Цель СРС – научить студента осмысленно и самостоятельно работать с учебным материалом, сформировать навыки самостоятельного поиска и приобретения новых знаний. Под термином «самостоятельная работа студентов» следует понимать систематическую, управляемую преподавателем самостоятельную деятельность студента.

В статье описана возможность организации СРС на занятиях по физике на основе системы индивидуальных заданий (ИЗ). Система ИЗ представляет собой множество банков заданий различного назначения [1]: банк тестов для допуска студентов к выполнению лабораторных работ; банк заданий для защиты ЛР; банк заданий для текущего контроля (самоконтроля) знаний при подготовке к коллоквиумам; банк заданий для практических занятий; банк тестов для опроса в конце лекций и т.д.

Банк заданий представляет собой документ в формате MS Word, содержащий набор теоретических вопросов, заданий, тестов, задач. Он может включать в себя формулы и рисунки. Из методических соображений или для удобства банк заданий может быть структурирован по тематическим разделам, по степени сложности и т.д.

Для формирования ИЗ на базе разработанных банков заданий написана специальная компьютерная программа в виде макроса для текстового процессора MS Word [2, 3], позволяющая, во-первых, автоматизировать процесс формирования вариантов заданий и, во-вторых, проводить компьютерное тестирование (самотестирование) непосредственно в MS Word. ИЗ создается в результате случайной выборки из указанных разделов соответствующего банка заданий. Причем один и тот же банк заданий может быть использован как для создания вариантов для печати, так и для компьютерного тестирования. При компьютерном опросе на экран выводится общий результат тестирования. Также есть возможность просмотреть результат пройденного теста – каждое задание с оценкой выбранного ответа в виде верно / неверно. В итоге студент может самостоятельно проанализировать совершенные ошибки или обсудить их с преподавателем.

При проведении лабораторного практикума ИЗ применяются при допуске к выполнению лабораторной работы и при ее защите. К лабораторной работе допускаются студенты, успешно прошедшие компьютерный тестовый контроль подготовленности к выполнению лабораторной работы. Этот тест не является теоретическим анализом изучаемого явления, а представляет опрос по цели работы, методике проведения эксперимента, обращению с приборами, обработке и интерпретации экспериментальных данных и т.д.

Компьютеризация этого вида деятельности позволяет решить проблему нехватки времени у преподавателей, проводящих такой контроль в виде устного опроса, а индивидуализация заданий – активизировать СРС. В результате преподаватель может больше времени уделить студентам при обработке экспериментальных данных: проведении вычислений; построении графиков; расчете погрешностей; оценке физической разумности полученных результатов.

При защите лабораторных работ ИЗ формируются из банка, содержащего задания теоретического плана, как минимум в объеме контрольных вопросов, указанных в конце описания лабораторной работы. По результатам компьютерного тестирования в этом случае преподаватель может оперативно выявить пробелы в теоретических знаниях студента и внести соответствующие коррективы.

Активность СРС на практических занятиях может быть усилена в результате индивидуализации задания. Например, на каждую тему студент получает свой вариант задания, при этом условие задачи для всех студентов однотипное, а исходные данные различны. В начале занятия преподаватель дает лишь общие методические указания по решению задачи. А далее обращает внимание на грамотное и правильное выполнение технических расчетов и проверяет полученный результат. Получение задания, его выполнение и контроль в пределах одного занятия повышает эффективность СРС.

Обратная связь со студентами, как во время практических занятий, так и при чтении лекций, всегда была важной составляющей учебного процесса. И если во время проведения практических занятий преподаватель может задать вопрос или заглянуть в конспект студента, то во время проведения лекционного занятия осуществить обратную связь со студентами, определить их уровень восприятия материала несколько сложнее. Одним из решений этой проблемы может стать проведение письменного опроса (в случае технического оснащения лекционной аудитории – компьютерного опроса) в конце лекции всех студентов в аудитории. Опрос проводиться в виде индивидуальных тестов, сформированных случайным образом из соответствующего банка заданий. В этом случае банк заданий содержит тесты или вопросы теоретической направленности, не требующие каких-либо вычислений. При проведении теста в конце каждой лекции студенты осознают необходимость более внимательного отношения к лекционному материалу.

Для достижения ожидаемого эффекта от использования ИЗ при организации СРС преподаватель должен:

- продумать задания на самостоятельную работу;

- обновлять, дополнять разработанные банки заданий;

- разрабатывать методическое обеспечение СРС;

- учитывать общую суммарную нагрузку студентов по всем дисциплинам, а не только по своей дисциплине;

- предусмотреть возможность варьирования заданий с учетом интеллектуальных качеств, психологических особенностей студентов;

- учитывать результаты СРС в общей рейтинговой оценке по данной дисциплине.

В последние годы в учебном процессе вузов довольно успешно используются системы контроля, основанные на балльно-рейтинговой оценке знаний студентов. Основные преимущества подобных систем заключаются в побуждении студентов к систематической самостоятельной работе в течение всего семестра. Если студент набирает в семестре количество баллов, соответствующее положительной оценке, то ему проставляется в ведомость рейтинговая оценка. Возможность получения оценки до сессии активизирует как аудиторную, так и внеаудиторную СРС.

Кроме того, самостоятельная работа имеет воспитательное значение: она формирует самостоятельность не только как совокупность умений и навыков, но и как черту характера, играющую существенную роль в структуре личности современного специалиста.

В связи с этим авторами были разработаны и внедрены в учебный процесс лабораторные работы [1], выполняемые на компьютерных моделях соответствующих экспериментов по определению первого потенциала возбуждения атомов (опыт Франка и Герца); изучению волновых свойств электронов (опыт Дэвиссона и Джермера); изучению корпускулярных свойств электромагнитного излучения (фотоэлектрический эффект); определению коэффициента поглощения гамма-излучения в веществе; измерению мессбауэровских спектров.

В ходе выполнения компьютерных лабораторных работ по этим разделам физики студенты могут наблюдать динамические иллюстрации изучаемых физических явлений и процессов, недоступных для наблюдения в реальном эксперименте и одновременно с ходом эксперимента наблюдать зависимость физических величин.

В математическом сопровождении виртуального эксперимента учтена случайная ошибка, вносящая погрешность в результат, благодаря чему результаты, полученные разными студентами, отличны друг от друга, как и при проведении работы на реальных установках.

По сравнению с традиционным методом проведения лабораторного практикума в виртуальном варианте появляется возможность организовать выполнение лабораторных работ фронтальным методом, при котором тематика каждой работы полностью соответствует тематике текущих лекционных и практических занятий.

При выполнении одной и той же ЛР возможно варьировать условия проведения виртуального эксперимента. В ЛР «Опыт Франка и Герца» можно определить первый потенциал возбуждения атомов нескольких веществ. В ЛР «Опыт Дэвиссона и Джермера» рассчитывается длина волны электронов. Для этого можно снять зависимость силы тока коллектора от ускоряющей разности потенциалов при различном фиксированном угле рассеяния, и зависимость силы тока коллектора от угла рассеяния при различной фиксированной ускоряющей разности потенциалов. В ЛР «Фотоэффект» можно исследовать вольтамперные характеристики для нескольких материалов катода при различных значениях интенсивности и частоты падающего света, а также снять зависимость запирающего напряжения фотоэлемента от частоты падающего света. Определение коэффициента поглощения гамма-излучения в веществе производится для нескольких материалов и наборов пластин различной толщины. При измерении мессбауэровских спектров исследуется зависимость числа импульсов (зарегистрированных гамма-квантов) от скорости движения источника излучения.

Виртуальный практикум содержит компьютерные модели реальных лабораторных установок, а так же методические указания по выполнению эксперимента, обработке экспериментальных данных; контрольные вопросы; справочный материал. Внешний вид окна в режиме выполнения лабораторной работы «Эффект Мессбауэра» приведен на рис. 1. 

Рис. 1. Окно лабораторной работы «Эффект Мессбауэра»

Выполнение компьютерной ЛР включает в себя следующие этапы: подготовка к работе; допуск к ЛР; выполнение экспериментальной части; обработка результатов измерений; защита лабораторной работы.

Отчет по ЛР рекомендуется оформлять на специально разработанных бланках формата А4 (рис. 2). На лицевой стороне бланка указанны пункты отчета, заполняемые студентом при предварительной подготовке к ЛР: ФИО студента, дата выполнения, название и цель работы, основные законы и расчетные формулы, схема установки. Оборотную сторону бланка студент заполняет непосредственно при выполнении ЛР. На оборотной стороне бланка представлены незаполненные таблицы результатов эксперимента, указаны последовательности расчета определяемой экспериментально величины для одного из опытов и доверительного интервала для математического ожидания этой величины, нанесена масштабная сетка для графиков, приведена форма записи результата работы.

Рис. 2. Пример бланка оформленного отчета по ЛР

Допуск и защита ЛР проводится в режиме компьютерного тестирования. Для этих целей разработаны компьютерная автоматизированная система формирования вариантов заданий [2] и банки заданий различного назначения [3]. Система случайным образом выбирает установленное число заданий из указанного банка заданий для каждого студента и формирует тест. После выполнения всех заданий теста в режиме ограниченного времени на экран выводится оценка, которая помогает преподавателю решить вопрос о допуске данного студента к работе. В случае защиты ЛР по окончании тестирования студент получает оценку и имеет возможность просмотра своей работы. Внести изменения в результат тестирования уже нельзя, но можно совершенные ошибки проанализировать и обсудить с преподавателем.

Опыт использования компьютерных лабораторных работ показал, что виртуальный практикум позволяет существенно расширить возможности учебных лабораторий кафедр физики в учебном процессе, оказывает положительное влияние на усваиваемость студентами освещаемого в нем физического материала.