Как показали наши исследования, применение в данной методике компьютерной метрологии предоставляет субъектам педагогического процесса и дополнительные дидактические возможности, которые:
- создают у студентов положительную мотивацию, что активизирует учебную деятельность уже на этапе подготовки к лабораторной работе;
- стимулируют самостоятельное изучение реально протекающих физических явлений, и приобщают студентов к экспериментально-исследовательской деятельности.
При измерениях вольтамперных характеристик нелинейных элементов оказывается возможным не только вычислить их параметры, но и объяснить физические процессы, которые приводят к нелинейности зависимостей и применить для объяснения явлений последние достижения квантовой механики.
Все это позволяет закрепить закономерности и выводы зонной теории, связать особенности внутреннего строения и свойств кристаллов с их внешними проявлениями, что значительно повышает как интерес к самостоятельной работе студентов с ЭВМ, так и качество фундаментальной подготовки специалистов.
Самостоятельная работа студентов в таком стиле не только снимает затруднения при восприятии нового материала, но и способствует анализу различных проблемных ситуаций и формированию самостоятельных выводов и обобщений, что увеличивает мотивацию познавательной деятельности при изучении физики.
Использованный автором подход, заключающийся во включении эспериментально-исследовательской работы уже на начальной стадии обучения, хорошо вписывается в решение вопроса о ранней специализации при изучении общеобразовательных дисциплин, поскольку формирует у студента ментальный опыт и такой уровень профессиональной компетентности, который обеспечивает правильное поведение инженера в конкретных ситуациях.
Методика реализована в разработанных алгоритмах и пакетах программ автоматизированных информационных, обучающих и контролирующих модулей, допускающих и внеаудиторную самостоятельную работу студентов по следующим темам курса физики: «Измерение вольтамперной характеристики терморезистора», «Изучение затухания люминесценции», «Исследование релаксационных явлений» и в компьютерном сопровождении темы «Основы зонной теории».
Разработанная программа обеспечивает возможность самоподготовки студентов без участия преподавателя. Статистическая обработка зафиксированных результатов по выполнению отдельных частей программы позволяет преподавателю корректировать самостоятельную деятельность студентов.
В третьей главе«Методика компьютерного сопровождения учебных занятий с элементами автоматизации физического эксперимента и математической обработки результатов»представлена вариативная составляющая дидактической системы совершенствования фундаментальной естественно-научной подготовки инженеров в техническом вузе на примере решения расчетно-графических задач по физике. С учетом установленных методологических и психологических положений формирования познавательной мотивации в компьютерной среде в диссертации детально описана авторская методика повышения качества фундаментальной подготовки при решении расчетно-графических задач на аудиторных практических занятиях и при самоподготовке студентов, раскрыты этапы формирования исследовательских умений и навыков и управления этим процессом.
Предложенная методика четко ориентирована на усиление базовой подготовки по естественно-научным дисциплинам и развитие творческой активности студентов и в отличие от традиционной методики практических занятий по физике включает:
- эвристический подход и дополнение компонентов творческого мышления (экспериментально-исследовательскую работу с графиками),
- воспитание аналитико-синтетического мышления специалиста за счет усиления связей между различными изучаемыми темами учебного плана. При исследовании процессов заряда-разряда конденсатора как отдельного элемента системы, обучаемые познают диалектику общего и частного, обобщают полученные закономерности на процессы релаксации любой системы при переходе ее в равновесное состояние, различные по природе, но имеющие общую сущность и подчиняющиеся одному математическому закону,
- освоение студентами научных методов экспериментальных исследований.
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. Элементы содержания учебного курса представляют логически целостный фрагмент этого курса и содержат мультимедийные средства представления информации, дидактические средства управления процессом познания, дидактические средства контроля и стимулирования познавательной деятельности.
Такая методика решения дидактических задач охватывает законченный фрагмент обучения, который включает изложение нового материала, постановку учебной задачи, контроль правильности ее решения и оказание помощи учащимся. Динамика решения рассматриваемых задач описывается на уровне способа действия, учитываются все наиболее существенные для решения этой задачи моменты.
Дальнейшее развитие получил эвристический метод получения знаний при использовании компьютерной обучающей среды в процессе проведения практических занятий по физике. Его особенность в самостоятельном поиске и приобретении знаний, умений, способов деятельности. В отличие от традиционного процесса обучения, обучение с использованием компьютеризированной образовательной среды подразумевает значительно более активную деятельность со стороны обучаемого при решении задач.
Методика реализована в виде пакета прикладных компьютерных программ интенсивного обучения для решения расчетно-графических задач по таким темам курса физики как «Движение тела, брошенного под углом к горизонту», «Затухающие колебания», «Механический резонанс», «Резонанс в колебательном контуре», «Цикл Карно». Во всех этих работах исследуемый график может быть получен двумя разными путями. Первый из них включает измерение конкретной зависимости на реальной установке и машинное построение графика с использованием метода наименьших квадратов. Во втором случае ЭВМ может выдать для обработки студентом один из готовых графиков.
Тот факт, что самые разнообразные явления описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями, позволяет изучать законы этих явлений на каком-либо одном примере. Это особенно важно, когда мы лишены возможности непосредственного восприятия того, что происходит в этом явлении. Использование аналогии позволяет, например, с помощью простейшей электрической схемы для зарядки-разрядки конденсатора изучать в курсе физики студентами всех технических специальностей процессы диффузии, теплопроводности, радиоактивного распада веществ и т.д. При этом поставлена задача не только познакомиться с закономерностями процесса релаксации, но и на конкретном примере научиться измерять параметры системы.
Целый ряд законов физических явлений (законы Ньютона, Гука, Ома и др.) констатирует линейную зависимость одной физической величины от другой. Постоянный математический коэффициент пропорциональности свидетельствует как о постоянстве внутреннего механизма протекания явлений, так и о наличии неизменяющихся внешних условий. Поэтому любые проявления нелинейности требуют всегда дополнительного изучения и понимания сущности изучаемых явлений. Именно на раскрытие глубинного механизма явлений на элементарном уровне направлены экспериментально-исследовательские работы по изучению вольтамперных характеристик диода и терморезистора. И если для исследования полупроводникового диода используются промышленные приборы, то для изучения терморезистора применены разработанные автором миниатюрные приборы на основе нитевидных кристаллов кремния. Это не только усиливает интерес к работе, но и позволяет показать значение и полезные качества новых технических решений.
Как установлено в процессе настоящих исследований, наиболее общими критериями повышения качества фундаментальности образования обучаемых и сформированности научного мировоззрения являются:
- на частнонаучном уровне – степень владения основными современными методами экспериментального исследования, умения ввести новые условия в эксперимент, вычленить из графических данных связь физических величин и т.д. ;
- в общенаучном смысле – уровень экспериментального обоснования общих законов и превращением этих знаний в умения, знакомство с моделированием, аналогией;
- в философском понимании – уровень продвижения обучаемого через все этапы научно-познавательного процесса, что позволяет ему овладеть методологическими знаниями и превратить их в мировоззренческие.
Результатом этой работы является повышение качества учебного процесса. В группах, где преподаватели используют компьютерное сопровождение различных видов занятий по физике, студенты проявляют познавательный интерес, активно участвуют в исследовательской деятельности и научной работе, а качество усвоения учебного материала по результатам экзаменационной сессии не опускается ниже 75 % . Комплекс средств тестирования зафиксировал эффект повышения в среднем на 15% .. 20% успеваемости студентов в группах, использующих компьютерное сопровождение учебного процесса. Кроме того, по темам "Погрешности измерений", "Электромагнетизм" и "Основы теории энергетических зон", апробированным на всех специальностях, на 25 % .. 40 % повысилась успеваемость студентов. Исследования эффективности применяемой методики показали уверенное использование полученных знаний при обучении на спецкафедрах, в аспирантуре.