Методологические основы формирования структуры и содержания геометро-графического образования в техническом вузе в условиях интеграции с общеинженерными и специальными дисциплинами

Степень интеграционного взаимодействия дисциплин характеризуется тремя уровнями (М.Н. Берулава). Первый уровень - межпредметные связи - при решении задачи одного предмета привлекаются знания другого. Второй уровень - дидактического синтеза - интеграция учебных предметов осуществляется постоянно на базе одного из них, причем каждый из взаимодействующих предметов в то же время сохраняет свой статус и свои концептуальные основания. Третий уровень - целостность - завершающийся формированием новой учебной дисциплины, носящий интегративный характер и имеющий собственный предмет исследования. В данной работе интеграция исследуется на втором уровне. Здесь обусловливается создание междисциплинарной среды обучения (целостность, которая создается путем синтеза научных знаний дисциплин и предметов деятельности, связанная с обменом идеями, методами, понятиями и имеющая свойства, которые не присущи составляющим ее дисциплинам).

Создание междисциплинарной среды связано с тем, что возникают задачи, решение которых опирается на использование междисциплинарных знаний, с применением комплексного метода, концентрирующего в себе данные разных наук об исследуемом объекте. При этом возникает новый тип деятельности, отличаются технологии формирования компетентности.

Тенденция к интеграции образования оказывает большое влияние на обновление содержания ГГО, которое является неотъемлемой частью высшего технического образования. ГГО рассматривается как процесс обучения и воспитания, осуществляемый в ходе изучения геометро-графических учебных дисциплин в системе непрерывного общего и специального образования, при котором наряду с формированием определенной совокупности геометро-графических знаний, умений и навыков происходит развитие визуально-образного мышления учащихся, их геометро-графической культуры, формирование геометро-графических компетентностей.

Сложность формирования геометро-графического образования в техническом университете, теоретической основой которого служит начертательная геометрия (НГ), состоит в том, что НГ (и в целом, инженерная графика) занимает двойственное положение. С одной стороны, она выступает как особая общеобразовательная дисциплина, ибо знания, полученные по НГ, являются фундаментом для изучения других общеинженерных и специальных дисциплин. С другой стороны, для большинства специальностей технических вузов НГ не является профилирующей дисциплиной, и студенты воспринимают ее лишь как некую второстепенную дисциплину. Для решения профессиональных задач будущий специалист должен уметь строить геометрические (визуальные) модели, осуществлять постановку задачи геометрическими средствами, выбирать подходящий метод и алгоритм для решения задачи; применять для решения задачи геометро-графические методы с использованием современных компьютеров и на основе геометрического анализа решать инженерные задачи.

Обязательными принципами ГГО в вузе являются: а) непрерывность изучения и применения начертательной геометрии, которая исходя из своей специфики отражается в комплексном обучении процессу моделирования; б) фундаментальность ГГО, но не в духе традиционного дисциплинарного понимания фундаментальных наук, заложившего образовательную парадигму индустриального общества, а с учетом перехода ее в междисциплинарную стадию постиндустриальной науки; в) динамичность, проявляющаяся в постоянной корректировке и совершенствовании в условиях современного развития науки, техники, общества.

Процесс формирования содержания ГГО находится в постоянном совершенствовании. Среди ученых-педагогов, занимавшихся модернизацией содержания образования, Б.В. Гнедеко, Ю.К. Бабанский, Ю.М. Колягин, Л.Д. Кудрявцев, М.А. Люстинг, А.А. Пинский, Н.Х. Розов и др. Анализ учебных планов, программ, учебников и учебных пособий в исследуемой сфере свидетельствует о том, что отбор информации в рамках учебного процесса не соответствует современным требованиям, идет по инерции в соответствии с имеющейся уже информацией. Содержание образования проявляется в конкретной отдельной дисциплине, причем содержание образования нельзя определить, не учитывая интеграцию между дисциплинами, поскольку современная дидактика исходит из принципа целостного отражения науки в содержании обучения: как системы обобщенных знаний и деятельности, в единстве теории и методов (М.Н. Скаткин, В.В. Краевский, И.Я. Лернер и др). Использование интеграции в проектировании содержания образования обогащает способы мышления, углубляет знания, методы познания и деятельности, способствует формированию целостного научного мировоззрения, дающего возможность многомерного видения проблемы.

Основой осуществления интеграции в образовательном процессе являются общие структурные элементы учебных дисциплин. Как известно, процесс интеграции обусловлен системообразующими его факторами. В самом общем смысле системообразующий фактор представляет собой все явления, силы, процессы и т.д., которые приводят к образованию системы. В настоящее время в научных исследованиях выделяют внешние и внутренние системообразующие факторы. Содержание внешних факторов определяется запросами и требованиями практики, внутренних факторов - потребностями самих учебных дисциплин. В реализации интеграции на роль внутренних системообразующих факторов нами выдвигаются, прежде всего, методы геометро-графического моделирования, а на роль внешних факторов - использование в обучении прикладных методов геометро-графического моделирования, для решения инженерно-геометрических задач, обусловливая формирование междисциплинарных компетентностей.

Отметим, что междисциплинарные компетентности, кроме знаний, умений и навыков, включают следующие качества личности: понимание связей между различными дисциплинами и готовность применять знания из одних дисциплин при изучении других; опыт комплексного применения знаний по соответствующим дисциплинам при изучении других; уровень осознанного применения знаний в профессиональной деятельности, опирающихся на знания различных дисциплин; уверенность студента в своих возможностях решать задачи профессиональной деятельности, комплексно применяя знания по различным дисциплинам; готовность при изучении дисциплины получать новые знания из других дисциплин и видов деятельности; свободная ориентация в среде информационных технологий.

Анализ проблемы позволил сформулировать положение, что интеграция - это процесс и результат построения такой целостности, которая создается путем синтеза научных знаний и предметов деятельности, связанной с обменом идеями, понятиями, методами, взаимопроникновением структурных элементов различных областей научного знания, обусловленная отображением природных связей и ведущая к увеличению емкости, концентрации и генерированию знаний. В образовательном процессе учебная дисциплина (и соответствующая ей научная область) выступает объективной основой интеграции. Принцип интеграции дисциплин предполагает, что содержание учебной дисциплины нужно рассматривать как взаимосвязь содержания различных учебных дисциплин, обеспечивающую взаимовлияние, взаимопроникновение междисциплинарных научных знаний, с целью направленного развития у студентов всесторонней, комплексной, диалектически взаимосвязанной целостной системы научных представлений о тех или иных сторонах и свойствах материального мира, творческого мышления и формирования междисциплинарных компетентностей.

Вывод, к которому мы пришли, состоит в утверждении: при формировании структуры содержания образования в техническом вузе необходимо опираться на интегрирование современных подходов к формированию содержания геометро-графического образования в техническом вузе. Среди них нами выделены подходы: системный, синергетический, компетентностный, деятельностный, информационно-когнитивный, личностно-ориентированный, предметно-научный, связанный с конкретным предметом исследования. В качестве интегративного подхода к формированию содержания геометро-графического образования в техническом вузе в данном исследовании предлагается междисциплинарный подход.

Во второй главе «Концепция формирования структуры и содержания геометро-графического образования в техническом вузе в условиях интеграции с общеинженерными и специальными дисциплинами» раскрывается сущность междисциплинарного подхода к формированию структуры и содержания ГГО, разрабатывается теоретико-методологическая основа целостности процесса обучения в техническом вузе, предлагаются принципы построения ГГО на основе междисциплинарного подхода, разрабатывается модель подготовки специалиста технического направления на основе междисциплинарного подхода.

Понятие «междисциплинарное образование» является центральным в рассмотрении проблемы нашего исследования. Междисциплинарное образование есть процесс, направленный на рост социальной и профессиональной мобильности личности, расширение возможностей компетентного выбора личностью жизненного пути и на саморазвитие личности.

При построении содержания ГГО в высшей технической школе на основе междисциплинарного подхода в содержании учебной дисциплины или образовательной области должна выделяться фундаментальная и вариативная составляющие, которые в своем «непустом» пересечении дадут именно междисциплинарную составляющую содержания образования. Фундаментальная составляющая содержания закладывается существующим ФГОСом. Вариативная составляющая ГГО есть динамическая часть содержания, направленная на профессионализацию выпускника технического университета по избранной специальности и отражающая современные достижения и направления развития начертательной геометрии. Междисциплинарная составляющая - конструктивно организованная форма взаимодействия фундаментальной и вариативной составляющих, объединенных одной целью, реализующая профессиональные качества личности и ведущая к появлению междисциплинарных компетентностей будущего специалиста.

В своем исследовании мы применяли междисциплинарный подход, как для формирования содержания учебной дисциплины, так и для форм организации и средств обучения предмету, обусловливающие интеграцию геометро-графических, общеинженерных и спецдисциплин. В процессе обучения начертательной геометрии важную роль играют все виды учебной деятельности: спецкурсы и факультативы, отдельные виды занятий, среди которых - лекции, практические занятия, компьютерные практикумы, самостоятельная работа, олимпиады, конкурсы. В этом случае происходит деление вариативной составляющей по формам организации обучения. Средствами обучения в условиях интеграции выступают инженерно-геометрические задачи, базирующиеся на задачах геометро-графического моделирования, отражающие специфику выбранной специальности.

Исследование проблемы показало междисциплинарную и практико-ориентированную направленность ГГО, обусловливающую необходимость применения междисциплинарного подхода к содержанию ГГО. Геометро-графические методы решения задач всегда находили широкое применение при решении прикладных задач, возникающих в различных областях человеческой деятельности. Это связано с тем, что визуально-образная информация значительно упрощает процесс восприятия при решении поставленных задач. Поэтому для упрощения решения большинства задач необходимо чтобы прикладные задачи были переведены на геометро-графический визуально-образный язык. Это означает, что прогресс начертательной геометрии (как теоретической основы геометрического моделирования) происходит как под воздействием внутренних потребностей развития, так и под влиянием запросов практики.

Тогда междисциплинарный подход будем понимать как в общем, так и в конкретно-научном смысле. В общем смысле междисциплинарный подход - это подход или исследовательский метод, который использует две или более дисциплины, в зависимости от предмета исследования, его масштабности и нахождения конкретных способов сопряжения информации, получаемой различными дисциплинами в решении конкретных проблем, возникающих в процессе познания и преобразования действительности и соответствующий ему принцип интеграции дисциплин.

В сфере образования междисциплинарный подход - это, прежде всего, инструмент прикладных исследований, позволяющий учитывать как инвариантность содержания образования, так и его вариативность, проявляющуюся в конкретный исторический период требованиями профессиональной деятельности; а также, совокупность концептуальных положений, определяющих способность системы образования обеспечивать систематизацию, обобщение и уплотнение знаний на основе интеграции дисциплин, способствуя повышению научного уровня знаний будущего специалиста, развития у него творческого мышления, формирования междисциплинарных компетентностей, предоставляя обучаемым разные варианты геометро-графических образовательных траекторий, учитывающих специфику профессиональной деятельности по выбранной специальности.

Междисциплинарный подход позволяет координировать действия нескольких наук (подходов, дисциплин), направленных на построение целостной модели изучаемого объекта, находя возможность перевода языка каждой из них на язык другой, позволяет соотносить информацию, получаемую каждой из наук и, следовательно, интегрировать полученные знания для выработки целостной картины исследования.

Задача построения целостной системы (междисциплинарной среды) обучения в техническом вузе является многоплановой, при этом выделяются три уровня целостности (А. Суханов). Первый, или высший уровень - это целостность всего фундаментального образования, как конечная цель новой парадигмы образования. Второй уровень целостности заключается в создании отдельных единых целостных систем, состоящих из отдельных учебных дисциплин, объединенных общей целевой функцией, объектом исследования, методологией, ориентированной на междисциплинарную интеграцию и обеспечивающие обобщенное интегрированное представление о природе. Третий уровень целостности - уровень отдельных дисциплин, которые отвечают требованиям второго и первого уровней.

Построение целостной системы обучения начнем с высшего уровня - концептуальной модели междисциплинарного знания всего высшего образования. В современной науке достаточно успешно «работает» многоуровневая концепция научных знаний, которая в совокупности образует следующие основные группы методов и теорий: 1) философские методы и теории; 2) общенаучные методы и теории исследования, которые опираются на общенаучные понятия; 3) частнонаучные методы и теории.

Методологической основой интеграции является принцип всеобщей связи явлений, перенос знаний в диалогах дисциплин и возникновение междисциплинарных научных языков. В основе процесса познания лежит процесс моделирования как оптимальный и экономичный способ фиксации научного знания (А.А. Андреев, Н.Н. Моисеев, В.А. Штофф и др.). Это связано с тем, что модель любого объекта (процесса, явления и т.п.) можно представить как некий другой объект, исследование которого служит средством для получения знания об объекте-оригинале. Формирование моделей, основанных на едином взгляде на окружающий человека мир, на понятии «мир как целое», дает возможность подвести под единую основу разрозненные сведения, получаемые из изучаемых предметов и явлений, а также позволяет сформировать систему знаний, высшей формой организации которой является именно теория. Теория возникает на основе наблюдений, экспериментов, описания, классификации и обобщения фактов. Она предполагает не только констатацию фактов и их описание, но и объяснение, осмысление их во всей системе данной науки. Следовательно, каждая, отдельно взятая теория, представляет фрагмент общей модели (образа) картины мира.

Такая системная точка зрения показывает, что структура междисциплинарного знания должна представляться многомерной сетью взаимосвязанных методов моделирования, концептуальная модель которой представлена в тексте диссертации и является моделью целостного междисциплинарного научного знания (первый уровень), устанавливая структурные связи между различными научными теориями на основе «единого» (междисциплинарного) языка. Создание междисциплинарного языка в обширных областях научных теорий представляется перспективным направлением. Однако на современном этапе междисциплинарного профессионального общения таким языком служит язык геометрического моделирования (визуально-образный язык - первый язык передачи и хранения информации).

Отметим, что необходимость второго уровня целостности признается практически всеми, кто занимается методологией и методикой высшего образования. Расходятся же они, как правило, в выборе основания, по которому предлагается осуществлять построение целостной системы (междисциплинарной среды) обучения. Существенные трудности здесь связанны с недостаточным взаимопониманием представителей различных наук. Использование какой-то определенной науки будет способствовать еще большему терминологическому разнобою, от которого и так страдают наши науки. В диссертационном исследовании научной базой для решения проблем совершенствования процесса обучения в техническом вузе и построения целостной междисциплинарной среды обучения нами выбрана методология синергетики, поскольку синергетика в процессе познания опирается на универсальные общие, специальные и частнонаучные методы, которые в своей совокупности определяют синергетический подход (В.И. Андреев, О.Н. Астафьева, В.Г. Буданов, В.В. Василькова, В.А. Герович, Е.Н. Князева, В. Крон, С.П. Курдюмов, И.В. Лупандин, Т.С. Назарова, И.Г. Рузавин, И.Б. Сенновский, П.И. Третьяков и др.). Характерной чертой синергетического мировоззрения является построение образа (модели) целостной картины мира, основой которой выступают междисциплинарные связи между различными областями знаний, выделенные после изучения моделей различных сложных систем.

Основные идеи синергетической методологии обусловливаются синергетическими принципами, среди которых: незамкнутость (открытость), нелинейность, неустойчивость, динамическая иерархичность (эмерджентность), наблюдаемость. Все принципы тесно взаимосвязаны и используются в прикладном значении к нашему исследованию. При реализации этих принципов к процессу формирования структуры и содержания ГГО мы исходили из того, что научное геометрическое знание является системой и обеспечивающим базисом всех ее составных частей, основными из которых выступают научная геометрическая теория и метод геометро-графического моделирования, лежащие в основе учебной дисциплины (НГ), и, следовательно, являются ведущими компонентами содержания ГГО. Научное знание - это результат научного познавательного процесса, а образовательное - это результат познания (изучения) научного знания, отраженного в содержании образования. Поэтому, отталкиваясь от концепции развития научного геометрического знания, можно очертить панораму развития образовательного геометрического знания, а, следовательно, и изменений в обновлении содержания ГГО.

В связи с изменением представлений о структуре и динамике развития междисциплинарных знаний, выделенные синергетические принципы формирования научного геометрического знания, базирующегося на геометро-графическом (визуально-образном) моделировании, обусловливают формирование ГГО, обновление его содержания (третий уровень). Отметим, что данное исследование является завершенным, но, в общем, новое состояние общества, науки и техники могут потребовать новых исследований по выбору оптимальной технологии обучения. На данный период, по нашему мнению, предложенная методология может быть использована и для других общеинженерных и специальных дисциплин.

Принцип незамкнутости (открытости) подразумевает обмен знаниями и информацией с междисциплинарной средой, обусловливая целостную систему знаний.

Принцип нелинейности представляет процесс нелинейного взаимодействия системы геометрического знания с междисциплинарной средой, которая является источником для обогащения самого геометрического знания (посредством появления новых прикладных задач и новых направлений исследования) и, благодаря этому, геометрическое знание формируется для умножения потенциала самой среды. Следовательно, прогресс геометрического знания происходит как под воздействием внутренних потребностей развития, так и под внешним влиянием запросов междисциплинарной среды (среди них присутствуют задачи, возникающие в естествознании, математике, инженерном деле, строительстве, архитектуре, экономике и др.).

Нелинейные явления основываются на нарушении принципа суперпозиции (целое не есть сумма его частей), это означает, что в содержании учебной дисциплины должны отражаться нелинейные закономерности, существующие в геометрической науке. В настоящее время в НГ даже нелинейные модели, например, топографические (отображения земной поверхности) при решении задач, аппроксимируют линейными. Тем не менее, при построении геометрических моделей имеют место и нелинейные закономерности, которые возможны только для бесконечных множеств и представляются на первый взгляд парадоксальными, т.к. они не имеют аналогий в случае конечных множеств. Во-первых, речь идет о том, что собственные подмножества бесконечного множества можно взаимно однозначно отображать на это множество. Во-вторых, размерность суммы (объединения) нескольких бесконечных множеств принимают равной максимальной из размерностей слагаемых. В-третьих, размерность геометрических подмножеств данного множества есть величина постоянная. В самом общем виде нелинейность может трактоваться как многовариантность и непредсказуемость перехода системы из одного состояния в другое

Принцип неустойчивости трактуется как одно из условий и предпосылок стабильного и динамического развития системы геометрического знания, обеспечивая его обновление за счет чувствительности к внешним воздействиям междисциплинарной среды, которая поддерживается потоком информации извне, обусловливая получение новых знаний в результате синтеза с междисциплинарной средой в единое целостное интегрированное знание. Периоды неустойчивости перемежаются с периодами устойчивости, которые обеспечиваются многообразием, избыточностью элементов в системе, что соответствует периодам реорганизации и организации системы геометрических знаний.

Принцип динамической иерархичности (эмерджентности) описывает возникновение целостности системы геометрических знаний, т.е. наличие у системы таких свойств, которые не присущи составляющим элементам. Эмерджентность возникает за счет изменений внешних условий (управляющих факторов высших иерархических уровней) воздействующих на более низкие уровни иерархии с их внутренними потребностями, приводящие к изменению геометрического знания (что соответственно отражается на содержании учебной дисциплины).

Принцип наблюдаемости подчеркивает, что целостное описание системы геометрического знания складывается из компонентов дисциплинарных картин, при этом создается общее пространство научной картины мира. Возникшее пространство ведет к возникновению междисциплинарной интеграции, которая предполагает взаимосогласованное использование представлений, методов и моделей дисциплин различного профиля.

При рассмотрении развития геометрического знания мы исходили из того, что синергетический подход не противоречит и, тем более, не заменяет собой диалектический метод. Известно, что источником развития любой системы является «единство и борьба противоположностей». В качестве противоположностей выступают устойчивый и неустойчивый характер развития геометрического знания. Устойчивость развития геометрического знания заключается в разработке различных взглядов, идей, понятий, методов, теорий (содержащих определения, леммы, теоремы, доказательства), возникших и возникающих с целью углубленного познания отдельных сторон материального мира. Устойчивость нарушается при случайных внешних воздействиях (появление новых фактов, не объясняемых существующей областью научного знания), обусловливая неустойчивость. Устойчивость и неустойчивость диалектичны: из устойчивости вырастает неустойчивость, а неустойчивость рано или поздно оборачивается устойчивостью, обусловленная введением нового факта в границы развитого научного знания. За счёт избыточности система обеспечивает себе: 1) адаптивность (плавное эволюционное развитие с предсказуемыми изменениями, которые в итоге подводят систему к некоторому неустойчивому состоянию); 2) одномоментный выход из критического состояния скачком и переход в новое устойчивое состояние.

Таким образом, процесс эволюции геометрического знания, с точки зрения рассматриваемых принципов, представляется как неограниченная последовательность процессов самоорганизации, обусловленная повторяющейся совокупностью периодов развития геометрического знания. Общая схема периода эволюции научного знания выглядит следующим образом: 1) относительное стабильное состояние системы геометрического знания утрачивает устойчивость; 2) бифуркация, обусловленная новым элементом в системе геометрического знания или воздействием на управляющий параметр, запускает динамический процесс, который приводит к дальнейшей самоорганизации системы; 3) по завершении процесса самоорганизации эволюционирующая система геометрического знания переходит в новое относительно устойчивое состояние.

В диссертационной работе проведено историко-синергетическое исследование развития научного геометрического знания соответствующее общей схеме эволюции, было выявлено, что геометрическое знание в своем развитии прошло три исторических периода (характеристика которых подробно описана в диссертации) и в настоящее время проходит четвертый период. В каждом периоде развития менялись методы геометрического моделирования, приводившие к качественным изменениям геометро-графической модели: первый период - графическая модель в виде рисунков; второй период - 2-мерное геометрическое моделирование 2-мерных объектов (геометрия); третий период - 2-мерное геометрическое моделирование 3-мерных объектов (НГ); четвертый период - 3-мерное моделирование 3-мерных объектов, компьютерное моделирование линейных и нелинейных объектов с возможностью анимации (ТГМ). Каждый период развития геометрического знания характеризуется переходом системы через точку бифуркации, в которой эволюционный путь научного знания разветвляется и выделяется новая дисциплинарная область (их может быть несколько). Следует отметить, что под геометрической моделью мы понимаем приближенное представление (изображение) какого-либо множества объектов, явлений внешнего мира в виде совокупности геометрических многообразий и отношений межу ними для получения новых знаний о другом объекте (оригинале). В геометрической модели отображаются элементы разной размерности (в каких-либо сочетаниях и отношениях между собой), имеющие свою внутреннюю структуру. Представление геометрической модели с помощью средств графики (совокупность всех средств получения изображений), в том числе и средствами компьютерной графики, называется геометро-графической моделью.

Полученные результаты при историко-синергетическом исследовании развития геометрического знания позволили сделать вывод, что модель развития геометрического знания является диалектической спиралью. В соответствии с концепциями современного естествознания и философии считается (или является доказанным) то, что развитие осуществляется по диалектической спирали, если согласно основным законам диалектики выявлены и показаны один полный виток и хотя бы часть второго. Нами выявлено три витка (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Модель эволюции геометрического знания

В результате исследования были выделены основные пути развития научного геометрического знания: 1) развитие и совершенствование способов и методов конструирования четырехмерных (и более высокой размерности) геометрических объектов; 2) развитие теории размерности, симметрии, пропорциональности, позволяющих строить модели нелинейных объектов (в настоящее время это направление уже развивается в теории фрактальной геометрии, где рассматривается дробная размерность и принципы самоподобия); 3)дальнейшее проникновение теории геометрического моделирования в различные области человеческой деятельности. Представленная модель развития научного геометрического знания позволяет осуществить прогнозирование развития также геометро-графического образования и его качественные изменения, и разработать новое содержание ГГО, которое будет обеспечивать междисциплинарную среду в техническом вузе посредством решения инженерно-геометрических задач.

Существенной особенностью дидактического синтеза является то, что определенный материал не просто актуализируется или обобщается, как это имеет место на уровне межпредметных связей, а впервые изучается в рамках конкретной дисциплины. В связи с этим в интеграции содержания образования особую роль играют общедидактические принципы, обусловливающие основные направления формирования ГГО, среди которых принципы научности, фундаментальности, системности, систематичности и последовательности, связи теории с практикой, профессиональной направленности, наглядности (при разработке и обосновании принципов мы исходили, прежде всего, из требований профессии к геометро-графической подготовке специалиста).

Проблема интеграции дисциплин содержит языковой аспект, ее острота может быть в значительной степени снята за счет введения в содержание обучения способов перевода высказываний с одного научного языка на другой, одним из которых может служить метод геометрического моделирования или визуально-образный язык как первый язык междисциплинарного общения. Анализу этого аспекта, основанного на фундаментальных представлениях семиотики, психологии и педагогики, посвящен отдельный раздел 2-й главы диссертации. Показано, что проблема интеграции дисциплин содержит языковой аспект, и что ее острота может быть в значительной степени снята за счет введения в содержание обучения способов перевода высказываний с одного научного языка на другой, одним из которых может служить метод геометрического моделирования или визуально-образный язык как первый язык междисциплинарного общения. В работе детально рассмотрен семантический аспект (знаковая система как совокупность смысловых средств) научных языков. Следует отметить, что человеческие знания, выраженные с помощью любого письменного языка, условно можно разделить на две части: декларативные (описательные) и процедурные (алгоритмические, технологические). Изложение декларативных знаний на практике не всегда удается, однако для отображения технологических знаний, применяемых на практике, можно использовать один и тот же язык, общий для всех научных и учебных дисциплин, позволяющий выражать любые технологические знания в любой предметной области, представляемые моделями семантической организации информации. Проведен анализ инвариантных и специфических характеристик категорий и понятий, обеспечивающих связи в содержании учебных дисциплин.

Спроектированная модель подготовки специалистов технических направлений (рис. 2) содержит следующие взаимосвязанные блоки: управления, содержательный, процессуальный, результативный (итоговый). Блок управления определяет требования к организации рассматриваемого процесса и включает три компонента: нормативный, целевой и научного обеспечения.

В качестве основной цели, однозначно определяющей результат подготовки специалиста технических направлений, мы рассматриваем формирование междисциплинарной компетентности. В контексте исследования основная цель соотносится с конкретной целью геометро-графической подготовки студентов технического вуза, в качестве которой выступает формирование профессиональной геометро-графической компетентности. Содержательный блок, связывая блок управления с процессуальным, определяет содержательные особенности последнего и включает функции междисциплинарной интеграции (повышает уровень компетентности будущих инженеров), три основных уровня реализации интеграции и педагогические условия. При определении педагогических условий эффективности рассматриваемого процесса подготовки специалиста мы учитывали влияние следующих факторов: социального заказа общества системе профессионального образования будущих инженеров в аспекте исследуемой проблемы; необходимость реализации основных положений рассматриваемых методологических подходов; результаты констатирующего эксперимента.

Рис. 2. Модель подготовки специалиста технических направлений

Процессуальный блок определяет в общем случае необходимый набор учебных дисциплин (по определенному направлению) и установления логических связей между ними на уровне тем, разделов и учебных элементов, т. е. построение вариативной составляющей. Построение вариативной составляющей переводит формирование структуры во внутренний аспект, представляющий собой содержание ГГО, в основе которого выделяются инвариантные понятия, методы, законы, явления, а также язык междисциплинарного геометро-графического моделирования. Интеграция фундаментальной и вариативной составляющих обусловливает междисциплинарную составляющую. Междисциплинарная составляющая включает междисциплинарную интеграцию геометро-графических и профессиональных методов моделирования, интеграцию геометро-графических и профессиональных знаний (компетенций), а также новые требования к специалисту (путем междисциплинарной интеграции). Результативный блок осуществляет диагностику качества подготовки специалистов технических направлений и уровень сформированности междисциплинарной компетентности.

Предлагаемая модель проектирования подготовки специалистов технических вузов характеризуется целостностью, т.к. все указанные блоки взаимосвязаны между собой, несут определенную смысловую нагрузку и работают на конечный результат - достижение специалистом технического профиля более высокого уровня профессиональной компетентности; прагматичностью, т.к. модель выступает средством организации практических действий, направленных на формирование компетентности будущего специалиста; открытостью, т.к. модель встроена в контекст образовательного процесса будущего специалиста в техническом университете.

В третьей главе «Реализация концепции формирования структуры и содержания геометро-графического образования в техническом вузе в условиях интеграции с общеинженерными и специальными дисциплинами» нами рассматривается реализация интеграции дисциплин, содержащей языковой аспект, а именно, введение в содержание ГГО способов перевода высказываний с одного научного языка на другой, одним из которых служит метод геометрического моделирования (визуально-образный язык). Основываясь на результатах 2-й главы о том, что человеческие знания, выраженные с помощью любого письменного языка, условно можно разделить на декларативные (описательные) и процедурные (алгоритмические, технологические) знания, изложение декларативных знаний на практике не всегда удается. Реализация концепции интеграции базируется на разработке алгоритмических знаний, обеспечивающих формирование общих структур и схем, позволяющих выработать общий подход к решению задач, обусловливая тем самым общий метод решения задач в различных сферах нашей действительности. Более того, овладение общими приемами решения задач, позволяет формировать приемы умственной деятельности по овладению общими схемами действий: усвоение приема - самостоятельное его применение - перенос на новые ситуации. Именно владение таким подходом обеспечивает специалисту способность активно и самостоятельно пользоваться научными знаниями для решения профессиональных задач и, в частности, инженерно-геометрических. Среди основных методических приемов обучения, применяемых в условиях интеграции геометро-графических, общеинженерных и специальных дисциплин, нами выделены следующие: решение инженерно-геометрических задач, организация форм обучения, использующих практические механизмы интеграции.

Наряду с требованиями профессиональных задач, которые должен решать специалист, предъявляется ряд требований к его интеллектуальному развитию, к его способностям охватить суть проблемы, способность видеть оптимальные способы ее решения, выхода на практические задачи, прогнозирование. Такой подход к профессиональному интеллекту требует разработки специальных информационных моделей для организации обучения, т.е. передачи системы профессионально востребованных знаний и организации их усвоения. Именно информационные модели организации процесса обучения позволяют выработать общий подход к решению любой задачи, и в действительности является общей моделью метода (способа, приема) большинства технических, научных, практических и других задач, которые окружают человека на протяжении всей его жизни.

Проблема заключается в отборе и структурировании содержания профессионального образования, что является преимущественной компетенцией педагогики, а также в решении психологических проблем формирования и функционирования знаний на основе информационно-когнитивного подхода к содержанию ГГО, ориентирующего формирование содержания ГГО с позиций эффективной презентации учебной информации и составляющих ее компонентов в многообразии их связей и отношений, представленных в виде информационно-когнитивной модели, основанной на когнитивных структурах и схемах, поскольку эффективность презентации учебной информации зависит от когнитивных методов представления этой информации. Но этого еще недостаточно. Вместе с тем важнейшим элементом современного высшего профессионального образования является методологическая подготовка. Развитие науки и практики достигли такого уровня, что студент не в силах усвоить и запомнить всю необходимую информацию для своей будущей работы. Поэтому, с одной стороны, ему лучше усваивать такой материал, который при своем минимальном количестве вооружит его максимальным количеством информации, и, с другой, - позволит в дальнейшем успешно работать в ряде областей. Именно системные знания об изучаемом предмете являются одним из таких важных вопросов профессионального образования, в котором и решаются задачи приобретения нужных, доступных и практически ориентированных знаний.

В этой связи разработаны психолого-педагогические основы обучения геометро-графическому моделированию в аспекте формирования системных знаний на уровне ориентировки во всем комплексе междисциплинарных связей на основе информационно-когнитивного подхода. Психолого-педагогический анализ знаний в аспекте информационно-когнитивного подхода выявил, что знания трактуются как информация, которую человек перерабатывает в процессе своей деятельности. Эффективность переработки информации зависит от организации соответствующих когнитивных структур. Такая организация подразумевает кодирование (фиксацию) обрабатываемой информации. При этом, проводя анализ организации когнитивных структур, оказывается целесообразным исходить из понятия семантической памяти. В семантической памяти любое понятие (слово, высказывание) выступает как узел, который связан с другими узлами функциональными отношениями, образуя семантическую сеть, называемую моделью семантической организации информации. Такие модели весьма разнообразны. В арсенале когнитивной психологии имеются кластерные модели, групповые модели, модели сравнительных семантических признаков, пропозициональные сети, сетевые модели и др. Их организация и структурирование основаны на содержательном описании понятий и слов, обозначающих эти понятия и составляющих содержание семантической памяти. Большое значение моделей семантических сетей заключается в том, что они представляют собой не только среду хранения информации, но и структуру, на основе которой строятся модели мышления.

За основу моделирования системы геометро-графических знаний в исследовании взяты пропозициональные сети и сетевые модели. Общий случай построения этих моделей представляется следующим образом. Узлы семантической сети отображают отдельные понятия (высказывания), связи между узлами - отношения между понятиями (высказываниями). При таком подходе каждое понятие (узел) обладает набором свойств (характеристик, атрибутов). Функция части атрибутов заключается в установлении различных типов связей с другими узлами (понятиями) семантической сети. Например, для алгоритмических геометро-графических задач в качестве сети (связь между исходным данным и результатом решения) является алгоритм.

Структуре семантической сети присуще свойство постоянной реорганизации. В зависимости от решаемых проблем и дисциплинарных областей список узлов и функциональных характеристик атрибутов должен меняться. В одних условиях опираются на одни свойства объекта, в других условиях - на другие. На этом эффекте основано разнообразие человеческой деятельности.

В учебном курсе НГ первой является проблема построения геометро-графической модели, на которой затем решаются соответствующие задачи. Для получения семантической сети построения геометро-графической модели или сети решения задач необходимо установить зависимость между условием задачи (исходным, данным) и искомым (результатом решения). Проблема получения семантической сети включает два основных этапа: построение сети условия задачи (компонентный состав исходных данных) и построение набора отношений, соединяющих сеть условия с сетью искомого. Первый из этих этапов содержит операцию создания сети организованного списка понятий, второй - построение сети связей между имеющимися данными и желаемыми свойствами, составляющими решение задачи.

Существенную роль играет выбор списка понятий. Это связано со следующим. Идея о том, что слова в семантической памяти хранятся в виде некоторой иерархии, приводят к тому, что можно некоторые понятия, которыми пользуется начертательная геометрия, представлять в виде такой иерархии. Эти понятия состоят из единиц и свойств и объединены множеством ассоциативных связей. Признаки этих понятий позволяют выделить два типа понятий. Во-первых, это понятия, которые опираются на обобщенные сенсорные свойства объектов и называются сенсорными понятиями (точка, прямая, плоскость, поверхность и т.п.). Во-вторых, следует выделить понятия, основанные на выделении функциональных связей, которые объединяют объекты с самым различным внешним видом по принципу выполнения ими одинаковой функции. Эти понятия называются категориальными. Для курса НГ категориальными понятиями являются геометрические множества, а функциональными характеристиками (атрибутами) - тот или иной алгоритм, который можно ассоциировать с какими-либо геометрическим множеством. Таким образом, учебный материал по решению задач начертательной геометрии представляется в виде категориальных понятий - геометрических множеств.

Порядок получения геометро-графической модели различной размерности и различной структуры основан на построении пропозициональной семантической сети. Для этого задается пропозициональное переменное (высказывательное переменное, пропозиция), определяющее основные компоненты геометро-графической модели, которые, в свою очередь, интерпретируют категориальное понятие. В результате выстраивается семантическая пропозициональная сеть, приводящая к соответствующей конструкции геометро-графической модели в зависимости от выбранного категориального понятия. Все составляющие компоненты семантической пропозициональной сети сведены в табл.1.

Таблица 1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пропозициональная сеть геометро-графических моделей

Второй этап построения пропозициональной сети конструирования геометро-графической модели включает модификацию категориальных понятий в соответствии с желаемыми требованиями, предъявляемыми к модели (наглядность, метрика, размерность, структура и др.). При построении любой геометрической модели важно выполнить три основных этапа, которые для удобства условно называются геометрической триадой: 1) параметризация заключается в выявлении соответствия между размерностью пространства оригинала и размерностью пространства модели (размерности должны быть равны); 2) выделение базы заключается в определении оригинала, геометро-графической модели, носителя модели и аппарата отображения; 3) декомпозиция общего случая есть процесс последовательной замены характеристик базы. В тексте диссертации приводится систематизация всех моделей, изучаемых в курсе НГ, на пропозициональном принципе. Студент, получивший информацию в таком виде, сможет конструировать любые другие модели, заменяя составные части этого алгоритма.

Решение задачи о построении геометро-графической модели позволяет отображать различные геометрические фигуры и решать на них алгоритмические и эвристические задачи. В диссертации построена семантическая сеть решения позиционных задач, основанная на систематизации категориальных понятий в НГ. В основу систематизации категориальных понятий был положен принцип результативности логической операции конъюнкции этих понятий (геометрических множеств). Это позволило задать иерархическую систему геометрических множеств по признаку взаимного расположения относительно друг друга и выявить несколько основных блоков (узлов). Эти узлы (геометрические множества) по принципу выполняемой ими одинаковой функции, связаны между собой алгоритмами (эти алгоритмы сформулированы в диссертации). Таким образом, получилась сеть понятий, связанных по принципу алгоритмизации, то есть в качестве функциональных характеристик атрибутов, связывающих эти узлы между собой, являются алгоритмы. Разработанная семантическая сеть решения задач позволяет найти и построить последовательность от условия задачи через алгоритм к ее решению. В заключении данной главы разработаны основные приемы и семантическая сеть решения эвристических геометро-графических задач (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Структура решения геометро-графических (эвристических) задач

В четвертой главе «Опытно-поисковая работа: организация и результаты» приводятся результаты опытно-поисковой работы, состоящей из констатирующего, формирующего и обобщающего этапов. Целью опытно-поисковой работы была проверка сформулированной нами гипотезы. В ходе поисковой деятельности дан анализ полученных результатов, их интерпретация и обработка методами математической статистики.

На первом - констатирующем этапе задачами опытно-поисковой работы являлись: выявление значимости проблемы интеграции геометро-графических, общеинженерных и спецдисциплин, нахождение ядра производственно-инновационной инженерной деятельности, определение степени удовлетворенности состоянием данной проблемы в вузе; анализ путей реализации процесса интеграции дисциплин в процессе обучения в техническом вузе.

На втором - формирующем этапе задачей опытно-поисковой работы являлось: сравнение геометро-графических компетентностей будущих специалистов инженерного профиля, обучающихся по традиционной и предложенной новой схеме обучения начертательной геометрии студентов по методике использования междисциплинарного подхода к формированию содержания ГГО.

На третьем - обобщающем этапе проводилась обработка и обобщение результатов опытно-поисковой работы, формулирование выводов и рекомендаций. Этот этап был направлен на сопоставление прогнозируемых и полученных в практической работе результатов, на их осмысление и внесение окончательных корректив в теоретические положения исследования и разработанные для практического применения методические и дидактические материалы.

Для решения задач констатирующего этапа мы с помощью анкетного опроса, бесед и наблюдений, проведенных среди преподавателей и студентов, проанализировали круг проблем, связанных с вопросами прикладного использования геометро-графического аппарата при решении инженерных задач, тем самым, определяя соответствие геометро-графического курса общей инженерной подготовке, находя пути повышения эффективности использования геометро-графических знаний и выявляя значимость междисциплинарной интеграции геометро-графических и специально-технических дисциплин. В нашем исследовании участвовало 53 преподавателя (из них профессоров, докторов наук 18, доцентов, кандидатов наук 25 и старших преподавателей 10) и 75 студентов 4-5-х курсов Уральского государственного горного университета. Респонденты отвечали на ряд вопросов, среди которых нами выделены: 1) «Используете ли Вы геометро-графические модели при решении задач по Вашей специальности?»; 2) «Считаете ли Вы, что умение использовать методы геометрического моделирования (с компьютерной визуализацией) является важной составляющей Вашей специальности?»; 3) «Соответствует ли содержание геометро-графических дисциплин содержанию специальных дисциплин, преподаваемых на Вашей кафедре?»; 4) «Следует ли увеличить степень профессиональной направленности решаемых задач в курсе геометро-графических дисциплин (в соответствии со специальностью), в том числе с использованием компьютеров?»; 5) «Может ли, по Вашему мнению, проектно-конструкторская деятельность, базирующаяся на геометрическом моделировании (в том числе с компьютерной визуализацией), являться синтезирующим основанием производственно-инновационной деятельности, обусловливая хранение, передачу, генерирования информации и объединяя все стадии инновационного процесса? Результаты анкетного опроса представлены на рис.4.

Рис. 4. Результаты выявления круга проблем, связанных с вопросами прикладного использования геометро-графического аппарата при решении инженерных задач

На основании анализа проведенного исследования, констатирующий этап опытно-поисковой работы, позволил нам сделать следующие выводы:

1. Проблема интеграции геометро-графических и смежно-технических дисциплин является одной из важнейших в современном процессе обучения. Вполне согласуется с мнением преподавателей и студентов в отношении нацеленности геометро-графического образования на решение частных проблем абстрактного геометрического характера. Крайне мало внимания преподаватели кафедры графики нашего университета уделяют профессиональным проблемам, что существенно сужает горизонты геометро-графического образования и объясняет невнимание к этим проблемам студентов. Очевидно, что качество освоения преподавателями технического университета содержания ГГО оказывает непосредственное влияние и на восприятие этого содержания студентами.

2. Повышение эффективности содержания ГГО связано с прикладным использованием геометро-графического аппарата, что имеет основания к педагогической разработке структуры и содержания ГГО, с целью формирования целостного представления о будущей специальности. Это доказывает необходимость совершенствования построения геометро-графического курса на основе междисциплинарного подхода к образованию студентов инженерного направления.