"Физика и компьютер" – итоги эксперимента по организации сбалансированного непрерывного обучения физике и современным компьютерным технологиямА.В.Бобович, В.М.Космачев, А.С.Чирцов Экспериментальная образовательная программа "Физика и компьютер" реально функционирует уже на протяжении 12 лет, хотя официально существует с момента подписания трехстороннего договора между Физико-математической гимназией N30 Санкт-Петербурга, Северо-Западным Центром Новых Информационных Технологий и физическим факультетом СПбГУ в 1996 году [1]. Основной целью программы являлось организация непрерывного и сбалансированного обучения наиболее подготовленной и мотивированной в области точных наук молодежи фундаментальному курсу физики и современным компьютерным технологиям на различных образовательных уровнях: в старших классах школ и гимназий, в бакалавриате и магистратуре физического факультета СПбГУ. Параллельно с этим решалась задача разработки и апробации в реальном учебном процессе новых учебных методик и ресурсов, основанных на использовании дополнительных возможностей, предоставляемых компьютерами в образовании. На первом этапе образовательного эксперимента, начало которого совпало с первой волной распространения персональных компьютеров в России, главным образом решалась задача отбора оптимальных путей информатизации образования в области точных наук. Эксперимент задумывался как попытка привлечения молодежи к активному освоению современных компьютерных и информационных технологий не в традиционной в то время области освоения языков программирования, а в рамках изучения точных наук, наиболее широко и эффективно использующих эти технологии. В рамках экспериментальной программы учащимся одной из ведущих физико-математических школ города ФМГ N 30 была предоставлен широкий доступ к весьма совершенным для того времени персональным компьютерам Демонстрационного зала СЗЦНИТ, на базе которого были организованы факультативные занятия по обучению методикам создания информационно-обучающих ресурсов в области физики. Полученные школьниками результаты представлялись и обсуждались на ежегодных школьных конференциях по использованию компьютеров при обучении точным наукам. Одновременно с этим группа преподавателей физического факультета приступила к созданию серии электронных учебных пособий по физике, в основе концепции которых лежал тезис о необходимости обдуманного использования компьютеров в обучении лишь в тех случаях, когда это использование реально приносит новые по сравнению с традиционными методами возможности [2]. В рамках сформулированной концепции была начата разработка первого поколения ориентированных для работы в операционных системах DOS и WINDOWS электронных учебников по физике, основу которых составляли интерактивные компьютерные модели изучаемых явлений природы [3-7]. Одновременно с разработкой электронных учебных пособий осуществлялась их апробация в реальном учебном процессе и поиск вариантов оптимального использования информационных ресурсов на электронных носителях в обучении физике. На базе ФМГ N30 был создан специализированный класс, преподавание физики в котором осуществлялось участвующими в разработке электронных ресурсов преподавателями физического факультета СПбГУ и выпускниками физического факультета, работающими в качестве преподавателей гимназии. Уже первый опыт организации трехгодичного цикла обучения по экспериментальной программе (9-11 классы) дал весьма обнадеживающие результаты: среди 10 человек их 24 обучавшихся по экспериментальной программе оказалось дипломантами городских олимпиад по физике и математики, все выпускники указанного класса успешно поступили в высшие учебные заведения, причем более половины – на физический факультет СПбГУ. В рамках второго этапа экспериментальной образовательной программы внутри бакалавриата физического факультета по направлению «Физика» были сформированы две специализированные учебные группы «Физика и компьютер» и «Физика- мультимедиа – Интернет», основу которых составили выпускники первой (школьной) ступени программы. Полученная на первой ступени подготовка в области программирования и Интернет- технологий позволила учащимся специализированных групп первого курса активно включиться в работы по созданию электронных обучающих ресурсов. К этому времени фокус интересов разработчиков электронных обучающих ресурсов переключился на новые возможности работы в режиме удаленного доступа, предоставляемых сетевыми и мультимедийными технологиями [8]. В связи в перспективами использования в режиме удаленного доступа была существенно пересмотрена концепция электронного учебника по физике. В качестве базы для его развития было признано целесообразным использование стандарта HTML, а интерактивные моделирующие программы начали разрабатываться как Java-апплеты. Важной особенностью, отличающей их от теперь уже многочисленных аналогов, является исключительно высокий уровень интерактивности, позволяющий удаленному пользователю не только изменять количественные параметры моделируемой системы, но и определять ее качественный состав, по существу создавая свой собственный оригинальный компьютерный эксперимент. Важным дополнением к образовательным ресурсам явилось включение в сборник аудиотреков фрагментов реальных лекций, читаемых для школьников на физическом факультете и видеозаписей реальных экспериментов и явлений природы, трудно воспроизводимых в аудиторных условиях [9]. В рамках новой концепции была разработана серия электронных мультимедийных сборников «Физика: модель, эксперимент, реальность», каждый из которых был посвящен одному из относительно обособленных разделов современной физики [10-13]. Дальнейшие разработки новых сборников серии продолжаются по настоящее время. Перечисленные образовательные ресурсы нашли широкое применение для информационной поддержки преподавания физики как на уровне средней школы (преимущественно в классах с углубленным изучением физики и математики), так и на младших курсах высших учебных заведений физико-математического профиля и их подготовительных отделениях. Наглядность компьютерных моделей позволила их использовать при чтении курсов «Концепции современного естествознания» для студентов нефизических специальностей [14]. Активная работа участвующих в проекте преподавателей и учащихся послужила основой для успешной реализации целой серии новых проектов, выполняемых в рамках экспериментальной программы: «Создание информационно-обучающего сервера "Физика для школ через Интернет","Информационная поддержка традиций Санкт-Петербургской школы преподавания физики", "Создание мультимедиа сборника "Физика: модель, эксперимент, реальность", "Организация дистанционных курсов подготовки абитуриентов для элитарных ВУЗов физико-математического профиля Санкт-Петербурга", "Создание информационно-обучающего портала "Открытый физический факультет Санкт-Петербургского государственного университета". В настоящее время претерпевают определенные изменения установившиеся в конце 90-х годов отношения между организациями – участниками эксперимента. Сегодня, в результате успешного решения проблемы компьютеризации, практически отпала необходимость в предоставлении учащимся каких-либо дополнительных компьютерных ресурсов в рамк4ах Демонстрационного зала СЗЦНИТ. Вместе с тем приобрел актуальность вопрос организации удаленных и распределенных лекций по физике, проводимых с использованием телекоммуникационных технологий. Именно в направлении разработки путей эффективного решения этой задачи сотрудничество между участниками образовательного эксперимента кажется наиболее перспективным. В настоящее время подавляющее большинство приступивших в 95-х годах к обучению в рамках образовательного проекта успешно закончили физический факультет и продолжают работать в области использования компьютерных технологий в естествознании и промышленности. В последующие годы количество обучающихся в рамках программы «Физика и компьютер» непрерывно возрастало, что привело к возникновению определенных административных и сущностных проблем для физического факультета, существенная доля наиболее сильных студентов которого стала обучаться в пограничных с традиционными для преподавания физики областях. Определенные сложности начали возникать при формулировке тем бакалаврских и магистерских диссертационных работ, выборе кафедр, на которых эти работы могли выполняться и защищаться. В связи с перечисленными проблемами было признано целесообразным открытие на физическом факультете СПбГУ нового учебного направления «Прикладные математика и физика» [15]. При организации его бакалавриата был учтен многолетний положительных опыт функционирования специализированных учебных групп «Физика и компьютер» и «Физика – мультимедиа – Интернет». К особенностям обучения по новому направлению следует отнести обязательное использование компьютерного моделирования как при чтении лекционных курсов, так и при организации практических занятий; выполнение студентами большого числа курсовых проектов с обязательным использованием современных компьютерных и информационных технологий; создание современного лабораторного практикума с обязательным наличием элементов автоматизации эксперимента и компьютерной обработкой его результатов; строгий контроль знаний студентов, сочетающий как устные, так и письменные формы. Чтение общих курсов на направлении в обязательном порядке сопровождается подготовкой преподавателями учебных и методических пособий как в электронном виде, так и в традиционной печатной форме. Особое внимание при обучении уделяется обучению использованию профессиональных программ физического и инженерного моделирования, таких как Матлаб, Маткад, Ансис и другие. Обучение бакалавров на новом направлении курируется рядом отечественных и зарубежных фирм, заинтересованных в подготовке квалифицированных специалистов в области применения компьютерных технологий для решения прикладных задач. За четыре года существования бакалавриата по направлению «Прикладные математика и физика» количество принимаемых на госбюджетную форму обучения студентов возросло от 15 до 30 человек. Ежегодный конкурс на направление составляет от 6 до 10 человек на место. Несмотря на повышенную нагрузку (на направлении «Прикладные математика и физика» сохранен традиционный для физического факультета СПбГУ объем часов по физике и математике при существенном увеличении часов, отводимых на изучение информационных технологий) успеваемость на новом потоке не опускается ниже 95% при традиционного для факультета значении 65-75%. На направлении «Физика» сохранены в качестве сопровождающих группы («Физика и компьютер» и «Физика, мультимедиа, Интернет), формируемые из студентов, не прошедших по конкурсу на новое направление, и осваивающие дополнительные для традиционного учебного плана дисциплины на факультативной основе. Студенты сопровождающих групп могут участвовать в рейтинге потока с целью конкурсного замещения обучающихся на потоке студентов. Темы курсовых работ предлагаются на конкурсной основе не только преподавателями, обеспечивающими реализацию учебных курсов, но и представителями внешних по отношению к СПбГУ фирм и кампаний, заинтересованных в развитии нового направления. Лучшие курсовые работы студентов регулярно принимаются в виде докладов на научные конференции по электрофизике и компьютерному моделированию. Для обучающихся на новом направлении студентов организовано два мультимедийных дисплейных класса и две специализированные компьютеризированные лаборатории (по физике приема и обработки сигналов и высоковольтная лаборатория). Успешное функционирование нового направления, подразумевающего более интенсивную работу как студентов, так и преподавателей, невозможно без дополнительной финансовой и иной материальной поддержки. В настоящее время такая поддержка осуществляется компаниями, заинтересованными в развитии наукоемких исследований (Таврида-электрик, Софт-Джойс и др.). На их средства развивается инфраструктура нового направления, приобретается оборудование, оплачивается обучение студентов коммерческой формы, выплачиваются дополнительные стипендии. На производственной базе компаний и их филиалов, функционирующих в ФУНЦ, студенты проходят дополнительные практики и на бесплатной основе изучают дополнительные разделы курсов по Computer science. Дополнительная нагрузка интенсивно работающих преподавателей оплачивается из средств от коммерческого обучения студентов нового направления. Проблема привлечения новых хорошо подготовленных и способных учащихся на элитное направление решается в рамках экспериментальной образовательной программы «Физика и компьютер», реализуемой совместно коллективами преподавателей физического факультета и ведущих средних учебных заведений Санкт-Петербурга и Северо-Западного региона, специализирующихся в углубленном преподавании физики и математики. В рамках указанной программы организованы специализированные классы, в которых преподавание профилирующих дисциплин осуществляется в форме авторских курсов действующих преподавателей и выпускников физического факультета, широко используются оригинальные мультимедийные ресурсы, создаваемые на физическом факультете. В качестве новой формы апробируются чтение распределенных лекции, подразумевающих возможность пространственного разделения лекционной аудитории, аудиторий слушателей и кабинета для организации физических демонстраций. Развивается практика организации удаленных олимпиад для потенциальных абитуриентов из удаленных регионов. В 2005 году на физическом факультете открывается 5 новых магистерских программ по направлению «Прикладные математика и физика». Среди них предпочтение отдается тем научным и научно-практическим направлениям, на специалистов по которым в настоящее время имеется реальный платежеспособный спрос: «Электрофизика», «Гидромагнитодинамика», «Оптика атмосферы», «Квантовая радиофизика и томография», «Физика плазмы». К основным итогам десятилетней работы программы следует отнести [16]:Устойчивое желание 40-50% выпускников специализированного класса первой ступени экспериментальной учебной программы продолжать обучение на физическом факультете СПбГУ.Высокое качество подготовки выпускников первой ступени, позволяющее практически каждому поступить в выбранный им Вуз и успешно продолжить свое образование.Высокая популярность организуемых в рамках программы специализированных групп среди студентов физического факультета СПбГУ.Трудоустройство выпускников программы на хорошо оплачиваемую престижную работу по специальности и сохранение ими связи с Программой после ее окончания. К настоящему времени можно констатировать успешное завершениевторого этапа выполнения программы "Физика и компьютер", в результате которого в заявленных рамках налажен самовоспроизводящийся учебный и научный процесс, уже практически не требующий дополнительного внешнего регулирования и администрирования. Это делает оправданной постановку задачи о переходе к новому этапу программы (рабочее название "Физика сложных систем и Интернет") и постановки перед ней новых актуальных задач, обусловленных бурным развитием телекоммуникационных технологий, повышенным интересом к дистантному образованию и возрастающим спросом в прикладных областях на специалистов с фундаментальной подготовкой в физике, математике и информационных технологиях:Создание блока магистерских программ, обеспечивающего удовлетворение имеющегося весьма широкого спектра запросов студентов нового направления и их потенциальных работодателей. Создание сети удаленных очно-заочных групп учащихся первой ступени, ориентированной на подготовку к продолжению образования в очных формах бакалавриата и магистратуры.Создание на физическом факультете СПбГУ новых элитарных образовательных направлений: "Прикладные физика и математика", "Физика и менеджмент", "Физика и биология", «Физика наноструктур», ориентированных на широкое использование современных информационных технологий.Создание физико-математических школах Санкт-Петербурга сети специализированных классов, обеспечивающих в рамках договоров с СПбГУ обучение по авторским программам, предусматривающим широкое использование созданных Программой оригинальных электронных продуктов.Организация обзорных лекций, читаемых ведущими преподавателями физического факультета СПбГУ в режиме телеконференций с использованием мультимедиа технологий, для специализированных классов (на базе школ) и для широкой аудитории преподавателей и учащихся в режиме свободного посещения (на базе демонстрационного зала СЗЦНИТ).ЛИТЕРАТУРА:1. А.В.Бобович, В.М.Космачев, А.С.Чирцов. “Физика и компьютер” – трехуровневая программа сбалансированного обучения физике и современным компьютерным технологиям. // В сб. “Телематика-96” – Всероссийская научно - методическая конф. 13-17 мая 1996г., СПб, С. 150.2. А.С.Чирцов. Макет многоцелевого компьютерного учебника по физике: варианты программных оболочек и обучающий модуль по теме “Движения заряженных частиц в электромагнитных полях” // В сб. Тр. Всероссийской конф.. “Компьютерные технологии в высшем образовании”, СПб, 14-18 марта 1994, С. 35-36.3. Е.И.Бутиков. Физика колебаний. // сер. "Компьютерные модели в физике", СПб, из-во Ин-та Новых Технологий, 1993г., 115с.4. Е.И.Бутиков. Движение планет и спутников. Законы Кеплера. //сер. "Компьютерные модели в физике", СПб, из-во ЦПО "Информатизация образования", 1995, 60с.5. А.В.Бобович, В.М.Космачев, А.С.Чирцов. Программа "Компьютерный многофункциональный учебник по фундаментальному курсу физики" // Рег.номер ГосФАП 509900000596. А.С.Чирцов. Многоцелевой компьютерный учебник по фундаментальному курсу физики. Раздел: ”Движение частиц в однородных силовых полях” // Вестник С.Петербургского ун-та, сер. 4 (физ., хим.), вып.1 (N4), февр. 1997г., С. 103-106.7. К.П.Колинько, А.С.Чирцов. Многофункциональный компьютерный учебник по фундаментальному курсу физики. Разделы: “Движение частиц в силовых полях”, “Релятивистская динамика”, “Геометрическая оптика” // В сб. Тр.IV Межд. Конф. “Физика в системе современного образования”. Волгоград, 15-19 сент. 1997г.8. А.В.Бобович, В.М.Космачев, К.П.Колинько, А.С.Чирцов. Использование современных компьютерных технологий для информационной поддержки квалифицированного преподавания физики. // “Компьютерные учебные программы” N 3 (18), Москва, 1999, C. 8-16.9. A.Chirtsov. Computer support in professional education in physics: virtual physical laboratories and real experiments in multimedia. // В сб. “International Conference CoLoS’99: New ideas in computer based education.”Sept/ 16-18, St.Petersburg, Russia.10. М.В.Абутин, И.М.Григорьев, К.П.Колинько, Д.Ю.Никольский., А.С.Чирцов Физика: модель, эксперимент, реальность: в 8т. Т.1: Гравитация: развитие взглядов от И. Ньютона до А. Эйнштейна. // СПб.: Из-во С.-Петерб. Ун-та, 2001г. Ф50, ББК 22.3 721.6, ISBN 5-288-02895-8 (Т.1), ISBN 5-288-02896-6.11. М.В.Абутин, К.П.Колинько, Д.Ю.Никольский., А.С.Чирцов. Мультимедиа сборник "Физика: модель, эксперимент, реальность" том-2: "Электрические и магнитные поля: удобная модель или физическая реальность?" // В сб. "Физика в системе современного образования (ФССО-03)" -Тр. 7 межд.конф. 14-18окт.2003г., СПб, 2003, т.3, с218-219. , ISBN 5-8064-0714-4.12. М.В.Абутин, К.П.Колинько, Д.Ю.Никольский., А.С.Чирцов. Серия электронных сборников «Физика: модель, эксперимент, реальность». Старшеклассникам о гравитации. // Компьютерные инструменты в образовании. N6, нояб.-декабр., 2004г., СПб, С. 3-16.13. М.В.Абутин, К.П.Колинько, А.С.Чирцов. Мультимедиа сборник «Физика: модель, эксперимент, реальность» : т.3 «Развитие взглядов на природу света». // В сб. «Физика в системе современного образования» (ФССО-05)- матер. VIII межд.конф. 29 мая – 3 июня 2005. СПб // Изд. РГПУ им.Герцена, ISBN 5-93-682-220-0-6, с. 500-5001.14. А.С.Чирцов. Использование мультимедиа и сетевых технологий для информационной поддержки преподавания курса "Концепции современного естествознания" // В сб. "Физика в системе современного образования (ФССО-03)" -Тр. 7 межд.конф. 14-18 окт.2003г., СПб, 2003, т.3, с215-217. , ISBN 5-8064-0714-4.15. И.М.Григорьев, А.С.Чирцов. Бакалавриат «Прикладные математика и физика» - второй этап реализации экспериментальной образовательной программы «Физика и компьютер». // В сб. «Мат. X межд. Конф. «Современный технологии обучения (СТО-2004)» 21 апр. 2004г., СПб, 2004, Т.2, с. 85-86.16. А.В.Бобович, В.М.Космачев, А.С.Чирцов Интеграция информационных технологий в образование // Компьютрные учебные программы и инновации. N3, 2001, Москва, С.39-56