих в процессе формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики;

– диагностика и оценка уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров с помощью специально разработанного информационно-аналитического оснащения мониторинга параметров и характеристик указанного качества личности, анализ полученных экспериментальных результатов с помощью разработанных способов оптимизации и автоматизации обработки продуктов диагностики уровня сформированности профессиональной компетентности студентов.

На констатирующем этапе в целях достижения достоверности получаемых экспериментальных сведений может быть использована следующая совокупность способов: реализация комплексного использования разнообразных компьютеризированных методов (самооценки и диагностики) оценки уровня сформированности профессиональных компетенций будущих инженеров в процессе изучения физики в целях подтверждения достоверности полученных результатов; исключение возможности разглашения цели производящегося обследования с целью устранения возможного психологического влияния на получаемый результат, длительность наблюдений, постоянство диагностического отслеживания динамики экспериментальных характеристик и параметров профессиональной компетентности будущих инженеров, беседы и интервью с субъектами рассматриваемого педагогического процесса.

Таблица 1.2.3.

Формирующий этап педагогического исследования 2009—2012г.г.

В процессе формирующего этапа педагогического исследования предлагаемая система формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики реализовывалась за счет ранжированного использования разработанных технологий формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики. В ходе внедрения экспериментальной методической системы были использованы следующие методы исследования:

– мониторинг уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров, анкетирование, анализ выполнения специальных диагностических заданий (инвариантно-дифференцирован-ных по профессиональному содержанию, имеющих функционально-деятельностное основание), эвристическая беседа, собеседование и интервьюирование, сбор и анализ продуктов учебно-профессиональной деятельности студентов, получаемых в процессе обучения физике: рефератов, результатов выполнения творческих проектов, заданий, отчетов по итогам реализации необходимых функций специалиста в интерактивно-ситуативном обучении курсу физики;

– разработка и апробация функционально-деятельностных технологий формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики, инвариантно-дифференцированных с учетом специфики профессиональной инженерной подготовки; оценка эффективности их применения в соответствии с особенностями контингента студентов и тематической профессиональной специализацией изучаемых разделов курса физики;

– обоснование и осуществление дифференцированного выбора отдельных методик разработанных педагогических технологий, для формирующего воздействия в выделенных (по уровням сформированности профессиональной компетентности) группах студентов в целях наиболее эффективного его повышения;

– проведение анализа (в целях прогнозирования и педагогической коррекции получаемых результатов) изменения уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров в результате применения экспериментальной методической системы.

Соответствие выбранных методов процессу обучения студентов физике в вузе на формирующем этапе педагогического исследования может быть определено в процессе перманентного анализа полученных результатов по итогам внедрения системы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процесс изучения курса физики в экспериментальных группах студентов.

Таблица 1.2.4.

Контрольный этап педагогического исследования 2012 г.г.

На четвертом (контрольном) этапе проводившегося педагогического эксперимента могут быть реализованы следующие методы исследования:

– фиксирование и обработка результатов профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения курса физики;

– статистическая обработка результатов педагогического эксперимента, построение различных выборок полученных данных и их сопоставление, сравнительный, графический и корреляционный анализ.

Достоверность оценки полученных данных по итогам их аналитической обработки указанными методами может определяться с помощью качественного и количественного описания параметров и характеристик уровней профессиональной компетентности будущих инженеров и ее составляющих компетенций, сопоставляемых и оцениваемых по результатам контрольно-диагностических измерений и их последующей статистической обработки.