ФОРМИРОВАНИЕ У СТУДЕНТОВ УНИВЕРСИТЕТОВ ОБОБЩЕННЫХ МЕТОДОВ ПРОВЕДЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ФОРМИРОВАНИЕ У СТУДЕНТОВ УНИВЕРСИТЕТОВ  ОБОБЩЕННЫХ МЕТОДОВ ПРОВЕДЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Научная статья

Смирнов В.В.

ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный университет», г. Астрахань, Россия

Аннотация

Современное общество нуждается в специалистах, способных самостоятельно формулировать и решать новые исследовательские проблемы. Формирование указанных качеств в первую очередь осуществляется в ходе выполнения лабораторных практикумов, в данном случае физических. Однако наблюдения в процессе многолетнего преподавания,  результаты специально проведенного эксперимента, свидетельствуют о том, что содержание и методика реализации лабораторного практикума по общей физике, не обеспечивают в полной мере подготовку студентов к самостоятельному проведению экспериментальных физических исследований. Причина этого состоит в том, что выполняемые лабораторные работы предстают перед студентами как самостоятельные не связанные друг с другом типы экспериментальной деятельности. Поэтому, в результате выполнения большого числа лабораторных работ практикума, студенты не умеют ориентироваться в любой конкретной ситуации физического экспериментального исследования. Между тем, в содержании экспериментальной деятельности известных физиков, возможно выявить типовые цели исследований по их конечным результатам. Тогда многообразие лабораторных работ можно свести к определенным типам экспериментальных исследований. Обучать студентов необходимо не частным методам выполнения конкретных лабораторных работ практикума, а обобщенным методам планирования и проведения экспериментальных исследований.

Ключевые слова: физические эксперименты

Общая идея, положенная в основу исследования, состоит в том, что возможно выявить типы экспериментальных исследовательских задач, решаемых физиками при выполнении конкретных исследований, разработать обобщенные методы их планирования и проведения, и обучать студентов не частным методам выполнения лабораторных работ в практикуме, а формировать у них каждый обобщенный метод проведения физического экспериментального исследования выделенного типа как деятельность определенного содержания. На основе этой идеи был разработан и внедрен учебный процесс, описанный в данной статье.

Ключевые слова: экспериментальные исследования в области физики, теория поэтапного формирования умственных действий, модель учебного процесса, познавательная задача, обобщенные методы решения познавательных задач.

Работа выполнена по специальности 13.00.02

Keywords: experimental researches in physics area, the theory of stage-by-stage formation of intellectual actions, model of educational process, the informative problem, the generalized methods of the decision of informative problems.

В современных социально-экономических условиях создаются возможности для освоения молодыми людьми исследовательской изобретательской деятельности. Осуществляется поддержка малых предприятий, входящих в инновационный пояс университетов правительственным фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (зворыкинский проект, СТАРТ, У.М.Н.И.К., стипендии президента, гранты правительства[1] и другие), реализуется молодежный образовательный форум «Селигер»[2], организуются инновационные центры, такие как Сколково[3], региональные технопарки и бизнес-инкубаторы. Уже не один год государственная политика ориентирована на развитие инновационной исследовательской деятельности студентов, аспирантов, молодых ученых, талантливых специалистов. В соответствии с этим одним из главных направлений деятельности университетов России является развитие инновационной составляющей в подготовке специалистов, коммерциализация научной деятельности, поиск выхода на международные рынки образования и бизнеса.

Это требует конструирования оптимальных образовательных стандартов подготовки специалистов, разработки новых образовательных программ и принципиально других технологий, направленных на формирование у обучаемых такого стиля мышления, который позволит находить решение любых проблем. Приоритетом физического образования в высшей школе является формирование и развитие у студентов исследовательских способностей. Для достижения этой цели в Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации предполагается «… вовлеченность студентов и преподавателей в фундаментальные и прикладные исследования. Это позволит …  вырастить новое поколение исследователей, ориентированных на потребности инновационной экономики знаний*. Фундаментальные научные исследования должны стать важнейшим ресурсом и инструментом освоения студентами компетентностей поиска, анализа, освоения и обновления информации»[4].

Федеральные государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования (ФГОС ВПО) конкретизируют эти цели в виде профессиональных компетенций. Так, выпускник университета по направлению подготовки 011200 «Физика» (квалификация «бакалавр») должен обладать «способностью применять на практике базовые ... методы физических исследований и … пользоваться современными методами обработки … физической информации»[5].  Требования, предъявляемые к магистру этого же направления, возрастают.  В частности, он не просто принимает «участие  в  проведении  физических  исследований  по заданной тематике и … в обработке полученных результатов научных исследований»,  но и обладает «способностью самостоятельно ставить конкретные задачи научных исследований в области физики … и решать их … с использованием новейшего отечественного и зарубежного опыта»[6]. Аналогичные компетенции в соответствии с получаемой квалификацией выделены в ФГОСах различных направлений подготовок бакалавров и магистров. Для формирования названных компетенций в первую очередь предназначены физические практикумы.

Однако наши наблюдения в процессе многолетнего преподавания,  результаты специально проведенного эксперимента, убедительно свидетельствуют о том, что существующая структура, содержание и методика реализации практикумов не позволяет получить специалистов в полной мере готовых к самостоятельному проведению физических экспериментальных исследований. Так  студенты не могут сформулировать цель экспериментального исследования с указанием конечного продукта экспериментальной деятельности; не осознают необходимости последовательного выполнения общих этапов экспериментальной деятельности; затрудняются в применении теоретических положений физики для оценки параметров экспериментальной установки, приборов, технических устройств; предлагают метод обработки результатов только указанный в инструкции. В итоге лабораторные работы практикумов предстают перед студентами как самостоятельные совершенно не связанные друг с другом типы экспериментальной деятельности, и в результате выполнения большого числа лабораторных работ студенты не умеют ориентироваться в конкретной ситуации физического экспериментального исследования. Между тем, в содержании экспериментальной деятельности физиков, возможно выявить типовые цели исследований по их конечным результатам. Тогда многообразие лабораторных работ можно свести к определенным типам экспериментальных исследований. Обучать студентов необходимо не частным методам выполнения конкретных лабораторных работ практикума, а обобщенным методам планирования и проведения экспериментальных исследований. Под обобщенным методом будем понимать последовательность логически взаимосвязанных обобщенных действий, выполнение которых приводит к достижению заданной цели. Обобщенное действие – результат обобщения конечных продуктов выполнения конкретной деятельности. Психологами установлено, что обобщенные методы обладают свойством широкого переноса: их можно использовать при решении широкого круга задач не только в рамках одного предмета, но и на занятиях по другим дисциплинам, а также в практической деятельности.

Общая идея, положенная в основу исследования, состоит в том, что возможно выявить типы экспериментальных исследовательских задач, решаемых физиками при выполнении конкретных исследований, разработать обобщенные методы их планирования и проведения, и обучать студентов не частным методам выполнения лабораторных работ в практикуме, а формировать у них каждый обобщенный метод проведения физического экспериментального исследования выделенного типа как деятельность определенного содержания. Разработана и внедрена следующая модель учебного процесса.

На основе анализа описаний исследований физиков-экспериментаторов выделено четыре типа познавательных задач, решаемых экспериментально: воспроизвести физическое  явление (ПЗ№1), установить, зависит ли одна физическая величина от другой (ПЗ№2), найти значение конкретной физической величины (ПЗ№3), установить вид зависимости между величинами (ПЗ№4) [2]. Систему занятий по формированию действий, входящих в содержание обобщенных методов решения экспериментальных познавательных задач, и обобщенных методов в целом предлагается разбить на четыре этапа [3-4].

На первом этапе у студентов формируются обобщенные методы решения познавательных задач, связанных с воспроизведением физического явления и установлением факта зависимости между физическими величинами (ПЗ№1, ПЗ№2). Студенты овладевают следующими действиями: выделение структурных элементов экспериментальных установок; выделение свойств элементов экспериментальной установки, значимых для воспроизведения запланированного явления; составление принципиальных схем ЭУ для воспроизведения физических явлений и проведения физических исследований. Эти действия являются для всех студентов новыми и потому могут быть сформированы только при многократном их выполнении с различными физическими явлениями. Для проверки сформированности этих действий студентам можно предложить разработать принципиальные схемы  экспериментальных установок для решения одной из познавательных задач, например, установить, зависит ли 1)  количество теплоты, выделяемой при сгорании топлива, от его массы; 2) сопротивление электролита от температуры; 3) сила фототока от длины волны света и др.

Студенты, успешно выполнившие контрольное задание, приступают к изучению конструкций и назначения различных экспериментальных установок, имеющихся в физическом практикуме данного университета. В ходе этого они 1) выделяют физическое явление, которое воспроизводит данная ЭУ; 2) разрабатывают варианты принципиальных схем ЭУ, позволяющие воспроизводить выделенное физическое явление; 3) устанавливают какому варианту принципиальной схемы соответствует данная ЭУ; 4) указывают какие элементы этой ЭУ выполняют функции объекта исследования, воздействующего объекта, управляющих элементов и индикатора; 5) сформулируют познавательные задачи, которые можно решить с использованием данной экспериментальной установки.

Далее студенты тренируются в планировании действий по решению познавательных задач, сформулированных при изучении имеющихся в лаборатории экспериментальных установок. Занятия по планированию воспроизведения физических явлений и исследований при установлении зависимости между величинами с использованием данной экспериментальной установки должны осуществляться на материале лабораторных работ раздела «Механика». Описанная система занятий должна осуществляться в первом семестре.

Целью второго этапа является обучение студентов проведению исследований, соответствующих ПЗ№3 и ПЗ№4: найти значение конкретной физической величины и установить вид зависимости одной физической величины от другой. Особенностью решения задач этих типов является необходимость математической обработки и графического представления результатов экспериментов. Поэтому действия, связанные с методами оценки погрешностей прямых и косвенных измерений физических величин (вычисление случайной погрешности, абсолютной и относительной инструментальной погрешностей, погрешности отсчета и вычисления, правильная запись результатов измерений в экспериментах, полная обработка результатов прямых измерений, правила построения графика зависимости между величинами, значения которых найдены в экспериментах) должны стать предметом  специального усвоения.  Для формирования обобщенных методов решения этих ПЗ проводятся занятия, на которых студенты решают их самостоятельно на примерах лабораторных работ по молекулярной физике и термодинамике. Также студенты могут найти конкретное значение и установить вид зависимости, используя лабораторные установки для изучения механических явлений. Лабораторные работы могут выполняться по обычному графику.

Для формирования обобщенных методов проведения экспериментальных физических исследований, соответствующих выделенным познавательным задачам, необходимо  выделить время, что обосновывает введение курса, направленного на формирование этих новых  для всех студентов действий. Такой курс разработан и назван «Введение в практикум по общей физике». Он рассчитан на два семестра.

Результатом реализации курса «Введение в практикум по общей физике» является студент, способный спланировать и провести экспериментальное исследование с применением обобщенных методов в соответствии с поставленной целью исследования.

Целью третьего этапа является подготовка студента, способного с опорой на обобщенные методы решения познавательных задач различных типов, самостоятельно сформулировать познавательную экспериментальную задачу, спланировать систему действий по ее решению, решить ее и критически оценить полученный результат.  Если рассматривать описанную выше  модель учебного  процесса на примере подготовки бакалавров физики, то третий этап приходится на 3 – 5 семестры, на изучение разделов «Электричество и магнетизм», «Оптика», «Атомная и квантовая  физика». Выполнение работ каждого из названных разделов предваряется информацией преподавателя об особенностях используемых объектов исследований и специфических условиях взаимодействий. На этом этапе студенты, пользуясь обобщенными методами, многократно планируют и проводят исследование физических явлений различной природы.

При выполнении лабораторных работ в других практикумах целесообразно учитывать новые качества студентов и изменить инструкции к лабораторным работам, заменив подробные указания формулировкой целей экспериментальных исследований и предоставив студентам самостоятельно разрабатывать путь их достижения.

Новое содержание занятий в практикуме по общей физике диктует и новую методику обучения. Особенность этой методики  в первом и втором семестрах состоит в том, что студенты во время занятия самостоятельно прорабатывают параграф учебного пособия «Введение в практикум по общей физике», в котором изложены опорные знания для правильного выполнения определенного действия, и многократно тренируются в выполнении этого действия (деятельности) на определенных заданиях.

Роль преподавателя заключается в направлении работы студентов, их консультировании в случае возникновения такой необходимости. Каждое занятие должно быть обеспечено учебной и справочной литературой по физике в достаточном количестве. Каждый вид деятельности (действие) студенты должны освоить за одно занятие и получить зачет. Это является обязательным условием допуска студента к следующему занятию, так как овладение каждым действием (деятельностью) является непременным условием овладения следующим действием. Примерно половина занятий в каждом из этих семестров проводится без использования оборудования, то есть теоретически (на этих занятиях формируются виды деятельности, осуществляемые при подготовке исследования и обработке его результатов). После овладения обобщенными методами решения типовых экспериментальных задач студенты могут работать по графику. Особенность методики проведения этих занятий состоит в том, что студенты получают только формулировку цели исследования и в домашних условиях разрабатывают принципиальные схемы ЭУ. Это является допуском к работе. Во время занятия студент должны соотнести предложенную им ЭУ с одной из разработанных принципиальных схем, выделить элементы этой установки, составить программу исследования, выполнить его и обработать полученные результаты осознанно выбранным методом оценки. Отчет о проведенном исследовании должен соответствовать системе действий, составленной студентом в виде программы исследования.

Для многократного выполнения студентами каждого формируемого действия в рабочей тетради им предлагаются специальные задания в виде сформулированной цели  и набора из 8–10 ситуаций.

При формировании некоторых действий студентам предлагается работать по учебным картам, в которых указаны действия и ориентиры для их безошибочного выполнения.

Литература

2. Анофрикова С.В., Стефанова Г.П., В.В.Смирнов. Введение в практикум по общей физике. [Текст]: учеб. Пособие - Астрахань: Издательский дом "Астраханский университет", 2006 – 150 с.

3. Анофрикова С.В., Стефанова Г.П., В.В.Смирнов. Введение в практикум по общей физике. Учебное пособие для преподавателей (часть 1)  [Текст]: учеб. пособие  - Астрахань: Издательский дом "Астраханский университет", 2006 – 21 с.

4. Анофрикова С.В., Стефанова Г.П., В.В.Смирнов. Введение в практикум по общей физике. Учебное пособие для преподавателей (часть 2)  [Текст]: учеб. пособие  - Астрахань: Издательский дом "Астраханский университет", 2006 – 23 с.

5. Анофрикова С.В., Стефанова Г.П., В.В.Смирнов. Введение в практикум по общей физике. Рабочая тетрадь для студентов [Текст]: - Астрахань: Издательский дом "Астраханский университет", 2006 – 80 с.