Адаптивная система обучения высшей математике студентов первого курса технического вуза

Актуальность исследования. В начале третьего тысячелетия бурное развитие информационных технологий открыло новые возможности в применении вычислительной техники для математических вычислений и инженерных расчетов. Начавшийся процесс лавинообразного нарастания информации потребовал коренного изменения содержания обучения и активного поиска путей повышения эффективности учебного процесса. В связи с этим проблема соотношения классического и прикладного в обучении математике, особенно в технических вузах, приобрела новые аспекты. Так как резервов аудиторного учебного времени практически нет, то их приходится изыскивать в самой организации деятельности основных субъектов учебного процесса.

Математика по-прежнему является одним из наиболее трудоемких предметов как для учащихся школ, так и для студентов вузов, именно поэтому методическая система обучения математике просто вынуждена интенсифицировать свои возможности.

Вопрос о содержании и повышении качества математического образования в настоящее время остается актуальным. Исследованием вопросов содер жания и повышения качества образования, в том числе математического, занимались В. П. Беспалько, В. В. Давыдов, В. А. Далингер, Л. Д. Кудрявцев, И .Я. Лернер, В. М. Монахов, М. Н. Скаткин, A.A. Столяр и другие [16, 17, 18, 47, 48, 74, 79, 80, 93, ИЗ, 114, 117, 112]. Изучение теоретических и практических аспектов проблемы повышения качества математического образования опирается на работы известных психологов, дидактов Ю. К. Бабанского, П. Я. Гальперина, А. Н. Леонтьева, Ж. Пиаже и других [33,34,35,78,97,98,9,10]).

Если учесть устойчивую в последние годы тенденцию к снижению качества математической подготовки выпускников школ [См. таблицу 4 из главы III], неспособность большинства первокурсников оперировать большим объемом информации и выделять главное, а также несформированность у них навыков самостоятельной работы, то очевидно, что повышение качества обучения возможно обеспечить за счёт новых форм и методов организации педагогического процесса и структурирования материала. Возникает необходимость в создании таких адаптированных курсов, которые бы отвечали требованиям программы высшего профессионального образования и отражали логику и специфику математики и, кроме того, способны были удовлетворить запросы смежных учебных дисциплин. Вместе с тем, они должны быть рассчитаны на реальную академическую нагрузку в вузе и уровень подготовки студентов.

Анализ ситуации, сложившейся в настоящий момент в системе высшего профессионального образования и наш опыт преподавания в вузе, позволили выявить противоречие между современными требованиями повышения уровня математической подготовки студентов и ограниченностью возможностей традиционной системы обучения высшей математике в реальных условиях учебного процесса в техническом вузе, в частности, между: ;

1) потребностями современного общества в инженерах, адаптированных к различным аспектам профессиональной деятельности, способных к самообразованию и постоянной динамичной переподготовке, и возможностями традиционной системы их подготовки;

2) современными тенденциями развития высшего профессионального образования (личностно-ориентированное и развивающее обучение, деятельно-стный подход и т. п.) и недостаточной их практической разработанностью в обучении математике в техническом вузе;

3) необходимостью учета педагогами индивидуальных особенностей личности обучаемых и стандартизованными требованиями в рамках предметно-ориентированных систем обучения.

С учетом анализа научно-методической литературы, нашего личного опыта преподавания математики в Новосибирской государственной академии водного транспорта (далее — НГАВТ), выявления на констатирующем этапе педагогического эксперимента основных недостатков в математической подготовке будущих инженеров мы пришли к выводу, что при изучении математических дисциплин особое место занимает обучение в течение первого семестра, то есть в период интенсивной адаптации первокурсников.

Действительно, в первом же семестре студенту технического вуза полагается изучить материал по разделам: линейная и векторная алгебра, аналитическая геометрия, а также приступить к изучению математического анализа. Количество времени, отведенного программой для этой цели, варьирует от 54 часов (лекции, и столько же практики) до 72 часов, в зависимости от специальности.

В России создание и внедрение в практику ГОС ВПО (государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования II поколения), определяемых Министерством образования [37], явилось новой ступенью в реализации современного подхода к образованию в вузах. В настоящее время накоплен достаточно обширный опыт по переводу вузов, на многоуровневую систему, созданы теоретические и эмпирические основы стандартизации образования. Важную роль в этом процессе сыграли В. А. Сластёнин, ТЛ. Зайко и другие [114, 60, 11, 111].

В работах современных исследователей отражены попытки решить проблему отбора содержания курса математики и повышения эффективности учебного процесса. Следует отметить диссертационное исследование А. Н. Бурова [24] по оптимизации процесса обучения математике в техническом вузе и структурированию содержания курса математики с учетом основных параметров качества математического знания (ступень абстракции, уровень усвоения и т. п.). Однако следует помнить о том, что его работа ориентирована на использование студентами компьютерных сред в процессе обучения курсу высшей математики и описана в результате апробации на базе Новосибирского государственного технического университета (НГТУ). Как известно, в НГТУ изучается собственно не «курс высшей математики», а отдельные предметы — «математический анализ», «линейная алгебра» и т. д., и на них отводится большее количество аудиторных часов. Кроме того, уровень математической подготовки поступивших на первый курс в НГТУ, как правило, значительно выше, чем в Новосибирской государственной академии водного транспорта. Вышесказанное относительно уровня математической подготовки первокурсников и необходимость изучения единого курса высшей математики, рассчитанного на меньшее количество часов, не позволяют использовать опыт коллег в полной мере. Требуется адаптировать процесс обучения математике к имеющимся условиям в техническом вузе.

Обычно первокурсники при стихийном формировании учебной деятельности слабо дифференцируют её компоненты от конкретного содержания учебного материала и ситуаций его усвоения. Как показывают исследования O.E. Мальской [83], до 70% студентов первого курса не используют приём систематизации материала для его лучшего понимания. Все эти факторы приводят, как правило, либо к большим перегрузкам, либо к уменьшению мотивации учебной деятельности, когда первокурсник чувствует, что не может овладеть необходимым объёмом материала в достаточно сжатые сроки. ,

При изучении курса высшей математики в техническом вузе вышеописанные проблемы стоят наиболее остро. В силу специфики преподавания этого предмета (как правило, лишь на первом и втором курсах) от того, насколько правильно организован процесс обучения и как при этом учитываются индивидуальные особенности студентов, насколько быстро и эффективно они смогут втянуться в работу в первом же семестре, зависит не только их успеваемость по данному предмету, но и то, насколько успешно они сами смогут организовать учебную деятельность на последующих курсах. Поэтому математику без преувеличения можно назвать самой воспитывающей дисциплиной в техническом вузе, особенно в период адаптации в первом семестре.

Так как смена среды является «пусковым» механизмом процесса естественной адаптации, то целенаправленная работа с учетом особенностей изучения курса высшей математики уже в первом семестре приносит наибольший эффект.

Большинство современных разработок, посвященных решению вопроса повышения качества подготовки студентов (в том числе и математической) в условиях их адаптации в течение первого семестра обучения в техническом вузе, ориентировано на использование тестовых технологий в процессе обучения, применение которых действительно оказывается в известной мере эффективным (В.П.Беспалько, H.A. Гулюкина, P.P. Камалов, М. В. Кларин, М. Р. Меламуд и другие [19, 42, 65,66, 67, 68, 90]).

В российской психологии изучение адаптации человека к учебной деятельности имеет немалую историю и основано на принципах детерминизма и субъектной деятельности. Адаптации студентов к условиям вуза посвящены научные исследования Д. А. Андреевой, В. Т. Хорошко [б]. Адаптация в их работах, связанная с высоким уровнем саморегуляции, рассматривается как один из важнейших факторов учебной деятельности. Однако С.В.Галушкина'отмечает, что пока не существует полноценного всестороннего исследования и анализа проблемы адаптации в целом и в связи с индивидуальными особенностями обучаемого.

Фундаментальной разработкой теоретических основ адаптированных технологий является диссертационное исследование Е. З. Власовой [27] по адаптивным технологиям обучения, где представлено теоретическое обоснование необходимости эффективного использования развивающего потенциала информатики для совершенствования профессиональной подготовки студентов педагогических вузов. Несмотря на очевидную ценность результатов её работы как решения крупной теоретической проблемы в области проектирования и разработки адаптивных технологий обучения, мы, со своей стороны, должны учитывать особенности обучения студентов математике и специфику обучения в техническом вузе.

Созданию адаптивных систем посвящены работы A.C. Границкой, Л. И. Долинера, Н. В. Шилиной, В. А. Шухардиной и других исследователей [39, 52, 140, 141, 131, 42]. Под адаптивными системами авторы подразумевают в основном системы, направленные на учет индивидуальных особенностей студентов. К примеру, в некоторых работах достижение данной цели осуществляется при реализации тестового компьютеризированного контроля (H.A. Гулюкина, В.А. Шухардина) — организации деятельности с учетом специализации полушарий головного мозга (Н.В. Шилина).

Современные разработки по адаптивным системам и технологиям обучения в основном ориентированы либо только на школу (A.C. Границкой), либо на использование только тестовых компьютерных технологий (Н.А.Гулюкина, М. Р. Меламуд и другие), либо на нематематические дисциплины (Е.З. Власова), либо не в техническом вузе, т. е. не рассматривают проблемы данного исследования: повышение качества математической подготовки студентов технического вуза в условиях интенсивной адаптации к обучению. В частности, недостаточно исследованы возможности системы инновационныхметодов и средств, эффективно воздействующих на процесс повышения уровня математической подготовки в рамках традиционных форм обучения (лекции, практические занятия и т. д.).

Таким образом, вышеизложенное обуславливает актуальность диссертационного исследования, посвященного проблеме повышения качества и уровня математической подготовки студентов технического вуза.

Объектом исследования является система обучения математике студентов технического вуза.

Предмет исследования: процесс адаптации студентов первого курса технического вуза к обучению математике.

Пели исследования: разработка теоретически обоснованной модели и методического обеспечения такой системы обучения высшей математике студентов первого курса технического вуза, которая учитывает индивидуальные особенности студентов, специфику математики как науки и реализуется в период адаптации студентов в первом семестре.

Гипотеза исследования: применение системы обучения высшей математике студентов первого курса технического вуза, которая является адаптивной, т. е.:

— реализуется в период интенсивной адаптации первокурсников в современных условиях обучения в техническом вузе;

— отражает логику и специфику математики как науки;

— удовлетворяет потребности смежных наук;

— опирается на инновационные подходы к обучению в рамках его традиционных внешних форм;

— ориентирована на усвоение материала каждым студентом с учетом реального уровня его математической подготовки и индивидуальных особенностей, будет способствовать повышению качества математической подготовки студентов первого курса технического вуза. Задачи исследования:

1. На основе анализа учебно-методической и психолого-педагогической литературы выявить особенности обучения высшей математике в техническом вузе.

2. Построить теоретически обоснованную модель адаптивной системы обучения математике (АдСО) студентов в техническом вузе.

3. Разработать методическое обеспечение адаптивной системы обучения, включающего: рабочую программу, курс лекций по высшей математике, методические рекомендации по применению экспресс-карт в обучении математике с использованием элементов информационных технологий, по организации учебной деятельности студентов технического вуза.

4. Определить методические условия применения адаптивной системы в процессе обучения математике в техническом вузе с использованием элементов информационных технологий (ИТ).

5. Проверить эффективность адаптивной системы обучения математике студентов первого курса технического вуза.

Теоретико-методологической основой данного исследования явились: психолого-педагогические исследования проблем личности и концепция лич-ностно-ориентированного и деятельностного подходов к обучению (Б.Г.Ананьев, Л. С. Выготский, П. Я. Гальперин, В. В. Давыдов, А. Н. Леонтьев, Д. Б. Эльконин и другие [4, 29, 30, 33, 35, 44, 45, 46, 78, 144, 22]) — системный^ подход к педагогической системе и педагогической деятельности (В.П. Бес-палько, Н. В. Кузьмина, В. М. Монахов, Н. Ф. Талызина и другие [15, 16, 75, 93, 119, 120, 122]) — результаты, полученные в исследованиях проблем применения компьютерных информационных технологий в учебном процессе (Б. Вертгейм, Т. Ю. Волошинова, Е. И. Машбиц и другие [26,28, 87, 88, 89, 104, 36, 38]). В работе были использованы следующие методы исследования:

1)анализ психолого-педагогической, научно-методической и учебной литературы, государственных образовательных стандартов, действующих программ. и других нормативных документов;

2) анкетирование и опрос преподавателей и студентов;

3) педагогическое наблюдение, моделирование, анализ учебной деятельности студентов;

4) педагогический эксперимент (констатирующий, поисковый, обучающий этапы);

5) статистический анализ экспериментальных данных.

На констатирующе-поисковом этапе педагогического эксперимента (1998;2001 гг.) выявлен уровень" знаний студентов, начиная с нуль-контроляопределены темы и разделы математики, вызывающие наибольшие затруднения у студентов в процессе обучения, проведен анализ причин этих затруднений на основе анкетирования студентов первого и второго курсов [см. Приложение № 5, анкеты № 1, № 2]. В поисковой части этого этапа осуществлено проведение серии педагогических экспериментов с применением различных методов и форм организации учебной деятельности, участие в создании УМК (разработка пакета рабочих программ, методических и дидактических материалов по применению экспресс-карт, практики учебного консультирования, в том числе и с использованием компьютера) — разработана модель адаптивной системы обучения математике (АдСО) студентов первого курса технического вуза.

На обучающе-контрольном этапе эксперимента (2001;2003 гг.), проверена эффективность применения АдСО для повышения качества математической подготовки и выявлены возможности применения НИТ при изучении курса высшей математики. На этом этапе разработаны и апробированы дидактические и методические материалы по обеспечению адаптивной системы обучения (на материале курса высшей математики технического вуза в первом семестре), проверена гипотеза исследования, обобщены результаты и сделаны выводы. Эффективность предлагаемой адаптивной системы определялась по значению основного параметра — повышению уровня математической подго^вки студентов. который оценивался от самого низкого «0 уровень» до самого высокого «3 уровень».

В эксперименте приняли участие 117 человек (60 в двух экспериментальных группах, 57 в двух контрольных группах), случайным образом были отобраны результаты работы 100 студентов.

С применением АдСО соотношение качества математической подготовки изменилось в лучшую сторону: понизилось на 0-ом и 1-ом уровнях усвоения и повысилось на 2-м и 3-м уровнях.

Для сравнения, в контрольных группах рост уровня математической подготовки за тот же период времени в условиях применения традиционной системы обучения составил 2,8% (входной контроль показал значение 64%, итоговый 66,8%).

Научная новизна исследования состоит в том, что:

Предложена и реализована теоретически обоснованная модель адаптивной системы обучения высшей математике первокурсников в техническом вузе, опирающаяся на личностно-ориентированный и деятельностный подходы к обучению и обладающая следующими свойствами: реализуется в период интенсивной адаптации первокурсников в современных условиях обучения в техническом вузеотражает логику и специфику математики как наукиудовлетворяет потребности смежных наукопирается на инновационные подходы к обучению в рамках его традиционных внешних форм и ориентирована на усвоение материала каждым студентом с учетом его индивидуальных особенностей и реального уровня математической подготовки.

Определены методические условия применения адаптивной системы в процессе обучения математике: реализация этой системы в период адаптации студентов к обучению в вузе, использование элементов информационных технологий при организации работы с авторскими экспресс-картами с разноуровневыми заданиями для контроля и самоконтроля студентов, организация работы студентов в индивидуальном темпе, в парах и микрогруппах, учебное консультирование, трехэтапный педагогический мониторинг.

Раскрыта роль информационных технологий в организации самостоятельной работы студентов в первом семестре как средства управления самостоятельной работой студентов при реализации деятельностного подхода в обучении.

Теоретическая значимость исследования:

Теоретически значимым является уточнение имеющихся моделей адаптивной системы обучения в соответствии с особенностями обучения высшей математике в техническом вузе, понятий адаптации студентов к обучению в вузе, методической системы обучения математике и качества математической подготовки студентов.

Предложенная автором модель адаптивной системы может быть использована аспирантами и другими исследователями в области обучения математике в вузе.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

Разработан и апробирован адаптированный курс лекций по высшей математике для технического вуза.

Разработаны и внедрены в практику обучения методические рекомендации по применению и созданию экспресс-карт к отдельным модулям курса высшей математики с целью адаптации первокурсников к обучению в вузе с применением ИТ.

Даны рекомендации по организации учебной деятельности студентов технического вуза в рамках разработанной адаптивной системы обучения математике в современных условиях.

Материалы данного исследования могут быть использованы для совершенствования учебных и методических пособий для высшей школы, а также в работе преподавателя математики.

Апробация и внедрение результатов исследования:

Результаты исследования докладывались и обсуждались на международном конгрессе «Новые технологии науки и образования на пороге третьего тысячелетия» (Новосибирск: ЮНЕСКО, 2003, 1999), российских, межрегиональных и региональных конгрессах, научно-практических конференциях и семинарах (Новосибирск: СибГУТИ, 2003; Новосибирск: НГПУ, 2003; Новосибирск: НГПУ, 2002; VI межвузовская научно-практическая конференция.-Тобольск: ТГПИ им. Д. И. Менделеева, 2001).

Внедрение результатов исследования проходило на базе Новосибирской государственной академии водного транспорта, в исследовании принимали участие студенты 1-го и 2-го курсов различных факультетов (в основном судо-механического и электротехнического), а также специалисты из профессорско-преподавательского состава академии в период с 1999 по 2003 г.

На защиту выносятся следующие положения: 1. Качество математической подготовки студентов первого курса технического вуза повышается при использовании в обучении математике адаптивной методической системы, которая, с одной стороны, реализуется в период интенсивной адаптации первокурсников и ориентирована на усвоение материала каждым студентом с учетом его индивидуальных особенностей и реального уровуровня математической подготовки, и с другой, — отражает логику и специфику математики как науки, удовлетворяет потребностям смежных наук (за счет включения в содержание прикладных задач) и опирается на инновационные подходы к обучению в рамках его традиционных внешних форм (в частности, средствами использование элементов информационных технологий в обучении математике.

2. Использование средств учебно-методического комплекса, включающего рабочую программу, адаптированный курс лекций по высшей математике, дидактические материалы и методические рекомендации для преподавателя по созданию и применению экспресс-карт (ЭК) в процессе обучения высшей математике, обеспечивает возможность формирования у студентов первого курса технического вуза учебной деятельности более высокого уровня.

Основные выводы и результаты исследования

1. Выявленные возможности курса высшей математики как учебного предмета и методические особенности процесса обучения математике в техническом вузе (а именно: необходимость соединить в едином курсе математики технического вуза различные подходы и концепции изложения многих рахделов высшей математики за короткий срок, разрешить противоречие между абстрактным характером математических понятий, преимущественно дедуктивным способом подачи материала и необходимой прикладной направленностью обучения математике в техническом вузе, позволили разработать и научно обосновать теоретическую модель адаптивной системы обучения высшей математике студентов первого курса технического вуза, которая обладает следующими свойствами: реализуется в период интенсивной адаптации первокурсников в современных условиях обучения в техническом вузеотражает логику и специфику математики как наукиудовлетворяет потребности смежных наукопирается на инновационные подходы к обучению в рамках его традиционных внешних форм и ориентирована на усвоение материала каждым студентом с учетом реального уровня его математической подготовки и индивидуальных особенностей.

2. Система обучения высшей математике студентов первого курса технического вуза будет адаптивной, если она опирается на учебно-методическое обеспечение, включающее: рабочую программу (к примеру, по специальности 240 500 «Эксплуатация судовых энергетических установок», направление 653 300 «Эксплуатация транспорта и транспортного оборудования»), соответствующую требованиям ГОС ВПО- «Адаптированный курс» лекций по высшей математике для студентов первого курса технического вуза (издан в НГАВТ) — дидактические материалы и методические рекомендации по применению и созданию ЭК в обучении математике (изданы в НГАВТ)).

3. Методические условия применения адаптивной системы в обучении математике студентов технического следующие: реализация этой системы в период адаптации студентов к обучению в вузе, использование элементов информационных технологий при организации работы с авторскими экспресс-картами с разноуровневыми заданиями для контроля и самоконтроля студентов, организация работы в индивидуальном темпе, в парах и микрогруппах, учебное консультирование), трехэтапный педагогический мониторинг.

4. Проверена эффективность АдСО, а именно: применение разработанной автором адаптивной системы обучения высшей математике повышает качество математической подготовки студентов первого курса технического вуза.

Данная работа не претендует на исчерпывающее решение проблемы. Дальнейшим направлением теоретических исследований может стать развитие механизмов использования адаптивных систем обучения и управления адаптивными образовательными процессами ВПО. Перспективными могут быть следующие направления исследования: продолжение работы по применению систем для математических вычислений (в т.ч. систем класса Ма^сас!) при изучении различных разделов и тем математикиорганизация лабораторных работ по высшей математике в адаптированных компьютерных средах, позволяющих использовать богатые графические возможности компьютера, например, при интерпретации систем линейных уравнений и неравенств или функций многих переменных и т. п.- ^ создание интегрированных курсов с применением ИТ (например, математика + физика или математика + информатика), позволяющих будущим инженерам перейти на более высокий уровень усвоения материала, установить взаимосвязи и представить место математики в системе смежных наук с учетом своей будущей специальности.

Заключение