На правах рукописи

ТОЛЧИНА Светлана Ивановна

Обучение термодинамике студентов технического вуза

на основе методов научного познания

13.00.02 теория и методика обучения и воспитания (физика, уровень

профессионального образования)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Челябинск 2012 1

Работа выполнена на кафедре физики, методов контроля качества и диагностики в ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Научный руководитель Казаков Рустям Хамзич доктор педагогических наук, профессор

Официальные оппоненты Потапова Марина Владимировна доктор педагогических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет», заведующая кафедрой общей и теоретической физики Речкалов Виктор Григорьевич кандидат педагогических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», доцент кафедры общей и теоретической физики

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Омский государственный педагогический университет»

Защита состоится 21 ноября 2012 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.295.02 при ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, д.69, ауд. 116.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет».

Автореферат разослан « » октября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор педагогических наук, профессор В.С. Елагина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Актуальность исследования. Преобразование в социальной и экономической сферах жизни нашей страны вызвали кардинальные перемены в системе образования, в том числе высшего. Поиск путей решения актуальных проблем, связанных с совершенствованием профессионального образования, привёл к изменению содержания программ и технологий обучения в соответствии с требованиями новых стандартов (ФГОС ВПО).

Цели вузовского технического образования обусловлены потребностями общества в подготовке инженера, который способен соединить теоретические знания с практикой. В настоящее время обучать студентов основам фундаментальных наук, например, физике, невозможно без учёта текущих и перспективных задач социально-экономического развития общества.

Практические подходы к решению проблемы обеспечения качества высшего образования связаны с достижениями современного понимания содержания обучения, источников его обновления. Речь идёт о проектировании такого содержания образования, в частности, физического, которое соответствовало бы критериям и нормам положений Болонского процесса, обеспечивающим международную мобильность выпускников и студентов вуза.

Решение важнейших задач подготовки специалистов, профессионалов своего дела, во многом зависит от того, как осуществляются идеи фундаментализации и генерализации, обобщения и систематизации знаний и умений, способов владения ими на основе современных методов научного познания. Реализация этих задач требует создания такой методической системы обучения отдельным разделам курса физики, основу которой составляла бы взаимосвязь содержательной и процессуальной сторон обучения.

Вопросам построения методической системы в педагогической литературе уделяется достаточное внимание. Моделирование методической системы на основе принципов фундаментализации и генерализации рассматривали Г.М. Голин, Г.Г. Гранатов, Н.Е. Важеевская, Е.Ф. Ефименко, Н.А. Клещёва, В.В. Мултановский, Н.С. Пурышева, А.П. Усольцев и др.; на основе принципов преемственности и систематизации – С.В. Бубликов, М.Д.

Даммер, В.И. Земцова, М.П. Ланкина, А.А. Петров, М.В. Потапова, С.А.

Суровикина, В.И. Тесленко, Н.Н. Тулькибаева, А.В. Усова, А.А. Шаповалов и др.; принципов информатизации – Д.А. Исаев, А.С. Кондратьев, В.В.

Лаптев, Р.В. Майер, Д.Ш. Матрос, Е.В. Оспенникова, В.Г. Речкалов, М.И. Старовиков и др. Содержательные и процессуальные аспекты методической системы раскрываются в соответствии с эволюцией физического знания, базис которого составляют фундаментальные физические теории. Методологический аппарат этих теорий исследовали:

Л.Я. Зорина, Р.Х. Казаков, С.Е. Каменецкий, И.С. Карасова, В.Г. Разумовский, Ю.А. Сауров, М.С. Свирский и др.

Термодинамика как одна из фундаментальных физических теорий образует целостную, относительно самостоятельную систему знаний о реальных термодинамических процессах. Элементы структуры данной теории гносеологически связаны и упорядочены, они находятся в устойчивых логических отношениях. Целостность такой методической системы означает то, что её гносеологические свойства и функции неаддитивны по отношению к сумме свойств и функций элементов системы.

В классической термодинамике рассматриваются системы, находящиеся в устойчивом или близком к нему состояниях. Такие системы получили название замкнутых или изолированных, в них проходят обратимые и линейные процессы. Однако, в природе классических замкнутых систем не существует, они все открытые, а им свойственны другие закономерности. Термодинамика необратимых, открытых процессов устанавливает взаимную связь объектов, исследует поведение систем на основе идей самоорганизации, которые являются более общими законами природы. Таким образом, термодинамика со всеми присущими ей свойствами и гносеологическими функциями теории (объяснительной, развивающей, предсказательной) имеет свою область исследования, самостоятельную модель, понятийный аппарат, принципы, законы и другие компоненты сложной системы, относящиеся к фундаментальной физической теории. Между тем, в известных нам исследованиях термодинамику рассматривают чаще всего как раздел молекулярной физики или как следствие молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Учитывая вышесказанное, следует отметить, что поиск путей разработки методики изучения термодинамики как методической системы, построенной на основе методов научного познания с позиции принадлежности ее к фундаментальным физическим теориям, затруднен, так как понимание статуса термодинамики неоднозначно. Анализ научных публикаций по методологическим, дидактическим и методическим аспектам учебного познания термодинамики как одной из фундаментальных физических теорий, собственный опыт обучения физике студентов технического вуза позволил выделить противоречия:

между непрерывным процессом обновления содержания образования в соответствии с социальным запросом общества, профессиональной направленностью образовательного процесса, значимостью его отдельных этапов в реализации преемственных связей и недостаточной ориентацией методической системы обучения физике на установление логических и методологических связей между содержательной и процессуальной сторонами обучения отдельным разделам курса общей физики, в том числе термодинамике;

между современными требованиями к содержанию физического образования, ориентированными на процессы фундаментализации и генерализации, преемственности и системности, информатизации и технологизации, и недостаточной разработанностью методической системы, реализующей эти направления в обучении физике в техническом вузе;

между потребностью практики в методологически обоснованной методической системе обучения основам термодинамики студентов технического вуза и существующими способами организации образовательного процесса по физике, не в полной мере использующими современные методы научного познания.

Необходимость разрешения данных противоречий определяет актуальность исследуемой проблемы, заключающейся в поисках ответа на вопрос: как обучать физике студентов технического вуза на основе методической системы, базис которой составляют методы научного познания? Проблема, требующая разрешения, определяет выбор темы исследования «Обучение студентов технического вуза термодинамике на основе методов научного познания».

Объект исследования: процесс обучения термодинамике студентов технических вузов.

Предмет исследования: обучение студентов технического вуза термодинамике в условиях методической системы, базис которой составляют методы научного познания.

Цель исследования: теоретически обосновать и разработать методическую систему обучения студентов технического вуза термодинамике в курсе общей физики на основе методологических и дидактических обобщений фундаментальной физической теории.

Гипотеза исследования. Обучение студентов технического вуза термодинамике может быть эффективным, если организовать его в условиях методической системы на основе следующих методов научного познания:

гносеологического (от единичного к общему, а от него к предельно общему), представляющего систему методологических знаний (эмпирическое основание, теоретическое ядро, дедуктивное следствие);

– обобщения на основе системного анализа термодинамики как фундаментальной физической теории;

– моделирования логических связей структурных компонентов термодинамики, обеспечивающего познавательную, методологическую, развивающую функции обучения фундаментальной физической теории;

– наблюдения, эксперимента, способствующих активизации учебнопознавательной деятельности студентов, мотивации их учения.

В соответствии с целью исследования и его гипотезой были поставлены и решались следующие задачи:

1. Определить системные свойства, гипотетико-дедуктивную организацию знания равновесной термодинамики как фундаментальной физической теории и как непосредственного источника содержания физического образования в вузе.

2. Разработать структурно функциональную модель методической системы обучения термодинамике на основе системных свойств фундаментальных физических теорий, обосновать выбор учебных заданий, структуру и содержание самостоятельной работы студента.

3. Составить модель управления учебным познанием студентов при изучении термодинамики.

4. Осуществить коррекцию структуры и содержания лабораторного практикума и практикума по решению физических задач по термодинамике на основе методов научного познания;

5. Провести педагогический эксперимент по оценке эффективности разработанной методической системы обучения началам термодинамики.

Теоретико-методологическую основу данного исследования составили: диалектика процесса познания, рассматривающая явления в единстве и взаимосвязи, причинной обусловленности; методологические аспекты организации учебного познания при изучении фундаментальных физических теорий; теоретические основы конструирования моделей, отражающих гносеологическую цепочку научного познания (от единичного к общему, а от него к предельно общему); теория систем в исследовании структурно-функциональных моделей; закономерности процесса обучения фундаментальным физическим теориям как системы разноуровневых знаний (от эмпирического основания до теоретического ядра, а от него – к дедуктивному следствию); психологическая теория деятельности (потребности – мотивы – цели – действия – операции); теоретические положения дидактики высшей школы о фундаментализации и преемственности в обучении; концепции технологизации физического образования; теории компетентностного подхода в обучении; дидактические теории организации самостоятельной работы студентов на основе современных методов и средств обучения.

Методы исследования:

теоретические: анализ философской, психологической и методической литературы, отражающей проблемы формирования теоретических обобщений в виде понятий, законов, принципов, идей физической картины мира в физике, взаимосвязи систем научных знаний и методов познания, анализ содержания образовательных стандартов, учебных планов, программ, учебников и методических разработок по физике для вузов. Анализ организации процесса преподавания физики в практике работы вузов.

Моделирование учебного процесса по термодинамике, анализ и обобщение передового опыта педагогов.

эмпирические: накопление научных фактов, их отбор, анализ, синтез и количественная обработка; личное преподавание в ТюмГНГУ; наблюдение учебного процесса; устный опрос студентов, проведение письменных проверочных работ и практических занятий; анкетирование и тестирование студентов, беседы с педагогами и студентами; математическая обработка результатов исследования на основе поэлементного анализа письменных проверочных работ.

Научная новизна проведённого исследования:

1. Обоснована необходимость разработки методики поэтапного обучения термодинамике от эмпирического основания к теоретическому ядру и к дедуктивному следствию, реализующей гносеологическую цепочку познания (от единичного к общему, а от него – к предельно общему).

2. Осуществлено моделирование логических связей структурных компонентов поэтапного изучения термодинамики как фундаментальной физической теории в форме содержательного графа, обеспечивающего познавательную, методологическую и развивающую функции обучения студентов технического вуза.

3. Разработана структурно-функциональная модель методической системы обучения термодинамике студентов технического вуза, включающая целевой (современные требования по подготовке конкурентоспособного специалиста), содержательный (обучение термодинамики на основе методов научного познания), процессуальный (самостоятельная работа студентов на лекциях, семинарах и в лабораторном практикуме по термодинамике) и диагностирующий (сформированность профессиональных компетенций будущего инженера) компоненты.

4. Разработана методическая система на основе структурнофункциональной и управленческой моделей, реализация которой обеспечивает эффективное обучение студентов технического вуза термодинамике в соответствии с этапами научного познания, системой форм, методов и средств, активизирующих познавательную деятельность студентов.

Теоретическая значимость результатов исследования состоит:

в разработке теоретических положений о подготовке будущего специалиста к использованию теоретических знаний по термодинамике и методов научного познания для практического осмысления прикладных вопросов в области теплотехники, физической химии, технической термодинамики;

в разработке содержательных компонентов модели управления учебным познанием студентов при изучении термодинамики от единичного (факты термодинамики) к общему (начала термодинамики), а от него к предельно общему (взаимодействие линейных или нелинейных систем), а также процессуальных компонентов (форм организации учебных занятий, методов и приёмов, средств и форм обучения, видов учебно-познавательной деятельности).

Практическая значимость работы состоит во внедрении разработанных учебно-методических материалов в педагогическую практику, что позволяет повысить эффективность обучения физике в вузе.

По результатам исследования разработаны:

содержательный граф логической структуры термодинамики;

обобщающая схема изучения термодинамики как фундаментальной физической теории студентами технического вуза;

методическое пособие по обучению основам термодинамики студентов технического вуза;

методические указания к виртуальным лабораторным работам «Наблюдение фазовых переходов «жидкость-газ» и определение критической температуры Фреона-13» и «Определение изменения энтропии»;

методические указания по проведению обобщающих лекций и семинара по термодинамике.

Достоверность и обоснованность полученных результатов исследования обусловлены аргументированным отбором теоретических положений и принципов, отвечающих современным тенденциям развития образования; адекватностью выбранных методов целям и задачам исследования; положительными результатами педагогического эксперимента. Исследование опирается на принципы диалектического метода познания, достижения психолого-педагогических наук, концепцию теоретических обобщений в обучении, анализа системных свойств термодинамики.

База научного исследования. Практическая проверка разработанной методики осуществлялась в двух институтах Тюменского нефтегазового университета Технологическом институте и в институте Геологии и нефтегазодобычи.

Основные результаты исследования обсуждались на: 1) международных научно – практических конференциях (Москва, МГОУ, 2008,2009 гг., Челябинск, ЧГПУ, 2010, 2011 гг.) 2) методологических семинарах и заседаниях кафедры ФМД ТюмГНГУ (Тюмень 2008-2012 гг.) Положения, выносимые на защиту:

1. Современные методы учебного познания, отражающие особенности научных методов, реализуют гносеологический и методологический аспекты диалектического метода научного познания (от единичного к общему, а от него к предельно общему), нашедшие отражение в логике изучения термодинамики (от эмпирического основания к теоретическому ядру, а от него – к дедуктивному следствию).

2. Содержательный граф логической структуры термодинамики как одной из фундаментальных физических теорий построен в соответствии с логикой учебного познания, системным подходом. Он обеспечивает выполнение следующих функций:

– познавательной, заключающейся в получении новых знаний и умений, способов владения ими на основе гносеологической цепочки учебного познания (от единичного к общему, а от него – к предельно общему);

методологической, раскрывающей существенные связи между выделенными компонентами фундаментальной физической теории (основание, ядро, следствие);

развивающей, обеспечивающей обучение в соответствии с взаимосвязанной цепочкой дидактического познания (от эмпирических методов к теоретическим, а от них – к практическим).

3. Структурно-функциональная модель методической системы обучения термодинамике включает: целевой компонент подготовки конкурентоспособного специалиста в области техники; содержательный компонент познания фактов, явлений и процессов термодинамики (единичное), начал термодинамики (общее); закономерностей взаимодействия живых или неживых систем (предельно общее); процессуальный компонент основных видов учебно-познавательной деятельности (самостоятельная работа, наблюдения, эксперимент, обобщение и систематизация).

4. Разработанная на основе структурнофункциональной и управленческой моделей методическая система обеспечивает позитивную мотивацию учения студентов технического вуза; их активность в выполнении самостоятельной работы по решению физических задач, лабораторного эксперимента (натурного и виртуального); адекватность и сочетаемость форм, методов и приёмов, средств обучения логике учебного познания по термодинамике как фундаментальной физической теории; позволяет студентам, будущим инженерам, теоретически и практически осмыслить прикладные вопросы термодинамики.

Структура диссертационного исследования Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 111 наименований, 6 приложений. Диссертация содержит 152 страницы основного текста (без приложений) 16 таблиц, рисунков.

Основное содержание диссертационного исследования Во введении обосновывается актуальность проблемы исследования, определяются цель, объект и предмет исследования, формулируются гипотеза, задачи, этапы исследования, его научная новизна, теоретическая и практическая значимость, приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Эмпирические и теоретические составляющие термодинамики в структуре учебного познания» осуществлен методологический и структурный анализ содержательных компонентов термодинамики с точки зрения логики учебного познания, гносеологии и философских представлений. Обосновывается, что она представляет собой целостную, относительно самостоятельную систему знаний о закономерностях, раскрывающих сущность термодинамических процессов.

Термодинамика в поэтапном обучении может быть представлена как совокупность взаимосвязанных составляющих: эмпирического основания, теоретического ядра, дедуктивного следствия. Выявлено, что процесс учебного познания от эмпирического основания к теоретическому ядру и дедуктивному следствию осуществляется на основе гносеологической цепочки научного познания: единичное общее предельно общее.

Анализ содержательных компонентов термодинамики позволил заключить, что она имеет статус фундаментальной физической теории, имеющей свою область исследования, самостоятельную модель, понятийный аппарат, принципы, законы и другие компоненты этой сложной системы.

Обучение студентов технического вуза термодинамике как фундаментальной физической теории целесообразно осуществлять на основе методической системы, включающей целевой, содержательный, процессуальный и диагностирующий компоненты. Методическая система обучения термодинамике как фундаментальной физической теории сконструирована на основе структурнофункциональной модели (рис.1).

Компоненты методической системы обучения термодинамике целевой: подготовка конкурентоспособного специалиста содержательный: основы термодинамики (единичное общее ваниетеоретическое иментвыдвижение предельно общее) процессуальный: технологические составляющие процесса обучения диагностирующий: контроль и оценка результатов обучения сформированность профессиональных компетенций будущего инженера Способность и готовность Способность и готовность Владение знаниями по использовать знания по использовать оборудование и основам термодинамики термодинамике на практике Рис. 1. Структурно-функциональная модель методической системы обучения термодинамике студентов технического вуза Целевой компонент методической системы описывает все аспекты подготовки конкурентоспособного специалиста–инженера. Содержательный компонент методической системы на основе методов научного познания (методологического, гносеологического и дидактического) раскрывает особенности обучения термодинамике студентов технического вуза.

Технологический компонент процесса обучения термодинамике студентов технического вуза включает: самостоятельную работу на лекциях по обобщению эмпирического основания, теоретического ядра и дедуктивного следствия вопросов этой теории; семинарах по решению физических задач прикладного характера; лабораторном практикуме. Диагностирующий компонент методической системы раскрывает содержание результатов обучения на основе сформированности профессиональных компетенций будущего инженера, а именно: способности и готовности использовать знания на практике; способности и готовности использовать оборудование и обрабатывать результаты лабораторного исследования; владения знаниями основ фундаментальных физических теорий в решении практических заданий.

Таким образом, структурно–функциональная модель методической системы обучения термодинамике студентов технического вуза раскрывает логические связи между ее компонентами (целевым, содержательным, процессуальным, диагностическим). Методы научного и учебного познания в этой модели (гносеологические, методологические, дидактические) связывают содержательный компонент этой модели с процессуальным (видами познавательной деятельности) и диагностирующим (результатами сформированности профессиональных компетенций будущего инженера).

Обучение термодинамике студентов технического вуза представляет собой взаимосвязанный процесс преподавания и учения. Эффективность его во многом зависит от того, как осуществляется взаимодействие между преподавателем и студентом. Наилучшего результата, как показывают исследования И.С. Якиманской и Е.В.Бондаревской, можно добиться в условиях субъектсубъектного взаимодействия участников образовательного процесса. На основе этого взаимодействия и цикла Деминга (планируй, исполняй, изучай, действуй) построена модель управления учебным познанием при обучении термодинамике студентов технического вуза (рис.2). Таким образом, термодинамику как фундаментальную физическую теорию можно изучать на основе методической системы, включающей методы научного познания, а управлять им целесообразно в соответствии с разработанной моделью.

Нормативные документы (Закон об образовании, Управление учебным познанием при изучении термодинамики Процессуальные компоненты учебного познания (формы организации учебных занятий, методы, формы, приемы и средства обучения). Виды познавательной деятельности (работа Рис. 2. Модель управления учебным познанием при обучении термодинамике Во второй главе «Методика обучения студентов технического вуза термодинамике как фундаментальной физической теории в условиях методической системы» раскрываются содержательные и процессуальные компоненты учебного познания эмпирического основания, концептуального ядра и дедуктивного следствия термодинамики в форме содержательного графа логической структуры термодинамики, который отражает связь элементов в соответствии с гносеологической цепочкой научного познания (рис. 3). Содержательный граф логической структуры термодинамики как фундаментальной физической теории позволяет студентам технического вуза понять методологию учебного познания (рис. 4).

Методология как учение об организации деятельности (А.М.Новиков, Д.А. Новиков) раскрывает внутреннюю упорядоченность, согласованность взаимодействия отдельных частей целого: совокупность процессов или действий, ведущих к образованию взаимосвязи между частями целого, а также объединение участников образовательного процесса, реализующих совместную программу этих взаимодействий. В соответствии с описанным выше, взаимосвязь эмпирического основания, теоретического ядра и дедуктивного следствия (компонентов термодинамики, как фундаментальной физической теории) соответствует методологии научного познания – от сущности первого порядка ко второму, к третьему и т.д.

Сущность первого порядка при обучении термодинамике раскрывается через совокупность подструктурных элементов, составляющих ее эмпирический базис (модель материального объекта, понятийный аппарат, экспериментальные факты). Ядро термодинамики (сущность второго порядка) составляют принципы и начала (законы), раскрывающие ее теоретические основы. Следствие (сущность третьего порядка) описывает термодинамические системы на основе частных законов, явлений и процессов, применимых для замкнутых, обратимых и линейных систем.

Термодинамика открытых, нелинейных систем имеет более широкое применение, потому что все живые системы являются такими, они подчиняются другим закономерностям синергетическим.

При обучении студентов технического вуза термодинамике необходимо не только познакомить их с историческими опытами, лежащими в основе ее возникновения (эмпирические газовые законы, закон Дюлонга и Пти, эмпирические обобщения Майера, опыты Джоуля по превращению механической энергии во внутреннюю, обобщение опытов по измерению теплоемкости и др.), основными понятиями (термодинамическая система, эмпирический идеальный газ, равновесное состояние термодинамической системы, однородное рабочее тело в тепловых двигателях, эмпирический Эмпирический Термодинамиче Параметры Нулевое начало (вводит Развертывание термодинамики посредством введения дополнительных Эмпирический Закон Дюлонга и Томсона Результаты Опыты Клемана и Дезорма Рис. 3. Содержательный граф логической структуры термодинамики как фундаментальной физической теории квазиравновесный процесс), компонентами моделей материальных объектов (параметры термодинамической системы давление, объем, теплоемкость, функции состояния термодинамической системы температура, внутренняя энергия, энтропия, функции процесса теплота и работа) и содержательными (исходными) теоретическими обобщениями (нулевым, первым, вторым, третьим началами термодинамики), но и показать логические связи между содержательными структурными элементами термодинамики, границы применимости ее законов.

Следует довести до понимания студента то обстоятельство, что при описании конкретных термодинамических систем в структуру термодинамики дедуктивно вводятся дополнительные функции состояния, характеризующие особенности этих конкретных систем, которые получили название термодинамических потенциалов (термодинамических функций).

Логически термодинамические функции также являются дедуктивными следствиями теоретического ядра термодинамики, которые могут быть эмпирически интерпретированы.

Термодинамические функции находят свое приложение при изучении термодинамических свойств вещества (проблема термодинамической устойчивости, проблема полноты описания термодинамических свойств вещества и др.). Этими функциями оперирует техническая термодинамика.

Тем самым осуществляется прикладная и профессиональная направленность обучения в виде объяснения научных эмпирических фактов термодинамики, которые описывают системы, приближенные к реальности. В этом аспекте на семинарских занятиях по обобщению дедуктивного следствия теории целесообразно рассмотреть вопросы практического приложения термодинамики (анализ циклов тепловых двигателей, анализ процессов холодильных машин, анализ химических реакций, сопровождающихся выделением или поглощением теплоты и т.п.) и показать, что значение термодинамики заключается еще и в том, что она устанавливает принципы наиболее эффективного или оптимального преобразования различных видов энергии.

Обобщающая схема изучения термодинамики как фундаментальной физической теории (рис. 4) наглядно иллюстрирует содержание каждого ее компонента и логические связи между ними, показывает модели, которыми оперирует термодинамика, методы учебного познания ядра термодинамики, оперирующие этими моделями, и границы применимости начал термодинамики.

газовые законы, ая модель закон Дюлонга- термодинам эмпирические обобщения Майера, эмпирические обобщения Джоуля, обобщения опытов по измерению теплоемкости системы. Ее можно изменить совершив работу A или передав системе некоторое количество теплоты энергии в тепловых процессах Рис. 4. Обобщающая схема изучения термодинамики как фундаментальной физической теории студентами технического В третьей главе «Педагогический эксперимент: задачи, организация, результаты» сформулирована гипотеза педагогического эксперимента. Обучение термодинамике на основе разработанной методической системы может быть результативным, если эта система удовлетворяет следующим необходимым и достаточным условиям (требованиям). Она должна обеспечивать: 1) сочетаемость и взаимосвязь структурных и содержательных компонентов термодинамики как фундаментальной физической теории, 2) позитивную мотивацию учения студентов; 3) успешное выполнение таких видов учебно-познавательной деятельности как самостоятельная работа по решению физических задач, выполнению лабораторного практикума; 4) обоснованное использование методов учебного познания (наблюдение, эксперимент, выдвижение гипотезы, моделирование, обобщение).

На основе гипотезы педагогического эксперимента сформулирована основная его задача: проверить эффективность обучения студентов технического вуза термодинамике как фундаментальной физической теории в условиях методической системы. Задача эксперимента и гипотеза определили выбор критериев: 1) качества усвоения основ термодинамики, 2) успешного выполнения видов познавательной деятельности, 3) применения научных методов познания в изучении основ термодинамики, 4) позитивной мотивации студентов к изучению вопросов термодинамики.

Сформированность выделенных критериев осуществлялась на основе совокупности показателей: коэффициента полноты усвоения структурных элементов знания (КП), успешности выполнения отдельных видов деятельности сформированности профессиональных компетенций студента – будущего инженера (КК).

Педагогический эксперимент осуществлялся поэтапно. На этапе констатирующего эксперимента (2007 – 2008 уч. гг.) проверялось понимание студентами различий в эмпирических и теоретических методах научного познания, качество усвоения вопросов термодинамики на основе гносеологического метода познания (от единичного к общему, а от него к предельно общему). Проводились измерения коэффициента полноты усвоения содержания понятий термодинамики. Для этого использовался поэлементный анализ письменных контрольных работ (по методике А. В. Усовой).

Результаты усвоения понятий «термодинамическая система», «теплоемкость», «внутренняя энергия», «необратимый процесс» приведены на диаграмме (рис. 5). Приведенные данные указывают на то, что сформированность этих понятий у студентов первого курса перед началом изучения термодинамики оставляет желать лучшего, но достаточна для дальнейшего обучения и проведения поискового эксперимента.

На этапе поискового эксперимента (2008-2009 уч. гг.), используя такие методы научного познания как обобщение и систематизация, проведена диагностика сформированности умений выполнять действия и операции в процессе решения задач. Результаты исследования на основе начального и конечного контрольных срезов показали (рис.6), что систематическое использование методов учебного познания в выполнении действий по решению задач дает положительный результат.

Тер-кая Теплоемкость Вн. энергия Необр-й В процессе обучающего (2009-2010, 2010-2011 уч.гг.) эксперимента студентам предлагались задания не только на проверку знаний и умений, но и на владение ими. Проверялось качество усвоения отдельных вопросов термодинамики в соответствии со структурой учебного познания фундаментальной физической теории, умение обобщать элементы знания, уровень системности знаний (рис. 7 и 8).

Количество студентов, % На этапе контрольного эксперимента (2011 – 2012 уч. гг.) проверялась сформированность профессиональных компетенций. Коэффициент сформированности профессиональных компетенций рассчитывался у студентов двух групп (специальностей приборостроение, поиск и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания). Для этих специальностей согласно ФГОС ВПО мы выделили три общие компетенции, которые могут быть сформированы в процессе изучения термодинамике, а именно – способность и готовность использовать знания на практике, использовать оборудование и обрабатывать результаты лабораторного исследовании, владеть знаниями основ фундаментальных физических теорий в решении практических заданий.

Полученные результаты контрольного эксперимента показали, что использование разработанной в ходе исследования методической системы решает задачу формирования выделенных в работе профессиональных компетенций (рис.9).

Рис. 9. Данные о сформированности профессиональных компетенций у студентов групп двух специальностей (№1- приборостроение и №2- поиск и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания) В заключении подведены итоги исследования, сформулированы его основные результаты и выводы, представлены перспективы дальнейшего исследования.

Обучение термодинамике на основе методов научного познания позволило решить теоретические и практические задачи исследования и на их основании сформулировать следующие выводы:

1. Термодинамика как один из разделов молекулярной физики имеет статус фундаментальной физической теории.

2. Изучать термодинамику как фундаментальную физическую теорию в техническом вузе целесообразно на основе методов научного и учебного познания: гносеологического, методологического, дидактического, реализующих цепочку учебного познания от эмпирического основания к теоретическому ядру, а от него к дедуктивному следствию.

3. Обучение термодинамике как фундаментальной физической теории студентов технического вуза в условиях методической системы предполагает выделение ее компонентов: целевого (подготовка конкурентоспособного специалиста), содержательного (основы термодинамики), процессуального (технологические составляющие процесса обучения), диагностического (контроль и оценка результатов обучения).

4. Построение методической системы на основе структурно функциональной модели позволяет отследить логические связи между содержательной и процессуальной сторонами обучения термодинамике и реализовать познавательную, методологическую и развивающую функции обучения.

5. Модель управления учебным познанием основ термодинамики позволяет раскрыть порядок организации учебно-познавательной деятельности студентов технического вуза на основе самостоятельной работы и методов научного познания.

6. Проведенный педагогический эксперимент показал эффективность разработанной методической системы обучения началам термодинамики.

По теме исследования опубликованы следующие работы:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертационного исследования Толчина, С.И. Методические проблемы раскрытия содержания нулевого начала термодинамики и понятия температуры / С.И. Толчина // «Вестник Челябинского государственного педагогического университета». – г. – №4. – С. 143 – 150.

Толчина С.И. Методические проблемы раскрытия содержания первого начала термодинамики в курсе молекулярной физики вуза / С.И. Толчина // «Вестник Челябинского государственного педагогического университета». – 2011 г. – №5. – С. 226 – 233.

Научные статьи и материалы выступлений на конференциях 1. Толчина, С.И. Методические проблемы раскрытия содержания понятия энтропии / С.И. Толчина // Доклады научно-практической конференции «Проблемы контроля и оценки качества образования по физике.

Общеобразовательные учреждения, педагогический вуз» Доклады научнопрактической конференции. г. Москва: издательство МГОУ, 2008. – С. 61 – 63.

2. Толчина, С.И. Реализация содержательного и информационнорецептурного аспектов обучения физике в вузе / С.И. Толчина, Р.Х. Казаков, Н.П. Исакова, Л.Б. Половникова // Доклады научно-практической конференции «Методы конструирования учебной деятельности по физике.

Общеобразовательные учреждения, вузы». г. Москва: издательство МГОУ, 2009 г.

– С. 29 – 32 (авторство 30%).

3. Толчина, С.И. Формирование мотива к познавательной деятельности в рамках семинарских занятий по курсу физики / С.И. Толчина // Доклады научнопрактической конференции «Методы конструирования учебной деятельности по физике. Общеобразовательные учреждения, вузы». г. Москва: издательство МГОУ, 2009. – С. 63 – 64.

4. Толчина, С.И. Преемственность термодинамики и курса теплотехники вуза.

/ С.И. Толчина //. Доклады научно-практической конференции «Проблемы методологии преемственности обучения физике. Общеобразовательные учреждения, педагогический вуз». г. Москва: издательство МГОУ, 2010. – С. – 142.

5. Толчина, С.И. Формирование понятия теплоемкости, как собственной характеристики термодинамической системы у студентов вузов / С.И. Толчина // Материалы XVIII научно-практической конференции «Методология и методика формирования понятий у студентов вузов и учащихся школ». 14-15 апреля 2011г.

г. Челябинск: издательство «Край Ра», 2011 г. – С. 211 – 212.