Как учить физике инженеров. Практика

Охарактеризуем более подробно содержание некоторых методов экспериментальной проверки гипотезы исследования, применявшихся в проведенных опытных испытаниях и контрольных срезах. Анализ результатов констатирующего этапа эксперимента позволил определить уровень профессиональной компетентности будущих инженеров, выявить их учебные затруднения. Сравнительный анализ результатов экспериментальных данных дал возможность выяснить общую картину изменения уровня сформирорванности профессиональной компетентности будущих инженеров, определить наличие и характер взаимосвязи между компонентами рассматриваемой компетентности. Опросные методы (интервьюирование, анкетирование) использовались в целях выявления мнения студентов о необходимости повышения качества профессиональной подготовки в процессе изучения физики. Многофакторная обработка экспериментальных сведений полученных по итогам проведенного исследования позволила оптимизировать их представление и отображение, провести прогнозирование результатов анализа полученных статистических массивов данных с помощью компьютеризированного автором монографии способа оценки изменения уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров по итогам реализации методической системы в процессе изучения физики.

Комплексный интегративный характер проведения экспериментального педагогического исследования, оптимизация выбора и сочетания используемых методов и методик может стать основанием для аргументации суждения относительно достаточной надежности и достоверности полученных результатов.

Следует отметить, что с переходом на бакалавриат в высших образовательных учреждениях стала выраженной тенденция уменьшения количества студентов в группах. В связи с этим необходима организационно-методическая коррекция деятельности по формированию профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики. А именно, уменьшение количества студентов в группах может стать основанием для более детальной дифференциации формирования профессиональных компетенций будущих инженеров в процессе изучения физики с учетом их личностных и индивидуально-психологических особенностей. Индивидуализация профессиональной подготовки студентов в процессе изучения физики может способствовать интенсивной и качественной (заранее смоделированной по заданным профессионально-ценностным параметрам) трансформации личности студента под действием личностно-коммуникационного влияния целеполагающей, ранжирующей, формирующей и контрольной функций педагога. Малая комплектация групп студентов увеличивает «коэффициент полезного действия» развивающей и контрольно-оценочной функции процесса формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики; способствует тщательной, регулярной и своевременно корректируемой самоорганизации учебной деятельности студентов по физике. Профессионализация личности будущих инженеров в условиях малой комплектации групп студентов позволяет ориентировать процесс обучения физики на пропедевтическую диагностику сложностей, ошибок и затруднений в процессе учебно-профессиональной подготовки. К числу плюсов можно отнести реализацию учебной деятельности в процессе изучения физики, выполняемую с учетом установившегося микроклимата в малой группе студентов и сложившихся взаимоотношений субъектов формирующего педагогического процесса. С другой стороны, открытость процесса обучения физике в малочисленных группах, может в условиях пристального наблюдения со стороны педагога и товарищей, ослабить индивидуальную маршрутизацию обучения курсу указанной дисциплины, уменьшить самостоятельность и подтолкнуть студентов к копированию наблюдаемых в группе способов выполнения физико-технических решений.

Существенное сокращение числа часов, отводящихся на изучение курса физики в связи с переходом на подготовку бакалавров потребовало не только пересмотра тематического плана и составления новых учебно-методических комплексов и рабочих программ обучения физике студентов различных инженерно-технических специальностей. Структурная реорганизация процесса изучения физики в русле реализации компетентностной стратегии высшего технического образования потребовала полностью изменить традиционный содержательно-методический подход к обучению студентов курсу указанной дисциплины. Сокращение числа часов на изучение физики, урезание тематического материала, безусловно, является серьезным основанием для полного пересмотра в целом всей методической системы установленного обучения физике студентов инженерно-технических специальностей. А именно, изменение целевой направленности процесса обучения, превращение обучения в профессионально-ориентированный учебно-практический и функционально-деятельностный тренажер для формирования и отработки элементов профессиональной деятельности будущих инженеров на базе изучения курса физики в вузе. Измененные рабочие программы, учебно-методические комплексы курса физики, разработанные для обучения бакалавров, имеют своей задачей подготовку квалифицированных кадров, имеющих достаточные, устойчивые, глубокие и прочные знания по физике; а так же необходимые профессиональные компетенции для применения полученных физико-технических знаний в соответствующей направлению и профилю подготовки профессиональной области. Во второй главе настоящей монографии приведен фрагмент рабочей программы по физики, включающий в себя технологии формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения указанной дисциплины. Методическая и научно теоретическая разработка системы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики и ее успешная апробация позволила качественно осуществить заранее продуманный и адаптированный переход к изменению структуры обучения курсу физики в связи с переходом на бакалавриат. Таким образом, логичная и необходимая методическая трансформация процесса изучения физики, в связи с подготовкой выпускников, получающих квалификацию «бакалавр», может быть успешно реализована в результате внедрения системы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики.

1.3. Методическое обеспечение диагностики профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики

Эффективность процесса формирования профессиональной компетентности будущих инженеров зависит от качественной, своевременной и объективной оценки его результатов. Поэтому организация обратной связи и педагогической коррекции процесса формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики оказывается невозможной без получения, компьютерной обработки и анализа диагностических данных и их сравнения с выбранными критериями оценки показателей профессиональной компетентности будущих инженеров. Для реализации этой цели были созданы следующие компьютеризированные диагностико-аналитические оценочные средства и алгоритмизированные методики их использования:

– Компьютерная программа «Диагностика уровня развития профессиональных компетенций студентов» и методика ее использования.

– Алгоритм сопоставления качественных и количественных характеристик уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров.

– Комплект методических рекомендаций по оптимизации способов оценки и автоматизации аналитико-графической обработки результатов диагностики уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров. Указанный методический комплект включает в себя следующие компоненты:

1.3.1. Методические рекомендации по построению лепестковой диаграммы, изображающей профессиональную компетентность будущих инженеров.

1.3.2. Методические рекомендации по определению прогнозируемого значения профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики.

1.3.3. Методические рекомендации по использованию сводной таблицы Microsoft Excel в целях сравнительного анализа уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров.

1.3.4. Методические рекомендации по определению наличия взаимосвязи показателей профессиональной компетентности будущих инженеров.

1.3.5. Методические рекомендации по проведению корреляции результатов диагностики уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров, определенных разными методами.

После приведенных ниже данных об участниках педагогического эксперимента в настоящем параграфе будут приведено в соответствии с приведенной выше нумерацией характеристическое описание содержания методики использования диагностико-аналитических оценочных средств и алгоритмизированных методик оценки и обработки значений уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров.

Ниже будут представлены примеры применения указанных компьютеризированных диагностико-аналитических оценочных средства и алгоритмизированных методик их использования на примере обработки результатов, полученных в процессе проведенного автором монографии педагогического эксперимента. В проводившемся педагогическом эксперименте было задействовано два высших учебных заведения (по месту личного фактического обучения студентов курсу физики), в которых произведена апробация и экспериментальная проверка теоретически и методически обоснованной, функционально насыщенной педагогическими технологиями системы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики.

Таблица 1.3.1.

Сведения высших учебных заведениях, задействованных

в эксперименте, годах и этапах проведенного

педагогического исследования

В Таблице 1.3.2. и 1.3.4. представлена информация об участниках экспериментальной проверки эффективности системы формирования профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики, обучавшихся по ГОС ВПО 2009 г. направления подготовки дипломированного специалиста (2008—2011) и ФГОС ВПО 2010 г. по направлению подготовки бакалавра (2011—2012).

Таблица 1.3.2.

Название специальностей, направления и профиля подготовки будущих инженеров, задействованных в проводившемся педагогическом эксперименте

Таблица 1.3.4.

Информация о количественном составе студентов, специальностях и направлениях подготовки экспериментальных и контрольных групп (2008—2012 г.г.)

*Представленная в Таблице 1.2.7. аббревиатура «ПОВТ (у)» относится к направлению подготовки «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» для студентов, обучающихся по ускоренной программе обучения.

Компьютерная программа «Диагностика уровня развития профессиональных компетенций студентов» и методика ее использования

Целевое назначение: компьютерная диагностика уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров необходима для увеличения управляемости процесса ее формирования, так как она играет не только контрольно-оценочную роль, но и прогностическую, корректирующую и развивающую, не говоря уже о фиксации и формировании целевой установки студентов на формирование профессиональной компетентности будущих инженеров. Оценка полученных диагностических результатов раскрывает текущее состояние уровня сформированности профессиональных компетенций студента. На основании фиксированного набора полученных данных можно прогнозировать тенденции процесса дальнейшего формирования профессиональной компетентности будущих инженеров, давать оценку успешности реализации обратной связи, корректировать и стимулировать формирование профессиональной компетентности будущих инженеров. Назначение компьютерной программы «Диагностика уровня развития профессиональных компетенций студентов» заключается в получении достоверных сведений об исследуемых качествах личности будущих инженеров в процессе изучения физики. Объективность диагностики достигается тем, что в процессе тестирования обследуемые студенты находятся в равных условиях по отношению друг к другу, а для интерпретации полученных результатов используются общие и единые для каждого испытуемого критерии.

Функционально-техническое описание: Подробное описание инсталляции компьютерной программы, создания диагностических баз данных и работы пользователя в компьютерной программе приведено в авторском учебном пособии «Компьютерная диагностика профессиональных компетенций студентов» [77]. Так как количественные параметры (характеризующие уровень сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров и определяемые в процессе диагностики) могут изменяться с течением времени в связи с профессионально-личностным ростом студентов, то необходимо определить требования к составлению тестового-диагностического материала. Процесс изучения курса физики имеет протяженность во времени, поэтому при составлении тестов логично ориентироваться не только на профессиональную специфику выбранного направления подготовки, но и на содержание раздела физики, изучаемого в момент тестирования. Дифференцирование содержания диагностических материалов на разных временных этапах позволяет так же избежать заучивания правильных ответов, ставших известными испытуемым студентам в предыдущих тестированиях уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров. Использование неизвестной студентам терминологии из других разделов курса физики, или же специфические обозначения из области узкой специализации профессиональной сферы так же не должно вводить в заблуждение студентов на этапе тестирования. Профессиональное и физико-техническое содержание тестов в первую очередь должно быть понятным студентам, обучающимся по соответствующему направлению профессиональной подготовки. Качество полученных результатов и надежность диагностики зависит от количества выполненных тестовых заданий, но во избежание чрезмерного утомления студентов следует выбрать оптимальное соотношение количества вопросов и времени, отводящегося на тестирование.

Применение компьютерной программы «Диагностика уровня развития профессиональных компетенций студентов» разумеется, имеет свои плюсы – это качество и быстрота тестирования, возможность использования авторских тестовых материалов, непосредственно отражающих учебную ситуацию. В качестве примера в Приложении приводятся по два варианта диагностических материалов по каждому разделу курса физики: механика, термодинамика, электричество и магнетизм, оптика, физика твердого тела, а так же четыре варианта итоговых контрольных тестов.

Не смотря на имеющиеся преимущества (корректность составления тестовых материалов, их адекватность соответствующей учебно-методической ситуации, эффективность их применения в процессе обучения физике), компьютерная программа «Диагностика уровня развития профессиональных компетенций студентов» не является единственно возможным средством мониторинга и контроля. Процесс диагностики должен представлять собой комплексное сочетание рассматриваемой компьютерной программы с различными формами, видами и методами систематичной оценочной практики.

Компьютерная программа «Диагностика уровня развития профессиональных компетенций студентов» представляет собой аналитический инструмент, предназначенный для реализации в процессе формирования профессиональных компетенций будущих инженеров контрольно-оценочной функции. Программа сконструирована таким образом, что в ней предусмотрено не только использование готовых, заранее разработанных авторских тестовых материалов, но и заложена возможность их модификации. Кроме того, существенным плюсом этой программы является возможность создания и применения в диагностической практике собственных тестов, дифференцирования их тематики и содержания, а так же их уровня сложности. Для создания, а так же для небольших изменений и кардинальных модификаций тестовых заданий предусмотрен специальный раздел данной программы, запуск которого производится не зависимо от запуска диагностического программного модуля. Отдельное создание, модификация и обновление диагностических баз данных предусмотрено для того, чтобы в процессе тестирования у студентов не было возможности случайно изменить или отредактировать предложенные им тестовые задания.

На этапе диагностики студент может выбрать и загрузить в программный модуль заранее подготовленные тестовые задания, хранящиеся в специальных базах данных. Список доступных баз данных отображается диагностической программой при ее запуске, кроме того в ней так же предусмотрена удобная навигация для поиска нужной тестовой базы данных, если она не находится в каталоге, заданном по умолчанию. На первоначальном этапе диагностики компьютерная программа производит идентификацию пользователя, предлагая внести имя испытуемого. Диагностика завершается выводом результатов тестирования в форме, в которой отображаются имя испытуемого, время, затраченное на тестирование и количество правильных/неправильных ответов.

Компьютерная программа «Диагностика уровня развития профессиональных компетенций студентов» предусматривает наличие следующих возможностей. Сохранение созданных баз данных возможно на русском языке с произвольным количеством символов в названии теста. По умолчанию, каждый вопрос теста может иметь до четырех вариантов ответа, причем количество возможных вариантов ответа может задаваться пользователем при создании теста. В процессе создания теста пользователь программы может задать как общее время, необходимое для выполнения всего теста полностью, а так же время, отведенное тестируемому для ответа на каждый вопрос. Причем время, отводящееся для ответа на каждый из вопросов, создателем теста может быть задано разным и зависеть от сложности поставленного вопроса. Для сложных вопросов иногда требуются комментарии, что предусмотрено при создании тестовой базы данных. При составлении теста для каждого вопроса пользователь может дополнительно добавить возможность активации дополнительного поля, в которое можно внести текст, способный обратить внимание студента на важные детали или подробнее разъяснить требования, изложенные в тексте вопроса. Процесс тестирования предусматривает возможность отображения в окне программы общего количества вопросов теста и текущий номер вопроса, а так же количество правильных/неправильных ответов, время, отведенное и затраченное на тестирование и другие параметры. Выбор правильных вариантов из предложенных возможных вариантов ответа на поставленные вопросы осуществляется с помощью диалогового окна взаимодействия пользователя с программой.

Программа «Диагностика уровня развития профессиональных компетенций студентов» была составлена под руководством автора студентами Д. В. Окуневым и Н. В. Колесниковым на языке Visual Basic и зарегистрирована в 2010 году в Институтским фондом алгоритмов и программ Орского гуманитарно-технологического института (филиала) ФБГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» под номером № П – 012. Сканированная копия свидетельства о регистрации программного средства представлена в Приложении 1.

Методика использования: Диагностическому процессу с помощью программы «Диагностика уровня развития профессиональных компетенций студентов» должна предшествовать ее инсталляция, создание тестовых баз данных и настройка параметров тестирования. Контрольно-диагностический этап работы пользователя с программным модулем разделены на следующие организационно-методические элементы педагогического планирования оценочной деятельности в Таблице 1.3.5.

Таблица 1.3.5.

Организационно-методическая характеристика применения

компьютерной программы «Диагностика уровня развития

профессиональных компетенций студентов»

В процессе тестирования программа позволяет студенту ответить на вопрос при помощи выбора правильного ответа из предложенных вариантов. Пока не будет осуществлен переход к следующему вопросу, программа находится в режиме ожидания, и позволяет изменить вариант выбранного ответа.

Форма отображения результата тестирования в компьютерной программе осуществляется в результате отображения экранной формы (Рисунок 3), в которой приводится фамилия и имя тестируемого, информация об общем количестве вопросов в отработанном тесте, а так же количество правильных и не правильных ответов. Кроме того, экранная форма показывает время, затраченное на прохождение тестирования.

Преимущества использования. Применение компьютерной программы «Диагностика профессиональных компетенций студентов» имеет следующие административно-организационные преимущества: использование разнообразного тестового материала, отражающего запросы и реалии учебного процесса обучения физике, оптимизация планирования времени, необходимого для осуществления тестирования, а так же возможность итогового контроля по объективным результатам тестирования.

Алгоритм сопоставления качественных и количественных характеристик уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров

Целевое назначение. Необходимость создания этого алгоритма заключалась в потребности связать сформулированные и вербально описанные качественные критерии оценки уровня сформированности показателей профессиональной компетентности студентов и количественные результаты (в баллах) выполнения студентами контрольно-диагностических заданий.

Функционально-техническое описание. Используемая в настоящем исследовании шкала оценки уровня сформированности показателей профессиональной компетентности будущих инженеров является результатом определения соответствия разработанных критериев уровня сформированности профессиональной компетентности будущих инженеров и результатов массового выполнения студентами многочисленных диагностических заданий. Следует предположить, что найденное соответствие, хотя и является результатом статистической обработки большого массива диагностических данных, может подвергаться коррекции в зависимости от контингента обследуемых студентов, поэтому представленный метод может быть востребованным для уточнения количественных границ (в баллах) оптимального, допустимого, критического и недопустимого уровней сформированности показателей профессиональной компетентности будущих инженеров.

Разработанный алгоритм определения указанного соответствия предполагает пошаговое выполнение компьютерных операций в процессе использования сводных таблиц Microsoft Excel и OpenOffice.org Calc для нахождения интервалов количественных значений (в баллах) соответствующих уровням развития показателей профессиональной компетентности будущих инженеров. В этих целях рассматривается статистическое соответствие двух массивов данных (списков одних и тех же студентов, составленных по фамилиям). В первом массиве каждому студенту присваивается уровень сформированности показателей профессиональной компетентности будущих инженеров (оптимальный, допустимый, критический или недопустимый) в соответствии с качественными критериями их оценки, проведенной по итогам наблюдения, бесед, интервью, межличностной коммуникации преподавателя и студентов. Во втором массиве, так же составленном по фамилиям студентов, для каждого участника обследования указываются количественные значения в баллах (от нуля до пяти) уровня сформированности указанных показателей профессиональной компетентности, полученных по результатам диагностических мероприятий. По итогам диагностики получаются количественные значения в баллах, которые для интерпретации экспериментальных данных с помощью последовательности пользовательских операций в Microsoft Excel и OpenOffice.org Calc связываются с критериями оценки уровня сформированности профессиональной компетентности студентов. Итогом выполнения сопоставления рассматриваемых массивов является полученная не равномерная пятибалльная шкала оценки уровня сформированности показателей профессиональной компетентности будущих инженеров. Другими словами, чтобы оценить определенный результат и сказать, какому уровню соответствуют полученные количественные данные, необходимо выполнить пошаговые действия пользователя, определяемые указанным алгоритмом, для того, чтобы связать экспериментальные количественные значения и критерии оценки профессиональной компетентности будущих инженеров.

Методика использования. Количественные значения показателей профессиональной компетентности будущих инженеров в настоящей монографии определяются по пятибалльной шкале. Критерии оценки профессиональной компетентности будущих инженеров предполагают использование четырех уровней: оптимального, допустимого, критического и недопустимого. В целом, не существует достаточных оснований, чтобы равномерно разделить максимальное количественное значение (пять баллов) на четыре уровня. Для определения того, будет ли равномерной или наоборот, не равномерной шкала, по которой определяются уровни сформированности показателей профессиональной компетентности будущих инженеров по полученным баллам, следует реализовать указанный алгоритм статистического анализа подготовленных массивов данных в соответствии с разработанным компьютерным диагностическим практикумом, позволяющим сравнить результаты наблюдения и результаты диагностики. Достоинство указанного метода заключается в том, что он предусматривает возможность обновления результатов по запросу пользователя, при этом определенные статистические интервалы количественных значений могут автоматически изменяться по итогам обработки новых диагностических данных.