Case-project approach in the training of future teachers of physics and computer science
Case-project approach in the training of future teachers of physics and computer science
Abstract
The experience of using modern technologies (educational, informational, microprocessor-based) in teaching the disciplines of training profiles "Physics" and "Computer Science" in a pedagogical university is described. Examples of using the educational technology "Case-project-constructor" developed at Volgograd State Social and Pedagogical University in the creation of training courses and organisation of project-research activities of students at such sites as educational and research laboratories, quantorium, technopark are presented. The experience gained in the implementation of the project "Network Physics Class", which provides integration of autonomous and joint activities of schools and teacher training university based on the ideology of network scientific and educational projects, is presented.
1. Введение
Интенсивное развитие и внедрение в образовательный процесс информационных, микропроцессорных и образовательных технологий – это реальность сегодняшнего дня. Применение современных технологий в образовательной среде позволяет готовить специалистов, обладающих широким спектром профессиональных компетенций, запасом глубоких научных знаний, владеющих определенными навыками в области IT-технологий. В настоящее время в педагогических вузах активно развиваются педагогические кванториумы и технопарки универсальных педагогических компетенций. Актуальной задачей с учетом новых открывающихся возможностей является адаптация существующих и разработка новых форм и методов работы со студентами, построение новой образовательной модели, использующей все плюсы цифровизации. В данной работе проведен обзор возможностей применения в преподавании физики и информатики современных технологий, разрабатываемых в Волгоградском государственном социально-педагогическом университете (ВГСПУ).
2. Интегральная образовательная технология «Кейс-проект-конструктор»
Внедрение в образовательных организациях цифровой образовательной среды (ЦОС) привело к появлению нового поколения образовательных технологий, которые принципиально, уже начиная с момента своего проектирования, основаны на идеологии цифровизации. За счет этого преимущества их использование позволяет повысить качество обучения, обеспечить индивидуализацию обучения и более эффективное взаимодействие педагогов и обучаемых. Одной из таких технологий является интегральная образовательная технология «Кейс-проект-конструктор»
. Основой данной технологии является многоуровневая система кейс-заданий и проектов (как учебных, так и исследовательских), где одним из ведущих принципов является вовлечение обучающихся в развитие и совершенствование образовательной среды (цифровой, материальной, интеллектуальной, духовно-нравственной). В этих условиях правомерно говорить о таком совершенствовании образовательной среды не только как о непрерывном процессе поиска новых знаний, умений, навыков и связей между ними, но и как об инструменте, обеспечивающем достижение основополагающей цели – формирования всесторонне развитой, гармоничной, целостной личности каждого обучающегося.Концепция целостного учебно-воспитательного процесса
развивается волгоградской научно-педагогической школой профессора В.С. Ильина. В качестве целостных свойств личности выделяется ее «идейно-нравственная воспитанность, готовность к труду на основе высокой образованности и творческий характер деятельности» . Безусловно, в практическом отношении упомянутая выше интегральная образовательная технология «Кейс-проект-конструктор» нацелена на выработку необходимых знаний, умений и навыков, требуемых при формировании профессиональных компетенций, однако в более широком рассмотрении она обеспечивает именно формирование целостных свойств личности.При этом данная технология позволяет конструировать на основе структурированного банка заданий как учебные курсы или их элементы, так и выстраивать индивидуальные траектории обучаемых внутри выбранного фрагмента учебного материала, в итоге создавая уникальную образовательную среду для подготовки высококвалифицированных учителей физики или информатики. Рассмотрим некоторые примеры использования этой технологии при подготовке будущих учителей по профилям «Физика» и «Информатика».
3. Обучающая система по решению задач
Решение задач – одно из важнейших средств развития мыслительных, творческих способностей студентов, способствующее более полному усвоению программы подготовки в высшей школе. В ВГСПУ разрабатывается модель адаптивной обучающей системы решения задач по физике
. Та же модель может быть использована при организации обучения информатике.В соответствии с технологией «Кейс-проект-конструктор» такая модель основывается на многоуровневой системе связанных задач, которые включаются в нее на основе экспертного опыта. Связи выстроены по понятиям, навыкам, методам. Предметная область системы содержит банк базисных и дополнительных задач, предназначенных для отработки навыков применения методов, приведенных в решениях базисных задач. Каждая задача содержит условие, ответ или описание требований к результату, подробные решения для базисных задач, указания к решению для дополнительных задач. Задачи охватывают школьный и вузовский уровень от начального до олимпиадного. При этом важно включать в систему задач не только теоретические, но и практико-ориентированные задания. Студенты института математики, информатики и физики включаются в разработку и апробирование системы в рамках практических занятий и семестровых работ, курсовых и дипломных работ, самостоятельной работы. Будущие учителя учатся не только решать задачи, но и выстраивать связи между ними, творчески подходить к процессу составления задач, удовлетворяющих определенным условиям. Разработанные ими материалы могут, после их экспертной оценки, включаться в общую систему заданий, которая послужит хорошим подспорьем в их будущей профессиональной деятельности.
4. Электронные учебные курсы по искусственному интеллекту
Для обучения будущих учителей дисциплинам в области искусственного интеллекта в Волгоградском государственном социально-педагогическом университете авторами на основе технологии «Кейс-проект-конструктор» разработаны и размещены на портале электронного обучения ВГСПУ курсы «Основы искусственного интеллекта»
и «Перспективные направления искусственного интеллекта» . В рамках аудиторных занятий по данным курсам предлагается трехуровневая система заданий, включающая выполнение базовых кейсов, продвинутых кейсов и учебных проектов для освоения современных направлений искусственного интеллекта: анализ и обработка данных, нейросети глубокого обучения, компьютерное зрение, обработка естественного языка. Каждый кейс содержит ситуационную задачу (описание учебной проблемной ситуации); задания, выполнение которых приводит к решению поставленной задачи (перечень заданий для организации поэтапного решения ситуационной задачи); материалы, необходимые для решения задачи (дополнительные материалы кейса); программные средства для решения задачи (перечень программных средств и соответствующей этим средствам справочной документации) , .Задания первого уровня представляют собой обязательный комплект кейсов, направленный на формирование базовых знаний, умений и навыков. Задания второго уровня содержат продвинутые кейсы, которые предусматривают элементы проектной работы при решении подзадач ситуационной задачи. Третий уровень заданий предполагает выполнение учебных проектов, посвященных разработке программных модулей на языке Python. Проектные задачи включают в себя описание некоторой значимой проблемы, для решения которой могут быть эффективно использованы технологии искусственного интеллекта.
Часть успешно выполненных учебных проектов может в дальнейшем переводиться в категорию кейсов второго уровня, которые затем используются для подготовки обучающихся к последующему выполнению проектов.
В рамках рассмотренных курсов также предусматривается внеаудиторная самостоятельная работа студентов (СРС). Она организуется в форме проведения учебно-исследовательских проектов (то есть, заданий более высокого уровня, чем описанные выше) по тематике, развивающей и дополняющей содержание этих курсов.
5. Открытые микропроцессорные платформы
В ВГСПУ при обучении будущих учителей особое внимание уделяется изучению современных микропроцессорных систем с открытым исходным кодом, основанных на простом в использовании аппаратном и программном обеспечении
, . В университете созданы измерительные приборы с возможностью накопления данных и передачи их для последующей обработки на компьютере. Они оказались весьма продуктивны для измерения температуры, тока, напряжения, индукции магнитного поля и других физических величин.В процессе обучения физике и информатике студенты помимо традиционных готовых лабораторных заданий получают индивидуальные проектные задания по разработке прикладных систем на основе микропроцессорных устройств, в первую очередь – на базе микропроцессорной платформы Arduino. Кроме того, тематика курсовых и выпускных квалификационных работ включает в себя задания, связанные с созданием, эффективным функционированием и использованием цифровых лабораторий. Разработанные устройства и методические указания по их созданию и использованию развивают образовательную среду вуза, создают базу для дальнейшего развития этого направления в университете и готовят студентов к будущей работе в школе и кружках научно-технического творчества.
6. Исследовательские проекты
Дальнейшее развитие рассматриваемый подход получает в виде исследовательских проектов, выполняемых в рамках научно-исследовательской работы студентов (НИРС). Эти проекты могут выполняться на базе различных образовательных пространств: учебных и научно-исследовательских лабораторий, кванториумов, технопарков.
В ВГСПУ кванториум и технопарк универсальных педагогических компетенций имеют хорошее оснащение современным оборудованием, позволяют изучать и осваивать современные цифровые средства, создавать собственные инновационные образовательные технологии
. В рамках технопарка организована работа высокотехнологичных площадок по различным направлениям современной науки, в том числе физике и информатике. На таких площадках могут работать не только студенты и преподаватели университета, но и учащиеся, и учителя общеобразовательных учреждений.Традиционная практика проектной деятельности предусматривает, в основном, автономную ее реализацию. Инновационный подход заключается в интеграции автономной и совместной деятельности на основе идеологии сетевых научно-образовательных проектов
.С 2023 года команда сотрудников ВГСПУ, совместно с практикующими учителями физики, разрабатывают и сопровождают проект «Сетевой физический класс»
, . Предлагаемая методика реализации сетевого физического класса (СФК) обеспечивает возможность устойчивого сетевого взаимодействия всех субъектов образовательного процесса (школьников, студентов, учителей, преподавателей вуза) для повышения качества изучения обучающимися предметной области «Физика» и подготовки их к проектно-исследовательской деятельности. Основой проекта является курс «Индивидуальный проект. Физика» .С сентября 2024 года в образовательную программу направления «Педагогическое образование», профили «Математика», «Физика» для студентов 3-го курса введен факультатив «Индивидуальный проект по физике». Студенты осваивают курс, выступают в роли наставников СФК, получают навыки организации проектов в рамках совместно-распределенной деятельности. Совместно с преподавателями университета и учителями (наставниками СФК) они работают над совершенствованием курса, определяют тематику проектов, а также осуществляют сопровождение выполнения проектов. Здесь находят применение навыки работы с микропроцессорными платформами, технологиями искусственного интеллекта, а также опыт работы с экспериментальными и теоретическими задачами.
Индивидуальные проекты по информатике имеют свою специфику, но общая идеология проектно-исследовательских работ, заложенная в курсе «Индивидуальный проект. Физика» будет основой и для разрабатываемого курса «Индивидуальный проект. Информатика».
7. Заключение
Выявлены особенности использования современных технологий при подготовке педагогических кадров по физике и информатике. Будущие педагоги, осваивая эти технологии, готовятся к работе в школе в новых условиях активизации научно-исследовательской и проектной деятельности учащихся. Привлечение обучающихся к созданию и совершенствованию образовательной среды способствует активизации учебно-познавательной деятельности, повышению мотивации к изучению физики и информатике, практической ориентированности обучения, формированию научно-исследовательских компетенций в процессе обучения.