Формирование профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

ГОУ ВПО «Шуйский государственный педагогический университет»

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Формирование профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов

13.00.08 - Теория и методика профессионального образования

Локшин Роман Борисович

Шуя 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» и ГОУ ВПО «Шуйский государственный педагогический университет»

Научный руководитель: Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор педагогических наук, профессор Червова Альбина Александровна

Официальные оппоненты: доктор педагогических наук, профессор Толстенева Александра Александровна

кандидат педагогических наук, доцент Коробкова Татьяна Александровна

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Астраханский государственный университет»

Защита диссертации состоится «17» сентября 2009 года на заседании диссертационного совета Д 212.302.01 при ГОУ ВПО «Шуйский государственный педагогический университет» по адресу: 155908, Ивановская область, г. Шуя, ул. Кооперативная, д.24, ауд.220.

Отзывы на автореферат присылать по адресу: 155908, Ивановская область, г. Шуя, ул. Кооперативная, д.24, ауд.220, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.302.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Шуйский государственный педагогический университет»

Автореферат разослан «30» июня 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета доктор, педагогических наук, профессор Г.Е. Муравьева.

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. В настоящее время прослеживается стремительно усиливающаяся тенденция к интеграции науки и образования при подготовке специалистов. Интеграция науки и образования в классическом университете позволяет осуществлять подготовку специалистов на основе реальных научных исследований и на самой современной экспериментальной базе.

В Концепции Федеральной целевой программы развития образования на 2006-2010 годы определено, что обеспечение устойчивого экономического роста страны зависит от образования. Федеральная целевая программа развития образования ставит основную стратегическую цель, связанную с обеспечением условий для удовлетворения потребностей граждан, общества и рынка труда в качественном обучении и воспитании путем создания новых институциональных механизмов регулирования в сфере образования, обновления структуры и её содержания, развития фундаментальности и практической направленности образовательных программ.

В сложившейся ситуации повысились требования к качеству подготовки выпускников физических факультетов классических университетов. Глобальные перемены в социальной, культурной и других сферах жизни, новые типы задач и проблем, встающих перед обществом, привели к изменению способов мышления, другому миропониманию, иному отношению к деятельности по преобразованию общественной жизни. Особую значимость при этом приобретает актуальность формирования аналитического мышления как основного вида психической деятельности будущего физика. Именно аналитические умения позволяют разрешать трудности профессиональной деятельности и находить оптимальные решения.

Формирование у студентов умений анализировать, систематизировать информацию и логически мыслить является основной задачей физического образования в классическом университете. Это, прежде всего, понимание роли эксперимента в физике; умение делать выводы из сопоставления теории и эксперимента; умение выделить главное, существенное; отвлечение от несущественного; понимание роли идеализации в физике.

Анализ психолого-педагогической и методической литературы показал, что если теоретическим аспектам формирования аналитических умений в современной науке посвящено ряд исследований, то прикладных исследований, посвященных данной проблеме, явно недостаточно, особенно исследованию проблемы формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов в процессе обучения. В связи с этим на сегодня необходим поиск новых моделей, педагогических условий и методик рассматриваемого процесса.

Таким образом, обозначились следующие противоречия между:

- быстро меняющимися требованиями общества к развитию конкурентоспособного специалиста в области физики и сохраняющимися подходами в высшей школе, не обеспечивающими в должной мере эффективного формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов в процессе их профессиональной подготовки;

- насущной потребностью классических университетов в формировании профессиональных аналитических умений студентов физических факультетов и отсутствием в полной мере разработанности различных моделей данного процесса в педагогической науке;

- стремлением решить проблему формирования профессиональных аналитических умений у студентов и недостаточной разработанностью дидактических условий, способствующих формированию профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов.

Эти противоречия определили проблему исследования: разработка модели формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов и определение дидактических условий их формирования.

Это позволило определить тему исследования: «Формирование профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов».

Цель исследования: разработать и проверить на практике модель формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов.

Объект исследования: процесс профессиональной подготовки студентов физических факультетов классических университетов.

Предмет исследования: процесс формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов.

В основе диссертационного исследования лежит гипотеза, состоящая в предположении о том, что формирование профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов будет успешно протекать, если:

1) будет разработана и внедрена в практику модель формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов, состоящая из целевого, содержательного, процессуального, результативного компонентов;

2) в рамках данной модели будет реализован следующий комплекс дидактических условий, включающий в себя:

- поэтапность формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов;

- осуществление межпредметных связей и интеграцию содержания и технологий общеобразовательных и специальных учебных курсов;

- дифференциацию содержания заданий по моделированию сложных физических процессов по уровням сформированности профессиональных аналитических умений (низкий, средний, высокий) у студентов физических факультетов классических университетов.

Предмет, цель и гипотеза определили следующие задачи исследования:

1. Проанализировать состояние проблемы в педагогической науке и практике классических университетов, уточнив понятие и структуру профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов.

2. Определить роль моделирования сложных физических процессов в формировании профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов;

3. Теоретически обосновать и экспериментально проверить модель формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов;

4. В рамках разработанной модели выявить и экспериментально проверить комплекс дидактических условий эффективного формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов.

Методологические основы исследования составляют основные положения системного (А.В.Аверьянов, П.К.Анохин, В.П.Беспалько, В.И.Зверева, Ю.А.Конаржевский, Б.Ф.Ломов, Г.Н.Сериков, П.И.Третьяков и др.), личностно ориентированного (Н.А.Алексеев, В.В.Давыдов, В.В.Сериков, И.С.Якиманская и др.) и субъектно-деятельностного (С.Л.Рубинштейн, К.А.Абульханова-Славская, А.В.Брушлинский и др.) подходов.

Теоретическую основу исследования составляют результаты психолого-педагогических исследований в области теории развития мышления (П.Я.Гальперин, А.Н.Леонтьев, Л.С.Выготский, Н.Ф.Талызина и др.); исследования по проблемам физического образования в высшей школе (О.Н.Голубевой, А.И.Наумова, А.Д.Суханова и др.); работы о роли и сущности физического образования, описывающие его современные задачи и содержание, работы по вопросам гуманизации, индивидуализации обучения физике, развитию профессиональных умений в процессе обучения физике (Г.А.Бордовский, С.Н.Богомолов, О.Н.Голубева, В.А.Данильчук, Л.А.Иванова, С.Е.Каменецкий, Г.Р.Кару, И.Я.Ланина, Ф.П.Кесаманлы, Р.И.Малафеев, А.Е.Марон, И.И.Нурминский, Н.С.Пурышева, В.Г Разумовский, А.Д.Суханов, А.В.Усова, Л.С.Хижнякова и др.); результаты исследований по использованию современного учебного физического эксперимента в обучении студентов физике (В.А.Буров, Ю.И.Дик, Б.С.Зворыкин, В.В.Майер, А.А.Пинский, А.А.Червова, Н.Я.Молотков, Н.М.Шахмаев и др.).

Для решения поставленных в исследовании задач необходимо использовать комплекс методов: теоретических - анализ и синтез, абстрагирование и конкретизация, аналогия и моделирование, анализ педагогического опыта, причинно-следственный анализ полученных эмпирических данных, ретроспективный анализ собственной деятельности; эмпирических - опытно-экспериментальная работа, изучение и обобщение передового педагогического опыта, наблюдение, анкетирование, беседа, интервьюирование, экспертная оценка.

Базой исследования является физический факультет Нижегородского государственного университета им. Н.И.Лобачевского.

Научная новизна исследования состоит в том, что:

- дано авторское определение понятия «профессиональные аналитические умения физика»;

- определена структура профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов;

- разработана и реализована в практических условиях модель формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов;

- как компонент модели выявлен, обоснован и экспериментально проверен комплекс дидактических условий её эффективного развития;

- выявлены критерии определения уровней сформированности профессиональных аналитических умений.

Теоретическая значимость исследования заключается в следующем:

- дано теоретическое обоснование необходимости формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов; уточнены в контексте данного исследования научное представление о понятиях «мышление», «умение» и их взаимосвязь; исследован процесс формирования профессиональных аналитических умений в ходе обучения;

- с учетом структуры аналитических умений разработан и актуализирован понятийный аппарат, характеризующий профессиональные аналитические умения физика, раскрыто его содержание;

- на основе системного подхода исследованы качественные и количественные характеристики профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов, определены место и роль компьютерного моделирования сложных физических процессов.

Практическая значимость состоит:

- в практическом использования модели формирования профессиональных аналитических умений в ходе учебной и научно-исследовательской деятельности студентов-физиков классических университетов по моделированию сложных физических процессов;

- в разработке и внедрении в учебный процесс заданий разных уровней сложности по моделированию сложных физических процессов, направленных на формирование разных уровней профессиональных аналитических умений;

- в повышении эффективности формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов как результата реализации соответствующей модели.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Авторское определения понятия профессиональные аналитические умения физика - это умения самостоятельного проведения анализа физических процессов, категоризации и сравнения этих процессов, выявлять причину физических процессов и определять следствие, устанавливать связи различного характера, делать выводы и обобщения, аргументировать свои утверждения, моделировать сложные физические процессы.

2. Модель формирования профессиональных аналитических умений студентов физических факультетов классических университетов, состоящая из целевого, содержательного, процессуального и оценочно-результативного компонентов.

3. Дидактические условия, способствующие эффективному формированию профессиональных аналитических умений:

- поэтапность формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов;

- осуществление межпредметных связей и интеграция содержания и технологий общеобразовательных и специальных учебных курсов;

- дифференциация содержания заданий по моделированию сложных физических процессов по уровням сформированности профессиональных аналитических умений (низкий, средний, высокий) у студентов физических факультетов классических университетов.

Этапы исследования. Теоретико-методологические основы и поставленные задачи определили ход опытно-экспериментального исследования, которое проводилось в три этапа в течение 2005-2009 годов.

Первый этап (2005-2006 гг.) состоял в обосновании актуальности выбранной проблемы, определении цели, задач, объекта, предмета, формулировки гипотезы исследования, определении общей методологии, теоретической основы и методов исследования.

Осуществлялся анализ философской, психолого-педагогической, научно-методической литературы по проблеме формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов, проводилось исследование основных понятий проблемы. Были изучены различные методологические подходы к формированию профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов, проводился анализ учебных планов, программ по исследуемой проблеме с целью изучения состояния ее развития в теории и практике работы физических факультетов классических университетов, проводились отдельные этапы эксперимента. университет студент педагогический

На втором этапе (2006-2007 гг.) осуществлялась опытно-экспериментальная работа по реализации модели формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов; был выявлен, обоснован и экспериментально проверен комплекс дидактических условий эффективного развития модели, продолжалось изучение психолого-педагогической и методической литературы по исследуемой проблеме, уточнялись некоторые теоретико-методологические положения, составляющие основу диссертационного исследования. Уточнялась и корректировалась программа исследования, обобщались полученные результаты, проводился формирующий эксперимент.

На третьем этапе (2007-2009 гг.) анализировались и обобщались результаты опытно-экспериментальной работы, уточнялся критериально-оценочный комплекс, осуществлялся анализ, систематизация и обобщение полученных результатов, формировались основные выводы.

Достоверность и обоснованность сформулированных в диссертации выводов обеспечивается: использованием методологических подходов и методов, адекватных объекту, предмету, целям и задачам исследования логикой программы исследования; способами, методами получения эмпирических данных, представляющих существенные признаки, свойства изучаемых объектов; многосторонним качественным и количественным анализом имеющегося и полученного фактического материала.

Апробация и внедрение результатов исследования в практику. Ход и результаты исследования на различных этапах были представлены и обсуждены на конференциях и семинарах: VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, соискателей, молодых ученых и специалистов «Актуальные вопросы развития образования и производства» (г. Н.Новгород, ВГИПУ, 2006г.); Проблемы теории и практики подготовки современного специалиста (г. Н.Новгород, ННГЛУ, 2008г.); Межрегиональной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные аспекты личностного и профессионального развития» (г. Омск, 2008г.); IX Международной научно-методической конференции преподавателей вузов, ученых и специалистов «Инновации в системе непрерывного профессионального образования» (г. Н.Новгород, ВГИПУ, 2008г.); III Международная научно-практическая конференция «Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании» (г.Ставрополь, СевКавГТУ, 2008г.); Всероссийской научно-практической конференции «Современное образование: научные подходы, опыт, проблемы, перспективы» (г. Пенза, 2008г.); II Всероссийской научно-методической конференции преподавателей вузов, ученых и специалистов «Научное педагогическое наследие А.П. Беляевой в системе профессионального инженерно-педагогического образования в России» (г.Н.Новгород, ВГИПУ, 2008г.); Международная научно-практическая конференция «Современные информационные компьютерные технологии mcIT-2008» (Беларусь, г. Гродно, 2008г.); Межвузовской научно-методической конференции «Шуйская сессия студентов, аспирантов, молодых ученых» (г. Шуя, 2008, 2009 гг.).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии, включающей 177 наименований, и приложения. В диссертации 10 схем, 10 таблиц, в том числе вынесенные в приложение 4 схемы, 5 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, дается оценка современного состояния проблемы, степень её разработанности; определяются цель, объект и предмет исследования, формулируются гипотеза и конкретные задачи; выделены основные этапы выполнения работы, раскрывается научная новизна, теоретическая и практическая значимость; содержатся сведения об апробации и внедрении результатов исследования, излагаются положения, выносимые на защиту.

Первая глава - «Теоретические основы формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов» - посвящена теоретическому обоснованию проблемы и темы диссертации и определению места исследуемого объекта в отечественной педагогической науке прошлых лет и современного периода. Приводится обоснование методологических подходов и теоретических положений, составляющих концептуальную основу исследования и объясняющих его структуру и логику. Определены основополагающие понятия «умение», «аналитические умения», «профессиональные аналитические умения», рассмотрены идеи отечественных и зарубежных ученых по исследуемому вопросу.

В разное время к анализу проблемы определения понятия «умения» обращались многие исследователи. Анализ психолого-педагогической литературы показал, что к определению этого понятия необходимо подходить с позиций ведущего принципа отечественной психологии - принципа деятельностного подхода, так как умение является важным компонентом структуры деятельности. В настоящее время в педагогической науке не сложилось единого определения умения. Анализируя двойственную природу умений, рассматриваемую как способ и как результат деятельности, с одной стороны, и как способность и качество личности с другой, можно утверждать, что эти оба подхода к умениям взаимосвязаны: умения формируются в деятельности, в тоже время они проявляют себя как способность человека к целенаправленной деятельности и являются важным качеством личности. На основании вышесказанного мы считаем целесообразным принять точку зрения ученых, которые определяют понятие «умение» через основной компонент деятельности - действие. Таким образом, умение - это готовность к осознанному выполнению определенных действий, при рациональном применении способов и средств деятельности.

Исходя из положения о том, что формирование умений и навыков осуществляется в процессе деятельности, в частности, учебной и трудовой, в психолого-педагогической литературе принято разделять их на общеучебные и трудовые (профессиональные). Основными видами общеучебных умений являются интеллектуальные, познавательные, практические, организационные, самоконтроль и оценочные.

Работая над уточнением основного понятия исследования, мы пришли к пониманию, что профессиональные аналитические умения физика - это умения самостоятельного проведения анализа физических процессов, категоризации и сравнении этих процессов, выявлять причину физических процессов и определять следствие, устанавливать связи различного характера, делать выводы и обобщения, аргументировать свои утверждения, моделировать сложные физические процессы.

Планирование процесса формирования профессиональных аналитических умений должно строиться исходя из закономерностей развития мыслительной сферы. Преемственность заданий, постепенное усложнение и дополнение усвоенного материала рассматриваются нами в качестве факторов, определяющих характер межпредметных связей и позволяющих последовательно формировать профессиональные аналитические умения.

Моделирование сложных физических процессов позволяет выявлять существенные признаки, характеризующие свойства реального физического объекта, определять степень важности и полноты этих признаков, объяснять и описывать физические процессы, прогнозировать поведение исследуемой системы в изменившейся внешней ситуации, что в конечном итоге способствует формированию профессиональных аналитических умений.

Вторая глава - «Модель формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов» - посвящена разработке модели формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов, определению дидактических условий ее реализации, выделению этапов формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов.

Опираясь на структурно-профессиональную характеристику педагогической системы мы выделяем следующие компоненты модели формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов: целевой, содержательный, процессуальный и оценочно-результативный.

Целевой компонент. Предлагаемая модель основана на принципе целевой доминантности, направленном на выявление доминирующей цели процесса формирования профессиональных аналитических умений и подчинению ей всех структурных компонентов этого процесса. Цели подготовки специалиста с заданными характеристиками в процессе профессиональной подготовки предполагают объединение процессов обучения, воспитания, развития.

Содержательный компонент предполагает конструирование содержания общетехнической, информационной и профессиональной подготовки как системного объекта и исходит согласно принципам обучения из соответствия содержания профессиональным потребностям будущего специалиста, а также учета единства содержательной и процессуальной сторон обучения. В качестве примера отбора содержания можно привести введение заданий по моделированию сложных физических процессов в практические занятия, расчетно-графические работы, курсовые, дипломные проекты, направленные на формирование профессиональных аналитических умений физика.

Процессуальный компонент, функцией которого является построение учебного процесса в соответствии с логикой содержания и поставленными целями, предполагает разработку технологических подходов к реализации этого содержания: выбора методов, форм и средств обучения.

Оценочно-результативный компонент разработанной модели способствует оценке достижения планируемой цели, соответствию содержания и эффективности процесса выбранным средствам, предполагая совмещение деятельностей по контролю и анализу его результатов с основной деятельностью.

В рамках исследования мы выделяем три этапа моделирования: подготовительный этап, этап разработки модели, этап проверки её качества. Работа исследователя на первом этапе была направлена на определение цели, объекта, методов и средств формирования профессиональных аналитических умений. Второй этап связан с разработкой и преставлением модели, её описанием и характеристикой. Третий этап связан с экспериментальной проверкой её дидактических условий в практике вуза и оценкой их эффективности.

Под моделью формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов мы понимаем модель, отражающую различные компоненты процесса обучения, включающую цели, содержание, методы и формы, средства и планируемые результаты обучения. Остановимся на описании самой модели, наглядно представленной нами на рис. 1.

Целью разработанной нами модели является формирование профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов.

В соответствии с указанной целью сформулированы следующие задачи: 1) создание условий для формирования профессиональных аналитических умений; 2) поэтапное развитие параметров профессиональных аналитических умений: рефлексивных способностей; стремления к постоянному самообразованию.

Принципы развития и формирования профессиональных аналитических умений отражают устоявшиеся и проверенные практикой общественные ориентиры и закономерные связи. Мы взяли за основу принципы, разработанные А.А.Леонтьевым: личностно-ориентированные (принципы адаптивности, развития и психологической комфортности); культурно-ориентированные (целостности содержания образования, систематичности, смыслового отношения к миру, ориентировочной функции знаний, опоры на культуру как мировоззрение и как культурный стереотип); деятельностно-ориентированные (принципы обучения деятельности, управляемого перехода от деятельности в учебной ситуации к деятельности в жизненной ситуации, перехода от совместной учебно-познавательной деятельности к самостоятельной деятельности учащихся, опоры на предшествующее развитие, формирование потребности в развитии профессиональных аналитических умений).



Рис. 1. Модель формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов

Сопоставлены виды общеучебных аналитических умений с профессиональными аналитическими умениями будущего физика (табл. 1).

Таблица 1. Сопоставление общеучебных аналитических умений с профессиональными аналитическими умениями будущего физика

Общеучебные аналитические умения	Профессиональные аналитические умения будущего физика
- умение разбить материал на составляющие части; - умение вычленить структуру материала; - умение выбрать критерии оптимального решения; - умение выявить взаимосвязь между частями целого; - умение находить связь между причиной и следствием; - умение оценивать значимость результатов.	- умение выделять частные или общие характерные свойства физических процессов; - умение находить связь между причиной и следствием при описании физического процесса; - умение моделировать, выделять главное, определяющее и абстрагироваться от всего сопутствующего данному процессу; - умение вместо реального процесса или объекта рассматривать модель; - умение осуществлять системный подход к описанию физического процесса; - умение интегрировать знания по высшей математике, физике, теоретической физике, специальным дисциплинам.

В исследовании выделены профессиональные аналитические умения, формируемые и развиваемые у студентов физических факультетов классических университетов в рамках содержания учебных дисциплин (общая физика, высшая математика, теоретическая механика, теоретическая физика, спецкурсы) и разработаны соответствующие виды деятельности (табл. 2).

Таблица 2. Профессиональные аналитические умения, формируемые и развиваемые у студентов физических факультетов классических университетов

Дисциплина	Профессиональные аналитические умение	Вид деятельности
Общая физика	- умение разбить теоретический материал на составляющие его части; - умение находить связь между причиной и следствием при описании физического процесса; - умение вычленить структуру теоретического материала.	Теоретическое освоение курса Решение задач
Высшая математика	- умение разбить теоретический материал на составляющие части; - умение вычленить структуру; - умение выбрать критерии оптимального решения.	Решение задач, выполнение упражнений
Теоретическая механика	- умение разбить теоретический материал на составляющие его части; - умение находить связь между причиной и следствием при описании физического процесса; - умение вычленить структуру теоретического материала; - умение выбрать критерии оптимального решения; - умение осуществлять системный подход к решению проблем.	Выполнение расчетно-графических работ
Теоретическая физика, Электродинамика	- умение выделять частные или общие характерные свойства физических процессов; - умение осуществлять системный подход к описанию физического процесса.	Решение теоретических задач
Спецкурсы (Физическая кристаллохимия, рентгенография кристаллов, Образование кристаллов, физика анизотропных сред, теория групп, оптические свойства кристаллов и др.)	- умение моделировать, выделять главное, определяющее и абстрагироваться от всего сопутствующего данному процессу; - умение вместо реального физического процесса или объекта рассматривать модель; - умение интегрировать знания по высшей математике, физике, теоретической физике, специальным дисциплинам.	Выполнение курсовых проектов
Спец. дисциплины	доведение всех вышеперечисленных умений до совершенства	Выполнение дипломного проекта

Одним из основных методов достижения цели формирования профессиональных аналитических умений у студентов является моделирование сложных физических процессов.

В качестве средства формирования профессиональных аналитических умений выступает разработанное нами дидактическое программное обеспечение, а также программное обеспечение, разработанное на кафедре кристаллографии физического факультета Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

В частности, в курсе общей физики дидактическое программное обеспечение представлено моделирующим программным комплексом «Движение тела, брошенного под углом к горизонту, с учетом силы аэродинамического сопротивления» - «Ballist».

Общая задача динамики для тела, которое абстрагируется материальной точкой, решается с помощью уравнения движения, т.е. на основе второго закона Ньютона. Если известны силы, действующие на тело, то второй закон Ньютона дает явное выражение для ускорения. Интегрирование ускорения по времени позволяет получить временную функцию скорости данного тела. Последующее аналогичное интегрирование скорости даст зависимости от времени координат тела.

Однако вышеуказанные математические операции легко проводятся для постоянных сил. Этот частный случай равноускоренного движения подробно рассматривается в средней школе. В реальных задачах силы часто зависят от времени, от скорости тела, от его координат. Следовательно, тело движется под действием переменных сил. В этих случаях интегрирование уравнения движения сталкивается с серьезными трудностями. В настоящее время практика решения задач динамики в подобных ситуациях широко применяет численные методы интегрирования уравнений движения. Эти методы являются приближенными, но современные персональные компьютеры могут обеспечить достаточную точность вычислений за вполне приемлемое время. Этим объясняется распространение методов компьютерного моделирования для задач механики и других разделов физики.

Основными целями работы являются: 1) исследование движения тела под действием силы, зависящей от скорости; 2) расчет баллистических траекторий; 3) ознакомление с численными методами решения дифференциальных уравнений.

Задания:

1. Провести моделирование баллистических траекторий для пушечных ядер определенной плотности и различных радиусов. Сравнить баллистические траектории с идеальными; исследовать зависимость различия параметров баллистических и идеальных траекторий (времени и дальности полета, высоты подъема, конечной скорости) от радиуса снаряда.

2. Провести моделирование баллистических траекторий для пушечных ядер определенного радиуса и различной плотности. Исследовать зависимость различия параметров баллистических и идеальных траекторий от массы снаряда.

3. Выбрать определенные параметры ядра и модуль его начальной скорости v₀. Изменяя угол выстрела б, добиться максимальной дальности полета ядра L. Исследовать зависимость угла б*, при котором достигается максимальная дальность L = L_max , от модуля начальной скорости снаряда v₀.

4. Провести исследование зависимостей б*(v₀) при различных параметрах пушечного ядра (радиуса и плотности).

5. Исследовать асимметрию баллистических траекторий для различных значений параметров ядра и его начальной скорости.

В качестве примера моделирующего программного обеспечения на спецкурсах можно привести комплекс «Динамическая теория дифракции рентгеновских лучей на монокристаллах» - «Dynamic diffraction».

Взаимодействие рентгеновской волны с атомами кристалла приводит к возникновению вторичных (рассеянных) волн. В рамках кинематической теории рассеяния рентгеновских лучей полагается, что вторичные волны являются когерентными, но их взаимодействием с первичной волной пренебрегается. Дифракционные пучки формируются в результате положительной интерференции рассеянных волн и распространяются в направлениях, которые определяются уравнениями Лауэ.

Кинематическая теория позволяет рассчитать углы Брэгга и относительную интенсивность рефлексов для кристаллических образцов размером менее миллиметра или для мозаичных кристаллов, которые состоят из совершенных блоков таких же малых размеров.

С другой стороны, согласно кинематической теории, амплитуда дифрагированной волны равна сумме амплитуд волн, рассеянных каждым атомом. Следовательно, интенсивность рефлекса должна неограниченно возрастать с увеличением размера кристаллического образца, что противоречит закону сохранения энергии. Это обуславливает неприменимость кинематической теории к массивным монокристаллам. При рассеянии рентгеновских лучей на совершенных кристаллах размерами в несколько миллиметров или сантиметров становится непренебрежимым взаимодействие первичной и рассеянных волн внутри облучаемого кристалла. Для описания дифракции в таких кристаллах требуется более сложная теория, называемая динамической.

Последовательная теория дифракции рентгеновских лучей в массивных монокристаллах должна описывать не только рассеяние первичной волны на атомах, но и взаимодействие первичной волны со вторичными волнами, распространяющимися внутри облучаемого кристалла. Кроме того, при расчете интенсивности рентгеновских рефлексов необходимо учитывать поглощение рентгеновских лучей.

Динамическая теория дифракции рентгеновских лучей базируется на уравнениях Максвелла, которыми описывается электромагнитное поле, формирующееся в кристалле, на который воздействует рентгеновская монохроматическая волна.

В этой теории кристалл полагается идеальным диэлектриком с магнитной проницаемостью равной единице. В таких кристаллах отсутствуют макроскопические токи, но могут возникать микротоки из-за смещения электронов внутри атомов под действием электромагнитного поля рентгеновской волны.

Пространственное распределение электронов в кристалле описывается непрерывной функцией точки, которая представляется суммой квадратов модулей волновых функций заполненных одноэлектронных стационарных состояний. Эта сумма усредняется по тепловым колебаниям атомных ядер и умножается на заряд электрона. Такая функция не зависит от времени.

Интенсивность первичной рентгеновской волны такова, что возмущение электронной плотности под влиянием этой волны является малым, т.е. линейно зависит от напряженности электрического поля волны.

Взаимодействием рентгеновской волны с атомными ядрами пренебрегается из-за большой массы ядер.

Электромагнитное поле рентгеновского излучения в кристалле полагается стационарным, т.е. амплитуды векторов напряженности электрического и напряженности магнитного полей рентгеновской волны полагаются не зависящими от времени.

Основные цели работы: 1) ознакомление с основными принципами динамической теории дифракции рентгеновских лучей, 2) изучение угловых распределений рефлексов для различных видов геометрии дифракции рентгеновского излучения, 3) исследование зависимости интенсивности рентгеновских рефлексов от толщины монокристаллов в геометрии Лауэ и Брэгга.

Задания:

1. Выбрать кристалл из заданного списка. Задать индексы дифракционного рефлекса. Вычислить для различных длин волн первичного рентгеновского излучения углы Брэгга, обратные межплоскостные расстояния, структурные амплитуды, Фурье-компоненты поляризуемости. Повторить расчеты для нескольких дифракционных рефлексов. Объяснить обнаруженные закономерности.

2. Выбрать симметричную геометрию дифракции по Лауэ. Исследовать изменения вида углового распределения рефлекса с ростом толщины кристалла. Получить зависимость коэффициента отражения в центре рефлекса от толщины кристалла. Найти значения толщин, при которых центральный максимум достигает экстремальных значений. Рассмотреть влияние поглощения на вид углового распределения рефлекса.

3. Задать определенный угловой диапазон и построить зависимость интегрального коэффициента отражения от толщины кристалла при учете поглощения рентгеновских лучей и без него. Исследовать влияние на изучаемую зависимость изменения длины волны первичного рентгеновского излучения.

4. Провести исследования изменений углового распределения рефлексов при переходе от симметричной геометрии Лауэ к несимметричной. Исследовать зависимости интегрального коэффициента отражения от толщины кристалла при несимметричной геометрии Лауэ.

5. Перейти к симметричной дифракции по Брэггу. Построить угловые распределения дифракционных рефлексов для выбранного кристалла. Вычислить ширину главного максимума и его сдвиг относительно «кинематического» угла Брэгга при различных длинах волн первичного рентгеновского излучения. Исследовать изменения угловых распределений с ростом толщины кристалла и получить «столик Дарвина». Рассмотреть влияние поглощения на форму максимумов углового распределения рефлекса. Провести подобные исследования для разных длин волн.

6. Для заданной ширины углового диапазона рассчитать зависимость интегрального коэффициента отражения в геометрии Брэгга от толщины кристалла. Построить эту зависимость в пренебрежении поглощением рентгеновских лучей и с учетом его. Определить толщину кристалла, при которой интегральный коэффициент отражения практически достигает предельного значения. Получить эту характерную величину для различных длин волн первичного рентгеновского излучения.

7. Исследовать угловые распределения рефлексов при несимметричной геометрии Брэгга. Проследить изменения формы главного максимума с отклонением угла от нуля.

Описания моделирующих комплексов для спецкурсов опубликованы в издании: - Кристаллография. Лабораторный практикум. - Под ред. Е.В.Чупрунова. Работы используются в учебном процессе на физическом факультете Нижегородского государственного университета им.Н.И.Лобачевского.

Комплекс дидактических условий представлен в модели как:

- поэтапность формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов;

- осуществление межпредметных связей и интеграция содержания и технологий общеобразовательных и специальных учебных курсов;

- дифференциация содержания заданий по моделированию сложных физических процессов по уровням сформированности профессиональных аналитических умений (низкий, средний, высокий) у студентов физических факультетов классических университетов.

Преемственность аналитической деятельности студентов физических факультетов рассматривается нами как система последовательных, переходных этапов от общеобразовательной подготовки к профессиональной. Данная система базируется на естественных процессах усвоения знания и приобретении опыта: от простого - к сложному, от общего - к частному.

Сначала профессиональные аналитические умения у студентов-физиков формируются на более простых задачах, например, «Движение тела, брошенного под углом к горизонту, с учетом силы аэродинамического сопротивления» (Общая физика, I курс). Затем задачи постепенно усложняются, например, «Рассеяние заряженных частиц в кулоновском поле» (Электродинамика, III курс). На последних курсах обучения даются задания наибольшей сложности, например, «Динамическая теория дифракции рентгеновских лучей на монокристаллах» (Кристаллофизика, V курс).

Предлагая студентам задания по физике, мы исходили из того, что студенты должны не только приобрести необходимые знания, но и научиться их использовать в конкретной проблемной ситуации. По таблице 3 можно проследить последовательность заданий от простого к сложному.

Таблица 3. Этапы формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов

Этапы	Название этапов	Дисциплины
1 этап 1-2 курс	мотивационный	Общий курс физики, Курс высшей математики
2 этап 3 курс	интеграционный	Общий курс физики, Элктродинамика, Курс теоретической механики, Курс квантовой механики, Физика элементарных частиц
3 этап 4-5 курс	рефлексивный	Кристаллография, Физика твердого тела, Рентгенография

Основными этапами формирования профессиональных аналитических умений являются: мотивационный, интеграционный и рефлексивный.

На первом этапе - мотивационном - формируются знания по общей физике, физических процессов, раскрываются значение, содержание и последовательность выполнения моделирования сложных физических процессов.

На втором этапе - интеграционном - осуществляется межпредметная интеграция и систематизация, формируются знания, понятия и профессиональные аналитические умения на основе усвоения готовых алгоритмов, схем выполнения компьютерного моделирования сложных физических процессов.

На третьем этапе - рефлексивном - осуществляется комплексное применение профессиональных аналитических умений в собственной деятельности студентов, ведущее к получению новых знаний и способов действий, самостоятельное решение задач с учетом реализации основных видов деятельности при моделировании сложных физических процессов.

На мотивационном, интеграционном и рефлексивном этапах нами был разработан тестирующий комплекс по проверке уровня сформированности профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов.

Введение второго дидактического условия связано с тем, что преемственность заданий, постепенное усложнение и дополнение усвоенного материала рассматриваются нами как решающие факторы, определяющие характер межпредметных связей и позволяющие эффективно осваивать студентами полученные знания.

В третьей главе - «Организация и проведение педагогического эксперимента» - проведена экспериментальная проверка эффективности разработанной модели и дидактических условий формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов.

С целью оценки эффективности разработанной модели формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов средствами моделирования сложных физических процессов организован эксперимент со студентами экспериментальной и контрольной групп.

Апробация модели формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов проводилась средствами моделирования сложных физических процессов. В эксперименте участвовало 194 студента физического факультета Нижегородского государственного университета им. Н.И.Лобачевского (98 человек в экспериментальной и 96 контрольной группах). Мы наблюдали динамику формирования профессиональных аналитических умений у студентов экспериментальной и контрольной групп от дисциплины к дисциплине, до начала и по окончании эксперимента.

Цель эксперимента - проверка эффективности модели формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов средствами моделирования сложных физических процессов.

В ходе эксперимента нами отслеживались:

- коэффициент полноты выполнения заданий по проверочным работам;

- коэффициент эффективности модели формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов по сравнению с традиционным обучением;

- динамика поэтапного формирования профессиональных аналитических умений.

Для количественной оценки эффективности разработанной модели формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов нами проверялась и оценивалась степень сформированности выделенных нами 9 профессиональных аналитических умений.

Таблица 4. Профессиональные аналитические умения физика

№	Профессиональные аналитические умения
1	Умение разбить теоретический материал на составляющие его части
2	Умение находить связь между причиной и следствием при описании физического процесса
3	Умение вычленить структуру теоретического материала
4	Умение выбрать критерии оптимального решения
5	Умение выделять частные или общие характерные свойства изучаемых процессов
6	Умение осуществлять системный подход к описанию физического процесса
7	Умение моделировать, выделять главное, определяющее и абстрагироваться от всего сопутствующего данному процессу
8	Умение вместо реального физического процесса или объекта рассматривать модель
9	Умение интегрировать знания по высшей математике, физике, теоретической физике, специальным дисциплинам

Коэффициент полноты выполнения заданий для исследуемой выборки студентов К рассчитывался по формуле

,

где n_i - число заданий выполненных i-м студентом; n - количество заданий, которое должно быть выполнено; N - количество студентов, выполнявших задание.

Высокий уровень профессиональных аналитических умений соответствует полной сознательной деятельности студентов, студенты на высоком уровне демонстрируют наличие всех вышеописанных аналитических умений (коэффициент полноты выполнения заданий выше 0,66).

Средний уровень соответствует наличию у студентов теоретических знаний, но эти знания недостаточно полные и систематизированные, студенты умеют действовать в стандартных ситуациях, но они испытывают трудности применения знаний и умений в новой ситуации (коэффициент полноты выполнения заданий от 0,33 до 0,66).

Низкий уровень профессиональных аналитических умений свидетельствует, что студенты имеют слабую мотивацию к решению задач, выполнению курсовых проектов, профессиональные знания и умения бессистемны, поверхностны (коэффициент полноты выполнения заданий ниже 0,33). Коэффициент эффективности применяемой модели формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов рассчитывался по формуле , где К_э и К_к коэффициенты полноты выполнения заданий студентами соответственно экспериментальной и контрольной группы. При h >1 метод считается более эффективным по сравнению с традиционным.

Различие в коэффициентах полноты выполнения заданий студентами контрольной и экспериментальной групп, а также значение h > 1 для рассматриваемых умений даёт основание считать предложенную модель формирования профессиональных аналитических умений у студентов физических факультетов классических университетов более эффективной по сравнению с традиционной методикой обучения физике.

Проведенный анализ продуктов учебного труда студентов (результатов решения задач, курсовых проектов, расчетно-графических работ, научно-исследовательских работ, дипломных проектов) показывает следующую динамику формирования профессиональных аналитических умений у студентов контрольных и экспериментальных групп.

Из рисунков 2-4 следует, что в экспериментальной группе увеличивается число студентов, у которых профессиональные аналитические умения сформированы на высоком и среднем уровнях, в то время как в контрольной группе эти умения сформированы в основном на низком и среднем уровнях. Результаты защиты дипломных проектов подтверждают эту тенденцию.

Разработанная модель формирования профессиональных аналитических у умений студентов физических факультетов классических университетов подтверждается положительной динамикой повышения уровня сформированности профессиональных аналитических умений.

Рис. 2. Динамика формирования профессиональных аналитических умений (высокий уровень)

Рис. 3. Динамика формирования профессиональных аналитических умений (средний уровень)

Рис. 4. Динамика формирования профессиональных аналитических умений (низкий уровень)

...