Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В КУРСЕ ФИЗИКИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ 11
1.1. Основные подходы к изучению физических полей, реализованные в школьных учебниках 11
1.2. Развитие методики формирования понятий гравитационного, электрического и магнитного полей в школьном курсе физики 18
1.3. Обобщение, систематизация,, учебные аналогии и преемственность в учебном процессе 24
1.4. Выводы .. 30
ГЛАВА 2. ЕДИНЫЙ ПОДХОД К ФОРМИРОВАНИЮ ПОНЯТИЙ ГРАВИТАЦИОННОГО, ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ПОЛЕЙ В КУРСЕ ФИЗИКИ СРЕДНЕЙ ШКОДЫ 33
2.1. Методическое обоснование исследования 33
2.2. Методика изучения гравитационного поля 37
2.3. Методика изучения электрического поля 42
2.4. Методика изучения магнитного поля 47
2.5. Выводы 54
ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
3.1. Проведение обобщающих занятий 59
3.2. Использование учебных аналогий при изучении основных электродинамических величин 69
3.3. Формирование понятия "физический смысл коэффициентов пропорциональности" в курсе физики средней школы 75
3.4. Выводы 85
ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА 89
4.1. Методика проведения педагогического эксперимента 89
4.2. Анализ и сравнение результатов педагогического эксперимента 95
4.3. Выводы 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115
БИБЛИОГРАФИЯ 119
- Основные подходы к изучению физических полей, реализованные в школьных учебниках
- Методическое обоснование исследования
- Проведение обобщающих занятий
Введение к работе
Изменения, происходящие как в обществе, так и в системе народного образования, приводят к появлению специализированных и частных школ, лицеев, гимназий и т.д. Различные учебные заведения имеют различные цели, поэтому их программы могут отличаться. В то же время должно выполняться условие целостности и достаточной информационной насыщенности этих программ. Однако выделение минимального по объему и в то же время достаточного по содержанию курса физики, который мог бы стать обязательным минимумом, остается актуальной проблемой.
Одним из шагов к созданию такого курса может служить систематизация и объединение при помощи применения единого подхода разделов, где изучаются сходные по характеру физические явления. Обобщения, сделанные на основе применения единого подхода, могут стать средством для упорядочения множества изученных учащимися формул, законов и понятий.
Необходимо отметить, что в ряду школьных предметов физика занимает особое место. Физика — одна из немногих школьных дисциплин, в которой есть возможность непосредственно наблюдать и многократно воспроизводить изучаемые явления. И если считать, что основной задачей школы является обучение учащихся самостоятельному мышлению, то роль физики в этом трудно переоценить. В этой связи тревожит кризисное положение, в котором оказалось обучение данному предмету в настоящее время. О кризисе говорит и анализ положения дел, проведенные автором исследования в школах, где вводится свободный выбор предметов: здесь физика оказывается на одном из последних мест. Успехи же преподавания физики в отдельных школах связаны в основном или с серьезным материальным обеспечением, позволяющим заинтересовывать детей циклами экспериментальных, прикладных работ, или титанической работой учителей-новаторов.
Одной из причин, затрудняющих успешное изучение физики, служит на наш взгляд, отсутствие единого подхода при введении сходных по физическому смыслу величин. Это приводит к разрыву логических связей между разделами, единственным способом изучения материала становится заучивание наизусть. Даже внутри одного и того же раздела, в действующих школьных учебниках, схожие величины вводят по-разному, лишая курс внутренней логики и преемственности. Также кажется неправомерным чрезмерное увлечение математикой. В большинстве случаев физическая величина определяется как "отношение" чего-то к чему-то. Но учащимся невозможно представить себе "отношение". Этот же подход, применяется и при составлении текстов задач. В основном для их решения необходимо найти корни линейного уравнения с одним неизвестным. В большинстве случаев, задачи по физике сведены к уровню алгебраических задач за курс 5-6 класса и единственная здесь проблема — нахождение нужной формулы. Как следствие возникают проблемы связанные с тем, что успешное изучение материала связывается только с тренировкой памяти. В то же время успешное изучение физики ставится в жесткую зависимость от математической подготовки учащихся, которая тоже оставляют желать много лучшего.
Такое положение вещей во многом определяется традиционным расположением материала, который разделен на группы, выделяемые в соответствии с формами движения материи: механика - молекулярная физика - электродинамика - квантовая механика. Материал группируется вокруг основных физических теорий - классическая механика, теория тяготения, молекулярно-кинетическая теория, теория Фарадея, и т.д. Параллельно рассматривается учение о строении материи. Как хронология, так и методология в изучении становления физических теорий и учения о строении материи различны. Это приводит к нарушению целостности и преемственности в изложении курса.
Если рассматривать основы формирования понятия поля в курсе физики средней школы, то эту тему разрабатывали многие авторы. В частности в работах В.Ф. Ефименко [51], СЕ. Каменецкого [79], В.В. Мултановского [ПО], В.Г. Разумовского [141] определены методологические основы и функции концепции физического поля. Анализ методологических и методических основ формирования понятия физического поля проводится в работах С.И.Иванова, А.В.Усовой и др. Фундаментальная идея материальности физического поля использовалась в работах, посвященных систематизации и обобщению изучаемого материала [В.К. Батурин, СЕ. Каменецкий, В.Ф. Ефименко, И.Г. Пустельник, В.Н.Мощанский и др.]. В ряде работ проводится сравнительный анализ характеристик гравитационного и электростатического или электрического и магнитного полей. Но единый подход в изучении гравитационного, электриче-ского и магнитного полей, изучаемых в курсе физики средней школы, до конца не разработан. Этим обуславливается актуальность темы исследования. Объединение материалов, посвященных изучению свойств гравитационного, электрического и магнитного полей, и законов, описывающих взаимодействия в рамках единого подхода может стать базой для генерализации всего курса.
Объект исследования: процесс формирования у учащихся средних школ понятия физического ПОЛЯ.
Предмет исследования: методика изучения гравитационного, электрического и магнитного полей в курсе физики средней школы.
В своем исследовании мы исходили из гипотезы, что процесс формирования понятий, характеризующих физические поля, будет проходить успешнее, если:
применить единый подход в изучении гравитационного, электрического и магнитного полей;
проводить в конце каждой темы обобщение с представлением основных положений всех изученных разделов на основе предложенного похода;
- применять модели и аналогии физических процессов и явлений.
Методологической основой исследования являются:
взаимосвязи вещества и физических полей, как двух основных видов материи, универсальность передачи' взаимодействий посредством поля (М. Фарадей, Д.Максвелл);.
системно-структурный подход в' обучении (В.Г. Афанасьев, Ф.Ф. Королев, В.А. Сластенин);
теория формирования обобщенных умений (А.В. Усова);
теория развивающего обучения (Л.С. Выготский, Л.В. Занков, В.В. Давыдов);
принцип.преемственности в раскрытии материальности и структурного многообразия физических полей (СЕ. Каменецкий В.В. Мултановский,);
Цель диссертационного исследования заключается в поиске и обосновании путей решения проблемы обобщения и систематизации в курсе физики , средней школы и их экспериментальногб подтверждения. В частности по формированию понятий характеризующих физические поля, по проведению обобщающих занятий по курсу механики и моделированию основных электродинамических процессов.
Исходя из вышесказанного, были поставлены следующие задачи:
проанализировать эффективность традиционной методики изучения гравитационного, электрического и магнитного полей;
выделить сходные по физическому смыслу величины из разделов механики, электричества и магнетизма в курсе школьной физики и сконструировать модель их изучения на основе принципа преемственности;
разработать единый подход к изучению гравитационного, электрического и магнитного полей в курсе физики средней школы;
экспериментально проверить эффективность разработанной методики формирования понятия "физическое поле" в курсе физики средней школы;
- разработать методические рекомендации по применению предлагаемой
методики в учебном процессе.
Для решения этих задач были использованы следующие методы исследования:
анализ методологической, и психолого-педагогической и методической литературы, диссертационных исследований по данной проблематике;
анализ действующих и пробных учебников по физике;
анализ опыта работы учителей-новаторов;
моделирование экспериментальной методики формирования понятия физического поля;
- педагогический эксперимент в различных его видах.
Исследования проводились в несколько этапов в период с 1983 по
1999гг.
На первом (1983-1985 гг.) этапе, во время работы в лаборатории методики преподавания физики и кафедры общей физики Дагестанского государственного университета, были обозначены основные цели и направления исследования.
На втором (1985-1989 гг.) этапе, за период работы учителем физики в средней школе К? 18 г. Махачкалы, были определены конкретные средства для решения поставленных задач, выработана методика проведения занятий, проведен пробный и обучающий педагогический эксперимент.
На третьем (1990-1993 гг.) этапе было проведено обобщение полученных результатов, которое нашло отражение в контрольном эксперименте, ряде публикаций, выступлений на конференциях и семинарах. Обучающий и контрольный дидактический эксперимент был проведен в школах и Хасавюртовского района и городов Хасавюрт и Махачкала.,
На четвертом (1993-1996 гг.) этапе было проведено внедрение предлагаемой методики, в ряде школ РД. В Дагестанском государственном педагоги-
9' ческом университете была принята программа курса общей физики для студен-тов географического и экологического факультетов, разработанная автором исследования. Там же были изданы и применялись в учебном процессе методическое пособие по применению предлагаемой автором методики, и курс лекций.
На пятом (1997-1999) этапе была завершена работа по составлению окончательного текста исследования.
После обобщения и анализа выполненных работ, были сформулированы выводы и результаты диссертационного исследования.
Теоретическую основу исследования составляет разработанная модель единого подхода в процессе изучения гравитационного, электрического и маг-нитного полей.
Научная новизна исследования заключается в:
разработке модели единого подхода в процессе изучения физических полей в курсе физики средней школы;
разработке методики проведения обобщающих занятий, посвященных изучению основных величин, характеризующих гравитационное, электрическое и магнитное поля;
разработке методики использования учебных аналогий в процессе изучения физических полей в курсе физики средней школы.
Практическая значимость исследования состоит в следующем:
подготовлены методические рекомендаций для учителей школ и преподавателей педагогических вузов по применению предлагаемой методики;
подготовлены методические рекомендации по проведению обобщающих занятий по курсу физики средней школы.
На защиту выносятся:
- модель единого подхода по формированию понятий: "гравитационное
поле", "электрическое поле" и "магнитное поле";
методика проведения обобщающих занятий по систематизации знаний учащихся о физических полях (гравитационном, электрическом и магнитном);
методика конструирования учебных аналогий при изучении основных электродинамических величин в курсе физики средней школы.
Апробация результатов исследования осуществлялась на Всероссийской научно-практической конференции «Вопросы методологии и методики формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов» (г. Челябинск, 1990 г.); республиканской научно-практической конференции «Активизация познавательной деятельности студентов в процессе обучения и воспитания» (г.Махачкала, 1991, 1994 гг.); региональной научно-практической конференции по проблемному* обучению (г. Донецк, 1991 г); выступлениях на научно-методических семинарах и совещаниях; по теме исследования опубликовано 12 работ.
Основные подходы к изучению физических полей, реализованные в школьных учебниках
Прежде всего, рассмотрим принцип изложения материала по данной проблеме в действующих школьных учебниках [15, 76, 83, 84,114,119,128,149, 188,189], что даст возможность познакомиться с устоявшимся положением дел.
В учебнике Физика-9 о гравитационном поле говорится только о том, что оно зависит от массы создавшего его тела. Добавляется также, что электрическое поле существует только вокруг наэлектризованных тел, магнитное — только вокруг проводников с током или магнитов, а гравитационное поле существует вокруг всех тел и оно проникает через все материалы [15]. На этом упоминание о гравитационном поле исчерпывается.
В учебнике "Физика-9" [84] понятие "гравитационное поле" не рассмат-ривается. Утверждается только, что тела притягиваются друг к другу согласно закону Всемирного тяготения. При этом механизм взаимодействия не рассматривается. Термин "гравитационный" применяется лишь в связи с гравитационной постоянной. Сила тяжести определяется по второму закону Ньютона, ограничивая понятие напряженности поля, понятием ускорения свободного падения, величиной, которая постоянна для всех тел. Причем утверждается, что причиной постоянства ускорения свободного падения является удивительное свойство силы тяжести и вообще силы всемирного тяготения. Это свойство заключается в том, что сама она (сила всемирного тяготения) пропорциональна массе того тела, на которое действует [84]. Это объяснение считается достаточным.
В учебнике Саенко П.К. добавляется термин "гравитационные силы". Ими здесь называются силы, с которыми любые два тела притягиваются друг к другу [149].
Таким образом, понятие "гравитационное поле" в действующих школьных учебниках практически не рассматривается. Соответственно не вводятся и величины, характеризующие свойства поля.
Описание электрического поля в курсе физики 10 класса выполнено достаточно подробно. Рассмотрим основной учебник "Физика-10" [114]. Здесь, в частности, в определении нового раздела курса физики, электродинамики, говорится: "Электродинамика — это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи — электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами" [114, с.89] . Правда, здесь идет речь об электромагнитном доле и поэтому нужно было бы говорить о движущихся заряженных частицах, но слово поле произнесено. Итак, учащиеся сталкиваются с определением электромагнитного поля и дальше речь будет идти именно о нем вплоть до параграфа об электрическом поле. Здесь перечисляются свойства этого поля, хотя подраздел параграфа озаглавлен вопросом: "Что такое электрическое поле?". Раз уж поставлен вопрос, надо бы дать ответ. Тем более что ученики ждут от учебника конкретного ответа на поставленный вопрос.
Далее речь идет о напряженности поля (39). После сообщения о том, что поле действует на заряженные частицы с какой-то силой, говорится о необходимости ввода ее характеристики, которая бы позволила определить эту силу. В итоге получаем определение напряженности электрического поля: "Напряженность электрического поля равна отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд, к этому заряду" [114, с. 105]. Нетрудно видеть, что это определение есть ни что иное, как прочитанная математическая формула (E=F/q), и ответа на вопрос, что такое напряженность электрического поля, не дает. Более того, у учеников может сложиться неверное представление, что напряженность поля заряда каким-то образом связана с величиной "точечного заряда", т.к. последняя включена в определение.
Здесь же рассматриваются силовые линии поля. Ко всему прочему, о чем говорится в этом параграфе, было бы желательно добавить следующее соображение. Силовые линии потому и называются силовыми, что позволяют определить направление действия силы на заряженное тело, помещенное в данную точку.
Там же, в 45, находим, что определение потенциала дается аналогично определению напряженности. После сообщения о том, что потенциал поля не зависит от заряда тела, помещаемого в это поле, тем не менее, определение дается именно с помощью этого заряда: "Потенциалом электростатического поля называют отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду" [114, с. 118]. Хотелось заметить, что здесь больше математики, чем физики и у учащихся может сложиться впечатление, что потенциал поля все-таки зависит от помещаемого в это поле заряда.
Понятием разность потенциалов часто оперируют на практике. Тем не менее, это понятие оказывается наиболее не понимаемым учениками. Причиной того может быть математизированное определение этой величины, приводимое в учебнике. В самом деле, процитируем это определение: "Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками равна отношению работы поля при перемещении заряда из начальной точки в конечную к этому заряду" [114, с. 118]. Здесь опять ответ на вопрос "Что такое?" подменяется ответом на вопрос "Чему равно?". Это приводит к тому, что физический смысл напряжения так и остается нераскрытым, хотя подробно говорится о том, как рассчитать его величину.
Методическое обоснование исследования
Общепризнанной основой для реализации обобщенного подхода к изучению системы знаний является теория поэтапного формирования умственных действий, разработанная П.Я.Гальпериным [25]. Усвоение системы знаний, по этой теории, происходит при выполнении определенных умственных действий, которые делятся На три этапа:
- ориентировочный — комплекс условий, на который реально опирается человек при выполнении действий;
- исполнительный — рабочая часть, которая определяет изменения в объекте действия;
- контрольный — отвечающая за сопоставление полученных результатов и заданных образцов.
Среди приемов учебной деятельности выделяются различные виды и категории. Приведем известную классификацию Ю.К. Бабанского [3] основных общеучебных умений и навыков, соответствующих структуре учебной деятельности и процессу усвоения знаний:
- учебно-организационные (определение задач, рациональное планирование, создание благоприятных условий деятельности);
- учебно-информационные (работа с книгой и другими источниками информации, библиографический поиск, наблюдение);
- учебно-интеллектуальные (мотивация деятельности, восприятие, осмысление, запоминание информации, решение проблемных задач, самоконтроль учебно-познавательной деятельности).
Приемы деятельности могут быть разной степени сложности и обобщенности. Более сложный прием состоит из большего числа действий, включает в себя в качестве составляющих действий другие приемы, он необходим для решения более сложных задач. Прием деятельности называется обобщенным, если он получен на основе анализа менее Общих (частных) приемов путем выделения общего (инвариантного) содержания деятельности по решению конкретных (частных) учебных задач. После обобщения частный прием выступает как вариант общего, частные приемы определенной группы могут быть получены из общего путем варьирования его составляющих. Один обобщенный прием заменяет несколько частных, создает ориентировочную основу деятельности для решения целого класса учебных задач, служит основой переноса на другие задачи.
В состав приема может входить не только определенная система действий, но и словесно сформулированное суждение о том, какие действия и как варьируются в зависимости от условия и требования задачи. Как уже отмечалось, этим определяется выбор операций (способов выполнения действий); приемы деятельности допускают самостоятельный выбор конкретных действий по решению учебных задач, и это отличает их от алгоритмов. Под алгоритмом понимается общепонятное и однозначное предписание, определяющее процесс последовательного преобразования исходных данных в искомый результат. Алгоритм, таким образом, предполагает жесткое выполнение шагов, а прием дает общее направление деятельности по решению задач, не регламентируя каждый ее шаг.
На основе вышеизложенного, мы сформулировали следующие требования к построению единого подхода к изучению понятий о физическом поле:
- первое знакомство с понятием поля должно опираться на реальный повседневный опыт учащихся;
- наблюдения должны привести к констатации факта существования различных видов полей;
- изучение свойств одного вида поля и законов взаимодействия, осуществляемого с его помощью, должно привести к созданию стройной логической последовательности рассуждений, где каждый последующий элемент выводится из предыдущего. На этой базе строится алгоритм изучения всей темы;
- полученный алгоритм должен быть применим к изучению следующего вида поля;
- результаты, полученные при изучении гравитационного поля, сравниваются с аналогичными результатами изучения электрического поля и делается итоговое заключение по обеим темам;
- этот цикл может быть повторен для изучения магнитного поля.
Согласно приведенному плану на первом месте должно стоять введение понятия поля. Повседневный опыт дает много примеров взаимодействий, на основе которых можно ввести это понятие. Притяжение тел к Земле, взаимодействие магнитив и наэлектризованных тел позволяет говорить о существовании чего-то, с помощью чего осуществляется взаимодействие. Это "что-то", не-регистрируемое нашими органами чувств, но, тем не менее, реально существующее, получило название особой формы материи. Итак, поле — это особый вид материи, с помощью которого осуществляется взаимодействие тел на расстоянии.
Применение единого подхода в изучении различных видов полей будет способствовать лучшему усвоению и запоминанию материала. Здесь необходимо подробнее остановиться на предлагаемом варианте построения связей между разделами и организации логически выверенного перехода от одного раздела к другому.
Проведение обобщающих занятий
В качестве примера проведения обобщающего занятия предлагается краткая лекция по разделу механики. Подобная лекция-обобщение позволяет окинуть взглядом весь пройденный материал, увидеть его целиком. Причем, чтобы уложиться, в один час, необходимо предельно сжать материал, убрать все лишнее, выделить и акцентировать главное и показать его, как единую, целостную структуру. Поэтому сам процесс подготовки лекции заставляет решать проблему связанную, с обобщением и систематизацией материала раздела. Подобный подход позволяет восстановить преемственность в изучении основных явлений и процессов в разделе механики.
Мы закончили изучение основ механики. Теперь самое время сделать некоторые выводы. В первую очередь речь пойдет о том, какое место занимает механика в громадном здании физики и как определить ее границы.
Еще на первых занятиях говорилось об основной задаче механики. А существует ли основная задача физики и какова роль механики в ее решении? Начнем разговор с ответа на этот вопрос. Будем пока считать, что основной задачей физики является изучение строения материи и взаимодействия ее видов. Вопрос о строении вещества в механике считается решенным: все тела состоят из мельчайших, механически неделимых; частиц. Это границы механики. Внутри этих границ изучается взаимодействие тел. Основная задача механики была нами сформулирована еще на первых уроках, как определение положения тела в пространстве в любой момент времени. Исходя из этого, мы начали изучение законов движения. А изменение состояния движения всегда является следствием взаимодействия тел. Круг замкнулся: опять "строение" и "взаимодействие"!
Итак, взаимодействие тел осуществляется с помощью гравитационного поля. Любое взаимодействие приводит к изменению состояния движения тел. Изучение законов движения и взаимодействия тел является основной задачей механики.
Решать основную задачу механики мы начали с самых простейших типов движения, переходя постепенно к более сложным. Восстановим ряд формул, который позволяет это сделать. Но прежде вспомним, что для определения положения тела нужно знать относительно чего, что, в каком направлении и когда считать. Все эти вопросы позволяет разрешить система отсчета.
Сравнивая эту формулу со вторым законом Ньютона приходим к выводу, что напряженность гравитационного поля может быть так же определена и как ускорение (свободного падения) в данной точке.
Глубже понять физический смысл напряженности гравитационного поля поможет следующее сравнение. Если на ладонь вытянутой руки положить тело массой 1 кг, то рука будет находиться в напряженном состоянии и "напряженность" ее направлена вверх. Это говорит о том, что существует еще что-то, что тоже находится в напряженном состоянии, только его напряженность направлена вниз. Это гравитационное поле и речь идет о его напряженности. Таким образом, зная напряженность поля в какой-либо точке пространства, можно определить силу, с которой оно будет действовать на тело любой массы. Мы уже сказали, что напряженность зависит только от массы тела, чье поле рассматривается, и от расстояния до него. Поверхность земного шара равноудалена от его центра и масса Земли — величина постоянная, следовательно, у поверхности Земли, где мы все обитаем, напряженность гравитационного поля есть величина постоянная. Она равна 9,8 Н/кг, т.е. на каждый килограмм массы действует сила в 9,8 Я. И во сколько раз изменится масса тела, во столько раз должна изменяться сила, действующая на негр. А отношение величины силы к массе тела остается постоянным. Таким образом, ускорение свободно падающего тела тоже должно быть величиной постоянной„.и ее значение численно равняется напряженности гравитационного по
Похожие диссертации на Единый подход к формированию понятий гравитационного, электрического и магнитного полей в школьном курсе физики
