Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Наглядно-чувственный образ физического эксперимента в дидактике физики 16
1.1. Психолого-педагогические основы образного мышления в процессе постановки учебного физического эксперимента 16
1.2. Современное состояние проблемы формирования наглядного образа учебного физического эксперимента 34
1.3. Основные принципы методики формирования наглядно-чувственного образа физического эксперимента 42
Глава 2. Методика формирования наглядно-чувственного образа сложного физического эксперимента 55
2.1. Методика демонстрационного эксперимента на примере опытов по электродинамике с использованием компьютерного измерительного комплекса 56
2.2. Методика лабораторного эксперимента на примере серии опытов с инфракрасным излучением 106
2.3. Формирование наглядно-чувственного образа в индивидуальном эксперименте по дифракции света 129
Глава 3. Организация педагогического эксперимента и обсуждение его результатов 147
3.1. Педагогический эксперимент по проверке предлагаемой методики демонстрационного эксперимента 150
3.2. Оценка эффективности разработанной методики лабораторного эксперимента 160
3.3. Оценка коэффициента сформированное наглядно-чувственного образа в индивидуальном эксперименте учащихся 169
Заключение 177
Библиографический список 179
Приложения 205
Приложение 1. Компьютерный измерительный комплекс для учебного физического эксперимента 205
Приложение 2, Содержание индивидуального физического эксперимента учащихся 256
Приложение 3. Результаты педагогического эксперимента 270
- Психолого-педагогические основы образного мышления в процессе постановки учебного физического эксперимента
- Методика демонстрационного эксперимента на примере опытов по электродинамике с использованием компьютерного измерительного комплекса
- Педагогический эксперимент по проверке предлагаемой методики демонстрационного эксперимента
Введение к работе
Система физического образования в стране находится на переломном этапе своего развития: реформированию подверглось как школьное, так и вузовское образование, причем затронутыми оказались основы, представлявшиеся незыблемыми. Это обусловлено коренным изменением ценностных ориентиров общества, ускорением темпов научно-технического прогресса, внедрением в учебный процесс современных научно-технических достижений и, в первую очередь, компьютерных технологий.
Однако физика, как наука, полностью сохранила свое методологическое значение, а как учебный предмет — оказывает определяющее влияние на формирование естественно-научного мировоззрения, личностных качеств учащихся, гуманистической направленности обучения. Физика соединяет в себе достоверность экспериментальных и строгость теоретических методов исследования реального мира, поэтому является базовой учебной дисциплиной естественно-научных циклов школы и вуза. В процессе изучения физики развиваются как теоретическое, так и практическое мышление учащихся. Но в последние десятилетия в силу ряда обстоятельств развитию практического, по своей сути, образного мышления учащихся на занятиях по физике уделялось все меньшее внимание.
Изучение литературы показало, что проблема формирования наглядно-чувственного образа (НЧО) всегда занимала одно из централь- ных мест в психологических исследованиях (Б. Г. Ананьев [21], Л. С. Выготский [44, 45], Н. М. Зверева [67], А. Н. Леонтьев [98], Б. Ф. Ломов [63, 167], С.Л.Рубинштейн [154], Б.М.Теплов [171], Д. Б. Эльконин [224] и др). Применительно к учебному физическому эксперименту этой проблеме уделяли внимание выдающиеся физики (А.-М. Ампер [19], М. Фарадей [183, 184], П.Н.Лебедев [94], Э. Резерфорд [151], А.Эйнштейн [223], П. Л. Капица [81] и др.), лекторы (Р.В.Поль [139, 140, 141], Дж. Тригг [173, 174], А. Б. Млодзеевский [96, 109]), специалисты в области методики преподавания физики (А. В.Усова [178, 179, 180,], С. А. Хорошавин [197, 198, 199, 200, 201, 202, 203, 204], Т. Н. Шамало [207, 208, 209, 210, 211]). Однако обсуждаемая проблема исследована недостаточно. "Парадоксален и печален тот факт, что в исследованиях по методике преподавания физики, которая располагает таким мощным средством обучения, как школьный физический эксперимент, не уделяется должного внимания проблеме развития образного мышления" [209, с. 31-32]. Многие исследователи полагают, что школьный физический эксперимент выполняет в обучении только вспомогательные функции: методологическую, исследовательскую, организационную, политехническую, иллюстративную.
При проведении учебного физического эксперимента учащийся часто не имеет возможности непосредственно воспринимать объекты реального мира, с которыми он взаимодействует (молекулы, электроны и т.д.). Фактически он имеет дело с информационной моделью объекта, которая возникает в результате обработки поступающих от объекта посредством экспериментальной установки инструментальных сигналов. Образ информационной модели не совпадает с образом реального объекта. Учащийся теряет чувство реальности физического объекта, испытывает отчуждение от него. При этом неизбежно выявляются различия между теоретически сформированными представлениями об объекте и наглядно-чувственным образом этого объекта. Это происходит потому, что воспринимается не реальный объект во всем многообразии его сенсорных свойств, а абстрактная модель этого объекта в обобщенной, но чувственно обедненной форме.
Одной из тенденций совершенствования учебного процесса по физике является использование сложных физических экспериментов. Эксперимент будем называть сложным (для восприятия), если он позволяет изучить объекты или явления, непосредственно не воспринимающиеся органами чувств человека. В таких случаях экспериментальные установки можно рассматривать как продолжения органов чувств. Ярким примером указанной выше тенденции является внедрение компьютеров для визуализации и обработки экспериментальных данных. Поскольку первоначальную информацию человек получает путем непосредственного восприятия (с помощью органов чувств или приборов), то в интеллектуальной деятельности человека необходимо развитие образного мыслительного аппарата, чему в последнее время уделяется недостаточное внимание.
Развитие образного мышления связано с формированием наглядно-чувственных образов. Применение современных средств экспериментальной физики в учебном эксперименте требует исследования проблемы формирования наглядно-чувственного образа физического эксперимента у учащихся на новом уровне. Современная дидактика физики призвана решить противоречие между объективной физической реальностью и виртуальным миром, создаваемым компьютеризованными технологиями обучения. Мы полагаем, что компьютеры и иные технические средства не только не уводят от реальности, но при соответствующей методике способны обеспечить более эффективное фор- мирование образного мышления. Это основное противоречие влечет за собой ряд других: между абстрактным предметом учебно-познавательной деятельности, включающим понятия, модели, знаковые системы, алгоритмы действий, и реальной деятельностью учащихся, требующей развитого теоретического и практического мышления; между относительно пассивной позицией учащегося в процессе обучения и необходимостью творческого подхода в будущей деятельности в условиях современной экономической системы; между сложностью техники, обеспечивающей экспериментальное изучение явления, и необходимой доступностью учебного физического эксперимента.
Указанные противоречия определяют актуальность нашего исследования.
Объект исследования: учебный физический эксперимент (УФЭ) в системе физического образования.
Предмет исследования: методика формирования наглядно-чувственных образов (НЧО) сложных учебных физических экспериментов в сознании учащихся.
Цель исследования: разработка сложных физических экспериментов, отражающих физические объекты или явления, непосредственно не воспринимающиеся органами чувств человека, и методики формирования соответствующих наглядно-чувственных образов.
Гипотеза исследования построена на следующих предпосылках: основой наглядно-чувственного образа физического эксперимента является зрительный образ; наглядно-чувственный образ сложного физического эксперимента может быть сформирован при активной познавательной деятельности учителя и учащегося; наглядно-чувственный образ сложного физического эксперимента можно сформировать при условии сформированности всех структурных элементов этого эксперимента; формирование наглядно-чувственных образов УФЭ позволяет активизировать мыслительную деятельность учащихся, что оказывает положительное влияние на процесс усвоения знаний.
Гипотеза исследования: методика формирования наглядно-чувственного образа сложного учебного физического эксперимента обеспечит повышение эффективности процесса обучения физике ЕСЛИ: в предлагаемом сложном учебном физическом эксперименте будет использована современная экспериментальная техника (мульти-метры, осциллографы, компьютеры, лазеры и др.); при разработке этой методики будут учтены предложенная дидактическая модель процесса формирования наглядно-чувственного образа эксперимента и принципы визуализации, поэлементной сформированности и обратной связи.
Для проверки гипотезы и достижения цели исследования решены следующие задачи:
Проанализировать современное состояние проблемы формирования НЧО учебных физических экспериментов в демонстрационном и лабораторном вариантах.
Обосновать дидактическую модель и основные принципы формирования НЧО физических экспериментов.
Разработать содержание и методику постановки сложного физического эксперимента на базе современных технических средств с целью повышения эффективности обучения физике.
Предложить методику, основанную на дидактической модели процесса формирования НЧО эксперимента и принципах визуализации, поэлементной сформированности и обратной связи.
5. Педагогическим экспериментом подтвердить эффективность предлагаемой методики формирования НЧО сложных физических экспериментов в учебном процессе среднего общеобразовательного и высшего педагогического учебных заведений.
Методологическая основа исследования определяется поставленными целями и задачами и строится на разработанных в психолого-педагогической науке дидактических теориях, общих принципах дидактики, методологических принципах физики, методах педагогической квалиметрии, достижениях и тенденциях общей и частных дидактик физики.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: теоретический анализ проблемы на основе анализа психолого-педагогической, методической, физической и специальной технической литературы; теоретическое и экспериментальное исследование новых учебных опытов, опытно-конструкторская работа по созданию новых учебных физических приборов и экспериментальных установок; специальные методы создания нового программного продукта, обеспечивающего реализацию методики формирования НЧО физических экспериментов при использовании компьютерных технологий; педагогический эксперимент в форме реального использования новых педагогических технологий в учебном процессе; эмпирические методы: анкетирование, тестирование, метод групповых экспертных оценок; статистические методы обработки и анализа результатов педагоги- ческого эксперимента.
База исследования: физико-математический факультет Глазов-ского государственного пединститута им. В.Г.Короленко.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Дидактическая модель учебного физического эксперимента, включающая условия (оборудование, экспериментальная установка, порядок выполнения эксперимента), результат (совокупность наблю даемых явлений, основное явление, количественная характеристика), анализ (связь полученного результата с другими, теоретическое объ яснение результата, прогноз новых явлений), адекватно отражает про цесс формирования наглядно-чувственных образов экспериментов и может быть положена в основу методики их формирования и оценки эффективности этой методики.
Принципы визуализации, поэлементной сформированности НЧО и обратной связи при постановке эксперимента позволяют осуществить технологию обучения, эффективно формирующую наглядно-чувственные образы экспериментов.
Созданные новые УФЭ по электродинамике, инфракрасной и волновой оптике на основе современной экспериментальной техники, обеспечивают эффективное формирование наглядно-чувственных образов.
Научная новизна исследования определяется тем, что впервые исследована роль УФЭ в формировании чувственно-наглядных компонентов мыслительной деятельности при обучении физике; сформулированы принципы визуализации, поэлементной сформированности НЧО и обратной связи при постановке эксперимента; разработаны содержание и методика постановки 82 новых сложных физических экспериментов с использованием современных технических средств; разработана методика формирования НЧО при постановке сложных физических экспериментов на основе соответствующей дидактической модели (условия —> результат —> анализ).
Достоверность и обоснованность результатов обеспечены: всесторонним анализом проблемы исследования; применением разработанных методик, адекватным целям исследования; реальным созданием и постановкой новых учебных экспериментов в соответствии с целью исследования; длительностью педэксперимента, контролируемостью его условий и повторяемостью результатов, соблюдением основных дидактических требований по его организации; применением методов математической статистики по обработке результатов педагогического эксперимента.
Критерии эффективности предлагаемой методики: полнота сформированности НЧО сложного эксперимента; содержание и характер знаний учащихся, связанных с постановкой сложного физического эксперимента; умение учащихся самостоятельно разрабатывать и проводить учебный физический эксперимент.
Теоретическая значимость результатов исследования заключается в том, что уточнено содержание понятия "наглядно-чувственный образ учебного физического эксперимента"; введено понятие "сложный учебный физический эксперимент"; предложен критерий сформированности НЧО учебного физического эксперимента на основе его дидактической модели; выявлены основные принципы, необходимые при разработке методики постановки эксперимента, целью которой является формирование соответствующего образа.
Практическая значимость исследования: предложена педагогическая технология формирования наглядно- чувственного образа сложного физического эксперимента на основе принципов визуализации, поэлементной сформированности НЧО и обратной связи при постановке эксперимента; разработаны содержание, технология и техника проведения 82 сложных экспериментов по механике, электродинамике, волновой оптике и квантовой физике; разработана и опробована система оценки конкретной методики на качество сформированности НЧО сложного учебного физического эксперимента.
Логика исследования включает следующие этапы.
Первый этап (1990-1994 гг.) связан с постановкой проблемы исследования и определением ее границ. Изучалась литература по технике современного учебного и научного физического эксперимента. Разрабатывались отдельные учебные эксперименты. Осваивалась методика и технология проведения учебно-исследовательских занятий, имеющих целью развитие творческих способностей учащихся в процессе создания новых учебных опытов. Изучался и анализировался передовой опыт педагогов-исследователей. Окончание этапа связано с осознанием проблемы формирования наглядно-чувственного образа, предварительным ее ограничением и постановкой констатирующего педагогического эксперимента. В этот период разработан новый учебный эксперимент с инфракрасным излучением, индивидуальный вариант которого опубликован в работе [102], а демонстрационный и лабораторный — значительно позже, в работах [5, 6]. Для визуализации распределений физических величин в зависимости от времени и координаты предложен специальный прибор, представляющий собой электронную память для осциллографа [4].
Второй этап (1995-1996 гг.) начат с определения целей и разработки гипотезы исследования. Доказательство справедливости сформулированной выше гипотезы корректно не может быть проведено на базе известных опытов, так как невозможно достоверно установить, что до постановки таких опытов их НЧО не были сформированы в сознании обучаемых. Только новые учебные эксперименты, разрабатывающиеся в совместном творчестве учителем и учащимся, гарантируют формирование в сознании учащегося нового наглядно-чувственного образа эксперимента, а значит, позволяют исследовать закономерности этого процесса. Поэтому для доказательства справедливости гипотезы настоящего исследования необходима разработка новых учебных физических экспериментов разной сложности путем совместного творчества учащегося и учителя. Такая творческая работа одновременно выполняет функции педагогического эксперимента, так как в процессе создания новых учебных опытов по физике можно оценить начальный и конечный уровни сформированности НЧО эксперимента в сознании учащегося. Вместе с тем, эта деятельность непосредственно связана со школой, поскольку новые опыты разрабатываются в конечном итоге с целью совершенствования учебного процесса в средней общеобразовательной школе. Реально такая работа может быть осуществлена в педагогическом вузе, так как только при выполнении курсовых и дипломных работ студентов может быть эффективно обеспечена творческая деятельность по созданию новых сложных учебных опытов.
На втором этапе осуществлялся выбор адекватных методов исследования, изучалась и анализировалась психологическая, педагогическая, методическая и специальная научная литература. Была про- ведена систематизация психолого-педагогических основ формирования образа реального объекта, выявлено соотношение между образами физического эксперимента и явления, обосновано понятие наглядно-чувственного образа сложного для восприятия учебного физического эксперимента, предложены и обоснованы основные дидактические модели, критерии и принципы методики [7, 8, 9]. Проведен поисковый и продолжен обучающий эксперимент по творческой работе с учащимися. Разработан новый учебный эксперимент по демонстрации первой зоны Френеля в оптическом диапазоне [11]. По результатам теоретического исследования сформулированы требования к доступному компьютерному измерительному комплексу, полностью разработан комплекс, создано программное обеспечение, с целью определения доступности и надежности изготовлено 5 экземпляров компьютерного оборудования, разработан учебный эксперимент по электродинамике [3, 14, 18]. Осуществлено внедрение разработанных приборов и установок в учебный процесс.
Третий этап (1997-1998 гг.) исследования посвящен педагогическому эксперименту. Продолжено экспериментальное обучение по новой методике на компьютерном комплексе, разработаны устройство гальванической развязки [12], измеритель времени [13], компьютерная установка для эксперимента с электромагнитными волнами, лабораторный практикум по электродинамике [15]. Обобщены теоретические и экспериментальные результаты исследования [16, 17]. Определены эффективность предлагаемой методики и справедливость ее основных предпосылок в педагогическом эксперименте, включающем в основном экспертную оценку методики демонстрационных вариантов экспериментов, тестирование учащихся с целью определения сформированно-сти графических представлений в процессе выполнения лабораторных экспериментов на компьютерном измерительном комплексе, экспертную оценку сформированное наглядно-чувственного образа эксперимента в процессе выполнения учащимися заданий творческого характера.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялась в Глазовском пединституте, Глазовском филиале Ижевского технического университета, Уральском политехническом университете, Уральском педагогическом университете, в средней школе № 15 г. Глазова. Полученные результаты докладывались и обсуждались на региональных, международной и Российской научных и научно-практических конференциях в Глазове (1995, 1996,1997, 1998 гг.), Екатеринбурге (1996, 1997 гг.), Ижевске (1995 г.), Кирове (1997 г.), они отражены в 17 публикациях автора.
Психолого-педагогические основы образного мышления в процессе постановки учебного физического эксперимента
Проблема мышления является одной из центральных в психологии и изучалась многими научными школами. Различные направления в исследовании этой проблемы были впервые обозначены и в дальнейшем активно разрабатывались отечественными психологами Б.Г.Ананьевым [21], Л.С.Выготским [44, 45], Н. А. Зверевой [67], А.Н.Леонтьевым [98], Б.Ф.Ломовым [63, 167], С.Л.Рубинштейном [154], Б. М. Тепловым [171], Д. Б. Элькони-ным [224] и др. Хорошо известны и используются работы зарубежных исследователей: концепция детского интеллекта и этапов его становления Ж. Пиаже [138], трехмерная модель интеллекта Дж. Гилфорда [51, с. 416-418], коэффициент интеллекта IQ [51, с. 429-430] и т.д. В последнее время быстро развиваются информационно-кибернетическая теория мышления и теория искусственного интеллекта [51, с. 470-477].
Выводы и модели этих исследований основываются на наблюдениях, психологических экспериментах, результатах социологических опросов, проведенных на различных категориях людей: детях, учащихся, профессионалах в каком-либо виде деятельности, а также людях, с психическими и физическими отклонениями. Таким образом, полученные выводы отличаются высокой общностью и достоверностью, и потому проникают в смежные отрасли науки: инженерную психологию, общую педагогику, частные методики и т.д.
В дидактике физики [78] установленные в психологии закономерности мышления использованы в трудах Л. И. Анциферова [22, 24, 25], В. С. Данюшенкова [56, 57], О. Ф. Кабардина [71, 72], В. Г. Разумовского [147, 148, 149, 165], Ю. А. Саурова [157, 158, 160], А. В. Усовой [178, 179, 180, 181], Т.Н.Шамало [207, 208, 210] и др., которыми подробно исследована проблема использования физического эксперимента в учебном процессе. Полученные в этих исследованиях результаты составляют методическую основу настоящей работы.
В современной психологии четко выделяют два типа мышления: теоретическое и практическое [126, с. 232-239; 128]. Различие между ними состоит в том, что в решении частных, конкретных, текущих задач, зачастую имеющих множество неопределенных факторов, лимит времени и т.п. привлекается практическое мышление, а для выделения общих закономерностей из ряда уже известных фактов используется теоретическое мышление. Результаты практического мышления сразу воплощаются в жизнь и тем самым проверяются. Логические построения — результат теоретического мышления, проверяются опосредованно, через практические следствия. Нельзя, однако, приписать преимущества одному из двух типов мышления. Работа практического ума зачастую более сложна и ответственна, чем теоретического [171, с. 223-233]. В первом приближении можно считать, что теоретическое мышление бывает понятийным и образным, а практическое — наглядно-образным и наг л яд но-действенным [126, с. 232-239]. Однако для анализа сложных методических проблем этого приближения недостаточно и применяют комплексный подход, учитывающий различные психологические теории и модели.
Методика демонстрационного эксперимента на примере опытов по электродинамике с использованием компьютерного измерительного комплекса
К наиболее сложным демонстрационным опытам справедливо относят количественные. Отличительной особенностью количественного эксперимента является то, что он оперирует с физическими величинами. Физическая величина характеризуется в первую очередь своим значением, которое может быть постоянным или меняться со временем или в зависимости от другой физической величины. Так как мир существует в пространстве и времени, то наиболее важными и часто встречающимися в природе являются зависимости физической величины от времени и линейной или угловой координаты. Графическое представление первой зависимости принято называть осциллограммой, второй — распределением,. Наконец, одна физическая величина может зависеть от произвольной другой, то есть ни от времени, ни от координаты; эту ситуацию будем называть просто зависимостью. Разумеется, одна физическая величина одновременно может зависеть от нескольких, но в таком случае предпочитают функциональную зависимость со многими аргументами сводить к нескольким функциям, все аргументы которых, кроме одного, фиксированы, и изучать их последовательно.
Для разработки методики формирования НЧО демонстрационного эксперимента мы выбрали систему опытов по электродинамике, поскольку демонстрационные количественные варианты их сложны и к ним могут быть сведены количественные демонстрации из других разделов физики.
Учебный эксперимент по электродинамике можно разделить на две большие группы опытов: эксперимент с постоянными токами, и эксперимент с переменными токами.
Непосредственно в эксперименте чаще всего измеряются напряжение и ток. Такие величины, как мощность, сопротивление, заряд, напряженность электрического поля и т.д. определяют расчетом по результатам непосредственных измерений. Поэтому в первую очередь необходимо создание НЧО, обеспечивающих формирование понятия электрического тока и характеризующих его физических величин — напряжения и силы тока в электрической цепи.
Педагогический эксперимент по проверке предлагаемой методики демонстрационного эксперимента
Констатирующий педагогический эксперимент заключался в качественной характеристике уровня сформированности НЧО демонстрационного физического эксперимента как у студентов младших курсов, так и у выпускников физико-математического факультета Глазовского пединститута.
В учебном процессе Глазовского пединститута по курсу общей физики предусмотрена постановка около 150 демонстраций (механика — 34, молекулярная физика — 25, электродинамика — 37, оптика — 34, квантовая физика— 21). Реально по тем или иным причинам ставится меньшее число демонстрационных опытов, но оно никогда не снижается ниже 100. Обычно демонстрационная установка готовится заранее, на лекции преподаватель в течение нескольких минут демонстрирует физическое явление. При этом опыт часто носит иллюстративный характер, иногда — феноменологический, то есть доказывающий существование физического явления. Подобная методика проведения лекционных демонстраций характерна для большинства педагогических вузов и диктуется острой нехваткой учебного времени. Таким образом, только по курсу общей физики за три первых года обучения студенты наблюдают большое количество демонстрационных опытов. В связи с этим можно сделать предположение, что НЧО физического эксперимента в целом у них должен быть сформирован.
Уровень сформированности НЧО эксперимента оценивался по результатам экзаменационных ответов и тестов по курсам оптики, квантовой физики и спецкурсам. Вопросы носили традиционный теоре-тизированный характер и напрямую не были связаны с физическими опытами. Применялись также тесты, содержавшие чисто экспериментальные вопросы (например, по системам опытов волновой физики, голографии, градиентной оптики, квантовой физики и т.д.). За три года в нашем констатирующем эксперименте приняли участие 210 студентов, каждый из которых отвечал в среднем на 12 вопросов. Оценка носила качественный характер, отмечалась достаточная, удовлетворительная или недостаточная сформированность НЧО УФЭ.
Характерной чертой всех ответов было отсутствие аргументации, построенной на физическом эксперименте, и практически полное отсутствие представлений о реальной экспериментальной установке. Отдельные ответы были таковы, что возникали сомнения в том, ставился ли вообще соответствующий демонстрационный эксперимент на занятиях.
Таким образом, констатирующий эксперимент, в котором использовались методы наблюдения, бесед, тестирования, со всей убедительностью показал, что в подавляющем большинстве случаев ни выпускники школ, поступившие в пединститут, ни выпускники пединститута, обучавшиеся по традиционной методике, не обладают сформированным НЧО того физического эксперимента, который ими изучен в демонстрационном варианте в соответствии с принятой технологией обучения. Констатирующим экспериментом обоснована необходимость проведения исследований в области методики формирования наглядно-чувственного образа сложного физического эксперимента.
