Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ВОПРОСЫ В СИСТЕМЕ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ 19
1. Методология и приложения науки в образовательной концепции начала XXI века 19
2. Психолого-педагогический аспект формирования методологических и прикладных знаний 29
3. Гуманитарный аспект методологических и прикладных вопросов курса физики 39
4. Роль и значение физики как научной дисциплины со сложившейся методологией и широкими приложениями в системе современного общего образования 46
ГЛАВА 2. ТЕОРИЯ И МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ И ПРИКЛАДНЫХ ЗНАНИЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ВОПРОСОВ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ В КУРСЕ ФИЗИКИ 57
1. Концепция построения курса электродинамики с учетом генерализации учебного материала на основе теории электромагнетизма и классической электронной теории 57
2. Прикладные вопросы электродинамики в школьном курсе физики 69
3. Методика формирования методологических и прикладных знаний учащихся в процессе изучения электродинамики 81
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ И ПРИКЛАДНЫХ ЗНАНИЙ 107
1. Задачи и этапы экспериментального исследования 107
2. Результаты внедрения в преподавание изучения методологических и прикладных вопросов электродинамики 114
3. Анализ результатов педагогического эксперимента 140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 150
ЛИТЕРАТУРА 155
- Методология и приложения науки в образовательной концепции начала XXI века
- Концепция построения курса электродинамики с учетом генерализации учебного материала на основе теории электромагнетизма и классической электронной теории
- Задачи и этапы экспериментального исследования
Введение к работе
Национальная доктрина образования (проект) [115] одной из основных задач образования в России ставит интеграцию научных исследований с образовательным процессом и интеграцию науки и образования с производством. Решение этой задачи может быть достигнуто путем внедрения методов науки в образовательный процесс как объекта изучения и усиления прикладного аспекта образования. Концепция структуры и содержания общего среднего образования [89] формулирует цели образования, направленные на формирование системы научных знаний и умений применять их в различных видах практической деятельности. Обязательный минимум содержания общего среднего образования по физике начинается с раздела «Методы научного познания и физическая картина мира» [122]. Однако на сегодняшний день не существует учебно-методического комплекса, обеспечивающего усвоение учащимися таких вопросов этого раздела, как эксперимент и теория в процессе познания природы, моделирование явлений и объектов природы, научные гипотезы и др. Данная диссертационная работа направлена на решение этого конфликта путем построения раздела электродинамики курса физики средней школы на основе методологии и приложений. Во главу угла ставится проблема формирования методологических и прикладных знаний учащихся на основе фактического материала, так как именно «на базе фактического материала в сознание учащихся должно проникать ясное представление о научном методе, характерном для физики» [96, с. 226-227].
Физическое образование сегодня — это реальное образование для реального человека. Поэтому оно должно преследовать две основные цели: формирование у учащихся физической картины мира (мировоззренческий аспект) и овладение учащимися необходимым минимумом знаний, умений и навыков для дальнейшего образования. Если проблемы в достижении последней цели успешно решаются традиционными методами, то для форми-
рования физического мышления необходимы новые подходы, исключающие механическое увеличение и усложнение информации.
Имеющее место противоречие между объемом научных знаний и все возрастающей нагрузкой учащихся нами предполагается преодолевать путем синтеза методологии и практики физической науки. «Мы ... не можем удовлетворительно отразить в школьном курсе физики фактического содержания основ этой науки на сегодняшний день. Но мы можем и должны научить школьника думать по-современному в области физики. Этой реальной цели и должен быть подчинен отбор материала для школьного преподавания» [159].
Однако наряду с проблемой отбора материала существует проблема метода преподавания. Развитию творческих способностей учащихся наиболее соответствует проблемное обучение, которое требует увеличения нагрузки по сравнению с другими методами, передающими знания в готовом виде.
Идея обучения методам общенаучных и физических исследований на базе конкретных знаний и физических приложений представляется интересной и с точки зрения развития у учащихся повышенного познавательного интереса, творческой активности и интеллектуальной инициативы.
Изложение прикладных вопросов курса физики представляется важной формой теоретического обобщения, «изучение на уроках основ фундаментальных физических теорий, применения методов, обобщение прикладных вопросов — все это важные предпосылки для формирования мировоззрения школьников» [146, с. 6]. К числу факторов, определяющих эффективность изучения прикладных вопросов, относится учет соответствия содержания этих вопросов содержанию теоретического материала, изучаемого преимущественно в средней школе, и учет их научной значимости.
Универсальность результатов настоящего исследования заключается в том, что они могут быть использованы в классах как физико-математического профиля, так и гуманитарного. Отсутствие различий
в тематике вопросов для классов различных профилей — непременное условие формирования системности знаний учащихся. «Научные приложения, методологические знания ... должны быть во всех школах независимо от их профиля» [71].
Известные показатели уровня знаний и умений учащихся средних школ красноречиво подтверждают тот факт, что в настоящее время большинство учащихся усваивают образовательную программу лишь на репродуктивном уровне, а «... воспроизведение «полученных» сведений ведет к ... формализму знаний и отвращению к учебному предмету и физической науке вообще» [133]. По результатам третьего международного исследования (TIMSS-R-1999), касающегося затруднений учащихся при усвоении содержания естественнонаучного образования, в котором участвовали школы 47 регионов России, был сделан подробный анализ, позволивший сделать вывод о недостаточном владении учащимися методологическими умениями и применением законов в реальных условиях. В частности, Россия оказалась на 15-м месте, сильно отстав от стран Юго-Восточной Азии. Поэтому наибольшую актуальность приобрели следующие проблемы [68, 83]:
вопросы использования научных методов исследования;
связь знаний учащихся с окружающей их природной средой. Репродуктивный уровень усвоения обусловлен, на наш взгляд, двумя
причинами. Первая заключается в том, что образовательная программа отягощена множественностью дисциплин, что является следствием углубляющейся дифференциации наук. Вторая причина, на наш взгляд, заключается в том, что предметные программы информативно перегружены по содержанию и объему научных сведений. Однако известно, что уровень познавательных способностей учащихся ограничен, поэтому идея, заключающаяся в стремлении к расширению информационного пространства в образовательной программе, нежизненна. Очевидно, что знает научную дисциплину, будь то физика или история, не тот, кто ознакомился со всеми сведениями от Ньютоновской механики до теорий строения атомного ядра или с исто-
рическими событиями от сотворения мира до современности, а тот, кто овладел методами научного исследования.
Перегруженность образовательной программы существенным образом влияет на понижение познавательного интереса учащихся. Одной из форм защиты учащихся от перегрузки является то, что в изучении дисциплин решающую роль играет механическое запоминание информации. Пытаясь пробудить у учащихся активные, творческие начала, мы не даем им инструмента для этого. Этим инструментом является метод научного исследования. Только владение методом позволяет учащемуся творчески применять его к решению самых разнообразных задач и самостоятельно расширять сферу собственных знаний. Усвоить метод можно лишь в соединении с конкретным знанием, с порождаемой им наукой, в применении его к прикладным разделам наук и добывая с помощью метода новые знания. Именно поэтому необходимо «все большее внимание методам научного познания в школьном курсе физики» [121].
Психолого-педагогическая характеристика возраста ранней юности [36, 43, 47, 63, 85, 98, 104, 125, 161] (старшеклассников) свидетельствует о том, что в этом возрасте возможно формирование методологических и прикладных знаний, так как развито абстрактно-логической мышление, являющееся базой для формирования таких знаний. С другой стороны, решаются такие психолого-педагогические проблемы, как познавательная мотивация и проблема профессиональное самоопределение учащихся старших классов.
В [123, с. 93-94] специально подчеркивается, что «школьная электродинамика состоит из относительно самостоятельных тем, не имеющих общего теоретического ядра, а каждая тема представляет собой самостоятельное обобщение». Следовательно, раздел «Электродинамика» школьного курса физики требует теоретического развития идеи генерализации материала на основе двух моделей: математической модели электромагнитного поля — системы уравнений Максвелла и модели свободных носителей зарядов в классической электронной теории.
Еще одно серьезное противоречие сегодняшнего дня заключено в имеющем место разрыве: учебная дисциплина — наука и культура в целом. Изучение методологических и прикладных вопросов в курсе физики средней школы может способствовать тому, что школьная дисциплина будет не просто содержательно воспроизводить адекватную науке систему знаний, упрощенную в дидактических целях, а позволит учащимся самостоятельно познавать, владея таким мощным орудием, как метод исследования. Поэтому естественным представляется весьма важный тезис Л. В. Тарасова, что «вызывает особые опасения наметившийся в последнее время процесс упрощения школьного курса физики по мотивам его перегруженности и недоступности многим учащимся. Следует не разгружать курс физики, а радикально его перестраивать. И главное в этой перестройке — обращение к идеям методологии современной физики» [151, с. 266].
Существенным остается и противоречие между всеобщим характером приобретения знаний, образования и возросшей сложностью современных научных понятий и представлений, что, особенно в последнее время, существенным образом повлияло на отстранение физической науки и дисциплины от человека, общества. К ним очевидным образом можно отнести возрастание абстрактности научных рассуждений, повышение порога доступности в изучении физики, уменьшение значения и удельного веса прикладных вопросов в курсе физики средней школы. К этому же привело, на наш взгляд, и отрицание общекультурного значения физики, и противопоставление её гуманитарным идеям и ценностям конца XX — начала XXI веков, и то, что физика, по выражению И. Пригожина, «подменила... мир качества и чувственного восприятия... миром, в котором нет места для человека» [128, с. 80]. Преодоление этого негативного отношения к физике — еще одна из задач современного физического образования.
Все вышеперечисленные факторы и определяют актуальность настоящего диссертационного исследования.
Научная проблема состоит в разрешении противоречий:
между объемом и сложностью научных знаний, соответствующих современному состоянию физической науки, и связанной с этим информационной перегрузкой учащихся;
между необходимостью формирования знаний о методах познания в физике и прикладного аспекта физической науки и отсутствием разработанного содержания материалов и методики обучения, позволяющих формировать у учащихся эти знания на основе органического соединения методологии и приложений физической науки.
Объектом настоящего диссертационного исследования является процесс изучения и усвоения методологических и прикладных вопросов электродинамики в старших классах средней школы.
Предмет исследования — содержание и методика обучения электродинамике в курсе физики средней школы и процесс формирования методологических и прикладных знаний учащихся посредством использования разработанного учебно-методического комплекса.
В основу учебно-методического комплекса заложена концепция построения раздела «Электродинамика» курса физики средней школы на его методологическом ядре — Максвелловской математической модели электромагнитного поля, модели классической электронной теории, а также основных приложений электродинамики, обуславливающих практическую значимость формирования методологических знаний учащихся.
Целью исследования является решение проблемы формирования методологических и прикладных знаний учащихся старших классов средней школы в процессе изучения раздела «Электродинамика» курса физики.
Гипотеза исследования в соответствии с объектом и предметом исследования формулируется следующим образом:
ЕСЛИ курс электродинамики, составляющий более половины объема курса физики старших классов, изменить на основе построения дидактиче-
ского блока «методология — приложения», реализующего следующий комплекс педагогические идей:
обучение методам общенаучных и физических исследований как инструменту для самостоятельной творческой активности учащихся;
использование исследовательского физического эксперимента как одного из основных познавательных методов в электродинамике;
включение прикладных вопросов, имеющих гуманитарный характер, гуманитаризация и преодоление технократического характера физического образования,
ТО это будет способствовать:
формированию у учащихся методологических и прикладных знаний;
повышению качества обучения и развитию учащихся;
формированию и развитию познавательной мотивации учащихся;
влиянию на профессиональное самоопределение учащихся в отношении физических и прикладных специальностей.
К основным задачам исследования по проверке выдвинутой гипотезы относятся следующие:
проанализировать содержание существующих программ физики старших классов средней школы в части включения в их состав вопросов методологии, а также характера изучаемых приклад-ных вопросов;
обосновать необходимость и актуальность внедрения в практику преподавания методологических и прикладных вопросов электродинамики и формирования с учетом этого методологических и прикладных знаний учащихся;
разработать учебно-методический комплекс, содержащий про-
грамму курса физики старших классов, имеющую блочную структуру «методология — приложения», и сопровождающие курс электродинамики учебно-методические пособия для изучения методологических и прикладных вопросов, внедрить этот комплекс в практику преподавания физики;
экспериментально исследовать эффективность формирования методологических и прикладных знаний учащихся в процессе и результате внедрения этого методического комплекса;
экспериментально исследовать влияние изучения методологических и прикладных вопросов электродинамики на повышение мотивационного уровня и на характер предпочтений учащихся в направлении получения высшего физического и прикладного образования.
Для решения поставленных задач нами использовались следующие методы исследования:
изучение и анализ педагогической, философской, методической литературы и диссертационных исследований по тематике работы, проекта стандарта школьного физического образования, концепции школьного физического образования, существующих рекомендованных и экспериментальных программ;
педагогический мониторинг формирования методологических и прикладных знаний учащихся, их интеллектуального развития и качества обученности на основе разработанных новых и использовании известных тестов и анкет;
педагогический эксперимент по внедрению в практику обучения физике разработанных программно-методических материалов по методологическим и прикладным вопросам физики;
математические методы обработки и анализа результатов эксперимента;
анализ опыта обучения в различных образовательных учреждениях, обобщение опыта учителей физики, использующих идеи, заложенные в данном исследовании.
Теоретической основой исследования стали работы.*
Д. И. Фельдштейна, Л. С, Выготского, А. В. Захаровой, Р. С. Немова, И. С. Кона, посвященные возрастной психологии старшеклассников, связи познания и личности, мотивации и профессиональному самоопределению учащихся;
Ю. И. Дика, В. Г. Разумовского, Г. М. Голина, В. Ф. Ефименко, В. В. Майера, Л. В. Тарасова, Н. В. Шароновой, Э. Г. Юдина, посвященные методологии научного познания;
В. В. Давыдова, Н. М. Зверевой, А. Н. Малинина, В. Н. Мощанского, в которых рассматриваются вопросы формирования мышления и мировоззрения учащихся и их развития в процессе обучения;
Н. С. Пурышевой, А. В. Усовой, Л. Я. Зориной, В. А. Бетева, А. И. Архиповой, В. В. Майера, посвященные вопросам системности знаний учащихся, генерализации, спирального построения курса физики, уровневой дифференциации, а также процессу научного познания в процессе физического образования;
Ю. А. Саурова, А. А. Пинского, С. Е. Каменецкого, посвященные изучению вопросов электродинамики;
A. А. Червовой, А. В. Усовой, С. А. Хорошавина, Т. Н Шамало, по
священные использованию учебного физического эксперимента для форми
рования знаний учащихся;
B. С. Данюшенкова, И. А. Ланиной, Г. И. Щукиной, посвященные
формированию познавательного интереса и познавательной активности
в процессе обучения.
Вопросы формирования методологических и прикладных знаний учащихся при изучении физики, и в частности раздела «Электродинамика», недостаточно исследованы в теории и методике обучения физике.
Вопросам, связанным с преподаванием электродинамики в общеобразовательном курсе физики, посвящены диссертационные исследования последних лет, А. Ф. Шияна, 1995 г.; А. Л. Никишиной, 1998 г.; О. А. Баклаги, 2000 г. В этих работах не рассматриваются вопросы формирования методологических и прикладных знаний.
Различным аспектам формирования методологических знаний учащихся и методологической культуры учителей посвящены диссертационные исследования: Н. В. Шароновой, 1997 г., А. Н. Ходусова, 1997 г., К. А. Колесникова, 1998 г.
Некоторым вопросам, касающимся формирования прикладных знаний, посвящены диссертационные исследования: И. М. Низамова, 1994 г., Л. Д. Шабашова 1997 г., Р. В. Майера, 1999 г.
Специальные исследования, посвященные формированию методологических и прикладных знаний учащихся в процессе изучения электродинамики, представлены в недостаточной степени.
Этапы исследования:
На первом этапе (1993-1995 гг.) была скорректирована программа курса физики старших классов с целью включения в нее прикладных вопросов электродинамики. Была подготовлена и защищена диссертация на соискание академической степени магистра образования по направлению «физика» на тему «Преподавание прикладных вопросов электродинамики в старших классах». Педагогические идеи этого исследования внедрялись в практику преподавания в Нижегородской педагогической гимназии. Практически было выяснено влияние изучения прикладных вопросов на формирование научного мировоззрения учащихся.
На втором этапе (1996-1998 гг.) были сформулированы основные идеи данного исследования, определена научная проблема и сформулирована гипотеза исследования. Была разработана, сертифицирована и занесена в Региональный банк педагогической информации авторская программа курса «Методологические и прикладные вопросы физики». На основе этой про-
граммы была организована экспериментальная площадка по внедрению в физико-математическом лицее № 82 Н. Новгорода и в Нижегородской городской педагогической гимназии, а также в школах № 26, 27, 85, 117, техническом лицее Нижнего Новгорода (Приложение 6. Акт о внедрении программы в образовательный процесс). На этом же этапе была изучена и проанализирована научно-методическая литература по исследуемой проблеме.
На третьем этапе (1999-2001 гг.) была проведена экспериментальная проверка идей, заложенных в данном исследовании, проведен мониторинг формирования у учащихся методологических и прикладных знаний и поставлен заключительный педагогический эксперимент на базе лицея № 82 и педагогической гимназии.
На четвертом этапе (2001-2002 гг.) были обобщены материалы исследования и завершено оформление диссертации.
По проблеме исследования автор выступал на пятой и шестой Международных конференциях «Физика в системе современного образования» РГПУ в С.-Петербурге (1999 г.) и ЯГПУ в Ярославле (2001 г.), на третьей Международной научно-методической конференции по новым технологиям в преподавании физики МПГУ в Москве (2002 г.), научно-практических конференциях по теории и методике обучения физике и философии образования НГПУ в Н. Новгороде от регионального до федерального уровня (1994, 1996, 1997, 2000, 2001, 2002 гг.), на республиканских научно-практических конференциях ВГПУ и КИУУ в Кирове (1997, 1998, 2000 гг.), на конференциях по проблемам учебного физического эксперимента ГГПИ в Глазове (1998, 1999, 2000, 2001, 2002 гг.), на научно-методической конференции по формированию учебных умений УлГПУ в Ульяновске (2001 г.), Автором опубликовано 28 печатных работ по теме исследования общим объемом 8,9 п. л., в том числе отдельным изданием программно-методические материалы, включающие программу «Методологические и прикладные вопросы физики».
Научная новизна исследования состоит в следующем:
Исследованы результаты формирования у учащихся методологических и прикладных знаний.
Разработана концепция построения курса электродинамики старших классов средней школы, включающая следующие положения:
ведущей идеей является обучение методам общенаучных и физических исследований, прикладным вопросам электродинамики на основе моделей электродинамики;
основным объектом усвоения при изучении методологических и прикладных вопросов электродинамики является логика научного познания -— от физического явления через методы исследования к построению модели, ее математическому описанию и анализу и далее к приложениям;
организация учебного процесса включает выполнение учащимися самостоятельных исследовательских экспериментов по прикладным вопросам.
3. Разработан комплекс методических средств по организации учебного
процесса, включающий в себя:
программу «Методологические и прикладные вопросы физики»;
учебные пособия по вопросам электродинамики, включающие новую формулировку уравнений Максвелла в доступной для школьников форме;
тесты по электродинамике, содержащие вопросы по всем разделам программы;
комплекс практических занятий, включающих новые исследовательские эксперименты и компьютерную реализацию математической модели.
4. Получены экспериментальные данные о формировании методологиче
ских и прикладных знаний.
Теоретическое значение исследования заключается в следующем:
доказана возможность построения курса электродинамики средней школы, опирающегося на блоки «методология — приложения», который обеспечивает генерализацию учебного материала на основе двух моделей: математической модели электромагнитного поля — системы уравнений Максвелла и модели свободных носителей зарядов в классической электронной теории;
сформулирована концепции построения раздела «Электродинамика» курса физики, обеспечивающая сокращение имеющего место разрыва между школьным предметом и наукой;
определены принципы применения на практике теории и методики изучения методологических и прикладных вопросов электродинамики.
Практическое значение исследования заключается в следующем:
разработана программа курса физики 10-11-х классов средней школы «Методологические и прикладные вопросы физики», программа занесена в Региональный банк педагогической информации, имеет сертификат Нижегородского института развития образования, сертификат департамента образования и науки администрации Нижегородской области (Приложения 1, 6). Программно-методические материалы удостоены диплома всероссийского открытого конкурса «Педагогические инновации-2001» (Приложение 6), таким образом, получили общественное признание;
разработаны учебно-методические пособия и тесты для широкого использования учителями и учащимися всех типов школ;
курс физики «Методологические и прикладные вопросы физики» является составной частью учебного плана физико-математического лицея № 82 г. Н. Новгорода в 1996-2000 гг. и Нижегородской городской педагогической гимназии с 2000 г. по настоящее время, частично внедрен в учебный процесс школ № 26, 27, 85, 117, технического лицея Н. Новгорода (Приложение 6. Акт о внедрении программы в образовательный процесс);
результаты исследования готовы к широкому внедрению, могут быть использованы при подготовке учителей физики в педагогическом вузе и в системе повышения их квалификации.
Обоснованность и достоверность научных фактов обеспечиваются:
опорой на фундаментальные положения теории и методики обучения физике, дидактики, философии, психологии;
анализом существующей проблемы с точки зрения как теории, так и практики преподавания физики в средней школе;
личным опытом работы соискателя по теме исследования в Нижегородской городской педагогической гимназии и в физико-математическом лицее Сормовского района Н. Новгорода более 10 лет;
комплексом методик исследования;
многократной экспертизой основных результатов.
На защиту выносится:
1. Концепция построения курса электродинамики, нацеленного на формирование у учащихся методологических и прикладных знаний. В основе концепции — логика научного познания — от физического явления через методы исследования к построению модели, ее математическому описанию и анализу и далее к приложениям.
Программа курса электродинамики, построенная на основе дидактических блоков «методология — приложения», учебно-методические пособия, практические и контрольные задания.
Методика формирования методологических и прикладных знаний учащихся при изучении курса «Электродинамика» школьного курса физики, разработанные учебные физические эксперименты.
Результаты педагогического эксперимента, подтверждающие эффективность формирования методологических и прикладных знаний учащихся и их влияние на мотивационную сферу учащихся и профессиональное самоопределение.
Методология и приложения науки в образовательной концепции начала XXI века
Анализ научных работ в области методологии и методологических знаний показывает, что существуют различные подходы к пониманию методологии и методологических знаний. Различие этих подходов обнаруживается в определении методологии и трактовке ее предмета.
Одна из первых попыток объяснения методологии принадлежит О. В. Трахтенбергу (1928 г.), который представлял ее как систему методов познания и систему знания о принципах и методах познания. В последующих работах методологов (А. М. Арсеньев, Н. К. Гончаров, М. А. Данилов, Ф. Ф. Королев и др.) однозначно утверждается «гносеологический» подход, согласно которому «методология есть система знаний об исходных положениях, об основании и структуре теории, о принципах подхода и способах добывания знаний, верно отражающих непрерывно изменяющуюся педагогическую действительность в условиях развивающегося общества» (М. А. Данилов, 1969 г.) [165].
Философы, разрабатывающие проблемы методологии на общенаучном уровне (Э. Г. Юдин, А. Г. Спиркин, М. Г. Ярошевский и др.) настаивают на необходимости различать методологию познания как учение о принципах построения, формах и способах научно-познавательной деятельности и ее результатах — самом знании и методологию практической деятельности — учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности [165, 188].
Вопросы, посвященные методологии физики, методологическим знаниям в школьном курсе физики и методике их формирования у школьников, представлены в работах Г. М. Голина, В. Ф. Ефименко, Л. Я. Зориной, В. Н. Мощанского, Г. Я. Мякишева, В. Г. Разумовского, А. В. Усовой. Методологические знания являются частью системы научных знаний, в которую по классификации А. В. Усовой [157] входят научные факты, понятия (о структурных формах материи, явлениях, свойствах тел и величинах их характеризующих, и т. д.), законы и теории. Г. М. Голин [50] определяет методологические знания в курсе физики как обобщённые знания о методах и структуре физической науки, основных закономерностях её функционирования и развития. В. Ф. Ефименко [60] связывает методологию физики с системой знаний об исходных положениях, об основании и структуре науки, о принципах формирования, о способах добывания знаний.
В традиционной педагогической практике преобладает процесс передачи знаний в готовом виде. А для его организации способы, методы, проблемы получения знаний фактически не нужны. И, несмотря на работы, в которых предлагается формирование методологических знаний, их предложения остаются в рамках традиционного обучения лишь благими пожеланиями.
Объединяя философские и конкретно-научные подходы к понятию методологии и методологических знаний и учитывая необходимость формирования методологических знаний у учащихся в педагогической практике, определим методологические знания как систему знаний о методах познания, а прикладные знания — как систему знаний о методах практического преобразования и применения и рассмотрим, какое место занимают методология и приложения науки в современной образовательной концепции.
Характеризуя структуру методологии науки и методологического знания, сегодня чаще всего обращаются к концепции, разработанной Э. Г. Юдиным еще в 1978 году [188]. Он выделил четыре уровня методологии, отделившейся от философии в самостоятельную дисциплину: философская методология, содержание которой в основном составляет теория познания; общенаучная методология, конкретно-научная методология, методика и техника исследования. Специальная методология конкретной науки согласно этой схеме включает два последних уровня при условии освоения и интерпретации двух первых. Развитие физической науки на протяжении ее истории происходило в контексте философских проблем естествознания. Эти проблемы концентрировались не вокруг предмета физической науки, а вокруг путей и методов получения знаний об изучаемых объектах и оценки полученного знания. В физике используются не только специфические, но и общенаучные методы познания, поэтому необходимо философское понимание границ их применимости, соотношения объективного и субъективного, абсолютного и относительного, общего и частного и др.
В совершенствовании теории и методики обучения физике, следующей в русле современной образовательной концепции, большое значение сыграло развитие взглядов на формирование методологических и прикладных знаний обучаемых. Поэтому, на наш взгляд, и необходимо рассмотреть эти вопросы с точки зрения философии образования.
В истории человечества с точки зрения истории философии образования можно выделить три формации: аграрно-ремесленный период, индустриальный период и постиндустриальный период. В каждой из этих формаций операциональная, информационная и мотивационная культура в единстве через обучение, образование и воспитание как процессы, образующие педагогическую деятельность, играют различную роль и имеют разное значение. Если в аграрно-ремесленный период в качестве цели ставится операциональный аспект обучения и связанная с ним профессиональная культура, система профессионально ориентированных ценностей, то в индустриальный период — информационный аспект образования и вместе с ним общая культура, система общечеловеческих ценностей. В постиндустриальный период главной целью становится мотивационная культура, мировоззренческое развитие личности, а операциональный и информационный аспекты становятся средствами [66].
Другой взгляд на историю философии образования смену формации связывает со сменой базового содержания образования. Первая, катехизическая формация была связана с религиозной педагогикой, базовым содержаниєм образования являлись нормы поведения и действия. Второй формации положил начало Ян Амос Коменский (конец XVI в.). Это этистомологиче-ская формация, базовым содержанием образования которой является объектно-ориентированное знание. Третья формация — технологическая (с конца XVIII в.), в которой основным содержанием становится орудие, инструмент, в том числе методы мышления и действия. Таким образом, сегодня образование сфокусировано на средствах мышления и деятельности, при этом знания и нормы присутствуют как ситуативные элементы [183]. Оба этих взгляда на историю философии образования имеют объединенную идею, связанную с тем, что в различные эпохи центр тяжести как бы переносится с одного полюса культуры или базового содержания образования на другой. Таким образом, мотивационная культура в категориях средств мышления и деятельности становится определяющей идеей в философии образования начала XXI века. Именно этими факторами и обуславливается изменение содержания и методики обучения физике в средней школе. Выбор направления преобразований в этой области в настоящий период должен быть основан на отходе от имеющего место в системе общего физического образования превалирования информационного аспекта. В практике преподавания это реализуется за счет различного рода углубленных и расширенных курсов физики средней школы, а иногда и введения многочисленных специализированных курсов, преследующих ту же цель за счет дополнительного учебного времени.
Но в конце XX — начале XXI веков, когда научное знание выходит за пределы доступного её действию пространства, ценность простого знания падает и в качестве целеполагающего компонента образования выступает мотивация. Цели образования становятся не просто связанными с целями культуры, они полностью совпадают.
Отсутствие в образовательных программах и, как следствие, в учебных планах средней школы каких-либо направлений изучения научного метода, имеющих выход на естественные науки, математику, филологию, историю и прикладные науки, чревато опасностью истощения соответствующего научного интереса для всей страны и культурного суицида для будущих поколений.
Концепция построения курса электродинамики с учетом генерализации учебного материала на основе теории электромагнетизма и классической электронной теории
Принцип генерализации в обучении физике формировался начиная с 60-х годов XX века и был введен в методику обучения физики В. Г. Разумовским в 80-х годах. Принцип генерализации предполагает систематизацию материала курса на основе базовых теоретических моделей. Подавляющее большинство разделов школьного курса физики генерализовано с учетом основополагающих теорий, составляющих дидактическое ядро того или иного раздела [134]. Курс электродинамики средней школы основывается на двух теориях: теории электромагнитного поля и классической электронной теории. Именно на основе моделей, построенных на базе этих теорий, и возможна генерализация материала курса электродинамики.
Однако, как отмечается в [123, с. 93—94], не существует общепринятого способа элементарного изложения уравнений Максвелла, поэтому школьная электродинамика состоит из относительно самостоятельных тем, не имеющих общего теоретического ядра, общий случай электромагнитного поля вообще не рассматривается. Каждая тема представляет собой самостоятельное обобщение.
В [114, с. 114] указывается, что часть вопросов электродинамики усваивается учащимися на уровне репродуктивного воспроизведения, в частности, недостаточно хорошо усваиваются наиболее важные понятия, относящиеся к характеристикам электрического и магнитного полей, а также электромагнитные явления. К числу причин этого можно отнести недостатки содержания и структуры учебного материала раздела «Электродинамика», недостатки методики изложения и перегруженность учебного материала по этому разделу.
Одним из основных разделов курса физики 10-11-х классов являются основы теории электромагнитного поля, преподавание которых требует серьезной переработки. Раздел «Электродинамика» в школьном курсе физики, опирающемся на стандартную программу для массовой средней школы и учебник Г. Я. Мякишева и Б. Б. Буховцева, построен таким образом, что учащийся получает отрывочные знания по различным темам, не объединенные ни единой целью, ни единой методикой изложения. Серьезной проблемой является тот факт, что изучение электродинамики разорвано между 10-м и 11-м классами. Приложения электродинамики не всегда удачны и оправданы, отсутствуют вопросы излучения и распространения радиоволн, элементы электродинамики СВЧ. Именно эти приложения представляются наиболее важными с дидактической точки зрения, так как в наибольшей степени отражают прикладной характер основной теоретической модели электродинамики — системы уравнений Максвелла. В школьном курсе электродинамики необходимо последовательное, научное изложение материала. Набор отрывочных сведений из электродинамики, которые получают учащиеся, затрудняет сколько-нибудь серьезный подход к основам изучения электромагнитного поля, электромагнитного излучения.
В связи с этим представляется не просто целесообразным, а крайне необходимым изучение основ теории электромагнитного поля. В частности, теорема Гаусса - Остроградского должна рассматриваться не просто как одно из ключевых положений электростатики, а как одна из основ максвеллов-ской теории электромагнитного поля. Рассмотрение этой теоремы, как отмечается в [114, с. 155], существенно повысит научный уровень изучения темы. Введение ее в школьный курс физики необходимо также и с точки зрения ее применений для нахождения полей различных конфигураций источников. Описание полей по их источникам существенно расширяет круг знаний учащихся. В частности, применяя эту теорему, учащиеся самостоятельно могут вычислить напряженность электрического поля зарядов, равномерно распределенных по шару, бесконечной плоскости, нити, цилиндру. Для этого необходимо изучить общий метод определения замкнутой гаус-совской поверхности. Он заключается в выборе такой формы гауссовской поверхности, чтобы расчет потока вектора напряженности электрического поля в различных направлениях был существенно упрощен, то есть или равен нулю или максимален и рассчитывается по формуле Фв = ES. Следствием применения этого метода для указанных выше конкретных конфигураций источников является обоснование выбора гауссовской поверхности в виде сферы для равномерно заряженного шара, в виде цилиндра для равномерно заряженной плоскости и равномерно заряженного цилиндра. Нахождение полей произвольных конфигураций источников достаточно сложно, но в большинстве случаев оно сводится к аппроксимации с помощью известных распределений. В качестве примера можно привести электрический диполь, электрическое поле которого невозможно определить по закону Гаусса - Остроградского, так как нельзя найти такую поверхность, чтобы линии напряженности были ей перпендикулярны и имели одинаковую густоту. В этом заключается методологическая ценность теоремы, записанной в такой простой форме, как ФЕ = у . Теорема Гаусса - Остроградского для электрического поля составляет суть третьего уравнения Максвелла. Смысл его прост и доступен учащимся, а именно: электростатическое поле (силовые линии) имеет исток и сток на электрических зарядах, то есть так же, как и в гидродинамике. И здесь используется такой метод, как аналогия различных физических явлений.
Понятие об электрическом поле вводится на основе анализа взаимодействия покоящихся зарядов, при этом нет никаких доводов в пользу теории близкодействия. Представления о материальности поля при изучении электростатики не может быть сформировано.
Теорема Гаусса - Остроградского для магнитного поля составляет суть четвертого уравнения Максвелла. Понимание учащимися сущности этой теоремы объясняет соленоидальный характер магнитного поля, отсутствие фактора, который можно было бы назвать «магнитным зарядом». Магнитные силовые линии обязательно непрерывны, т. е. они либо замкнуты, либо идут из бесконечности в бесконечность.
Так же в отрыве от общей теории электромагнитного поля в средней школе изучается закон Ампера о циркуляции магнитного поля. На наш взгляд, необходимо сразу же при изучении магнитного поля и его источников показать учащимся, что закон Ампера составляет первую часть первого уравнения Максвелла. Применение закона Ампера может быть продемонстрировано на примере расчета полей прямого тока и соленоида. Причем выбор замкнутого контура в законе Ампера должен определяться таким фактором, как постоянство вдоль него магнитной индукции. Именно поэтому закон Ампера нельзя, например, применить к круговому току, для которого из соображений симметрии нет такого контура, охватывающего проводник, вдоль которого B=const. В 11-м классе при изучении изменяющихся во времени полей необходимо дополнить эти уравнения и ввести понятие тока смещения. Необходимо подчеркнуть заслугу Максвелла во введении этого добавочного члена, описывающего действие изменяющегося со временем потока электрического поля. Понятие о токе смещения существовало ранее в школьном курсе физики, необходимо его введение и в современном курсе. Ток смещения — одно из важнейших понятий электромагнетизма. Во-первых, существенно, что по отношению к магнитному полю ток смещения выступает равноправно с током проводимости. Во-вторых, следует учитывать, что физическая сущность тока смещения в вакууме никак не связана ни с зарядами, ни с их движением.
Закон электромагнитной индукции Фарадея по программе изучается в 11-м классе. При его изучении необходимо сделать акцент на том факте, что он описывает динамический способ возникновения электрического поля.
Закон электромагнетизма, выражаемый вторым уравнением Максвелла, по сути шире закона электромагнитной индукции, поскольку он обобщает закон Фарадея на случай непроводящих контуров. Однако второе уравнение Максвелла сохраняет идейную основу — закон Фарадея. При изучении закона электромагнитной индукции не лишним будет напомнить учащимся, что циркуляция вектора напряженности электрического поля имеет смысл электродвижущей силы. При введении понятий потока вектора необходимо, чтобы учащийся четко представлял себе как физический смысл этого понятия (энергия поля, переносимая через поверхность), так и геометрический (полное число силовых линий, пересекающих поверхность).
Задачи и этапы экспериментального исследования
Целью педагогического эксперимента, проведенного в рамках диссертационной работы, является проверка предположений, сформулированных в гипотезе исследования. То есть необходимо доказать, что если курс электродинамики, составляющий более половины объема курса физики старших классов средней школы, изменить на основе построения дидактического блока «методология — приложения», то это будет способствовать:
формированию у учащихся методологических и прикладных знаний,
повышению качества обучения и развития учащихся;
формированию познавательной мотивации у учащихся,
ориентации учащихся и их подготовке к получению высшего профессионального физического образования.
Причем этого можно ожидать при условии, что курс электродинамики реализует следующие концептуальные идеи:
идею обучения методам общенаучных и физических исследований как инструменту для самостоятельной творческой активности учащихся;
идею гуманитаризации, преодоления технократического характера физического образования, заложенную в содержании преподавания электродинамики за счет включения прикладных вопросов, имеющих гуманитарный характер;
? идею использования исследовательского физического эксперимента как одного из основных познавательных методов в электродинамике.
На основе трех положений гипотезы определились направления экспериментальной работы:
1. Исследовать сформированность методологических и прикладных знаний учащихся, определить изменение качества этих знаний в процессе обучения.
2. Исследовать уровень обученности и развития учащихся.
3. Исследовать уровень мотивации учащихся при изучении физики и характер изменения мотивации учащихся в результате внедрения в преподавание методологических и прикладных вопросов электродинамики.
4. Исследовать результаты самоопределения выпускников, прошедших обучение по курсу «Методологические и прикладные вопросы физики».
При исследовании методологических и прикладных знаний учащихся необходимо определить следующие параметры обученности:
умение выделить физическое явление;
умение применить такие методы, как сравнение, аналогия, симметрия и асимметрия, для начального качественного описания явления;
умение построить физическую модель явления на основе таких методов, как абстрагирование и идеализация;
умение сформулировать математическую модель явления, определить границы применимости сформулированной модели и реализовать ее;
умение смоделировать, организовать и провести эксперимент;
умение выделить такие конкретные приложения данного физического явления, в которых на практике реализована данная модель.
Среди приемов создания познавательной мотивации, сформулированных в [65, с. 35], необходимо отметить как основной прием установление связи изучаемого с жизнью, с достижениями науки и техники. Именно здесь и приобретает максимальное дидактическое значение изучение прикладных вопросов электродинамики. Поэтому при исследовании познавательной мотивации наибольшее внимание уделяется тому, как влияет и обуславливает изучение прикладных вопросов интерес учащихся.
Исследование результатов самоопределения выпускников, их ориентации на получение высшего профессионального физического или физико-технического образования предполагает педагогический мониторинг и анализ результатов поступления выпускников в вузы на соответствующие специальности. Уровень подготовки определяется на основании оценки успешности изучения курса по результатам тестирования учащихся по открытым тестам по электродинамике.
В целом эксперимент осуществлялся в 3 этапа:
1. Констатирующий.
2. Формирующий.
3. Итоговый (обучающий).
При проведении эксперимента использовались следующие методики:
анкета-сочинение — авторская;
тест «Формулировка модели» — авторский;
тест «Построение аналогий» — авторский;
тест по изучению мотивации — авторский коллектив КИУУ, доработанный автором;
тест склонностей «Я предпочту» — по Е. А. Касимову [1];
тесты по электродинамике — выборка из тестовых заданий по общей физике для студентов физико-математических специальностей вузов [155], доработанные и адаптированные автором для учащихся средней школы и дополненные в соответствии с концепцией авторского курса электродинамики;
тесты «Интеллектуальная лабильность» — авторский коллектив Кубанского государственного университета [180];
тесты для итогового контроля знаний учащихся по физике — авторы О. Ф. Кабардин и др. [74];
тематические тесты по физике — составитель Л. В. Пигалицын [153; 154].
Структура педагогического эксперимента: На этапе констатирующего эксперимента в 1993-1995 гг., результатом которого явилась постановка проблемы исследования, ставились задачи:
отслеживание познавательных интересов учащихся в процессе изучения курса электродинамики;
выявление причин, обуславливающих невысокий уровень усвоения курса электродинамики;
изучение мотивации учащихся к изучению физики; были проведены исследования:
тестирование учащихся по курсу электродинамики;
анкетирование учащихся;
тестирование «Мотивация».
На этапе констатирующего эксперимента исследования проводились в 10-х и 11-х классах Нижегородской городской педагогической гимназии. В эксперименте участвовали в течение каждого учебного года до 150 учащихся классов различных профилей: гуманитарного естественнонаучного, математического. Большая часть исследований проведена в классах математического профиля, в которых количество часов физики в неделю составляла 4-5 часов. До 30% учащихся этих классов проявляли достаточный интерес к физике, обусловленный их намерениями продолжать образование на физических и физико-технических специальностях вузов.
Таким образом, на этом этапе пройден путь от простого наблюдения и анкетирования к формулировке проблемы и ее осмыслению.
На этапе формирующего эксперимента в 1996-1999 гг., результатом которого явилась разработка программно-методических материалов «Методологические и прикладные вопросы физики», ставились следующие задачи:
проверка влияния изучения методологических и прикладных вопросов электродинамики на формирования методологических и прикладных знаний учащихся;
определение изменения мотивации учащихся к физике при изучении методологических и прикладных вопросов электродинамики;
проверка влияния изучения методологических и прикладных вопросов электродинамики на степень усвоения материала курса электродинамики; были проведены исследования:
анкета-сочинение учащихся, позволяющая выяснить также гуманитарный аспект изучения методологических и прикладных вопросов физики;
тест «Мотивация» с доработками;
тест по электродинамике.
На этапе формирующего эксперимента основная часть исследования проводились в лицее № 82 Н. Новгорода. Лицей № 82 Н. Новгорода имеет преимущественно физико-математическое направление с углубленным изучением математики и физики, поэтому большинство учащихся лицея сориентированы на продолжение образования после окончания лицея на естественно-математических специальностях вузов. В эксперименте участвовали до 120 учащихся 10-х и 11-х классов математического профиля в экспериментальной группе и до 50 учащихся 10 и 11-х классов физического профиля в контрольной группе в течение каждого учебного года. Недельная нагрузка по физике в экспериментальной группе составляла 4-5 часов, в контрольной — 6-7 часов. На этом же этапе сравнительному анализу подвергались результаты внедрения элементов программно-методических материалов «Методологические и прикладные вопросы физики» в средних школах № 85 с углубленным изучением отдельных предметов, № 117, № 27 Н. Новгорода и ряда других школ города в процессе тестирования учащихся этих школ в связи с государственной аттестацией. Кроме этого были исследованы сравнительные результаты формирования знаний по электродинамике в 11 -м классе химико-биологического лицея г. Кирова и экспериментальной группы.
Похожие диссертации на Формирование методологических и прикладных знаний учащихся в процессе изучения электродинамики в курсе физики средней школы
