Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Теоретико-методологические основы формирования исследовательской компетентности учащихся средней школы при обучении физике на основе видеокомпьютерного эксперимента 15
1.1. Сущность, содержание и уровни сформированности исследовательской компетентности учащихся 1 5
1.2. Видеокомпьютерный эксперимент в моделировании физических процессов 45
Выводы по главе 1 70
Глава 2. Опытно-экспериментальная работа по формированию исследовательской компетентности учащихся при обучении физике на основе видеокомпьютерного эксперимента 74
2.1. Методическая система формирования исследовательской компетентности учащихся при обучении физике посредством видеокомпьютерного эксперимента 74
2.2. Педагогический эксперимент формирования исследовательской компетентности учащихся при выполнении видеокомпьютерного эксперимента по физике 107
Выводы по главе 2 128
Заключение 132
Библиографический список !39
- Сущность, содержание и уровни сформированности исследовательской компетентности учащихся
- Видеокомпьютерный эксперимент в моделировании физических процессов
- Методическая система формирования исследовательской компетентности учащихся при обучении физике посредством видеокомпьютерного эксперимента
- Педагогический эксперимент формирования исследовательской компетентности учащихся при выполнении видеокомпьютерного эксперимента по физике
Введение к работе
Актуальность исследования. Современному обществу необходимы выпускники школ, которые наряду с предметными знаниями и умениями владеют опытом их применения в социокультурной среде, т.е. компетенциями. Именно компетентностный уровень сформированности исследовательских качеств свидетельствует о прочном усвоении материала, готовности и способности использовать его для решения профессиональных и бытовых задач.
Обучение физике предоставляет широкие возможности для построения учебно-воспитательного процесса на базе компетентностного подхода. Учебный предмет «Физика» традиционно включает в себя опыт применения исследовательских методов, в первую очередь эксперимента для познания объектов и явлений окружающего мира, и направлен на формирование у учащихся представлений о методологических основах познания с помощью учебного физического эксперимента.
Физический эксперимент в обучении рассматривается с нескольких позиций: как основой метод изучения явлений окружающего мира, как способ связи теории с практикой, как необходимый элемент содержания физического образования, как методическое средство, обеспечивающее наглядность обучения, развивающее интерес к физике, а также как способ организации самостоятельной, творческой, исследовательской деятельности учащихся. Одной из важных задач, стоящих перед физическим экспериментом в школе, является наглядная демонстрация изучаемых физических процессов и явлений, в том числе и таких, непосредственное восприятие которых затруднено, например, протекающих с большой скоростью или совершающихся на молекулярном и атомарном уровнях. По понятным причинам в системе натурного эксперимента невозможно детально проследить и описать их динамику. В связи с этим возникает необходимость фиксации эксперимента в аналоговом или цифровом виде, поскольку работа с видеозаписью эксперимента позволяет сжать или расширить его временные рамки, а также воспроизвести интересующую исследователя часть. Видеокомпьютерное сопровождение реального физического эксперимента — одно из проявлений метода моделирования, суть которого в том, что на основе содержательного анализа какого-либо физического объекта и экспериментально установленных свойств создается идеальная модель, служащая для учащихся предметом рассмотрения и приводящая к появлению нового теоретического знания.
Обращение в данной работе к видеокомпьютерному эксперименту обосновано тем, что видеокомпьютерная модель, создаваемая в ходе такого эксперимента, — это не видеоролик, который учитель приносит на урок. Она создается на основе натурного эксперимента и позволяет об-
ратить внимание учащихся на наиболее существенные стороны протекающего физического явления или процесса, изменяя условия его течения, что не всегда возможно в реальном эксперименте. Физическое оборудование, поставляемое в школы, не позволяет реализовать такой эксперимент, хотя эта проблема легко решается при помощи простых и доступных технологий. Тем не менее возможности и особенности видеокомпьютерного эксперимента как формы школьного физического эксперимента и средства формирования исследовательских компетенций учащихся в теоретических и практических исследованиях не описаны. Кроме того, сам подход к преподаванию физики в школе не позволяет реализовать весь исследовательский потенциал школьного курса физики: с одной стороны, учащиеся регулярно проводят физические эксперименты, с другой стороны, как отмечают эксперты, выпускники школ не в полной мере владеют методами научного познания, они не подготовлены к организации самостоятельной исследовательской работы, не способны осуществить ее на высоком качественном уровне.
Теоретическими предпосылками исследования послужили работы, посвященные организации натурного физического эксперимента (А.И. Анциферов, В.А. Буров, В.В. Майер, А.А. Покровский, Н.И. Павлов, Н.М. Шахмаев, В.Ф. Шилов и др.) и виртуального физического эксперимента (Л.Я. Боревский, Е.И. Бутиков, Л.В. Пигалицын и др.); формированию исследовательских умений учащихся при обучении физике (И.А. Игошев, СТ. Мустафаев и др.) и исследовательской компетентности (Е.А. Румбешта, В.А. Степанов, А.А. Ушаков и др.).
Наряду с теоретическими сложились и практические предпосылки: введение и реализация Федерального государственного образовательного стандарта общего среднего образования, направленного на формирование у учащихся универсальных учебных действий как основы компетентности; накопленный в практике физического образования методический опыт формирования исследовательских умений посредством реализации эксперимента; доступность видеотехники, позволяющей сделать более наглядным традиционный физический эксперимент и расширить его исследовательские возможности.
В практике физического образования учебно-исследовательская деятельность направлена лишь на формирование исследовательских умений и навыков учащихся, при этом недостаточно учитываются личностно-смысловые аспекты рассматриваемой деятельности. Анализ существующих педагогических исследований по данной проблематике показывает, что специальные исследования, посвященные формированию исследовательской компетентности учащихся при проведении видеокомпьютерного физического эксперимента, отсутствуют.
Таким образом, в теории и практике среднего общего образования по физике сегодня обострились противоречия между:
востребованностью исследовательского подхода в обучении как ведущего требования современного стандарта общего среднего образования и недостаточным использованием современных, в том числе информационных, ресурсов для формирования исследовательской компетентности учащихся при изучении школьного курса физики;
возможностями применения информационных технологий для обеспечения визуализации и измеримости физических процессов и неразработанностью методики школьного физического эксперимента в соответствии с новыми возможностями его проведения, предоставляемыми современными цифровыми и видеотехнологиями;
возможностями видеокомпьютерного физического эксперимента для развития исследовательской компетентности учащихся и неразработанностью методической системы ее формирования.
Проблема исследования, таким образом, связана с недостаточной изученностью методических средств, обеспечивающих формирование исследовательских компетенций учащихся, способности осваивать методы научного познания и овладевать опытом их применения в социокультурной среде. Соответственно, нуждаются в рассмотрении содержание и уровни сформированности исследовательской компетентности, возможности физического видеокомпьютерного эксперимента в ее формировании, методические требования к отбору содержания материала при проведении такого эксперимента, условия обеспечения его современного технического уровня.
С учетом вышеизложенного была определена тема исследования: «Формирование исследовательской компетентности учащихся средней школы при обучении физике на основе видеокомпьютерного эксперимента».
Объект исследования — процесс обучения физике учащихся средней школы.
Предмет исследования — методическая система формирования исследовательской компетентности учащихся на основе видеокомпьютерного физического эксперимента.
Цель исследования — разработать и научно обосновать методическую систему формирования исследовательских компетенций учащихся посредством применения в учебном процессе технологии видеокомпьютерного эксперимента.
Гипотеза исследования состоит в том, что формирование исследовательской компетентности учащихся при изучении физики будет осуществляться эффективно, если:
— исследовательская компетентность учащихся будет рассматривать
ся как единство понимания ими методологии физического исследования,
владения ориентировочной основой и опытом применения методов физического исследования в различных ситуациях;
проектирование и проведение видеокомпьютерного эксперимента будет выступать процессуальной основой формирования исследовательской компетентности у учащихся;
в основу методической системы формирования исследовательской компетентности будет положена последовательность ситуаций исследовательской деятельности с применением видеокомпьютерного эксперимента.
В соответствии с целью и гипотезой были поставлены следующие задачи исследования:
-
Уточнить и конкретизировать понятие исследовательской компетентности, формируемой при проведении видеокомпьютерного эксперимента, определить содержание и уровни ее сформированности.
-
Разработать и обосновать технологию организации видеокомпьютерного эксперимента в процессе изучения учащимися физики как средства формирования исследовательской компетентности.
-
Обосновать методику формирования исследовательской компетентности учащихся в процессе проведения видеокомпьютерного физического эксперимента и апробировать ее.
Теоретико-методологические основы исследования: общедидактическая теория, раскрывающая взаимосвязь содержательного и процессуального аспектов обучения (В.В. Краевский, И.Я. Лернер, В.М. Полонский, М.И. Скаткин); идеи построения обучения как процесса овладения учащимися деятельностью (П.Я. Гальперин, И.Я. Лернер, М.Н. Скаткин, Н.Ф. Талызина, Т.П. Щедровицкий); концептуальные идеи целостного педагогического процесса (B.C. Ильин, A.M. Саранов, Н.К. Сергеев); теория компетентностного подхода в системе общего образования (В.А. Болотов, О.Е. Лебедев, А.А. Пинский, В.В. Сериков, А.В. Хуторской, Б. Д. Эльконин); концепция гуманитаризации естественнонаучного образования (А.Т Глазунов, В.И. Данильчук, В.М. Симонов, Е.Н. Шиянов); теоретические основы физического образования (ГА. Бордовский, Ю.А. Гороховатский, В.А. Извозчиков, А.С. Кондратьев, И.Я. Ланина, В.В. Лаптев, В.В. Мул-тановский, А.А. Пинский, А.Д. Суханов, В.А. Фабрикант, Н.В. Шаронова, Б.М. Яворский); концепция формирования исследовательских умений учащихся при обучении физике (СВ. Анофрикова, И.А. Игошев, СТ. Му-стафаев, А.И. Подольский, Л. Д. Шабашов); концепция формирования экспериментальных умений у учащихся при обучении физике (А.А. Бобров, Л.А. Бордонская, Л.В. Гурьева, ЕЛ. Долганова, В.В. Завьялов, П.А. Знаменский, П.В. Зуев, Н.А. Константинов, Н.В. Кочергина, А.А. Кузнецов, А.П. Лешуков, А.В. Перышкин, НС Пурышева, ВТ. Разумовский, Г.П Сте-фанова, Т.Н. Шамало, А.В. Усова и др.).
Для достижения цели, решения поставленных задач и проверки гипотезы были использованы следующие методы исследования:
теоретические (анализ психолого-педагогической, методической, естественнонаучной литературы по данной проблеме, их систематизация на основе разнообразных подходов к содержательным и процессуальным аспектам обучения физике в средней школе; изучение нормативных документов, определяющих содержание подготовки учащихся по физике в средней школе);
эмпирические (анкетирование, тестирование, беседы, наблюдения, опытно-экспериментальная работа);
статистические (статистическая и математическая обработка результатов опытно-экспериментальной работы, их интерпретация).
Экспериментальной базой исследования послужили ГКОУ «Волгоградский лицей (областная экспериментальная мужская средняя школа-интернат педагогического профиля)», в котором диссертант работает учителем и заместителем директора по учебно-методической работе и информационным технологиям, НОУ СО «Частная интегрированная школа» г. Волгограда.
Исследование проводилось в 2001—2013 гг. и включало в себя три этапа:
первый этап (2001—2006 гг.) — проведен теоретический анализ проблемы, изучен и обобщен педагогический опыт по обозначенной выше проблеме, сформулированы цель и задачи исследования, обоснована гипотеза; проведен констатирующий эксперимент;
второй этап (2007—2010 гг.) — разработана методическая система формирования исследовательской компетентности учащихся; обоснована технология проведения видеокомпьютерного эксперимента; проведен поисковый эксперимент;
третий этап (2011—2013 гг.) — в ходе формирующего эксперимента проводилось апробирование системы видеокомпьютерного эксперимента как средства формирования исследовательской компетентности; проведен контрольный эксперимент; структурированы, обобщены и оформлены материалы исследования.
Положения, выносимые на защиту:
1. Исследовательская компетентность учащихся является результатом освоения опыта исследовательской деятельности и включает систему методологических знаний, исследовательских умений, опыт постановки и решения исследовательских задач с различными условиями. При включении учащихся в проведение видеокомпьютерного эксперимента актуализируются следующие аспекты данной компетентности: понимание технической и социальной значимости применения современных технологий для исследования физических процессов; способность выявлять проблемы, определять
цели и задачи их решения посредством видеокомпьютерного эксперимента; умение проектировать теоретическую модель проведения эксперимента; готовность реализовьшать видеокомпьютерный физический эксперимент и интерпретировать его данные. Процесс формирования исследовательской компетентности учащихся посредством видеокомпьютерного эксперимента состоит из 4 этапов: мотивационный — формирование готовности учащихся к осуществлению исследовательской деятельности на основе видеокомпьютерного эксперимента; рефлексивно-оценочный — развитие рефлексивных функций учащихся, направленных на оценку значимости изучаемого физического процесса для социокультурной практики и собственной готовности к исследованию; содержательно-операционный — формирование способности создавать теоретическую модель видеокомпьютерного эксперимента; деятельностный — формирование умения учащихся реализовывать видеокомпьютерный эксперимент и научно интерпретировать его результаты.
-
Видеокомпьютерный эксперимент представляет собой способ организации школьного физического эксперимента, в ходе которого осуществляются реальный (натурный) эксперимент и видеосъемка процесса с последующим созданием компьютерной модели для изучения быстротекущих физических явлений стробоскопическим методом, и служит дидактическим средством формирования у учащихся исследовательской компетентности. Технология организации видеокомпьютерного эксперимента включает техническое описание экспериментальной установки и алгоритм его проведения. Технически экспериментальная установка для проведения видеокомпьютерного эксперимента состоит из неизменной для любого эксперимента части (а именно: видеокамеры, закрепленной на фотоштативе; компьютера или ноутбука; соединительных кабелей или картри-дера) и изменяемой части, представляющей собой установки для проведения реального эксперимента, а также средств, обеспечивающих его наглядность и количественную обработку результатов. Алгоритм проведения видеокомпьютерного эксперимента представляет следующую последовательность действий: 1) сборка установки для проведения натурного эксперимента; 2) сборка установки для проведения видеокомпьютерного эксперимента; 3) проведение натурного эксперимента с одновременной видеозаписью; 4) получение стробоскопической картинки; 5) проведение измерений и расчетов по полученной стробоскопической картинке.
-
Методическая система формирования исследовательской компетентности посредством проведения видеокомпьютерного эксперимента включает в себя следующее:
целевой компонент, ориентирующий учителя на формирование у учащихся знаний об эмпирических основах исследования природных яв-
лений, объясняющих их фундаментальных теориях, методологических умений и опыта исследовательской деятельности с использованием современных технологий на примере выполнения видеокомпьютерного эксперимента;
критерии готовности учащихся к исследовательской деятельности, организованной посредством видеокомпьютерного эксперимента (наличие мотивации исследовательской деятельности, а также владение теоретическими основами физических явлений и процессов, изучаемых посредством видеокомпьютерного эксперимента; алгоритмом исследовательской деятельности; компьютерными и мультимедийными технологиями в объеме, необходимом для описания и обработки результатов эксперимента в аналитической, модельной и графической формах);
критерии отбора содержания физического образования, востребую-щего использование видеокомпьютерного эксперимента (наличие динамически протекающих физических процессов и явлений, реализуемых посредством реального эксперимента; направленность на овладение экспериментальными методами научного исследования в ходе видеокомпьютерного эксперимента; контекстный характер содержания учебного материала, позволяющий оценивать социальную значимость исследуемого физического процесса);
процессуальный компонент, включающий постановку проблемы в форме контекстной задачи, на основе которой организуется эвристическая беседа, направленная на обсуждение проблемы, объекта, гипотезы и плана исследования; проведение натурного эксперимента с видеосъемкой и создание видеокомпьютерной модели; проведение экспериментального исследования видеокомпьютерной модели; обсуждение результатов эксперимента, границ их применимости и соотнесение результатов с гипотезой исследования;
диагностические средства, позволяющие определить уровни сформированное исследовательской компетентности учащихся, включают в себя творческие задания, методики самооценки, проектирование видеокомпьютерного эксперимента при решении физических задач.
Научная новизна результатов исследования состоит в том, что дополнены характеристики исследовательской компетентности, значимые для освоения курса физики на уровне требований современного образовательного стандарта, впервые обоснована возможность ее формирования средствами видеокомпьютерного эксперимента. Введено понятие «видеокомпьютерный эксперимент» и обоснована технология его подготовки и проведения. Разработана методическая система формирования исследовательской компетентности при проведении видеокомпьютерного эксперимента, включающая последовательность целей, содержания и приемов соз-
дания учебных ситуаций, обеспечивающих овладение исследовательскими навыками. Определен набор методик диагностирования уровня сфор-мированности исследовательской компетентности (анкеты, экспериментальные задания, творческие задания, контекстные задачи).
Теоретическая значимость результатов исследования обусловлена тем, что представленные методические основы формирования исследовательской компетентности учащихся при проведении видеокомпьютерного эксперимента являются вкладом в дальнейшую разработку компетентно ст-ного подхода в процессе преподавания физики в средней школе. Теория и методика обучения физике обогащены представленным опытом разработки содержания исследовательской компетентности и обоснованием нового средства ее формирования — видеокомпьютерного эксперимента. Полученные результаты могут быть использованы в исследованиях по проблемам компетентностного подхода и организации исследовательской деятельности учащихся в обучении предметам естественнонаучного цикла.
Практическая ценность результатов исследования заключается в возможности использования разработанного учебно-методического обеспечения по организации и проведению видеокомпьютерного эксперимента, методик изучения исследовательских компетенций учащихся, методических указаний и рекомендаций по реализации методической системы формирования исследовательской компетентности в ходе видеокомпьютерного эксперимента в профессиональной деятельности учителями физики, преподавателями педагогических вузов по дисциплине «Теория и методика обучения физике» и методистами.
Достоверность результатов исследования обусловлена методологической обоснованностью исходных теоретических положений и логикой исследования, обеспечена органическим соединением комплекса методов исследования, адекватных целям, задачам и организации опытно-экспериментальной работы, характеризующейся устойчивой повторяемостью и статистической значимостью полученных результатов. Истинность теоретических посылок и выводов проверялась на основе развертывания процесса от теоретического моделирования до внедрения в практику преподавания.
Апробация результатов исследования. Материалы исследования обсуждались на ежегодных научных конференциях и методологических семинарах в ВГСПУ, в методических объединениях учителей физики в ходе
-
Международной научно-методической конференции «Новые технологии в преподавании физики: школа и вуз» (Москва, 2002 г.), в ходе работы VIII Международной конференции «Физика в системе современного образования» (Санкт-Петербург, 2005 г.), Международной научно-практической конференции «Информатизация образования — 2007» (Калуга, 2007 г.),
-
Международной научно-практической конференции «Актуальные на-
правления развития современной физики и методики ее преподавания в вузе и школе» (Борисоглебск, 2009 г.), XI Международной конференции «Физика в системе современного образования» (Санкт-Петербург, 2011 г.), XI Международной научно-методической конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» (Москва, 2012 г.), XII Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум» (Москва, 2012 г.), зональной научно-практической конференции «Формирование учебных умений в процессе реализации стандартов образования» (Ульяновск, 2001 г.), научно-практической конференции «Теория и практика построения современных образовательных технологий» (Волгоград, 2002 г.), а также на IX годичном собрании Южного отделения РАО и XXI региональных психолого-педагогических чтениях Юга России «Развитие личности в образовательных системах региона» (Ростов-на-Дону, 2002 г.), на конференции «Современные информационные технологии в образовании: Южный федеральный округ» (Ростов-на-Дону, 2005 г.).
Автором опубликовано 20 работ, три из них — в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для публикации основных результатов диссертационных исследований.
Внедрение результатов исследования. Результаты исследования эффективно используются в учебно-воспитательном процессе и научно-исследовательской работе педагогов НОУ СО «Частная интегрированная школа» г. Волгограда, ГКОУ «Волгоградский лицей (областная экспериментальная мужская средняя школа-интернат педагогического профиля)», МБОУ «Гимназия № 3» г. Волгограда.
Объем и структура диссертации. Диссертация включает в себя введение (12 с), две главы (гл. 1 — 60 с, гл. 2 — 65 с), заключение (7 с), список литературы (193 наименования) и 6 приложений. Текст диссертации содержит 8 таблиц и 27 рисунков.
Сущность, содержание и уровни сформированности исследовательской компетентности учащихся
Предпосылкой исследования послужили работы в области дидактики и методики обучения физике, посвященные: проблеме реализации компетентного подхода в системе общего образования (В.А. Болотов, Л.Ф. Иванова, О.Е. Лебедев, А.А. Пинский, В.В. Сериков, А.В. Хуторской, Б.Д. Эльконин); формированию исследовательских умений учащихся при обучении физике (И.А. Игошев, И.Я. Лернер, Х.Я. Мулюков, СТ. Мустафаев, А.И. Подольский, М.Н. Скаткин, З.А. Хайретдинова, Л.Д. Шабашов, Г.П. Щедровицкий); формированию экспериментальных умений у учащихся при обучении физике (А.А. Бобров, Л.В. Гурьева, Е.Л. Долганова, В.В. Завьялов, П.А. Знаменский, П.В. Зуев, Н.А. Константинов, Н.В. Кочергина, А.А. Кузнецов, А.П. Лешуков, А.В. Перышкин, В.Г. Разумовский, А.В. Усова и др.); освоению учащимися умений и обобщенных способов деятельности, которые лежат в основе компетенций (В.В. Давыдов, В.В. Краевский, И.Я. Лернер, М.Н. Скаткин, Г.П. Щедровицкий); формированию исследовательской компетентности учащихся (Е.А. Румбешта, СИ. Осипова, В.А. Степанов, А.А. Ушаков и др.).
Проблема формирования исследовательской компетентности учащихся в современных условиях реализации образовательной парадигмы приобретает новое значение, которое связано с внедрением стандартов второго поколения. Одной из характеристик уровня метапредметной подготовки учащихся, обозначенной в стандартах второго поколения, является владение ими навыками учебно-исследовательской деятельности, при этом на предметном уровне они должны освоить приемы и методы науки, изучаемой в рамках данной учебной дисциплины. Физика как учебный предмет предполагает получение учащимися знаний, установление закономерностей и связей физических величин, описывающих явления окружающего мира, что невозможно без применения экспериментальных методов в организации исследовательской деятельности учащихся.
Понятие «исследование» в обыденном употреблении трактуется как процесс выработки новых знаний, поиска неизвестного, один из видов познавательной деятельности человека. Исследовательская деятельность учащихся организуется с помощью корректной с научной точки зрения методики, позволяющей получить с ее помощью собственный экспериментальный материал, на основании которого делают выводы о характере исследуемого процесса. [161, с. 18]
Исследовательская работа учащегося должна демонстрировать соответствующие знания и умения в области изучаемых предметов, а именно умение работать с первоисточниками, использовать различные методы исследования, способность к систематизации и структурированию полученного материала, умение обобщать, делать выводы, сопоставлять различные умозаключения, давать оценку событиям и явлениям. Ученическое исследование проводится по общей схеме научного исследования и может быть представлено следующими этапами:
Возможность организации исследовательской деятельности учащихся рассматривается с позиций задачного подхода, проектных методов обучения и организации экспериментальной деятельности в ходе физического эксперимента. Обратимся к трактовкам понятия «исследовательская деятельность», которые применимы при организации деятельности по проведению школьного физического эксперимента. А.С. Обухов определяет исследовательскую деятельность учащихся как творческий процесс совместной деятельности двух субъектов (учителя и ученика) по поиску решения неизвестного, в ходе которого осуществляется трансляция между ними культурных ценностей, результатом исследовательской деятельности в учебный процесс по раскрытию и развитию индивидуальности ребенка, формированию базиса его культуры и социально-ценностных обстоятельств, содействующих его вхождению в современную культуру и мир науки.
Следующий уровень исследовательской деятельности, реализуемой в образовательной практике, направлен на поиск нового содержания образования, который отражает умение осваивать не готовые знания, а методы их получения и соответствует проектно-исследовательской деятельности, в которой исследование выступает как проектная задача, для решения которой необходима практическая деятельность учащихся по получению дополнительной информации, новых фактов из различных источников об изучаемом объекте. [100].
Учебное исследование можно рассмотреть как форму учебно-исследовательской деятельности. При этом учебно-исследовательскую деятельность определим как иерархическую, педагогически управляемую систему взаимодействий субъектов, направленную на познание окружающего мира, в результате которой происходит появление объективно или субъективно нового научного знания или нового качества уже известного знания и овладение обучающимся исследовательскими умениями. Учебно-исследовательская деятельность формирует исследовательские умения, а нормы деятельности задают принципы учебного исследования, а именно научной деятельности: подтверждаемости, наблюдаемости, простоты, соответствия и системности. Под деятельностью следует понимать активность субъекта, направленную на изменение мира, на производство или порождение определенного объективированного продукта материальной или духовной культуры. В реальности человек всегда имеет дело с отдельными видами деятельности, каждая из которых отвечает определенной потребности субъекта, стремится к предмету этой потребности, угасает в результате ее удовлетворения и воспроизводится вновь, может быть, уже в других условиях и по отношению к изменившемуся предмету
Видеокомпьютерный эксперимент в моделировании физических процессов
Конструирование инструментов для измерения введенных величин. Поскольку вводимые величины только тогда начинают «работать», когда есть возможность их измерить, необходимо сконструировать соответствующие приборы. Сказанное не предполагает конструирование приборов на уроке, а обязывает учителя показать ученикам принципиальную возможность измерения вводимой величины и познакомить их с соответствующим измерительным прибором. Без этого при формировании понятия физической величины будет допущен существенный пробел.
Строгое (по возможности) определение понятия. Все физические понятия, изучаемые в школьном курсе физики, должны быть четко и однозначно определены. Вопрос о форме таких определений должен быть рассмотрен отдельно, но в определениях физических величин нам представляется необходимым давать краткую описательную часть, в которой указывать, какая это величина (скалярная или векторная), что она характеризует и как ее измерить.
Учащиеся должны понимать, что дать определение физической величины - это значит установить взаимосвязь этой величины с другими, ранее изученными величинами и указать на возможности ее количественного определения.
Количественная характеристика явления. Особенность современной науки, и конечно, физики, - такое изучение явлений, при котором качественный анализ обязательно сочетается с установлением количественных соотношений величин, характеризующих данное явление. Поэтому для формирования физических понятий особую ценность имеют такие эксперименты, которые дают возможность устанавливать количественные зависимости между физическими величинами в форме математического уравнения, функций. В этом случае найденная зависимость становится связующим звеном между экспериментом и теорией, между физикой и математикой. При этом следует иметь ввиду, что в ходе эксперимента, как правило, не устанавливаются точные формулы, а только выявляются зависимости между величинами. Поэтому в учебном эксперименте часто нет необходимости измерять ту или иную величину в принятых для нее единицах, а можно обойтись измерением в условных единицах.
Физическая теория. Ознакомление с явлениями заканчивается на стадии его объяснения с позиции уже изученной учащимися теории.» [178]
Познавать явления окружающего мира и физические процессы учащимся позволяет эксперимент, однако стандартное оборудование физического кабинета чаще всего позволяет наблюдать лишь результаты опытов и трактовать новые понятия на основе выводов из них. Для раскрытия механизма протекающих процессов необходима опора на зрительные образы, что возможно на основе применения компьютерных технологий, которые позволяют учащимся варьировать условиями эксперимента, самостоятельно конструировать модели установок и наблюдать за их работой, производить расчеты в автоматическом режиме.
Обращение в данной работе к видеокомпьютерному эксперименту обосновано тем, что на основе натурного эксперимента создается видеокомпьютерная модель, позволяющая в ходе его проведения обратить внимание на наиболее существенные стороны протекаемого физического явления или процесса, изменяя скорость воспроизведения видеозаписи или осуществляя остановку воспроизведения на необходимом кадре.
В ходе исследования было сформулировано следующее определение видеокомпьютерного эксперимента. Видеокомпьютерный эксперимент представляет способ организации школьного физического эксперимента, в ходе которого осуществляется реальный (натурный) эксперимент и видео съемка процесса с последующим созданием компьютерной модели для изучения быстротекущих физический явлений стробоскопическим методом, и служит дидактическим средством формирования у учащихся исследовательской компетентности. Обращаясь к видеокомпьютерному сопровождению реального физического эксперимента, мы опирались на метод моделирования, сущность которого с дидактической точки зрения заключается в том, что на основе содержательного анализа какого-либо физического объекта и экспериментально установленных свойств создается идеальная модель, служащая для учащихся предметом рассмотрения и приводящая к появлению нового теоретического знания.
Использование моделирования в обучении физике имеет два аспекта, во-первых, моделирование служит тем содержанием, которое должно быть усвоено учащимися в результате обучения, тем методом познания, которым они должны овладеть, и, во-вторых, моделирование является тем учебным действием и средством, без которого невозможно полноценное обучение. j /37. с. 71-72]
Моделирование является связующим звеном между теорией и практикой, способствует формированию у учащихся ключевых компетенций: умение самостоятельно определять цели и составлять планы, осознавая приоритетные и второстепенные задачи; самостоятельно осуществлять, контролировать и корректировать собственную деятельность; использовать различные ресурсы для достижения целей; выбирать успешные стратегии в трудных ситуациях; способность к целеполаганию и планированию общих способов деятельности работы на основе прогнозирования, к контролю и коррекции хода и результатов деятельности; способность к поиску методов решения практических задач, применению различных методов познания для изучения различных сторон окружающей действительности; умение критически оценивать и интерпретировать информацию; владение языковыми средствами: умение ясно, логично и точно излагать свою точку зрения, использовать языковые средства, адекватные обсуждаемой проблеме, представлять результаты исследования; владение навыками познавательной рефлексии как осознания совершаемых действий и мыслительных процессов, их результатов и оснований, границ своего знания и незнания, новых познавательных задач и средств их достижения.
Методическая система формирования исследовательской компетентности учащихся при обучении физике посредством видеокомпьютерного эксперимента
Теоретические положения организации видеокомпьютерного эксперимента и концептуальные основы компететностного подхода в системе общего физического образования, рассмотренные в предыдущей главе, позволили разработать методическую систему формирования исследовательской компетентности у учащихся посредством проведения видеокомпьютерного физического эксперимента. Под системой мы понимаем «...совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность, единство» [165, с. 329]. Методическая система находится в отношении иерархии с дидактической и педагогической системой. Под последней понимают совокупность взаимосвязанных средств, методов и процессов, необходимых для создания организованного, целенаправленного... педагогического влияния на формирования личности с заданными качествами [16]. Рассматривая педагогическую систему, Н.В. Кузьмина предъявляет к ней следующие требования: целостность; полнота; присутствие системообразующих связей; последовательное расположение элементов, входящих в систему. Методическая система обучения состоит из тех же компонентов, что и педагогическая (цели, содержание, методы и средства обучения, организационные формы учебного процесса); отличие состоит в том, что каждый из них приобрел методическую функцию [88]. Методическая система обучения как система представляет определенную совокупность частей или компонентов, образующих единое целое в своем взаимодействии, которое может быть разделено определенным способом [88].
Рассмотрим основные функции методической системы [J6], [88]: - гносеологическая (направленная на познание учебного процесса как объекта конструирования, на изучение конкретных технологий, способов, приемов решения психолого-педагогических задач); - гуманистическая (направленная на утверждение в педагогическом процессе ценности личности обучаемого, становление позитивной концепции педагога и обучаемого, осознание личностного опыта участников этого процесса); - проектировочная (проявляется в операционном процедурном, технологическом обеспечении учебно-воспитательного процесса, т.е. в проектировании содержания, форм, методов обучения и практической деятельности участников педагогического процесса, выборе наиболее эффективных методических приемов разрешения конкретных ситуаций); - нормативная (поддерживает соблюдение педагогических норм, выполняющих функцию ценностей в образовательной деятельности, обуславливает учет определенных требований, предписаний, правил к проектированию учебно-воспитательного процесса, созданию и осуществлению конкретных педагогических технологий, обеспечивает целенаправленную деятельность по реализации образовательного стандарта); - рефлексивная (обеспечивает осмысление субъектами образовательного процесса основ своей деятельности, в ходе которой осуществляется оценка и переоценка своих способностей, ошибок и возможностей; создание условий для развития рефлексии). Е.В. Данильчук выделяет признаки методической системы обучения: «... полнота компонентов, причастных к достижению цели; наличие связей и зависимостей между компонентами; наличие ведущего звена, ведущей идеи, необходимых для объединения компонентов; появление у компонентов системы общих качеств» [48, с. 129].
Далее обратимся к вопросу обоснования методической системы формирования исследовательской компетентности учащихся посредством проведения физического видеокомпьютерного эксперимента. Целевой компонент Критерии готовности Критерии отбора содержания ученик учитель общедидактические частнометодические Диагностические средства сформированное исследовательской компетентности
Схема методической системы формирования исследовательской компетентности учащихся посредством проведения физического видеокомпьютерного эксперимента
Данная методическая система (см. рис. 9) включает в себя следующие элементы: 1) развернутое описание целей формирования исследовательской компетентности учащихся на различных этапах применения видеокомпьютерного эксперимента при изучении предмета; 2) критерии готовности субъектов образовательного процесса к проведению эксперимента; 3) критерии отбора содержания физического образования, обуславливающего эффективность использования видеокомпьютерного эксперимента; 4) процессуальный компонент, включающий методы, организационные формы и средства проведения видеокомпьютерного эксперимента, отобранные с учетом возможностей их формирования у учащихся; 5) диагностические средства оценки уровня сформированности исследовательской компетентности учащихся.
В данной методической системе основополагающей целью образовательного процесса является формирование компетентного ученика, способного самостоятельно строить познавательную деятельность по исследованию физических законов, что переводит обучаемого на качественно новый уровень, который «выражается в выработке устойчивой смысловой позиции в отношении ценности физического знания и способов его приобретения для самореализации в современном мире» [47, с. 48].
Целевой компонент данной методической системы включает: знания теоретические основы физических явлений и процессов, изучаемых посредством видеокомпьютерного эксперимента, а также историю и методы их исследования в процессе развития физической науки; методологические основы организации реального (натурного) и виртуального физического эксперимента; умения выдвигать гипотезу, формулировать проблему, цель, задачи, прогнозировать результат деятельности по исследованию физических процессов; применять логические приемы мышления: аналогия, сравнение, анализ, синтез для построения логики эксперимента; опыт создания алгоритма исследовательской деятельности, научными методами познания: моделирование, реальный и мысленный эксперимент; научными основами проектирования, описания и обработки результатов эксперимента в аналитической, модельной и графической форме, предъявляе мых в печатном виде и посредством информационно-компьютерных технологий.
При проведении видеокомпьютерного эксперимента критериями готовности учащихся к данному виду деятельности является мотивация исследовательской деятельности, а также владение: теоретическими основами физических явлений и процессов, изучаемых посредством видеокомпьютерного эксперимента; основами создания алгоритма исследовательской деятельности (выдвижение гипотезы, формулировка проблемы, цели, задач, прогнозирование результата деятельности по исследованию физических процессов); компьютерными и мультимедийными технологиями в объеме, необходимом для описания и обработки результатов эксперимента в аналитической, модельной и графической формах. Эффективность реализации методики проведения видеокомпьютерного эксперимента зависит от владения учителем умениями: создавать (монтировать) учебные экспериментальные установки; проводить реальный (демонстрационный, лабораторный) физический эксперимент с целью изучения процессов, явлений и законов; уметь использовать компьютерные и мультимедиа-технологии как средство в процессе демонстрации, моделирования физических явлений и обработки результатов эксперимента.
Критериями отбора содержания физического образования учащихся, обуславливающие эффективность использования видеокомпьютерного эксперимента являются: динамически протекающие физические процессы и явления, реализуемые посредством реального (натурного) эксперимента; экспериментальные методы научного исследования, которыми овладевают учащиеся в ходе проведения и обработки данных видеокомпьютерного эксперимента; контекстный характер содержания учебного материала, позволяющий оценивать социальную значимость исследуемого физического процесса.
Педагогический эксперимент формирования исследовательской компетентности учащихся при выполнении видеокомпьютерного эксперимента по физике
Порядок сборки и подготовки к работе установки для проведения видеосъемки является универсальным и описан выше. Для проведения натурного эксперимента необходимо следующее оборудование: желоб, штатив с муфтой и лапкой для закрепления наклонного желоба, металлический шарик, измерительная лента (или демонстрационный метр). Установку для проведения натурного эксперимента собираются на фоне однотонного экрана, контрастирующего с цветом оборудования, для этого на демонстрационном столе один край желоба закрепляют в штативе (или используют желоб из демонстрационного набора «Механика» серии L-микро, который крепится непосредственно на доску посредством магнитов, и имеет разметку длины), так, чтобы угол наклона был мал.
Для проведения эксперимента из числа учащихся выбирают ассистента, в задачи которого входит запустить и остановить запись по команде учителя. Запись следует начинать за 1-2 секунды до начала эксперимента, а останавливать сразу после окончания эксперимента. В данном эксперименте началом является момент прекращения фиксации шарика в верхней точке наклонной плоскости и как следствие начало его движения. Окончанием эксперимента следует считать момент скатывания шарика с наклонной плоскости.
После проведения эксперимента учащимся предлагается определить характер движения шарика и предложить варианты подтверждения сделанных предположений. В процессе решения поставленной проблемы, учитель воспроизводит видеофайл реального эксперимента, сообщает частоту кадров видеозаписи и обсуждает вопрос о возможности определения промежутков времени по известной частоте кадров. Далее производиться получение стро боскопической картинки и проведение измерений и расчетов по ней, порядок действий является универсальным и был описан выше.
На стробоскопической картинке (см. рис. 15) видно, что шарик за равные промежутки времени проходит разные отрезки пути, которые увеличиваются при скатывании шарика с наклонной плоскости. Для измерения пути, пройденного шариком между его последовательными положениями на стробоскопической картинке, учитель демонстрирует возможности программы по обработке данных эксперимента.
После проведения демонстрации учитель копирует созданный видеофайл на компьютеры учеников для последующего самостоятельного анализа стробоскопической картинки.
Учащиеся измеряют расстояния //, /2, /.?... между каждыми из изображений шарика. Находят разность А // = U_ - //, A h = h - h, A h = h h и т.д. Если окажется, что Д // = А 12 = A h = А 1Я (в пределах погрешностей измерений), то утверждают, что движение является равноускоренным. Находят Мер =(М,+ А/2+ Д /?+.... +A/J /п.
Зная интервал времени между двумя последующими видеокадрами, учащиеся рассчитывают по формуле ускорение а=А I cp/Av. Измерив угол наклона плоскости ф, вычисляют произведение ускорения свободного падения на значение синуса угла ф и сравнивают данное значение с полученным зна чением ускорения. Объясняют, почему а g sincp (потенциальная энергия шарика превратилась не только в кинетическую энергию поступательного движения, но и в кинетическую энергию вращательного движения).
Если видеосъемка проводилась так, что первое положение шарика совпало с началом движения, то учащиеся проверяют, равно ли отношение отрезков путей, пройденных скатывающимся шариком за равные последовательные промежутки времени, отношению последовательности нечетных чисел.
При демонстрации равнозамедленного движения шарик запускают в обратном направлении, придав ему небольшую начальную скорость. Моментом окончания видеозаписи является момент, когда после остановки шарик начинает скатываться обратно. Силу толчка следует рассчитать так, чтобы шарик не выкатился за пределы желоба и вместе с тем прокатился по большей части желоба. Для изучения равнозамедленного движения можно не проводить видеокомпьютерный эксперимент, а воспользоваться видеофайлом равноускоренного движения, учитывая, что процессы обратимы.
Самостоятельная деятельность учащихся по проведению видеокомпьютерного эксперимента уместна при выполнении исследовательских лабораторных работ, решении контекстных физических задач экспериментального характера. Так, при решении задачи посредством проведения видеокомпьютерного эксперимента, моделируется не только ориентировочная основа научно-познавательной деятельности, но и собственно личностные функции учащихся: избирательность, креативность, ответственность за принимаемые решения, способность к групповому взаимодействию. При проведении видеокомпьютерного эксперимента создается виртуальная модель, которая представляет собой аналог модели, описанной в задаче, и помогает учащимся в ее решении. Виртуальная модель несет на себе дидактические функции, которые заключаются в вариативности содержания деятельности при решении задачи и постановке эксперимента и позволяет овладеть обобщенным методом экспериментального исследования.
В данном случае решение задачи предполагает нахождение общих положений физической теории, которые экспериментально обосновываются в ходе видеокомпьютерного эксперимента. Процесс решения состоит из аналитической, направленной на анализ условия задачи и теоретическое обоснование проблемы, и исследовательской, подразумевающей построение эксперимента и проверку теоретических положений, частей.
Исследовательская часть процесса решения должна рассматривать условия проведения эксперимента для моделирования ситуации описанной в задаче, а также подходы к ее решению. Для овладения исследовательской деятельностью при решении задач с применением видеокомпьютерного эксперимента целесообразно учащимся предлагать задания, которые бы были направлены на:
