Автоматизация процесса организации персонифицированной самостоятельной работы студентов по решению задач на основе когнитивного подхода

Актуальность исследования. Обучение точным наукам немыслимо без
решения задач. Требования к сформированности умения решать расчетные задачи
у обучаемых по математике, физике, химии и биологии закладываются уже при
получении среднего образования [125, ПРИЛОЖЕНИЕ А]. Умение решать задачи
является одним из важнейших компетенций для многочисленных технических
дисциплин в системе среднего профессионального образования (СПО) [121, 120,
122]. К примеру, в ФГОС СПО описываются общие компетенции, среди которых
на первом месте стоит компетенция «Выбирать способы решения задач
профессиональной деятельности, применительно к различным контекстам».
Следует отметить, что некоторые профессиональные компетенции неразрывно
связаны с умением решать расчетные задачи. Примеры таких профессиональных
компетенций приведены в ПРИЛОЖЕНИИ А (для специальностей с кодами
08.02.02, 13.02.04, 23.02.04). Помимо требований стандартов, формирование
умения решать задачи имеет и разнообразные дидактические цели. Действительно,
решение задач является хорошей практикой применения полученных знаний. Через
решение задач чаще всего происходит контроль знаний в точных, естественных и
технических дисциплинах. В физике широко распространена точка зрения,
наиболее ярко выражаемая высказыванием, которое приписывают Э. Ферми:
«Человек знает физику, если он умеет решать задачи». В предисловии к своему,
широко известному курсу лекций по физике, Ричард Фейнман анализируя опыт
чтения этих лекций и вспоминая о студентах, которые не освоили курс в полном
объеме, задается вопросом: «Как все-таки помочь студентам?». И сам же отвечает
на него: «Может быть, надо больше поработать над составлением комплекса задач
… Задачи дадут хорошую возможность расширить лекционный материал и
помогут сделать идеи лекций более осязаемыми и полными, лучше уложить их в
голове» [153, стр. 15]. Приведенные высказывания подтверждают чрезвычайную
значимость формирования и развития у обучаемых умения решать расчетные
задачи на всех уровнях образования.
Однако, анализ результатов единого государственного экзамена по
дисциплинам, в которых решение расчетных задач традиционно считается одним
из основных видов деятельности, показывает их низкий уровень. Средние
результаты ЕГЭ по физике, математике, информатике, биологии и химии за
последние три года остаются на уровне 50-60 %. И это несмотря на то, что данные
предметы являются необязательными, их выбирают мотивированные учащиеся,
нацеливающиеся на естественно-научные направления будущей профессии.
Естественно было бы ожидать противное – результаты экзаменов должны быть
высокими. Обозначенная проблема характерна не только для среднего общего
образования. На уровне основного общего образования ситуация с умениями
решать задачи складывается также не лучшим образом.
Успешное формирование умения решать расчетные задачи у обучаемых
ожидаемо при полноценном методическом обеспечении учебного процесса.
Традиционно средствами такого обеспечения являлись печатные пособия:
учебники, сборники задач, решебники, методические пособия и т. п. Сегодня
наблюдается избыток различного рода цифровых ресурсов, как представляющих
off-line приложения, так и доступных в режиме on-line в сети internet. В частности,
на примере физики, имеющиеся информационные ресурсы представляют собой:
– тесты [89, 146];
– оцифрованные задачники [83];
– виртуальные среды моделирования эксперимента и анимации [59, 176, 177];
– приложения-справочники [23, 154, 142, 155].
Лишь в последнее время стали появляется немногие цифровые ресурсы,
посвященные автоматизированным методикам обучения решению задач.
Наблюдающийся дефицит прикладных разработок в этом направлении
сдерживает развитие современных и весьма перспективных научных идей:
 когнитивной психологии (Дж. Андерсон, У. Найссер, Э. Толмен,) – понятие
схема для объяснения механизмов восприятия и мышления;
 ментальной дидактики (Н.И. Пак) – концептуальная модель ментальной
схемы;
 кибернетики (Н. Виннер, У. Росс Эшби) – моделям черный и белый ящик.
Пробел в этом направлении информатизации образования предположительно
связан с тем, что разработка полноценного приложения – тренажера по
формированию умения решать расчетные задачи представляется сложной в силу
ряда причин. Главная из них – трудная формализация процесса решения задачи.
Также сложно поддается формализации умение человека решать задачи, что
чрезвычайно важно для понимания сущности и структуры этого умения,
дальнейшего его формирования и развития. Как известно, любое знание
выражается в языке или в какой-либо другой знаковой форме [71]. Понимание
умения решать задачи только в общем смысле, как умение вообще, т.е. готовность
сознательно выполнять практические действия на основе полученных знаний,
обедняет рассмотрение тем, что ограничивается на внешних проявлениях этого
качества. Такой подход затрудняет анализ данного умения и ориентирует его
изучение через определение степени его выраженности. При этом не учитывается
многокомпонентность умения решать задачи, его внутренняя сложность и
системность. Так, сравнительно легко определить на каком уровне развития
находится умение решать задачи у конкретного обучающегося через указание
задач, которые он способен/неспособен решить. Для выявления же причин этого
необходим подробный экспертный анализ артефактов, оставленных обучающимся
(как правило записей на бумажном носителе). При этом происходит приближение
к границе знания, поскольку экспертный анализ трудноформализуем.
Вышесказанное указывает на важность и необходимость исследований по поиску
способов формализации умения решать расчетные задачи.
Современная структура социальных отношений, возрастающие потребности
личности и динамичный прогресс требуют от каждого человека высокой
самостоятельности, автономности, развития собственного Я. Под
самостоятельностью часто понимают обобщенное свойство личности,
проявляющееся в инициативности, критичности, адекватной самооценке и чувстве
личной ответственности за свою деятельность и поведение [48, 2]. Основные
современные нормативные документы в сфере образования содержат прямое
указание на необходимость формирования у обучающихся, выпускников и
будущих специалистов умений и навыков самостоятельной деятельности, в том
числе и в плане самообразования. Самостоятельность не относится к какому-либо
предмету и имеет универсальный характер личностного качества, поэтому она
отражена в требованиях к личностным и метапредметным результатам освоения
программ различных уровней образования.
Впервые самостоятельность в требованиях к результатам обучения
встречается на уровне начального общего образования; так ФГОС НОО
(фрагменты стандарта в ПРИЛОЖЕНИИ А) содержит личностный результат № 6,
требующий «развития самостоятельности и личной ответственности за свои
поступки …». Там же указывается метапредметный результат освоения основной
образовательной программы начального образования № 4, требующий
«формирования умения понимать причины успеха/неуспеха учебной деятельности
и способности конструктивно действовать даже в ситуациях неуспеха» [124].
На следующем уровне – основном общем образовании (фрагменты стандарта
в ПРИЛОЖЕНИИ А) личностные и метапредметные результаты значительно чаще
формулируются через требование к самостоятельности. Личностные результаты
№ 2 и № 6 и сразу пять первых метапредметных результатов формулируются, либо
явно с учетом требования к самостоятельности, либо неявно, но однозначно
требуют от обучающихся проявления самостоятельности в своей деятельности
[127]. ФГОС среднего общего образования (фрагменты стандарта в
ПРИЛОЖЕНИИ А) содержит описание одного личностного результата
(личностный результат № 5) и сразу двух метапредметных результатов
(метапредметные результаты № 1 и № 7), отражающих необходимость навыков и
умений, направленных на самостоятельность в различных контекстах [125].
На уровне среднего профессионального образования тема самостоятельности
продолжается в направлении профессионального развития. Федеральные
государственные образовательные стандарты среднего профессионального
образования различных специальностей (в варианте от 2018 года) включают
общую компетенцию (ОК 03) в одинаковой формулировке: «Выпускник,
освоивший образовательную программу, должен … планировать и реализовывать
собственное профессиональное и личностное развитие». В стандартах СПО
профессий (в документах от 2013-2016 годов), содержится общая компетенция (ОК
2): «Выпускник, освоивший ППКРС, должен обладать общими компетенциями,
включающими в себя способность … организовывать собственную деятельность,
исходя из цели и способов ее достижения, определенных руководителем» [126,
123]. Во-втором случае директивной является постановка цели и способы ее
достижения (это, очевидно, диктуется конкретной производственной ситуацией), а
также подразумевается руководство над исполнителем – рабочим.
Самостоятельность же в этом случае требуется проявить в организации
собственной деятельности при достижении цели. Подобные версии ФГОС СПО
изданы достаточно давно, но на сегодняшний день они еще актуальны, поэтому их
требования необходимо выполнять. Можно ожидать, что в ближайшем будущем
эти версии стандартов будут обновлены и роль самостоятельности в них будет
усилена. Дальнейшее развитие этого качества продолжается и на уровне высшего
профессионального образования. Высокое развитие самостоятельности является
фундаментом для развития умения работы в режиме высокой неопределенности и
быстрой смены условий задач, умения быстро принимать решения, реагировать на
изменение условий работы, умения распределять ресурсы и управлять своим
временем. Последние перечисленные умения являются приоритетными для
специалистов будущего и входят в набор необходимых умений для
многочисленных профессий представленных в Атласе новых профессий [14].
Проведенный анализ нормативной базы выявляет высокую важность
самостоятельности, как качества личности, и ее необходимость для становления
полноценного члена общества.
Умение решать задачи является сугубо индивидуальным, и
самостоятельность при его формировании является ключевым фактором
успешности обучения. Поэтому обучение решению задач не представляется
возможным без организации самостоятельной работы по решению задач. В свою
очередь, первостепенная роль самостоятельной работы создает дополнительную
нагрузку на преподавателя, как организатора учебного процесса в группе
обучающихся. Это связано главным образом с индивидуализированным
характером самостоятельной работы. Процесс обучения решению задач, в
конечном счете, складывается из многочисленных итераций – попыток решения,
проверок, коррекции. Число таких итераций для конкретного обучающегося
зависит от начального уровня, способностей, мотивации и других факторов,
уровень которых оказывается разным для каждого индивидуума. Такой
персонифицированный характер самостоятельной работы влечет за собой
необходимость также персонифицированной диагностики ее результатов. Эти
соображения конфликтуют с распространенной классно-урочной системой
обучения, которая базируется на общепринятой, экономически обоснованной
установке – один учитель должен обучать множество учеников. В современном
состоянии этот тезис воплощается в учебный процесс, при котором на одного
педагога одновременно приходится до 30 обучающихся. В таких условиях
организовать персонифицированную самостоятельную работу и, тем более,
персонифицированную диагностику ее результатов представляется чрезвычайно
сложной задачей. Естественным разрешением данной проблемной ситуации может
быть автоматизация наиболее трудоемких операций.
В настоящее время автоматизация диагностики результатов обучения
представляется возможной, например, с помощью систем тестового контроля,
адаптивного контроля, модульно-рейтинговых технологий, электронных
портфолио. Данные направления перспективны для автоматизации, однако
применить их к организации персонифицированной самостоятельной работы при
формировании умения решать расчетные задачи едва ли возможны в силу
сложности и многокомпонентности рассматриваемого умения.
Проведенный анализ нормативных документов и существующих ресурсов
позволяет выделить следующие противоречия:
на социально-педагогическом уровне:
– между потребностью современного информационного общества в
специалистах среднего звена, способных самостоятельно приобретать знания и
умения в своей профессиональной области, в том числе и умения решать расчетные
задачи, и недостаточным информационно-методическим обеспечением этого
процесса;
на научно-педагогическом уровне:
– между потенциальными возможностями формализации умения решать
расчетные задачи с позиций когнитивного подхода и недостаточной
разработанностью соответствующих прикладных моделей и методов;
на научно-методическом уровне:
– между большими перспективами применения цифровых технологий к
автоматизации процесса организации персонифицированной самостоятельной
работы студентов по решению расчетных задач и недостаточной разработанностью
существующих средств обучения и методики их применения.
Необходимость разрешения выявленных противоречий обуславливает
актуальность исследования и определяет его проблему: каким образом
автоматизировать процесс организации персонифицированной самостоятельной
работы студентов по решению задач?
Объектом исследования является: информатизация процесса обучения
студентов решению задач.
Предмет исследования: автоматизация процесса организации
персонифицированной самостоятельной работы студентов в системе среднего
профессионального образования по решению задач (на примере физических задач).
Цель работы заключается в теоретическом обосновании возможности
автоматизации процесса организации персонифицированной самостоятельной
работы студентов технического профиля СПО по решению задач и разработке
автоматизированной интерактивной программной среды, обеспечивающей
результативность формирования их умения решать расчетные задачи (на примере
физических задач), на основе структурно-ментальных схем и контроля и обучения
по модели «белый ящик».
Согласно проблеме, объекту, предмету и цели исследования была выдвинута
гипотеза: автоматизация процесса организации персонифицированной
самостоятельной работы студентов технического профиля СПО будет
результативно обеспечена, если использовать интерактивную программную среду,
в которой:
– формализация процесса обучения студентов решению задач
осуществляется с помощью предметных структурно-ментальных схем, а обучение
и контроль этого умения реализуется на основе модели «белый ящик»;
– адаптивность подбора заданий по сложности обеспечивается за счет
рейтинга А. Эло;
– внутренняя мотивация студентов к самостоятельной работе по решению
расчетных задач формируется с помощью игровых механик и учета забывания по
кусочно-линейной модели.
Для достижения обозначенной цели и подтверждения гипотезы были
поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ трудностей организации персонифицированной
самостоятельной работы студентов решению расчетных задач, раскрыть