Как учить физике инженеров. Теория

В монографии представлена педагогическая система формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики. Приведено описание интерактивно-коммуникационной, информационно-аналитической, проектной и продуктивной технологий формирования профессиональной компетентности будущих инженеров. Приведенные сведения об апробации указанной системы свидетельствуют о ее эффективности. Монография может быть полезна преподавателям физики в технических вузах.

Введение

Потребность производственно-технической сферы рынка труда, сервисно-эксплуатационной и управленческой инфраструктуры в высококвалифицированных специалистах вызывает необходимость реализации компетентностной стратегии высшего технического образования, направленной на формирование профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе приобретения выбранной специальности. Целевая ориентация вузовского образования на подготовку конкурентоспособных, востребованных в условиях рыночной экономики специалистов требует определить оптимальную структуру и состав профессиональной компетентности будущих инженеров, а также разработать эффективные образовательные технологии её формирования. Как показывает анализ теоретико-практических исследований в области педагогической методики, процесс обучения студентов технических вузов курсу физики имеет широкие возможности не только для развития современного уровня научно-технологического мышления, но и для формирования необходимых компетенций специалиста. Поэтому важной задачей обновления имеющегося научно-методического обеспечения процесса обучения физики, а так же выбора содержания учебного материала должно быть формирование готовности будущих инженеров к реализации видов деятельности соответствующей выбранному направлению подготовки, указанных в Федеральном государственном стандарте высшего профессионального образования (ФГОС ВПО).

Профессиональная компетентность специалиста развивается не только в процессе обучения вузе, но и в результате самообразования, под влиянием информационно-культурной среды, в которой находится будущий инженер, однако целенаправленный характер формирование профессиональной компетентности приобретает в организованном педагогическом процессе. Общие вопросы формирования профессиональной компетентности студентов рассматривались в работах Вербицкого А. А. [30], Гончаренок И. И. [41], Дахина А. Н. [48], Журавлевой М. В. [60], Ильязовой М. Д. [69], Машина В. Н. [151], Наумкина Н. И. [162], Носкова М. В. [168], Папутковой Г. А. [178], Пелевина В. Н. [180], Резника С. Д. [200], Шемет О. В. [266]. Всесторонне раскрывали содержание понятия профессиональной компетентности и компетенций следующие авторы: Лобашев В. Д. [138], Мартишина Н. И. [144], Мялкина Е. В. [160], Плюхина С. В. [188], Слесарев Ю. В. [216], Чебанная И. А. [259], Сытникова А. В. [232].

Средства и способы формирования профессиональной компетентности студентов были описаны следующими авторами: Зыряновой И. М. [66] – межпредметные связи; Костыгиной В. В. [66] – методика организации учебно-производственных практик; Тарасюк Н. А. [234] – развитие рефлексивных умений. Вопросы персонификации профессиональной подготовки студентов изучали Казаков И. С. [71], Пономарева О. Я. [194], Рябинова Е. Н. [206]. Развитию деятельностного потенциала инженера посвящены работы Купавцева А. В. [124], Нуриева Н. К. [169], Старыгина С. Д. [169]. Формирование профессиональных компетенций у студентов, обучающихся по направлению «Физическое образование» описывали Дергунова Ю. О. [117], Крутова И. А. [117]. Опыт формирования общекультурных компетенций студентов технического вуза описывали Леонова Е. В. [135], Кононова М. Ю. [110], Курбан Е. Н. [125], Машкова Е. А. [152], Шляпина С. Ф. [270].

Акцент на формирование профессиональной компетентности будущих инженеров в технических вузах делали в своих исследованиях Максимова Н. А. [142], Пронюшкина Т. Г. [198], Фадеева В. В. [252]. Информационно-аналитическое и методическое обеспечение подготовки кадров инженерного профиля разрабатывали Галиновский А. Л. [36], Овчинникова Н. Н. [171], Омельченко В. И. [172], Семенова Н. Г. [212], Трофименко А. Е. [247], Удовик Е. Э. [250], Ярыгин О. Н. [274]. Интеграционные процессы в образовательной среде технических вузов рассматривали Денисова Н. А. [49], Карицкая И. М. [103], Пищулина Т. В. [186], Тараканова Е. В. [233], Шайдуллина А. Р. [264], Худин А. Н. [257] – интеграция образовательной и производственной сред; Егорова И. П. [54], Перехожева Е. В. [181] – междисциплинарная интеграция; Костянов Д. А. [115] – информационная интеграция. Современные проблемы организации учебного процесса в техническом вузе решались в исследованиях Беклемишева Н. Н. [23], Данилаева Д. П. [47], Кононовой М. Ю. [110], Машковой Е. А. [152], Моисеева В. Б. [155], Никифорова В. И. [166], Романова С. П. [203], Стефановой Г. П. [229], Федорова И. Б. [253], Чубика П. С. [261], Чучалина А. И. [261], Шагеевой Ф. Т. [263].

Описанию теории и методики формирования профессиональной компетентности студентов технических вузов посвящено несколько докторских и кандидатских диссертаций за 2007—2014 годы. Обоснование методологии формирования профессионально-личностной компетентности специалиста на основании деятельностного подхода в условиях гуманизации технического образования разрабатывал Томаков В. И. [246]. Педагогические условия формирования профессиональной компетентности студентов технических вузов изучали Дмух Г. Ю. [51], Мустафин А. Ф. [158], Осипчукова Е. В. [173]. Формированию профессиональной компетенции студентов неязыкового вуза посвящена диссертация Тенищевой В. Ф. [237]. Важный аспект информатизации современного образования был раскрыт в исследовании Матвеевой Т. А. [145—148], которая изучала процесс формирования профессиональной компетентности студентов технического вуза с использованием образовательных информационно-коммуникационных технологий. С позиций психологических (Софьина В. Н. [225]) и педагогических (Сазонова З. С. [208, 209]) наук были разработаны методологические и психолого-акмеологические основания подготовки современного инженера в системе учебно-научно-производственной интеграции. Процесс интеграции образования, науки и производства так же освящался в диссертации Чурляевой Н. П. [262], посвященной проблеме обеспечения качества подготовки инженеров технических вузов в рыночных условиях на основе компетентностного подхода. Компетентностный подход так же использовала Елагина Л. В. [55, 56] в построении теории и методологии формирования культуры профессиональной деятельности будущего специалиста в учреждениях среднего профессионального образования. Педагогические условия обеспечения компетентностного подхода в подготовке будущих инженеров описывала Иголкина М. И. [68]. Формирование профессиональных компетенций будущего инженера в области стандартизации и метрологического обеспечения производства рассматривала Баширова Е. В. [22].

Формирование готовности студентов технического университета к профессиональной деятельности в процессе изучения физики описывала Лисичко Е. В. [137]. Проблематика качества изучения курса физики как основы инженерного образования освещалась в работах Денисовой О. Ю. [50], Красюк Т. В. [50, 116, 182], Перченок Р. Л. [182], Солодихиной М. В. [50, 116, 182]. Вопросами реализации актуальных подходов к дидактике физики занимались Коломин В. И. [108], Телешев В. А. [236]. Вопросы фундаментальной и профессионально направленной подготовки по физике студентов технических вузов разрабатывались Родиошкиной Ю. Г. [201]. Обучение термодинамике студентов технического вуза на основе методов научного познания исследовала Толчина С. И. [245]. Профессионально направленные методические системы подготовки студентов по физике разрабатывали Петрова Е. Б. [184], Смирнов В. В. [220]. Научно-методическое обеспечение кадровой подготовки в целостном исследовательском обучении физике разрабатывалось Хинич И. И. [256].

Современные технологии и особенности обучения физики описывали Атоева М. Ф. [16], Вихарева Е. П. [31], Кондратьев А. С. [109], Медведев И. Ф. [153], Попова Н. Б. [197], Пряткин Н. А. [109], Цаплин А. И. [258]. Теорию и методику обучения физике в техническом университете на основе применения информационных технологий разрабатывали Ерофеева Г. В. [58], Ларионов М. В. [129], Смирнов А. В. [219]. Изучению специфики и проблемам совершенствования процесса обучения физики в техническом вузе посвящены работа Романовой М. Л. [203]. Технологии многофакторной оценки сложности учебных заданий по физике посвящена работа Наймушиной О. Э. [161]. Изучением коррекции процесса обучения физике занимались Никитина Т. В. [165], Терновая Л. Н. [239]. Методика формирования мотивации учебной деятельности при обучении физике студентов младших курсов разрабатывалась Полонянкиным Д. А. [192]. Формированию профессиональных компетенций на лабораторных и практических занятиях по курсу общей физики посвящены работы Кириченко Е. А. [104]. Методика решения физико-технических и технологических задач и проведения вычислительных экспериментов как средство развития профессиональной компетентности студентов разрабатывалась Ан А. Ф. [8], Клишковой Н. В. [105], Мугиновой Г. Р. [157], Мухиной Ю. Р. [159]. Вопросам повышения эффективности лекций по физике посвящена работа Леменковой В. В. [134].

Энтропийно-синергетические подходы к обучению курсу физики студентам высших учебных заведений были разработаны Шепель О. М. [267]. Теоретические основы дифференциации профессионально-ориентированного обучения студентов вузов курсу физики на основе учета их когнитивных стилей разрабатывала Толстенева А. А. [244]. Некоторые аспекты профессиональной подготовки студентов технических университетов в процессе изучения курса физики разрабатывали Алеева И. В. [4], Арюкова, О. А. [13], Гурина Р. В. [43, 44], Ларионов В. В. [128], Мирзабекова О. В. [154], Ситнова Е. В. [214], Шелехова Н. О. [265].

Изучение результатов современных педагогических исследований показало, что вопросы формирования компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики имеют определенную научно-методическую трактовку, на настоящий момент требующую дальнейшего развития и модернизации. В современном мире важным показателем экономического состояния и научно-производственного потенциала государства является уровень его технологического развития. Постоянное появление инновационных наукоемких технологий в социально-экономической сфере общества предъявляет высокие требования, как к содержанию предметной области физики, как изучаемой дисциплины; так и к качеству подготовки кадров высокой квалификации инженерно-технического профиля. Поэтому высшее профессиональное образование в условиях социально-экономической модернизации должно обеспечивать соответствие уровня сформированности профессиональной компетентности выпускников вузов требованиям, которые предъявляются рынком труда к качеству подготовки будущих инженеров, готовых к модификациям информационной и производственно-технологической среды. Наращивание темпов развития инженерно-технического потенциала в сфере современных наукоемких технологий, возрастание требований к профессионально-интеллектуальной методической оснащенности решения инженерных задач предполагает наличие высокого физико-технического уровня мышления специалистов. Успешная реализация инженерных функций специалиста в процессе профессиональной деятельности требует не только наличия определенной суммы общих теоретических знаний и практических умений и навыков по курсу физики, но своеобразного профессионального эвристического потенциала, связанного с осознанием предмета приложения конкретных физических теорий, законов, закономерностей и явлений в практике инженерных решений.

Настоящая монография раскрывает следующую проблему: «Как необходимо организовать процесс обучения физике, чтобы повысить уровень профессиональной компетентности будущих инженеров»? Решить указанную проблему возможно опираясь на определенную теоретико-методологическую платформу, которая включает в себя следующее:

– педагогические подходы, применяемые к решению заявленной проблемы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики: системный (Анохин П. К. [10], Л. Берталанфи [1, 2], Попков Ю. С. [195], Садовский В. И. [207], Судаков К. В. [230, 231] и др.), компетентностный (Елагина Л. В. [55, 56], Зимняя И. А. [63], Кузьмина Н. В. [121—123], Матвеева Т. А. [145—148], Софьина В. Н. [225] и др.), функционально-деятельностный (Ананьев Б. Г. [9], Бочарова Т. И. [28], Гальперин П. Я. [37], Давыдов В. В. [46], Земцова В. И. [62], Леонтьев А. Н. [136], Сластенин В. А. [215] и др.) и дифференцированный (теоретические основы индивидуализации и профессиональной конкретизации содержания изучаемого материала в вузе разрабатывали Бурлакова Т. В. [29], Грачёв В. В. [42], Казаков И. С. [71], Корвяков В. А. [111] и др.);

– общедидактические принципы теории обучения в высшей школе: научности, систематичности, связи теории и практики, сознательности, доступности, единства цели и задач обучения, связи конкретного и абстрактного, прочности знаний (Архангельский С. И. [12]). А так же принципы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики 1) коммуникативной профессиональной направленности интерактивного освоения курса физики; 2) информатизации процесса изучения физики в соответствии с выбранным направлением кадровой подготовки; 3) освоения физических знаний в творческом проектировании объектов предстоящей инженерной деятельности. Указанные принципы были сформулированы по результатам анализа выявленных в проведенном исследовании закономерностей, указывающих на взаимосвязь между уровнем сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров и достижениями студентов, полученными в экспериментальном обучении физике.

– теоретические основы определения критериев и методов оценки, мониторинга уровня подготовки специалистов (Баласанян А. С. [21], Кара А. [102], Левина Е. Ю. [131]); методические и практические вопросы диагностики качества образования и профессионального развития студентов (Абакумова Н. Н. [3], Аскеров Э. М. [14], Газалиев А. М. [34], Морозова А. В. [156], Сафонова С. В. [210], Теплая Н. А. [238] и др.);

– концептуальные основы построения педагогических технологий (Беспалько В. П. [25], Коджаспирова Г. М. [107], Коджаспиров Ю. А. [107], Селевко Г. К. [211]).

Нормативно-правовую базу составили: Федеральные законы «Об образовании в Российской Федерации», «О высшем и послевузовском профессиональном образовании»; Федеральная целевая программа развития образования на 2011—2015 годы; ФГОС ВПО 2009 г. для 256 направлений подготовки, содержавших в названии согласно перечню направлений подготовки (специальностей) высшего профессионального образования квалификацию «инженер»; Квалификационный справочник должностей руководителей, специалистов и других служащих; Национальная рамка квалификаций Российской Федерации.

Процессуальная эффективность формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в результате освоения студентами курса физики может быть обеспечена, если:

– сконструирована модель профессиональной компетентности будущих инженеров, содержание которой представлено уникальными профессиональными компетенциями, указанными для каждого направления подготовки в ФГОС ВПО 2009 г. и сгруппированными в монографии на основании обобщенных видов профессиональной деятельности будущих инженеров;

– применяются специально разработанные критерии, диагностические методы и средства оценки уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров;

– создана, теоретически обоснована и реализована на практике методическая система формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики;

– разработаны и реализуются следующие технологии формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики: интерактивно-коммуникационная (предполагающая активное эмпирико-аналитическое взаимодействие преподавателя и студентов в ходе освоения профессионально значимых физических основ инженерной деятельности); информационно-аналитическая (представляющая собой реализацию в учебной работе компьютерных методов инженерного и статистического анализа физико-технических параметров и характеристик объектов предстоящей профессиональной деятельности); проектная (заключающаяся в подготовке творческих проектов, направленных на применение физики в процессе материального и интеллектуального усовершенствования профессиональных инженерных объектов) и продуктивная (позволяющая создавать будущим инженерам общественно значимые продукты интеллектуального поиска решений эвристических индивидуальных заданий с профессиональной тематикой, выбор содержания которых осуществляется студентами самостоятельно).

В монографии приводятся сведения о проверке эффективности предложенной методической системы, которая проводилась автором настоящей монографии в Орском гуманитарно-технологическом институте (филиале) ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» (г. Орск, Оренбургской области), а так же в ФГАОУ ВПО Национального исследовательского технологического университета «Московский институт стали и сплавов» Новотроицкого филиала (г. Новотроицк, Оренбургской области).

Профессиональная компетентность будущих инженеров – это интегральное качество личности, характеризующее готовность 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 настоящей монографии по обобщенным видам профессиональной деятельности инженеров (научно-исследовательской; организационно-управленческой; проектно-конструкторской; производственно-технологической; сервисно-эксплуатационной).

Определить наличие у студентов одного из четырех уровней (оптимальный, допустимый, критический, недопустимый) сформированности указанных показателей возможно, используя описанные в монографии [95] диагностико-аналитические компьютерные оценочные средства и методики их использования, которые включают в себя: 1) компьютерную программу «Диагностика уровня развития профессиональных компетенций студентов» и руководство по ее применению; 2) алгоритм сопоставления качественных и количественных характеристик уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров; 3) комплект методических рекомендаций по оптимизации способов оценки и автоматизации аналитико-графической обработки результатов диагностики уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров. Созданная в научно-педагогическом исследовании база контрольно-оценочных материалов включает в себя соответствующие специфике кадровой подготовки тесты, вопросы, задачи и задания для диагностики и самооценки уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров по всем разделам изучаемого курса физики. Указанная монография [95] содержит так же фрагменты фонда контрольно-оценочных заданий по физике (позволяющих определить уровень сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров).

Методическая система формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики базируется на реализации системного, компетентностного, функционально-деятельностного и дифференцированного подходов, общедидактических принципах теории обучения в высшей школе и принципах, сформулированных на основе эмпирических закономерностей рассматриваемого формирующего процесса. В целях определения структуры системы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики была использована и адаптирована традиционно применяемая для описания методических систем структура, описанная Н. В. Кузьминой: цель обучения, содержание учебной информации, методы и приемы обучения, средства педагогических коммуникаций, преподаватель, учащийся. Содержание описанной в настоящей монографии методической системы (обеспечивающей организацию и выполнение учебно-квалификационной деятельности преподавателей и студентов, направленной на формирование профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики) раскрывается через следующую структуру: цель, содержание, методы, организационные формы, средства формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики, диагностика уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики, результат формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики, коррекция указанного формирующего процесса.

Функционирование указанной методической системы обеспечивается применением разработанных в исследовании педагогических технологий формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики: интерактивно-коммуникационной, информационно-аналитической и проектной и продуктивной.

Интерактивно-коммуникационная технология формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики предполагает реализацию интерактивного взаимодействия студентов в процессе подготовки и выполнения творческой профессионально-ориентированной индивидуальной и коллективной деятельности студентов по изучению физики, и включает в себя:

– методику проведения на практическом занятии по физике деловой игры «Предприятие автосервиса», направленной на усвоение опыта профессиональной инженерной деятельности;

– методику осуществления профессионально-ориентированного интерактивно-коммуникативного самоуправления на практическом занятии по физике;

– методику формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе организации и проведения профессионально-ориентированных экскурсий с физико-техническим содержанием;

– методику формирования профессиональной компетентности будущих инженеров с использованием коммуникативного взаимодействия студентов в физическом КВН;

– методику изучения законов развития технических систем на итоговом практическом занятии по физике.

Информационно-аналитическая технология формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики предполагает реализацию профессионально-ориентированной деятельности с использованием статистических и инженерных методов обработки данных в Microsoft Excel, OpenOffice.org Calc, КОМПАС-3D, MATLAB, а так же в узкоспециализированных инженерных компьютерных программах, и включает в себя:

– методику выполнения компьютеризированного анализа физико-технических данных о профессиональных объектах на практических занятиях по физике;

– методику подготовки расчетно-графических заданий по физике с использованием компьютеризированных алгоритмов анализа физических характеристик инженерных объектов;

– методику использования на практических занятиях профессиональных инженерных компьютерных программ на примере «МВК – Программный пакет для комплексных исследований автомобиля»;

– методику аналитико-графической обработки данных лабораторных работ по физике в программах Microsoft Excel, OpenOffice.org Calc, MATLAB, КОМПАС-3D;

– методику применения компьютеризированных статистических методов корреляционного и линейного регрессионного анализа и методов расчета физико-технических данных в Microsoft Excel.

Проектная технология формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики предусматривает центрирование обучения указанной дисциплине на формировании профессиональной компетентности будущих инженеров в практике выполнения творческой проектной деятельности физико-технического содержания и включает в себя:

– методику создания и подготовки проекта усовершенствованного профессионального объекта или оборудования к участию в конкурах и выставках физико-технического творчества (на примере экспериментального образца тележки для перемещения автомобилей семейства ВАЗ без передней подвески, мотора Бедини);

– методику создания и подготовки проекта усовершенствованного профессионального объекта или оборудования к публикации в научных изданиях (на примере автомобильной сигнализации с функцией блокировки двигателя с нестандартным методом подключения и системы автоматического управления отопителем автомобиля);