Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ВВЕДЕНИЯ ПОНЯТИЙ «НЕИНЕРЦИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОТСЧЕТА» И «СИЛЫ ИНЕРЦИИ» 10
1.1. Исторические аспекты развития понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» 10
1.2.Роль моделей и моделирования в формировании научного мировоззрения учащихся ... 27
1.3.Обоснование введения понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» в курс механики средней школы ... 43
ГЛАВА II. МЕТОДИКА ЮУЧЕНИЯМЁ&ШИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В НЕИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ОТСЧЕТА 58
2.1. Методика изучения понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» 58
2.2. Методика изучения динамики движения тел во вращающихся системах отсчета . 86
2.3. Сила тяжести и вес тела в системах отсчета, движущихся с ускорением ... 106
ГЛАВА III. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ И ЕГО РЕЗУЛЬТАТЫ 123
3.1. Организация педагогического эксперимента 123
3.2. Анализ результатов педагогического эксперимента 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 155
- Исторические аспекты развития понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции»
- Методика изучения понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции»
- Организация педагогического эксперимента
Введение к работе
Содержание обучения физике в средней школе претерпевает закономерный процесс периодического обновления и непрерывного совершенствования. Построению содержания курса физики посвящали свои работы ведущие физики (И.К. Кикоин, Г.Я. Мякишев, А.А. Пинский, В.М. Яворский и і ::Л др.) и методисты (Ю.Н. Дик, СЕ. Каменепкий, А.В. Перышкин, В.Г. Разу (- .",, мовский, Н.А. Родина, А.П. Рымкевич, Э.Е. Эвенчик и др.). В этих работах
Ч-Г рассматриваются принципы, которые позволяют корректировать содержа ли ние курса физики, обосновываются вносимые в него изменения, указывают Ші\ ся приоритетные идеи и направления в его развитии.
v w Тем не менее, до сих пор при развитии содержания курса физики
?::, - средней школы остаются нерешенными многие проблемы, в том числе и
- • проблема минимизации содержания курса на основе его построения с пози к/
ций современных физических знаний. Ф Кроме того, для реализации образовательно-воспитательных задач
Ш; учебный предмет физика может выступать одновременно как средство и
# " цель. Поэтому необходимо рассматривать физику не только как естествен ную науку, но и как один из компонентов формирования основ научного мировоззрения ученика. С этой точки зрения, формирование у школьников
; современной физической картины мира, представляющей собой высший
уровень обобщения и систематизации естественнонаучных знаний, является і важной образовательной задачей.
- _ , Формирование представлений о современной физической картине ми ра должно базироваться на фундаментальных знаниях, систематизированных и взаимосвязанных элементах, составляющих целостную структуру. С первым научным описанием физических явлений учащиеся встречаются при изучении механики, поэтому очень важно на этом этапе формировать знания школьников, основываясь на современных представлениях о физической
- ч картине мира. В настоящее время в курсе механики детально разработана методика изучения физических процессов в инерциальных системах отсчета, а неинерциальным системам отсчета уделяется недостаточно внимания. Между тем в структуре современной физической картины мира эти понятия являются основополагающими. Именно они позволяют более глубоко изучать в дальнейшем специальную теорию относительности и перейти к вопросу о введении в курс физики средней школы элементов общей теории относительности.
Кроме этого, существующий в методике акцент на изучение инерциальных систем отсчета создает методологические трудности, так как учащиеся в этом случае предполагают, что существует единственная модель описания реального мира. Эти трудности при формировании целостных представлений о современной физической картине мира могут быть устранены, если изучение неинерциальных систем отсчета будет более глубоким.
Вопрос о включении в курс физики средней школы понятия «неинер-циальные системы отсчета» рассматривался в середине семидесятых годов, однако, в то время методической поддержки он не получил. Считалось, что изучение этих понятий недоступно для школьников. В последние годы были проведены исследования [72, 92, 120, 129, 149], которые позволили подойти к решению проблемы формирования понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» с новых позиций.
Своевременность обращения к этой проблеме обусловлена теми противоречиями, которые присущи современному процессу обучения:
• между необходимостью формирования у учащихся целостного представления о современной физической картине мира и ограничением объема учебного материала;
• между расширенной информационной средой (телевидение, научно-популярная литература и др.), окружающей школьников и создающей условия для изучения понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы
инерции», и недостаточностью разработки соответствующих методических основ для введения этих понятий в курс физики средней школы;
• между требованиями к отбору содержания курса физики по вопросу формирования современной физической картины мира и недостаточной разработкой соответствующих учебных технологий обучения.
Преодолению этих противоречий может способствовать включение в учебный материал понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» и разработка методики их формирования.
На примере изучения двух различных систем отсчета - инерциальные и неинерциальные - появляется возможность раскрыть методологию познания явлений. Введение этих понятий будет способствовать:
• формированию у школьников более полного и логически завершенного представления об окружающем мире;
• созданию основы для более глубокого изучения физических явлений, расширению границы применимости законов Ньютона;
• систематизации знаний;
• созданию основ для изучения специальной и общей теории относительности.
Таким образом, актуальность исследования обусловлена тем, что в настоящее время появляется возможность для разработки методики изучения понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» в курсе физики средней школы, что позволит повысить уровень систематизации знаний и даст возможность рассматривать с более глубоких научных позиций происходящие физические явления, а это, в свою очередь, будет способствовать формированию у школьников целостных представлений о современной физической картине мира.
Объектом исследования является процесс обучения физике в средней школе в условиях дифференцированного обучения.
Предмет исследования - методика изучения понятий «неинерциаль-ные системы отсчета» и «силы инерции» в процессе формирования у учащихся современной физической картины мира.
Цель исследования - создание и обоснование методики формирования понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» в условиях дифференцированного обучения физике.
Гипотеза исследования: Изучение понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» обеспечит повышение уровня научности знаний учащихся и будет способствовать формированию целостного представления о современной физической картине мира, если:
1) определены этапы формирования понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции»;
2) создана методика изучения соответствующего учебного материала на основе дидактической модели формирования понятий;
3) разработаны технологии обучения с учетом методических требований доступности и вариативности.
Критерии эффективности предлагаемой методики базируются на системе уровней научности знаний учащихся, предложенной В. П. Беспаль-ко. При определении полноты сформированности понятий использовался поэлементный анализ, предложенный А. В. Усовой.
Исходя из цели и гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи:
1. Проанализировать роль и место понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» в процессе развития физической картины мира.
2. Определить целесообразность введения понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» в курс механики средней школы.
3. Сформулировать условия формирования понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции».
4. Разработать методику изучения понятий «неинерциальные системы
отсчета» и «силы инерции» в условиях дифференцированного обучения.
5. Разработать вариативные технологии обучения для использования их в общеобразовательных школах и в классах физико-математического профиля.
6. Экспериментально проверить эффективность разработанной методики.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:
• изучение и теоретический анализ психолого-педагогической, научной, методической и специальной литературы по изучаемой проблеме;
• анализ содержания программ, учебных планов, структуры уроков физики;
• педагогические измерения (анкетирование, проведение интервью и наблюдений, тестирование) с целью подтверждения эффективности предлагаемых учебных технологий;
• моделирование деятельности учителя физики;
• педагогический эксперимент с целью определения эффективности предложенной методики;
• статистические методы обработки результатов педагогического эксперимента;
• качественный и количественный анализ результатов исследования. Логика исследования включала следующие этапы:
1. Изучение психолого-педагогической и методической литературы по проблеме изучения понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» в средней школе.
2. Обоснование цели и задач исследования.
3. Выявление путей и психолого-педагогических условий реализации поставленных задач, выдвижение гипотезы и разработка методики.
4. Организация и проведение педагогического эксперимента.
5. Количественный и качественный анализ результатов педагогического эксперимента.
Научная новизна полученных в работе результатов определяется тем, что сформулирована и решена новая для теории и методики обучения физике задача поэтапного формирования понятий «неинерциальныв системы отсчета» и «силы инерции» в курсе физики средней школы с целью повышения уровня научности знаний учащихся в процессе формирования современной физической картине мира.
Теоретическая значимость диссертационного исследования состоит в следующем:
• обоснована необходимость и доступность изучения понятий «не-инерциальные системы отсчета» и «силы инерции» и уточнено их содержание в курсе механики средней школы;
• обоснованы роль и место понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» в процессе формирования у учащихся представлений о целостной физической картине мира;
• созданы .дидактические модели изучения понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» на основе их поэтапного формирования.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
• разработаны технологии по изучению понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» в средней школе;
• определены конкретные пути реализации разработанных учебных технологий для учащихся общеобразовательных школ и школ с углубленным изучением физики и математики;
• предложены методические рекомендации по использованию разработанных технологий в практике работы средних школ.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в школах Екатеринбурга, Артемовского, Ачита (1996-2000 гг.). Основные положения диссертации обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в высшем образовании» (1999 г., Екатеринбург); на форуме молодых ученых и студентов (2000, 2001 г., Екатеринбург); на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы математического образования в педагогических вузах на современном этапе» (2000 г., Екатеринбург); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности подготовки учителей физики, информатики и технологии в условиях новой образовательной парадигмы» (2001 г., Екатеринбург); на научных семинарах кафедры методики преподавания физики и ТСО УрГПУ (2000, 2001 г.), на курсах повышения квалификации учителей Свердловской области (1999-2001 г.г.).
На защиту выносятся следующие положения:
1. Введение понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции» в основной курс физики средней школы обогатит его содержание и будет способствовать формированию у учащихся целостного представления о современной физической картине мира.
2. Методика поэтапного формирования понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции», основанная на использовании дидактической модели формирования понятий, позволит разработать соответствующие вариативные технологии, применение которых обеспечит повышение уровня научности знаний школьников.
Исторические аспекты развития понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции»
Прогрессивное развитие общества невозможно без овладения последующими поколениями всей совокупностью знаний, которые оно приобрело на разных стадиях своего становления. Поэтому вопрос о том, чтобы фундаментальные физические положения, составляющие основу современной научной картины мира, входили в содержание школьного курса физики, является принципиальным для совершенствования физического образования.
Введение фундаментальных положений и стержневых идей современной физики в содержание образования в доступной для учащихся форме может быть выполнено только в результате специального анализа существующего состояния физической науки и динамики ее развития.
Одна из важных функций исторического аспекта развития науки заключается в следующем. Суть ее в самом общем виде хорошо сформулирована Луи де Бройлем: «История науки может дать нам полезные указания о методе преподавания науки» [45,с. 314].
Как было замечено В.Н. Мощанским, ученики довольно часто допускают такие же ошибки в понимании важнейших физических понятий и идей, которые аналогичны заблуждениям, имевшим место в историческом процессе формирования этих понятий и идей (вспомним представления о силе как причине движения, представления об энергии как о виде материи, абсолютизацию одной какой-либо системы отсчета, чаще всего той, что связана с Землей, и т. д.) [91]. Это вполне объяснимо, так как логическое (учебное познание) и историческое (общественно-историческое познание) находятся в единстве и имеют общность в том, что в познании любого объекта есть нечто объективно сложное, трудное как для зрелого ума ученого, так и тем более для только еще формирующегося ума школьника. Отсюда следует возможность некоторого прогнозирования затруднений, возникающих у учащихся в процессе изучения ими ряда физических понятий и идей. Зная, на чем конкретно «споткнулись» физики в трактовке тех или иных понятий и идей, можно построить методику изложения так, чтобы на том же самом не «споткнулись» учащиеся, т. е. можно скорректировать учебное познание в соответствии с научным [91].
Следовательно, сущность исторического подхода к решению проблем преподавания состоит в том, что при разработке методики изучения физических понятий и идей необходимо:
1) выявить, какие ошибки были допущены в историческом процессе формирования этих понятий и идей;
2) выявить конкретные причины этих заблуждений в историческом процессе развития физики (т. е. установить, в чем проявилась недиалектич-ность мышления, что конкретно преувеличивалось, понималось односторонне, игнорировалось, незнание каких вопросов создавало трудности познания и т. д.);
3) построить методику изложения этих вопросов так, чтобы в их трактовке были устранены причины, которые могли бы вызвать у учащихся заблуждения (т. е. устранить ту недиалектичность, односторонность, неполноту знаний по данному вопросу, которые могут породить заблуждение).
Таким образом в ряде случаев, чтобы показать значение открытия, важно заглянуть не только в будущее, но и в прошлое, в предысторию открытия, т. е. восстановить всю цепь событий, начиная с того, что предшествовало открытию, и кончая тем, что оно дало последующему развитию науки. Величие научного подвига Галилея состоит прежде всего в том, что открытие им принципов инерции, относительности, независимости ускорения свободного падения от массы подорвало веру в господствовавшие на протяжении ряда веков аристотелевские взгляды на движение, а вместе с этим подорвало веру и в догматы религиозных учений, спекулирующих на взглядах Аристотеля. В открытиях Галилея люди впервые увидели, что «здравый смысл» — плохой советчик в поисках истины, что истинным может быть не то, что кажется всем очевидным и ясным, а то, что согласуется с опытом и выводится из него [25].
Проанализируем становление науки механики и трудности, с которыми столкнулись ученые при изучении механических явлений.
В материальном мире существуют три группы законов: 1) всеобщие или универсальные; 2) общие для достаточно большого множества явлений; 3) частные или специфические.
К первым относятся единые диалектические принципы бытия, проявляющиеся во всех явлениях природы и общества: закон причинности, закон единства и борьбы противоположностей, взаимного перехода количественных и качественных изменений, законы взаимоотношения сущности и явления, возможности и действительности, формы и содержания и ряд других. Они изучаются в рамках диалектического материализма, хотя и частные науки вносят определенный вклад в их понимание, раскрывая формы их проявления в различных областях действительности.
Методика изучения понятий «неинерциальные системы отсчета» и «силы инерции»
В существующих учебниках понятие «неинерциальная система отсчета» вводится только на уровне определения, а понятие «силы инерции» не вводится совсем, поскольку считается, что они сложны для понимания школьников. Однако наше исследование показало, что эти понятия не такие сложные, как это принято считать, и вполне доступны для понимания учащимися. В окружающем нас мире мы часто наблюдаем проявление сил инерции, а с неинерциальными системами отсчета имеем дело чаще, чем с инерциальными системами, и поэтому очень важно показать и объяснить учащимся роль этих понятий, и не уходить от тех вопросов, которые в связи с этим возникают у школьников [111].
Введение понятий «неинерциальная система отсчета» и «силы инерции» позволит углубить понятие инерциальных систем и систематизировать знания по кинематике и динамике. Кроме этого, понятия «неинерциальная система отсчета» и «силы инерции» предоставляют возможность еще раз показать школьникам на ярких примерах сущность построения моделей и использования методов моделирования в обучении [109,110].
В процессе обучения физике учитель использует различные методические приемы для формирования понятий, которые отличаются по содержанию, объему, специфике, сложности и т. д. Выбор методики обусловлен многочисленными педагогическими факторами. Подробный анализ способов формирования понятий и типичных ошибок, допускаемых при этом учащимися, осуществлен А. В. Усовой [139].
Проблеме формирования понятий посвящено большое количество дидактических исследований, которые в той или иной мере отражают концепции, развиваемые в настоящее время педагогической психологией: В основу одной из них положена мысль о поэтапном формировании умственных действий в рамках теории интериоризации, предложенной П. Я. Гальпериным [27]. Этот подход характеризуется тем, что формирование понятий осуществляется жесткими приемами, с помощью которых происходит интериориза-ция предметного оперирования в умственные действия. Такой путь образования понятий оказывается эффективным лишь в тех случаях, когда можно непосредственно и незамедлительно в процессе усвоения знаний применить их на практике. Преимущество предлагаемой методики заключается в жесткой технологии обучения, которая позволяет однозначно решить вопрос об усвоении знаний, но слабо влияет на развитие учащихся. Такой путь формирования понятий вооружает школьников техникой мышления, позволяет эффективным путем сообщить им конкретные знания.
Нельзя, конечно, отрицать необходимость умения владеть приемами мышления, производить определенные практические операции, четко знать определения понятий, но не менее важно привести в движение собственную мыслительную деятельность, воспитать у учащихся самостоятельность, сохранив при этом их интеллектуальное своеобразие.
Сторонники другого пути (С. Л. Рубинштейн, Н. А. Менчинская, А. В. Усова и др.) считают, что «возможность освоения и использования человеком предъявляемых ему извне знаний - понятийного обобщения и способов действия или операций - зависит от того, насколько в процессе собственного его мышления созданы внутренние условия для их освоения и использования» [127, с. 11—12]. Они доказывают, что формирование понятий осуществляется в ходе разнообразной деятельности учащихся и не является результатом простого переноса практического действия из материального плана в идеальную структуру, а представляет собой раскрытие новых связей и отношений, решение задач, движение собственной продуктивной мысли и осуществление рефлексивных процессов. В отличие от прямого научения этот путь предполагает использование гибких дидактических технологий, приводящих к развитию самостоятельного мышления.
Перспективными представляются исследования, которые осуществляются под руководством В. В. Давыдова. В них подчеркивается значимость дедуктивного метода и преимущество формирования понятий с позиций теоретического подхода В. В. Давыдов указывает, что формирование понятия должно начинаться с определения, поскольку в школе изучают только те понятия, которые полностью сложились в науке. Он не считает целесообразным использовать путь «от конкретного — к абстрактному», признавая единственно правильным формирование теоретического мышления посредством движения от абстрактного к конкретно-мысленному. В ряде своих работ В.В. Давыдов отмечает, что в зависимости от возрастных этапов учебной деятельности «теоретически общее» может быть раскрыто «...самими школьниками либо в предметно-действенной форме, либо в форме словесных диалогов и обсуждений, либо в экспериментально-исследовательском поиске» [43, с. 43].
Организация педагогического эксперимента
Рассмотрим, как формировались понятия модели и моделирования в процессе зарождения экспериментального и теоретического методов физики, которое началось еще в античные времена. В «Началах» Евклида (около 330 - 327 гг. до н. э.) была представлена аксиоматическая конструкция античной геометрии, построения которой носили зачастую физический характер. В основе геометрии Евклида лежали реальные объекты - свет и тела. Геометрические построения, аксиомы и теоремы опирались на представления о свете как идеальном объекте и о твердом теле, которое конструировалось из реального тела в процессе идеализации [74].
В трудах Г. Галилея (1564 -1642 гг.) происходит первичный синтез теоретических и эмпирических методов исследования. Исследования Галилея служат толчком к позитивисткой разработке методологии новой науки. Развивается и усиливается связь эксперимента и теории, которая осуществляется через идеализированные объекты. Именно на этом пути в конечном итоге была развита классическая механика.
Говоря современным языком, в творчестве Галилея (и ряда других ученых - его современников) начинается уже осознанное применение моделей предметов и явлений для изучения реального мира. Это, в свою очередь, послужило толчком к зарождению качественно нового уровня познания окружающей действительности - мысленного эксперимента. Мысленный эксперимент выступает продолжением и обобщением материального, являясь по существу результатом процесса моделирования. Для мысленных экспериментов Галилея (из которых, например, был открыт закон инерции) это означало выполнение таких операций, как выделение из всех видов движения только прямолинейного, что приводило к упрощению задачи, к созданию возможности абстрагироваться от рассмотрения случаев сложных сил и т. д. [87, с. 29]. Эти операции фактически составляют суть моделирования, заключающегося в выделении части и отвлечение от целого, в операции «существенности параметров», «распознавания объекта», в указании и обосновании «отношения независимости» [87, с. 39].
И. Ньютон впервые определил характер взаимодействия реального мира и идеального мира наших знаний, указал, что в связи этих миров важную роль играют модели, моделирование [66, с. 8; 153, с. 38].
При рассмотрении световых явлений И. Ньютон использует их наглядную механическую модель. В развитой им стройной теории истечения И. Ньютон представил себе свет, состоящим из мельчайших частичек — корпускул. К анализу движения световых корпускул он применил сформулированные им же законы механики. Тем самым И. Ньютон положил начало моделированию как методу теоретического исследования. По выражению самого Ньютона, ему таким образом удается примирить земную и небесную (божественную) механику [77, с. 194].
Уточнив взаимосвязь теоретического и эмпирического уровней познания, Ньютон строит свою механику. Теоретический мир классической механики существует в абсолютном пространстве и времени, а эмпирический мир - в относительном пространстве и времени. Теоретические пространство и время задаются законами механики и являются математическими, а эмпирическое пространство и время постигаются чувствами, служат мерой теоретическим структурам, употребляются в обыденной жизни, задаются на языке наблюдений [138, с. 138-141]. Важным открытием при этом явилось то, что была показана достаточность относительного совпадения явлений эмпирического и теоретического мира, а не абсолютного, к чему стремились ранее. В результате тела, выделенные из окружающей среды, из пространства подчиняются законам Ньютона лишь настолько, насколько они соответствуют некоторой выбранной механической модели.
