Изучая отечественную историю начертательной геометрии, З.И. Крапивин отметил, что многие педагоги создали стройные и глубоко продуманные системы преподавания, но эти системы не изучались, не систематизировались, поэтому множество ценных достижений в области методики преподавания в высшей школе утеряно [50].
Можно проследить динамику изменения подходов к преподаванию начертательной геометрии. В начале введения курса НГ в обучение практиковался так называемый «школьный» метод изложения материала, т.е. материал на занятиях давался небольшими дозами и тут же закреплялся графической работой – эпюром. В 1816 г. профессор К.И. Петье ввел лекционный метод, он сопровождался репетициями, на которых разъяснялся и усваивался материал, позже Я.А. Севастьянов ввел практические упражнения, а Н.И. Макаров ввел в практику выполнение домашних эпюров, на которых прорабатывался теоретический материал и решались задачи по специальности. В 90-х годах XIX века стали появляться сборники задач, а в советский период - издаваться рабочие тетради.
Большой вклад в развитие традиционных методов обучения графическим дисциплинам в XX веке внесли А.В. Бубенников, К.И. Вальков, В.Я. Волков, В.О. Гордон, Г.С. Иванов, А.И. Королев, И.И. Котов, В.С. Левицкий, А.М. Тевлин, С.А. Фролов, Н.Ф. Четверухин, Л.С. Шабека, В.И. Якунин и др.
З.И. Крапивин выделил три основные школы, сформировавшиеся в период с 1956 по 1991 в России: «Н.Ф. Четверухина – математико-геометрического, С.М. Колотова – инженерного и И.С. Джапаридзе - конструктивного направления в преподавании начертательной геометрии» [51.С.34.].
До Великой Отечественной войны преподавание начертательной геометрии велось по методу Монжа (на фиксированных плоскостях, через построение следов плоскости), после неё – по безосному методу, в 60-70 г.г. прошлого столетия многие технические вузы перешли на программированное обучение, потом на алгоритмический метод и преподавание с применением ЭВМ.
Метод программированного обучения предназначен
для реализации принципа индивидуализации в обучении при значительном усилении
роли самостоятельной работы студента. Основой метода является специальное
учебное пособие, составленное таким образом, чтобы активизировать деятельность
учащегося на восприятие и усвоение учебного материала. Учебный материал
дробится на небольшие дозы, в которых содержится минимум подлежащей восприятию и
усвоению информации. Контрольные вопросы в конце каждой дозы позволяют
осуществлять
самоконтроль процесса обучения. Для обучения начертательной геометрии с
использованием этого метода И.С. Альтшулером, Б.В. Будасовым, Л.Г. Нартовой,
В.И. Ниловой, А.М. Тевлиным, Н.Ф. Четверухиным и др. были разработаны учебники и
программированные задачники.
Методические основы и концепция алгоритмизированного обучения графическим дисциплинам сформулированы Н.И. Акимовой [1]. Алгоритмизированная обучающая система, по ее мнению, имеет модульное строение:
– логический модуль - опорный алгоритм темы;
– машинный модуль – алгоритм решения прикладных задач (алгоритм графического решения задачи, алгоритм аналитического решения задачи, алгоритм компьютерной программы);
– модуль – логическая связь тем курса;
– машинный модуль генерирования вариантов заданий;
– машинный модуль – кумулятивная оценка учебной деятельности студентов.
Появление компьютерной техники и программного обеспечения, позволяющих осуществлять преобразование аналитической информации в графическую требует от специалистов умения составлять алгоритм такого преобразования, что предполагает свободное владение языком чертежа и языком анализа [115]. Для этих целей разрабатываются учебники по начертательной геометрии на базе ЭВМ (Г.С. Ивановым, Л.Г. Нартовой, В.С. Полозовым, А.М. Телвиным, В.И. Якуниным и др.). В них подробно изложены теоретические положения курса и обобщены методы решения задач с применением аналитического описания основных графических операций, приводятся сведения по универсальным и проблемно-ориентированным алгоритмическим языкам, блок-схемы алгоритмов решения основных типов задач.
Комплексный подход к обучению графическим дисциплинам с использованием одновременно графического и аналитического решения задач начертательной геометрии с помощью ЭВМ рассмотрен В.К. Любимовой [58]. Она разработала и экспериментально апробировала содержание и систему упражнений по темам «Кривые линии» и «Поверхности», ориентированные на формирование у студентов знаний, умений и навыков в использовании вычислительной техники при выполнении технических и расчетно-технических работ.
Роль начертательной геометрии, как подчеркивает А.Е. Одинцова, «в современных условиях как раз в связи с развитием систем машинной графики еще больше возросла, так как она есть логическая основа составления программ и машинных алгоритмов для графического решения задач с помощью ЭВМ» [73, С. 70].
Отдельным вопросом методики преподавания начертательной геометрии является использование прикладных графических программ. Они позволяют соединить точность аналитических методов решения задач и наглядность графического решения. При этом пользователю прикладных графических программ не требуется знания языков программирования. А.К. Савельев, анализируя применение графического редактора «Компас-График» для геометрических построений, отметил, что он прост в управлении и «любой непосвященный в компьютерную технику пользователь через несколько часов освоения, число которых измеряется единицами, может вполне сносно выполнять необходимые в решении задач начертательной геометрии графические построения» [90, С. 16].
Возможности моделирования трехмерных геометрических объектов с помощью прикладных графических программ позволяют с высокой точностью решать задачи начертательной геометрии, оставляя за кадром процесс решения. Это необходимо учитывать при разработке методического обеспечения так как, достаточно дать команду «построить линию пересечения одной поверхности с другой» и линия будет отражена на экране монитора, причем можно изменить направление взгляда на неё. В связи с этим В.Б. Орехов отметил, что при использовании компьютерных технологий в обучении инженерной графике необходимо учитывать «противоречие между основным назначением ЭВМ – автоматизировать решение задачи и необходимостью для обучаемого самостоятельно и осмысленно выполнять всю последовательность действий, приводящую к получению результата» [74, С. 38].
К сожалению, в связи с внедрением в обучение начертательной геометрии прикладных графических программ как инструмента, позволяющего без знания алгоритмов, автоматически получить решение позиционной задачи, появились и негативные оценки курса как рутинного и даже отжившего. Это отрицательно сказывается на отношении некоторых студентов к изучению курса, вызывает у них сомнения в его полезности для будущей профессиональной деятельности. Авторитет учебной дисциплины «Начертательная геометрия» может быть повышен за счет обогащения её содержания, рассмотрения её как продолжения курса математических дисциплин.
Сохранению содержательной части решения задач в начертательной геометрии, по мнению А.К. Савельева, способствует использование компьютера в «качестве бумаги и карандаша». Это позволяет с высокой точностью (исходно в «Компас-График» это 0,000001 мм для измерения и 0,001 мм для ввода координат) выполнять геометрические построения, при этом за студентом остается право выбора алгоритма решения задачи [90].
Использование прикладных графических программ в качестве «электронного кульмана» при выполнении графических работ позволяет не только повысить точность геометрических построений, сохраняя при этом содержательную сторону, но и способствует формированию у студентов знаний, умений и навыков в использовании компьютера при выполнении расчетно-графических работ на практических занятиях и в ходе домашней самостоятельной работы.
Опыт внедрения в учебный процесс средств машинной графики показал, что их применение позволяет быстрее и глубже определить интеллектуальный потенциал и способность молодежи к творчеству, углубить их знания в области начертательной геометрии за счет вариации заданий, выполняемых вручную и с помощью ЭВМ; развить их творческий кругозор, применяя комплексные графические модели для синтеза сложных технических объектов, высвободить время от механической работы для творческой [119].
Традиционными формами обучения начертательной геометрии являются лекции, практические занятия, консультации и домашняя самостоятельная работа.
Спецификой начертательной геометрии как учебной дисциплины является большое количество графического материала. Лекции по учебной дисциплине «Начертательная геометрия» традиционно читаются с использованием мела, обычной доски, линейки и циркуля. Даже при высоком профессионализме лектора неизбежно снижение уровня преподавания за счет затрат времени на выполнение чертежей и повышение организованности студента при ведении конспекта. Поэтому в преподавании начертательной геометрии в настоящее время большое внимание уделяется применению различных технических средств обучения. Использованию в лекционном курсе графопроекторов, телевидения, полиэкранной технологии демонстрации изображений и компьютеров посвящены работы Б.Б. Будасова, О.К. Лихачева, Н.Т. Морозовой, Г.В. Рубиной и др.([14], [47], [66], [67], [88]).
В последние годы в высшей школе возросло внимание к методике обучения начертательной геометрии, стали разрабатываться новые технологии обучения предмету. З.И. Крапивиным [51] для обучения начертательной геометрии предложена историко-диалектическая методическая система. В её основе используется не кинематическая, а материалистическая теория образования поверхностей всего предметного мира. Преподавание по этой методической системе начинается с наблюдения и изучения предметов и их поверхностей, рассмотрение которых производится с точки зрения их исторического развития, как были открыты известные поверхности, формировались их понятия, как они сейчас называются. Причем все поверхности показываются на моделях, плакатах и др. наглядных пособиях, проводится их подробный анализ, на основе него формируются общие и частные понятия. Путем процесса абстрагирования выделяются поверхности, линии как результат пересечения поверхностей, и точки как пересечение линий. Даются их математические определения. То есть используется конкретно-индуктивный метод введения понятий. Только после этого изучается аппарат проецирования и сам метод, деление его на виды и разновидности.
Учитывая, что одной из особенностей технического мышления является его понятийно-образный характер, в обучении НГ наравне с конкретно-индуктивным может использоваться и абстрактно-дедуктивный метод. Н.Г. Плющ даже признает приоритет за этим методом и объясняет это тем, что НГ преподается на первом курсе высших технических учебных заведений, на котором обучаются люди в возрасте 17-19 лет. Для этой возрастной категории характерным является обобщенный подход к изучению окружающего их мира не путем рассмотрения отдельных, не связанных друг с другом реальных объектов, а во взаимосвязи с окружающими их предметами и явлениями. То есть основным дидактическим приемом, наилучшим образом удовлетворяющим умственным возможностям этой возрастной группы обучающихся является использование принципа – изложения материала от «общего» к «частному» [78].
Технология обучения начертательной геометрии, разработанная Л.С. Шабекой и О.В. Ярошевичем [121], способствует изменению роли преподавателя, который из «источника» информации превращается в организатора самостоятельной творческой работы студентов. Эта технология базируется на следующих принципах.
1. Принцип блочно-модульного планирования и контроля знаний. Суть его состоит в том, что вся программа курса разбивается на крупные логически завершенные дозы учебного материала – модули. В состав каждого модуля входит несколько блоков, включающих законченный и однородный по своему содержанию материал. Модуль служит программой обучения, индивидуализированной по содержанию учебного материала, методам обучения, уровню самостоятельности, темпу учебно-познавательной деятельности и осуществляет не только информационную функцию, но и конкретизирует, дополняет, развивает то, что заложено в учебнике. Усвоение каждого модуля представляет собой законченный дидактический цикл, обладающий всеми качественными характеристиками процесса обучения. Он способствует усвоению не только знаний, но и овладению способами их приобретения самостоятельно, так как в его состав входят структурно-логические схемы, рекомендации по выработке умений и навыков, алгоритмы, указания и т.п. Целостное предъявление отдельного модуля дает возможность каждому студенту изучать его в своем темпе. Студент четко представляет результат, который он должен получить при изучении данного модуля и всей модульной программы в целом, цели, формы и способы контроля, с помощью которых достигается цель. Студент в любой момент в состоянии оценить результат, скорректировать его при необходимости.
2. Принцип многократного предъявления учебной информации в различных формах ее подачи. Знания вводятся в различных формах (вербальной, материализованной, графической, знаково-символической и др.): таблицы и схемы; наборы основных понятий; алгоритмы; вопросы – ответы; графические и опорные конспекты; блок - конспекты, что позволяет студенту при проработке учебного материала выбрать именно ту форму, которая ему наиболее понятна и приемлема, с одной стороны. При этом, с другой стороны, учебный материал виден во всей многогранности его проявления и, как следствие, лучше усваивается и запоминается.
3. Принцип целенаправленного формирования умений и навыков культуры умственного труда в единстве с обучением конкретной учебной дисциплине. Формирование умения культуры умственного труда проводится в единстве с формированием предметных знаний.
4. Принцип разноуровневого обучения. Реализация этого принципа предполагает обучение студентов на оптимальном, доступном уровне сложности, соответствующем уровню их первоначальных знаний, фундаментальной подготовки, развития пространственных представлений, теоретического и логического мышления, индивидуальных особенностей, желанию и потребностям.
Использование такой технологии открывает возможности активному включению в процесс обучения современных информационных технологий.
Созданию электронных учебников, автоматизированных обучающих систем и использованию ЭВМ в обучении начертательной геометрии посвящены работы И.Н. Акимовой, Л.Г. Бобровой, О.К. Лихачева, А.К. Савельева, В.Д. Трухиной, В.С. Полозова и др. ([1], [11], [12], [57], [80], [90], [91], [110]).
В частности, А.В. Антипова и Ю.Ф. Катханова [41] выделили следующие виды применения ЭВМ в преподавании начертательной геометрии и черчения: вычислительные операции; моделирование; хранение и поиск учебных материалов; организация учебного процесса; проведение тестирования; обучение в процессе взаимодействия с ЭВМ, диалог «человек-машина».
По мнению В.М. Найдыш, «в процессе изучения начертательной геометрии реализуются следующие функции ЭВМ:
– информационная – о предмете и уровне его изучения;
– развитие у студентов пространственного мышления путем демонстрации наглядных изображений в различных ракурсах, динамики построения изображения, цветовых и звуковых эффектов;
– развитие геометрического мышления путем целенаправленного, системного воздействия на процесс познания с подробным контролем и коррекцией времени, вида и дозы управляющего воздействия;
– формирование основ инженерно-конструкторского, технологического мышления и навыков путем имитации производственных задач с подробным разбором методов их решения;
– формирование навыков исследователя;
– управление обучающими тренажерами» [69, С. 11].
Л.А. Найниш с коллективом авторов, анализируя возможности использования автоматизированных обучающих систем (АОС) в курсе «Начертательная геометрия», пришла к выводу, что эффективность этого использования зависит от способа представления знаний. Они считают, что «для представления знаний должна быть выбрана модель знаний, обладающая достаточной структурированностью, позволяющей организовать накопление, хранение и обработку знаний о предметной области, тестовых задачах и вопросах, результатах обучения и тестирования» [71, С. 59]. Кроме того, модель должна обеспечивать несколько режимов обучения и тестирования:
– последовательное изложение материала без тестирования - курс лекций;
– использование электронного учебника, позволяющего выбирать темы для изучения в любой последовательности;
– последовательное изучение материала курса, в котором переход к очередной теме осуществляется лишь при успешной сдаче обучаемым тестов по предыдущей теме.
Наличие нескольких режимов обучения и тестирования позволяет использовать АОС в качестве средства электронной поддержки лекционного курса, справочного пособия для студентов, а также средства контроля знаний студентов [70].
Таким образом, использование компьютерных технологий в обучении начертательной геометрии становится объективной реальностью.
В соответствии с темой нашего исследования проанализируем особенности педагогических технологий, реализующих идеи индивидуализации и дифференциации обучения студентов геометро-графическим дисциплинам.
Так, Д.-М. Б. Бендикене предлагает дифференцировать учебный процесс по изучению графических дисциплин с учетом разных уровней профессиональных интересов студентов [6].
А.И. Хубиев в своем исследовании в качестве средства индивидуализации процесса формирования пространственных представлений студентов при изучении НГ рассматривает систему задач, составленную с учетом индивидуально-психологических особенностей восприятия, мышления, памяти и исходного уровня сформированности пространственных представлений [116].
Существуют и другие исследования в этой области. Например, И.Б. Кордонская обосновала целесообразность двухуровневого обучения графическим дисциплинам [49]. Она считает, что необходимо ввести первый уровень начертательной геометрии в школьный курс, ограничив ее усвоение такими уровнями как понимание, узнавание, воспроизведение. С точки зрения И.Б. Кордонской, этот уровень является естественным продолжением школьного курса геометрии. В ее исследовании также рассмотрен вариант рациональной последовательности изучения графических дисциплин в вузе: уровень применения и творческий уровень начертательной геометрии, аналитическая геометрия, компьютерная графика. Учитывая спорность отнесения геометрии к графическим дисциплинам, можно сказать, что наше исследование относится к методическим исследованиям по геометро-графическим дисциплинам.
В исследовании А.Э Дзене предлагается организовать самостоятельную работу студентов при изучении НГ с учетом различий в уровнях развития пространственных представлений. Средством учета являются алгоритмические предписания к решению задач, соответствующие различным этапам формирования умственных действий.
Признание принципа индивидуального подхода при обучении начертательной геометрии можно найти и в других публикациях ([25], [36]). Однако нам не известны специальные исследования проблемы индивидуализации обучения начертательной геометрии, в частности студентов технических вузов. Автором проведено теоретическое исследование проблемы и разработана технология индивидуализированного обучения начертательной геометрии студентов технических вузов.
Выводы по первой главе:
1. Актуальность проблемы данного исследования обоснована современной гуманистической парадигмой образования, его личностной ориентированностью, определяющими необходимость индивидуализации обучения, с одной стороны, и выявленным отсутствием специальных исследований по этой проблеме относительно обучения начертательной геометрии студентов технических вузов, с другой стороны.
2. При индивидуализации обучения начертательной геометрии следует учитывать в первую очередь такие особенности студентов технических вузов как обученность по геометрии, черчению, компьютерную грамотность, уровень сформированности умений самостоятельной работы, уровень развития пространственного мышления.
3. Теоретический анализ современного состояния методики обучения начертательной геометрии, выполненный на основе системного подхода, показал возросшее внимание специалистов к ее совершенствованию. В частности, выделены следующие основные тенденции изменения содержательного и процессуального компонентов обучения начертательной геометрии:
– дополнение теоретического содержания аналитическими методами решения задач, разделами компьютерной графики и т.д.;
– внедрение в обучение современных информационных технологий;
– индивидуализация и дифференциация отдельных компонентов обучения.