Формування STEM-компетентностей студентів під час розв’язування фізичних задач з поєднанням принципу симетрії в вищих технічних навчальних закладах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формування STEM-компетентностей студентів під час розв'язування фізичних задач з поєднанням принципу симетрії в вищих технічних навчальних закладах

Напрями реформування фізичної освіти в вищих навчальних закладах (ВНЗ) упродовж останніх років обумовлені змінами в змісті, методах, формах та засобах навчання у зв'язку з гуманізацією та гуманітаризацією освіти, а також спрямовані на створення умов, які сприяли б становленню і розвитку особистості студента, посиленню його ролі та активізації у пізнанні природи та суспільстві. Такі зміни сприяють тому, щоб фізика була для студентів не простим переліком деяких відкриттів та сумою конкретних наукових знань, а перетворилася у спосіб мислення.

22 червня 2015 року в Міністерстві освіти та науки України відбувся круглий стіл, присвячений розвитку STEM-освіти, на якому були присутні представники провідних установ, ініціатив, проектів у сфері освіти всіх рівнів (загальноосвітньої, профільної, позашкільної, дошкільної, вищої), а також було створено робочу групу з питань впровадження STEM-освіти в Україні Наказ МОН України від 29.02.2016 № 188 [14].

Значення реформи освіти в STEM-напрямку пояснюється такими ключовими факторами: глобальні економічні проблеми; зміна потреб в робочій силі, що вимагає комплексних знань, вмінь та навичок, що відповідають вимогам XXI століття; попит на STEM-грамотність, необхідну для вирішення глобальних технологічних проблем [12]. Відповідно ці ідеї впливають і на реформування фізичної освіти у вищих навчальних закладах освіти.

Особливе значення на сучасному етапі реформування фізичної освіти має питання самостійного здобування знань студентами та формування STEM-компетентностей у процесі навчання загального курсу фізики у вищих навчальних закладах (ВНЗ) в умовах розвитку STEM-освіти.

Згідно закону України про вищу освіту від 01.07.2014 р. № 1556-VII, вища освіта - сукупність систематизованих знань, умінь і практичних навичок, способів мислення, професійних, світоглядних і громадянських якостей, морально- етичних цінностей, інших компетентностей, здобутих у вищому навчальному закладі. Відтак, одним із напрямків реформування фізичної освіти у ВНЗ технічного профілю є посилення її методологічної спрямованості в умовах розвитку STEM-освіти.

Рівень сформованості знань в студентів з фізики визначається засвоєнням фундаментальних фізичних понять, законів, теорії та принципів. На нашу думку доцільно сформувати у студентів під час вивчення загального курсу фізики цілісне уявлення про дану науку на основі вивчення фундаментальних понять симетрії та принципів симетрії.

Компетентнісний підхід у вищій школі розглядали в своїх роботах В.А. Болотов, Е.О. Іванова, І.А. Зимня, А.А. Орлов, О.С. Смір- нова, В.В. Рубцов, А.В. Хуторський, В.Д. Шадріков та ін.

Проблемі симетрії у фізиці присвячені роботи Дж. Еліота, П. Добера [4], І.С. Дмітрієв розглядав симетрію в квантовій хімії [3], В.В. Мултановського, який розглядає симетрію у класичній механіці [6], І.З. Ковальова (розгляд симетрії в курсі фізики в середній школі) [5], геометричні перетворення симетрії розглядав М.М. Мурач [7], Е. Вігнер відзначав в своїх роботах найважливіші проблеми філософського і природничо-наукового характеру, пов'язані з симетрією [2], М.І. Садовий розглядав в своїх роботах симетрію мікрочастинок [11].

Методикою розв'язування фізичних задач з курсу загальної фізики займалися Л.І. Антонов, Б.С. Беліков, В.С. Волькенштейн, І.Е. Іродов, З.Г Павлова, І.В. Савельев, ТІ. Трофимова, та ін. Висвітлення проблем вивчення загального курсу фізики у вищих навчальних закладах знайшли відображення в роботах С.П. Величка, В.П. Вовкотруба, А.В. Касперського, М.І. Садового, В.П. Сергієнка, Б.А. Суся та ін.

Мета статті полягає у з'ясуванні змісту БТЕМ-компетенцій у процесі навчання з фізики та їх формуванні у студентів під час розв'язування фізичних задач із використанням принципу симетрії.

Досліджуючи дану проблему ми використовували такі теоретичні методи: аналіз підручників, методичних посібників і публікацій, що відображають проблему дослідження, з метою виявлення сучасних фізичних наукових положень та досягнень, тенденцій розвитку методики навчання фізики у ВНЗ в умовах розвитку БТЕМ-освіти.

У методичній літературі [1; 8; 9; 10] під задачами розуміють доцільно підібрані вправи, основне призначення яких полягає у вивченні фізичних явищ, формуванні понять, розвитку логічного мислення суб'єктів навчання та прищепленні їм умінь застосовувати свої знання на практиці. Розв'язування фізичних задач, внаслідок розгляду поняття симетрії в умовах розвитку БТЕМ- освіти, є способом перевірки та систематизації знань студентів, дає можливість раціонально проводити повторення, розширювати та поглиблювати знання, сприяє формуванню світогляду, знайомить з досягненнями науки та техніки.

Під час розв'язування фізичних задач з використанням поняття симетрії потрібно застосовувати такі елементи симетрії, як площина симетрії, вісь симетрії, центр симетрії. Застосування принципу симетрії в процесі вивчення загального курсу фізики студентами в вищих навчальних закладах в умовах розвитку БТЕМ-освіти вимагає певної підготовчої роботи, а саме [5]: знайомство з симетрією предметів і явищ в повсякденному житті. В студентів ці уявлення не зовсім чіткі, послідовні, осмисленні, тому в цей період викладач повинен уважно спрямувати діяльність студентів і виправляти їх помилки.

Варіативно формулюючи та розв'язуючи фізичні задачі, що пов'язані з вивчення поняття симетрії, можна концентрувати увагу студентів на вивченні, повторенні та узагальненні основного навчального матеріалу. Важливим є порядок постановки фізичних задач, який сприяє глибшому вивченню основних фізичних явищ.

Враховуючи основні дидактичні принципи, систему фізичних задач у процесі навчання загального курсу фізики в ВНЗ технічного профілю в умовах розвитку БТЕМ-освіти, доцільно створювати на основі таких вимог:

1. Кожна фізична задача повинна відповідати змісту навчального матеріалу, концентрувати увагу на тих основних знаннях і вміннях, які має засвоїти і сформувати студент.

2. Фізичні задачі повинні відповідати принципам науковості, систематичності й послідовності їх запровадження у навчально-виховний процес. Розробляючи фізичні задачі, слід брати до уваги свідоме ставлення студентів до розв'язування задач у процесі розгляду симетрії, розуміння ними суті основних явищ і процесів та активізації їхньої розумової діяльності.

3. Розв'язування задач у процесі вивчення загального курсу фізики передбачає глибоке розуміння та знання студентами основних фізичних явищ, законів і теорій.

4. Система оптимально підібраних фізичних задач у процесі вивчення студентами загального курсу фізики у ВНЗ повинна спиратися на надбаний студентами досвід та стимулювати його постійний розвиток, поступово ускладнюючи навчальну та розумову діяльність, беручи до уваги рівень стилю мислення і здібності студентів.

Розглядаючи симетричні електричні кола, застосовуючи до них принцип симетрії, легко прийти до такого висновку: симетрія сполучення провідників, симетрія величин їх опорів, симетрія способу підведення напруги (симетрія причин) проявляється в симетрії струмів і симетрії потенціалів вузлових точок кола (симетрія наслідків).

Відмітимо, що при відшуканні площин і осей симетрії слід враховувати розміщення опорів, характер їх з'єднання, а також їх величину. В цьому випадку ми маємо справу з повною еквівалентністю (тотожністю) симетричних резисторів, бо по них протікають однакові струми, а потенціали їх кінців однакові.

Таким чином, у цьому випадку ми маємо справу з фізичною еквівалентністю, а тому відповідну площину чи вісь симетрії можна умовно назвати фізичною площиною чи віссю симетрії (у симетричних елементах відбуваються однакові фізичні процеси).

Якщо система резисторів має площину симетрії або вісь симетрії, а напругу від джерела підведено до точок, симетричних відносно цієї площини чи осі симетрії, то з принципу симетрії витікає, що всі вузли і точки, що лежать в площині симетрії чи на осі симетрії, мають однакові потенціали. В цьому випадку вітки кола не будуть повністю еквівалентними, а тому відповідну площину чи вісь симетрії можна умовно назвати геометричною.

Розв'язання задач на відшукання величин опорів симетричних електричних кіл, як уже відмічалось вище, зводиться до відшукання еквіпотенціальних вузлів. Сам процес відшукання еквіпотенціальних вузлів зводиться, до відшукання фізичних і геометричних елементів симетрії кола. Тоді, запропонуємо сам процес розв'язування задачі, що зводиться до виконання таких операцій [5]:

1. Встановити симетрію кола та її характер (геометрична чи фізична).

2. Виходячи з симетрії кола, відшукати точки з однаковими потенціалами.

3. Будують еквівалентну схему електричного кола, для чого виконують над нею перетворення: з'єднують еквіпотенціальні вузли в один вузол, внаслідок чого коло значно спрощується; викликають з кола ті дільниці, які з'єднують вузли з однаковими потенціалами; розводять вузли, тобто заміняють їх кількома вузлами, що мають той же потенціал, що і вихідний вузол; розводять вітки схеми, замінюючи їх як правило двома симетричними вітками; виконують кілька з цих операцій.

4. Користуючись формулами для послідовного і паралельного з'єднання резисторів, розраховують опір еквівалентної схеми. Це і буде шукане значення опору електричного кола.

Зазначене дає підстави виділити такі БТЕМ-компе- тентності, які формуються в студентів у процесі навчання фізики:

1. Навчальна STEM-компетентність - студент повинен знати основні наукові факти і фундаментальні ідеї, сутність основних фізичних понять і законів, принципів і теорій, які дають змогу пояснити перебіг фізичних явищ і процесів; вміти користуватися планами узагальнюючого характеру, за якими розкривається сутність того чи іншого поняття, закону, факту тощо; з'ясувати закономірності фізичних явищ і процесів; характеризувати сучасну картину світу; знати наукові основи сучасного виробництва, техніки і технологій.

2. Інформаційна STEM-компетентність - вміння працювати з підручником, додатковою літературою, із засобами інформаційних технологій, вміння складати конспект, оформляти реферат, науковий проект, узагальнювати вивчену інформацію у процесі вивчення загального курсу фізики.

3. STEM-компетентність розв'язування фізичних задач - студент повинен володіти трьома етапами діяльності при розв'язуванні задач з фізики: аналіз фізичної проблеми; пошук математичної моделі; реалізація розв'язку та аналізу одержаних результатів.

4. Експериментальна STEM-компетентність - уміння планувати експеримент з фізики; уміння готувати фізичний експеримент; уміння спостерігати явища та процеси під час вивчення фізики; уміння вимірювати фізичні величини; уміння опрацьовувати результати експерименту; уміння інтерпретувати результати експерименту; уміння складати звіт про виконану роботу.

5. Дослідницька STEM-компетентність - оволодіння методологією і методами наукового дослідження, ініціатива, здатність застосовувати теоретичні знання у практичній роботі з загального курсу фізики, виконання завдань, що містять елементи проблемного пошуку, вміння виконувати нетипові завдання дослідницького характеру, підготовка і захист дослідницьких проектів.

У результаті проведених досліджень та вище зазначеного констатуємо те, що доцільність підпорядкування змісту навчального матеріалу з фізики базується на фундаментальних поняттях, одним з яких є симетрія. Ознайомлення та вивчення студентами поняття симетрії та його принципів сприятимуть формуванню БТЕМ-компетентностей, сучасного наукового мислення, а також забезпечуватиме систематизацію знань з фізики при розв'язуванні задач з різних розділів фізики та формуванню наукового світогляду в умовах БТЕМ-освіти.

Перспективи подальших досліджень полягають в детальному аналізі поняття симетрії та його використання у навчанні фізики у ВНЗ в умовах БТЕМ-освіти.

Список використаних джерел

1. Бугаев А.И. Методика преподавания физики. Теоретические основы / А.И. Бугаев. - М.: Просвещение, 1981. - 288 с.

2. Вигнер Е. Этюды о симметрии / Е. Вигнер. - М.: Мир, 1971. - 318 с.

3. Дмитриев И.С. Симметрия в мире молекул / И.С. Дмитриев. - Л..: Химия, 1976. - 128 с.

4. Элиот Дж. Симметрия в физике / Дж. Элиот, П. Добер // Соч.: в 2-х т. - М.: Мир, 1983. - Т.1. - 364 с.

5. Ковалев И.З. Учение о симметрии в курсе физики средней школы: автореф. дис.... канд. пед. наук: спец. 13.00.02 «Теория и методика обучения (физика)» / И.З. Ковалев. - К., 1976. - 24 с.

6. Мултановский В.В. Курс теоретической физики / В.В. Мул- тановский. - М.: Просвещение, 1988. - 304 с.

7. Мурач М.М. Геометричні перетворення і симетрія / М.М. Мурач / К.: Радянська школа, 1987. - 178 с.

8. Осадчук Л.А. Методика преподавания физики./ Л.А. Осад- чук. - К.: Вища школа, 1984. - 352 с.

9. Основы методики преподавания физики / под ред А.В. Пе- рышкина, В.Г. Разумовского и В.А. Фабриканта. - М.: Просвещение, 1983. - 398 с.

10. Розв'язування задач з фізики. Практикум / за заг. ред. Є.В. Коршака. - К.: Вища школа, 1986. - 132 с.

11. Садовий М.І. Окремі питання сучасної та традиційної фізики: навчальний посібник для студентів педагогічних навчальних закладів освіти. - Кіровоград: Видавництво ПП «Каліч О.Г.», 2007. - 138 с.Bybee R.W. The case for STEM education: Challenges and opportunities [Электронный ресурс] // Arlington, VA: National Science Teachers Association Press. 2013. - URL: http://static. nsta.org/files/PB337Xweb.pdf

12. Building a science, technology, engineering and math agenda [Электронный ресурс] // National Governors Association (NGA). 2007. - URL: http://www.nga.org/files/live/sites/NGA/ files/pdf/0702INNOVATIONSTEM.PDF

13. http://old.mon.gov.ua/ua/about-ministry/normative/5219-

14. Launching the 21st century American aerospace workforce [Электронный ресурс] // Aerospace Industries Association of America (AIAA). Washington, DC: 2008. - URL: http://www. raeng.org.uk/publications/other/launching-the-21stcentury- american-aerospace-work

Размещено на Allbest.ru