Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние проблемы формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике 16
1.1. Краткий исторический обзор становления представлений о статистических закономерностях 16
1.2. Особенности развития мышления учащихся 33
1.3. Анализ основных статистических понятий в научной литературе 41
1.4. Анализ проблемы формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях в научных исследованиях, методической и учебной литературе 52
Выводы по I главе 66
Глава II. Теоретические и практические основы методики формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике 68
2.1. Психолого-педагогические основы методики формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях 68
2.2. Методика формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике 87
2.3. Диагностика сформированности у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике 132
Выводы по II главе 138
Глава III. Методика проведения и результаты педагогического эксперимента 140
3.1. Общая характеристика педагогического эксперимента 140
3.2. Этапы экспериментального исследования 145
Выводы по III главе 159
Заключение 160
Библиография 163
Приложения 184
- Краткий исторический обзор становления представлений о статистических закономерностях
- Анализ проблемы формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях в научных исследованиях, методической и учебной литературе
- Методика формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике
- Диагностика сформированности у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике
Введение к работе
Статистические закономерности наряду с динамическими являются фундаментальными закономерностями природы. Анализ экономических, биологических, климатических процессов, организация работы систем массового обслуживания населения и многие другие сферы жизнедеятельности человека, - все они, так или иначе, подчиняются статистическим законам.
В Федеральном компоненте Государственного образовательного стандарта, разработанного с учетом направлений модернизации образования, ставится задача формирования представлений учащихся о статистических законах природы. Изучение физики на профильном уровне среднего (полного) образования направлено на достижение следующих целей: освоение знаний о методах научного познания природы; о современной физической картине мира (свойствах вещества и поля, пространственно-временных закономерностях, динамических и статистических законах природы и др.). Достичь целей, заявленных Государственным образовательным стандартом, не осуществляя целенаправленно процесс формирования представлений учащихся о статистических закономерностях, нельзя. Необходимость решения этой задачи связана и с тем, что в настоящее время для решения задач повседневной жизни человеку требуется иметь представление о массовых явлениях, которые починяются статистическим закономерностям.
Следует отметить, что фактически все программы по физике включают изучение статистических законов, в различных разделах используются статистические методы. Но проблема формирования представлений учащихся о статистических закономерностях продолжает оставаться нерешенной. Особенности традиционного подхода к изучению физических явлений и процессов приводят к тому, что у школьников не возникает обобщенных статистических представлений. Не формируется понимание того, что статистические закономерности - это фундаментальные закономерности окружающей жизни.
Важнейшей исследовательской задачей является разработка и внедрение такого подхода к преподаванию физики, который позволит последовательно осуществлять процесс формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях. Начиная с основной школы (7-9 классы), включая полную (среднюю) школу, формирование у учащихся представлений о статистических закономерностях необходимо осуществлять в процессе изучения наиболее ярких и вместе с тем достаточно понятных явлений, которые им подчиняются. Такой подход обоснован тем, что к моменту изучения квантовой физики у учащихся уже должны быть сформированы первоначальные представления о статистических закономерностях.
Констатирующий эксперимент, проведенный на базе общеобразовательных учреждений г. Оренбурга, позволил выявить, что:
представления учащихся о статистических закономерностях сформированы, как правило, на низком уровне, основные понятия теории
вероятностей либо не изучались, либо знания о них достаточно формальны, учащиеся испытывают затруднения при анализе явлений, в которых определяющим фактором являются массовость и хаос;
учителя осознают необходимость формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях, но испытывают трудности в определении самого понятия «представления о статистических закономерностях», в диагностике уровня их сформированности, затрудняются в выборе методов, средств, организационных форм обучения, содержания учебного материала, на основе изучения которого возможно формирование у учащихся представлений о статистических закономерностях, кроме того, слабо представляют, какими воспитательными, развивающими возможностями обладает процесс формирования статистических представлений при обучении физике.
Проведенный в процессе исследования анализ диссертационных работ, посвященных проблеме формирования у учащихся статистических представлений таких авторов, как Батурина Г. И., Десненко С. И., Курындина К. Н., Панаргин Ю. М., Хапова Л. В., Шурыгина Л. С, показал, что исследования по проблеме формирования у учащихся статистических представлений при обучении физике включали анализ курса физики либо 1-ой ступени, либо 2-ой ступени, либо курса физики повышенного уровня. Методики формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях, в которых разрабатывался бы поэтапный процесс, включающий, как основную, так и профильную школу, отсутствуют. Авторы констатируют взаимосвязь формирования статистических представлений и развития вероятностного стиля мышления учащихся, но не предлагают варианты отслеживания динамики развития вероятностного стиля мышления учащихся в процессе формирования представлений о статистических закономерностях при обучении физике.
Анализ действующих учебников по физике позволил сделать вывод о том, что в пособиях различных авторов встречается материал, изучение которого способствует формированию у учащихся представлений о статистических закономерностях, но акцента на их вероятностной сущности, как правило, нет.
Теоретический анализ состояния проблемы исследования, данные констатирующего эксперимента и анализ практической деятельности педагогов современной школы позволяют утверждать, что существует противоречие между стоящей перед обучением физике задачей формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях и существующей методикой обучения физике в основной и профильной школе, которая не предусматривает специально организованной деятельности учителя по последовательному формированию у учащихся представлений о статистических закономерностях.
Выявленное противоречие определяет актуальность исследования по теме «Формирование у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике», проблемой которого является поиск
ответа на вопрос: «Какой должна быть методика формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике?»
Объект исследования: процесс обучения физике в основной и профильной школе.
Предмет исследования: методика формирования у учащихся основной и профильной школы представлений о статистических закономерностях при обучении физике.
Цель исследования заключается в теоретическом обосновании и разработке методики формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике.
Гипотеза исследования формулируется следующим образом. Методика формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях будет эффективной, если она будет:
- опираться на межпредметные связи курсов физики, математики, географии, биологии и др. школьных предметов, объектом изучения которых являются однотипные массовые процессы;
- осуществляться поэтапно (начальный этап - 7-9 классы, основной - 10 класс, обобщающий);
- строиться с учетом возрастных психологических особенностей учащихся;
- реализовываться последовательно как в рамках основного курса физики, так и на занятиях элективного курса;
Под эффективностью понимается повышение уровня сформированности у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике, развития вероятностного стиля мышления.
Цель, объект, предмет и гипотеза обусловили следующие задачи исследования:
Выявить состояние проблемы формирования представлений учащихся о статистических закономерностях в психолого-педагогической литературе, методической литературе и практике обучения физике в средней школе.
Уточнить содержание понятий «представления о статистических закономерностях», «вероятностный стиль мышления», определить элементы знаний, на основе которых осуществляется формирование представлений учащихся о статистических закономерностях и компонентов вероятностного стиля мышления, а также определить уровни и критерии сформированности у учащихся представлений о статистических закономерностях.
Разработать модель методики формирования представлений учащихся о статистических закономерностях при обучении физике.
Разработать методику формирования начальных представлений учащихся о статистических закономерностях с целью подготовки к пониманию квантовых идей современной физики (на уроках и во внеурочное время),
основанную на поэтапно организованной деятельности учителя и ученика, в основе которой лежат межпредметные связи. 5. Экспериментально проверить эффективность разработанной методики формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы и виды деятельности:
1) теоретические - анализ философской, педагогической, психологической и методической литературы и нормативных документов по проблемам модернизации школьного образования и формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях, анализ естественнонаучной литературы, имеющей отношение к теме исследования, моделирование методики формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях;
2) экспериментальные - анкетирование, наблюдение, беседа, изучение
опыта работы школ и классов различного профиля; педагогический
эксперимент, экспериментальное преподавание, математические методы
интерпретации данных педагогического эксперимента.
Теоретико-методологическую основу исследования составили: психолого-педагогические исследования по проблеме мышления (В. В. Давыдов, В. В. Петухов, Б. М. Теплов, О. К. Тихомиров и др.), в частности вероятностного мышления (А. А. Пинский, Б. М. Теплов, Е. В. Трифонов Ю. В., Сачков и др.); формирования статистических представлений (Б. В. Гнеденко, А. С. Компанеец, Г. Я. Мякишев, В. Ф. Ноздрев, Л. В. Тарасов и др.); формирования представлений о физической картине мира (Г. М. Голин, В. Ф. Ефименко, В. Н. Мощанский, В. В. Мултановский, В. Г. Разумовский и др.); методические исследования по формированию понятий (И. Г. Пустильник, А. В. Усова, Т. Н. Шамало и др.), по теории технологизации образовательного процесса (В.П. Беспалько, СЕ. Каменецкий, М.В. Кларин, Н.С. Пурышева, Г.К. Селевко и др.); основные положения дифференцированного (С. Я. Батышев, С. В. Бубликов, Е. Я. Голант, О.М. Дружинина, Н. В. Кочергина, А. В. Пономарева, Н. С. Пурышева, Ю. А. Сафонов и др.), личностно-деятельностного (Б. Г. Ананьев, Л. С. Выготский, И. А. Зимняя, А. Н. Леонтьев, С. Л. Рубинштейн и др.) подходов в обучении; методологии педагогического исследования (В.И. Журавлев, А.И. Кочетов, В.В Краевский и др.); теории использования методов и средств обучения в образовательном процессе (Анциферов, СИ. Архангельский, И.Я. Лернер, В.В. Краевский, Т.С. Назаров, П.И. Пидкасистый, Е.С Полат, А.В Хуторской); результаты исследований в области методики обучения физике (С. Е. Каменецкий, Н. С. Пурышева, Н. В. Шаронова и др.).
Научная новизна результатов исследования. 1. Определены теоретические основы и создана модель методики формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике в основной и профильной школе,
представленная структурными компонентами методической системы: целеполагающий, формирующий, оценочно-корректирующий. 2. Разработана система организации поэтапной деятельности учителя и ученика при изучении курса физики, способствующая формированию у учащихся представлений о статистических закономерностях, а именно:
выделены этапы формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях: начальный (усвоение сущности понятий теории вероятностей в процессе изучения определенных физических тем); основной (формирование у учащихся представлений о статистических закономерностях при изучении молекулярной физики); обобщающий (анализ однотипных явлений массового характера, в которых проявляются статистические закономерности, осмысление их фундаментальности);
определены принципы отбора содержания учебного материала (доступность, социально-личностная значимость, реализация межпредметных связей);
предложена методика формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях при изучении курса физики, охватывающая основной курс физики с 7-го по 10-й классы и занятия элективного курса в 10-11 классах (основные положения методики; методы - проблемный, частично-поисковый, исследовательский; формы - теоретические и практические; средства организации деятельности учащихся на каждом из этапов - экспериментальные классные и домашние задания исследовательского характера, проектные задания; выявлены уровни сформированности представлений учащихся о статистических закономерностях; компоненты вероятностного стиля мышления учащихся).
Теоретическая значимость результатов исследования состоит в том, что:
Результаты исследования вносят вклад в формулировку понятий «представления о статистических закономерностях», «вероятностный стиль мышления».
Разработана модель методики формирования представлений учащихся о статистических закономерностях при обучении физике.
Получила развитие идея о взаимосвязи формирования представлений о статистических закономерностях и развития вероятностного стиля мышления учащихся.
Практическая значимость исследования заключается: - в разработке поэтапной деятельности учителя, планирующего изучение курса физики, начиная с 7 класса, с учетом организации формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях, как подготовки к изучению вопросов квантовой физики;
в разработке элективного курса «Закономерное в случайном» для учащихся профильной (гуманитарный, естественный, физико-математический профили) школы, включающая учебно-тематическое планирование, методические рекомендации по проведению занятий, дидактические материалы;
в разработке пособия для учащихся 10-11 классов «Закономерное в случайном», материал которого может быть использован как на уроках физики, так и на занятиях элективного курса;
- в разработке тематики исследовательских заданий и проектных работ,
как на уроках, так и на занятиях элективного курса;
в разработке системы диагностического материала уровней
сформированности у учащихся представлений о статистических закономерностях развития вероятностного стиля мышления учащихся. На защиту выносятся:
Для подготовки учащихся к пониманию квантовых идей современной физики целесообразно осуществить поэтапное формирование первоначальных представлений о статистических закономерностях: на начальном этапе в 7-9 классах, на основном этапе при изучении молекулярной физики в 10 классе и, обобщая материал, при изучении различных (природных и социальных) процессов и явлений, которые подчиняются статистическим закономерностям, после изучения молекулярной физики в 10 классе.
Формирование у учащихся представлений о статистических закономерностях происходит в единстве с развитием вероятностного стиля мышления учащихся и должно основываться на принципах:
мыслительный процесс непосредственно связан с образованием и поэтапным развитием вероятностно-статистических понятий;
процесс обучения представляет собой специально организованный процесс познания, в результате которого у учащегося формируется система представлений о статистических закономерностях;
побуждение к осуществлению умственных действий с учебным материалом (анализу, синтезу, сравнению, сопоставлению, классификации, вероятностному обобщению).
3. Модель методики формирования у учащихся представлений о
статистических закономерностях представлена тремя компонентами:
целеполагающий, который включает цель, задачи и основные принципы
построения обучения; содержательно-процессуальный, включающий
педагогические условия эффективности деятельности учителя и ученика,
этапы (начальный, основной, обобщающий), оценочно-корректирующий,
в котором характеризуется диагностика уровней сформированности у
учащихся представлений о статистических закономерностях и развития
компонентов вероятностного стиля мышления с применением планового
контроля (тематических контрольных работ, тестов, выполнение которых требует сформированности представлений о статистических закономерностях), заданий исследовательского характера (лабораторных работ, практических заданий, проектных работ на выявление и обоснование особенностей статистических закономерностей в рассматриваемых явлениях). 4. Методика формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике, реализуется в основное время урока (7-10 класс) и включает: основные методы, формы и средства, способствующие разрешению поставленной проблемы; поурочное планирование тем, при изучении которых возможно формирование у учащихся представлений о статистических закономерностях; осуществление межпредметных связей (с анализом однотипных массовых процессов, подчиняющихся статистическим закономерностям). На занятиях разработанного элективного курса «Закономерное в случайном» (10-11 класс) возможно расширение и углубление полученных знаний. Апробация результатов исследования осуществлялась на:
- XIII Международной научно-практической конференции (г.
Челябинск, 2006 г.); VI Международной научно-методической конференции
«Физическое образование: проблемы и перспективы развития» (г. Москва,
2007 г.); XXVI преподавательской научно-практической конференции
Оренбургского государственного педагогического университета «Современные
факторы повышения качества профессионального образования (г. Оренбург,
г.); VII Международной научно-методической конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» (г. Москва, 2008 г.); V Международной заочной научно-методической конференции «Полипарадигмальный подход к модернизации современного образования» (г. Саратов, 2008 г.); XXVII преподавательской научно-практической конференции Оренбургского государственного педагогического университета (г. Оренбург,
г.); VIII Международной научно-методической конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» (г. Москва, 2009 г.);
- методических объединениях и семинарах учителей физики г.
Оренбурга и Оренбургской области (2008, 2009 годы).
Структура диссертации. Диссертационное исследование общим объемом 207 страниц, в том числе 183 страницы основного текста, состоит из введения трех глав, заключения, 9 приложений, библиографического списка. Содержит 2 рисунка, 6 схем и 24 таблицы. Список литературы включает 223 наименования.
Краткий исторический обзор становления представлений о статистических закономерностях
Цель данной главы состоит в анализе литературы по проблеме формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях в педагогической практике; в проведении обзора исторического развития статистических представлений; в анализе толкования статистических понятий в научной литературе, взаимосвязи формирования представлений о статистических закономерностях и развитием вероятностного мышления учащихся.
В первом параграфе главы дается краткий исторический обзор становления и развития представлений о статистических закономерностях, рассматривается вопрос о соотношении динамических и статистических закономерностей.
Во втором параграфе главы анализируются особенности мыслительной деятельности учащихся в процессе познания природы, определяется понятие «вероятностный стиль мышления», выделяются отличительные черты данного стиля мышления, подчеркивается его роль в развитии мышления школьника вообще.
В третьем параграфе главы рассматриваются различные подходы к введению основных понятий теории вероятностей в научной литературе.
В четвертом параграфе главы излагается точка зрения на проблему формирования представлений учащихся о статистических закономерностях посредством анализа данного вопроса в научных исследованиях, методической и учебной литературе.
Человек часто сталкивается с проблемными ситуациями, которые невозможно разрешить вполне однозначно. Проблематичность большинства суждений о будущем, невозможность во многих случаях делать категорические заключения на основе имеющихся данных индивидуумом объективно осознана. Понятия необходимости, вероятности, возможности, случайности, прочно укоренившиеся в обыденном языке, использовались человеком, иногда интуитивно, в качестве своеобразных, порой достаточно эффективных средств познания действительности.
Вопрос о природе этих понятий, их сущности - предмет исследования еще у античных мыслителей [39, 73, 79, 87, 94, 90]. В античной науке встречались разнообразные точки зрения на вопрос о случайном и необходимом, которые впоследствии обсуждались в течение многих столетий. Одни мыслители считали, что всюду господствует случай, другие - что случаю нет места и все происходит в силу необходимости. Существовало мнение, что в явлениях большого масштаба господствует случай, а в других явлениях все объясняется необходимостью, высказывались и другие мнения. Сторонником античного детерминизма можно считать Левкиппа, который в сочинении «О разуме» писал, что ни один процесс не происходит беспричинно, все происходит в силу причинной связи и необходимости. Это же утверждал и Диоген Лаэрций [73, 79]. Цицерон в своих высказываниях отмечал, что нет ничего более противоречащего разуму или определенности, чем случай, случайная ситуация [39]. Существует множество свидетельств о том, что Демокрит был также сторонником аналогичных взглядов [88]. Более того, можно найти высказывания о том, что детерминизм является характерной чертой демокритовского материализма. Хотя разные авторы приписывали Демокриту противоречащие одно другому мнения. Некоторые считали, что он признавал только необходимость, другие же полагали, что он отрицал необходимость и превозносил случай.
По словам Аристотеля, Демокрит считал, что случай является причиной возникновения неба и мира, все же остальное в природе происходит закономерно [94]. Материалисты Древней Греции пробовали объяснять все природные явления естественнонаучным способом, а подходов к объяснению возникновения мира в то время не существовало, поэтому этот вопрос они толковали с точки зрения случайности. Сам Аристотель отводил случаю не последнюю роль. Об этом свидетельствует его высказывание о том, что исключение случая влечет за собой нелепые последствия. Развивая свою мысль, он высказывал мнение, что если бы все вокруг существовало по причине необходимости, то человеку не нужно было бы решать какие-либо проблемы, принимать решения. Схожую характеристику взглядов Демокрита давал Дионисий, который писал, что Демокрит ставит случай не только «владыкой и царем вселенной», но и божественных сил. Он заявлял, что совокупность вещей возникла в силу случая, но из человеческой жизни случай изгоняет и называет невеждами тех, кто имеет другую точку зрения.
Следует отметить, что понятие причинности у Демокрита и других греческих философов носило упрощенный характер. Они считали случайность субъективным понятием, прикрывающем человеческое незнание. В результате этого необходимость приобрела характер предопределенности. Несмотря на эти недостатки, демокритовский детерминизм был крупным достижением древнегреческой философии.
Наиболее крупным естественнонаучным достижением древнегреческого материализма был атомизм [39, 90]. Основатель его - Левкипп сформулировал основное положение, согласно которому все в мире состоит из неделимых частиц и пустоты. Демокрит пошел дальше Левкиппа, все качественное многообразие окружающего мира он объяснял сочетаниями различных атомов, которые отличаются у него по форме, порядку и положению [88]. Наивысшего развития древнегреческий материализм получил во взглядах Эпикура (341 - 270гг. до н.э.) [73, 79]. Развивая атомистическое учение, Эпикур все явления природы объяснял различными сочетаниями атомов. Он утверждал, что ничто не может произойти из ничего. Довольно подробно останавливался на роли случайного в окружающем мире, рассуждал о случайных свойствах предметов, но считал, что не они определяют предмет. Эпикур считал, что случайность не может повлиять на размеренную, разумную жизнь. Следуя законам природы, человек становится «неустрашимым» перед случайностью, несмотря на то, что одни события происходят в силу необходимости, другие благодаря случаю.
Одно из центральных мест теории античной атомистики - учение о первоначалах [14, 87]. Первоначала составляют тела и обладают многими свойствами современных атомов. Неотделимое свойство первоначал - их движение. Первоначала всегда «пребывают в беспорядочном движении», «носятся», движутся «бесцельно и случайно», «носятся вверх и вниз в течение всей вечности», движутся «как попало». Характеристик, аналогичных характеристикам случайного движения атомов у Демокрита, у древних авторов можно найти довольно много.
Таким образом, можно сделать вывод: начиная с Аристотеля, считалось, что случайность и возможность являются характеристиками поведения, свойственными только земным процессам. Чем явление ближе к совершенству, тем оно проще, а, следовательно, закономернее. В первую очередь это относилось к небесным телам, в движении которых не допустима никакая случайность.
Анализ проблемы формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях в научных исследованиях, методической и учебной литературе
Согласно требованиям образовательного стандарта: «изучение физики на профильном уровне среднего (полного) образования направлено на достижение следующих целей: освоение знаний о методах научного познания природы; современной физической картине мира: свойствах вещества и поля, пространственно — временных закономерностях, динамических и статистических законах природы...» [168, С. 26]. В новом образовательном стандарте среднего образования по физике, в отличие от ранее принятых стандартов, четко делается акцент на формировании у учащихся представлений о статистических законах природы. Важность этой проблемы на сегодняшний день не вызывает сомнений. Анализ экономических, биологических, климатических процессов, организация работы систем массового обслуживания населения и многие другие сферы жизнедеятельности человека, - все они, по существу, подчиняются статистическим законам. Не говоря уже о том, что в физике статистические представления являются первоосновой многих физических явлений, именно здесь они наиболее ярко проявляются.
Проблеме формирования статистических представлений у учащихся при обучении физике посвящен ряд исследований. В работах Г. И. Батуриной, С. И. Десненко, Ю. М. Панаргина, Л. В. Хаповой, Л. С. Шурыгиной и др. [6, 46, 130, 208, 218] выделена система статистических понятий, необходимых для формирования у учащихся статистических представлений; отобраны вопросы, при изучении которых можно формировать статистические представления. Рассматривается статистический подход в изучении тепловых явлений в курсе физики I ступени основной школы. Предложены различные варианты методики формирования статистических представлений у учащихся в курсе физики II ступени средней (полной) школы. Диссертационное исследование Батуриной Г.И. [5] посвящено изучению в средней школе основных идей и понятий статистической физики. Выделена система вероятностно-статистических понятий: случайные события и вероятность, направленность физических процессов в системах с дискретной структурой, распределение как способ задания состояния системы и выражения сущности статистических закономерностей, среднее значения физической величины. В основе предлагаемой методики изучения статистических идей лежит понятие о состоянии системы. Отличительной особенностью методики является применение механических моделей для формирования предлагаемой системы статистических понятий. Необходимо отметить, что в анализируемой работе предложена методика изучения основных понятий статистической физики только в теме «Молекулярная физика».
В исследовании Ю.М. Панаргина [130] рассматривается статистический подход в изучении тепловых явлений на I ступени обучения физике основной школы.
Развитие статистических представлений школьников при изучении молекулярной, атомной и ядерной физики в старших классах средней школы рассматривается в диссертационном исследовании Л.С. Шурыгиной [218]. В работе предложен подход к изучению статистических явлений различной физической природы, в основе которого лежит экспериментальное проявление закона больших чисел. На основе этого подхода автор разрабатывает методику развития статистических представлений, в частности, проводит количественный анализ статистических закономерностей с использованием домашнего модельного эксперимента. В диссертации выделена система статистических понятий, с опорой на которую в курсе молекулярной физики и термодинамики изучаются следующие вопросы: динамические и статистические закономерности, понятие о случайных событиях, случайных величинах, I и II законы термодинамики, проблема эффективности тепловых двигателей. На факультативных занятиях предлагается рассмотреть количественную характеристику флуктуации, распределении молекул по скоростям. Развитие статистических представлений при изучении атомной и ядерной физики предлагается осуществить на основе рассмотрения квантовых свойств микрообъектов, в частности, дифракции электронов, а также законов радиоактивного распада. На факультативных занятиях предлагается рассмотреть явление интерференции со статистической точки зрения, соотношение неопределенностей. В работе выделен достаточно большой круг вопросов, при изучении которых возможно формировать у учащихся статистические представления, конкретные методики формирования ряда из них (флуктуации, распределение молекул по скоростям, интерференция, соотношение неопределенностей и др.) не разрабатываются.
Диссертационное исследование Десненко СИ. [46] посвящено изучению возможностей формирования у учащихся статических представлений в курсе физики повышенного уровня при изучении молекулярной и квантовой физики. В основу предлагаемой методики формирования статистических представлений у учащихся положено изменение структуры курса физики при углубленном изучении предмета. Десненко СИ. выделяет систему понятий, посредством которых осуществляется процесс формирования статистических представлений у учащихся [46, С. 43-44], осуществляет отбор материала, необходимый для изучения в этой связи. Так, например, формирование вероятностно-статистических представлений в квантовой физике начинается с вопроса «Гипотеза де Бройля. Опыты по дифракции электронов». Вероятностную трактовку волн де Бройля рассматривается с помощью волновой модели: «Квадрат амплитуды световой волны в какой-либо точке пространства пропорционален числу фотонов, попадающих в эту точку» [46, С 135].
Следующим шагом формирования вероятностно-статистических представлений является вопрос формирования понятия волновой функции как способа задания состояния микрообъекта. Приводится вывод формулы квадрата модуля волновой функции: т/ (х, t) =\А\2 cos2 (кх — cot + р). В исследовании Десненко СИ., кроме системы основных статистических понятий и обоснованно выделенного круга изучаемых вопросов, предлагается конкретная методика формирования того или иного понятия, с описанием методов, приемов, средств обучения. Но материал, который предлагается рассматривать на основе квантовых статистик, сложен для понимания учащихся средней школы даже физико-математического профиля.
В ряде диссертационных исследований [12, 82, 170]рассматриваются научно-методические проблемы, связанные с изучением в школьном курсе математики основ теории вероятностей и математической статистики. Как было уже отмечено, вероятностно-статистические линия включена в ряд учебников по математике, но исследования В.А. Болотюка [12] позволяют сделать вывод, что изучение в курсе математики средней школы элементов теории вероятностей и математических статистики развивает мышление учащихся, но способствует формированию нового обобщенного знания об особенностях проявления статистических закономерностей в окружающей жизни. Это происходит по причине того, что на уроках математики чаще используется абстрактный материал, основанный, преимущественно, на изучении математических моделей случайных явлений.
Методика формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике
Но в явлениях, где определяющую роль играет массовость и хаос, проявляются закономерности другого рода - статистические, понять сущность этих явлений с позиции детерминистического подхода в принципе невозможно. В связи с этим целью данного педагогического исследования является формирование у учащихся представлений о статистических закономерностях. На основе этого выдвигается ряд практических задач учебно-познавательной деятельности учителя и ученика, которые необходимо решить в ходе исследования. Задачи учебно-познавательной деятельности учителя включают в себя следующее: 1) вооружение учащегося знаниями о методах исследования в физике, основных понятиях теории вероятностей; 2) формирование у учащегося представлений о статистических закономерностях в природных, социальных, экономических и др. явлениях; 3) формирование у учащегося представлений о статистических закономерностях в курсе молекулярной физики; 4) формирование представлений о современной физической картине мира, месте в ней статистических закономерностей; 5) развитие вероятностного мышления учащихся; 6) воспитание критического отношения к процессам окружающей действительности, где статистические закономерности играют определяющую роль, понимания проявлений статистических закономерностей в повседневной жизни (азартные игры, лотереи, финансовые пирамиды и пр.).
Задачи учебно-познавательной деятельности учащегося таковы: 1) понимание отличия динамического и статистического подходов к описанию явлений окружающего мира, ограниченности динамического подхода и необходимости применения статистического подхода; 2) овладение знаниями понятий случайность, закономерность, среднее значение, вероятность, флуктуации; 3 )понимание природы и особенностей статистических закономерностей, которые проявляются в молекулярной физике; 4) осознание универсальности и всеобщего характера статистических закономерностей; 5) овладение умениями обобщать. Успешное выполнение вышеперечисленных задач зависит от соблюдения соответствующих дидактических принципов. Согласно предлагаемой методике необходимо выстроить единую линию между усвоением понятий теории вероятностей, которые изучаются в курсе математики 5-7 классов, умением проводить математическую обработку результатов измерений, осмыслением сущности физических явлений, в частности молекулярной физики (а в дальнейшем и в физике микромира вообще), и явлений биологического, географического, исторического, социального характера. Таким образом, в обучении воплощается принцип системности, позволяющий помимо всего прочего целенаправленно осуществлять развитие вероятностного мышления учащихся. Методика формирования представлений о статистических закономерностях должна учитывать, что трудности формирования статистических представлений связаны с абстрактностью основных понятий. Следовательно, необходимо, прежде всего, учитывать возрастные особенности учащихся. Акцент следует сделать на том, что основные знания и умения формируются постепенно, с нарастанием уровня сложности, начиная с первых уроков изучения физики, где учащиеся знакомятся с физическими явлениями и методами исследования. Здесь реализуется принцип поэтапного формирования знаний и умений учащихся. Большое значение отводится начальному этапу, где предполагается знакомство учащихся с элементами теории вероятностей. Методика формирования представлений о статистических закономерностях предполагает при объяснении материала привлечение наглядных пособий в их различном варианте, а также серию практических групповых и индивидуальных заданий, которые способствуют более глубокому усвоению материала. Изложение материала предполагает активную и сознательную позицию школьников по отношению к изучаемому материалу. Этому способствует преподавание с использованием элементов проблемного обучения, организации поисково-исследовательской деятельности учащихся, как на уроке, так и при выполнении домашних заданий. И это не только реализация одного из основных дидактических принципов обучения. Так, при исследовании особенностей азартных игр, школьники воочию должны убедиться, что вероятность выигрыша очень мала, и это строгая закономерность для ряда определенных игр. По этой причине формирование представлений о статистических закономерностях имеет большое воспитательное значение, у учащихся должно сложиться критическое отношение к различным играм, рискованным мероприятиям, где определяющим фактором является массовость, и соответственно проявляются статистические закономерности, позволяющие реально оценить риск своего участия в них. Обобщение изученного материала должно формировать у учащихся представление об области явлений и процессов, которые подчиняются статистическим закономерностям не только в физике, но и в окружающей жизни вообще. Таким образом, знания учащихся приобретают мировоззренческую направленность, развиваются представления учащихся о физической картине мира и картине мира в целом, включающей физические, биологические, географические явления, исторические, социально-экономические, психологические процессы, процессы эволюции человеческого общества и Вселенной. То есть, речь идет о еще одном основополагающем принципе, который лежит в основе предлагаемой методики: единства образования, воспитания и развития учащихся.
Принципы отбора содержания учебного материала (схема № 4.) основываются на доступности для понимания учащимися 7-10 классов материала, содержащего рассмотрение явлений, которые подчиняются статистическим закономерностям, социально-личностной значимости, реализации межпредметных связей.
Диагностика сформированности у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике
В результате методологического анализа, анализа исследований, про водимых по проблеме формирования статистических представлений школьни ков при обучении физике [6, 8, 12, 46, 82, 130, 150, 170, 208]; личного опыта педагогической деятельности, были выделены элементы знаний и умений (или дидактические единицы), на основе которых осуществляется формирование представлений учащихся о статистических закономерностях. Это закономерно сти среднего значения, закономерности в распределении вероятности случай ной величины, закономерности в отклонении от среднего, причины появления закономерного в случайных явлениях массового характера, области проявления статистических закономерностей, особенности вероятностно статистических методов. Более детально элементы знаний и умений, которые учащиеся должны усвоить или приобрести при обучении физике, отражены в таблице № 19. На основе рассмотрения элементов знаний, посредством которых у уча щихся формируются представления о статистических закономерностях, определены критерии уровня сформированности представлений у учащихся о статистических закономерностях при обучении физике, в качестве которых выступает степень сформированности каждого элемента знания (таблица № 19).
Знаниевый критерий, включающий полноту, объем, глубину усвоения основных понятий (случайность, закономерность, вероятность, среднее значение, флуктуации), динамических и статистических закономерностей, статистического метода исследования, широту переноса знаний, степень обобщенности, понимание принципа причинности. Операциональный критерий, включающий овладение приемами вероятностной логики мышления, овладение умением анализировать явления, сравнивать, выявлять существенные и несущественные признаки, систематизировать, умение проводить наблюдение, эксперимент, обрабатывать результаты наблюдений и экспериментов, умение работать с графиками, диаграммами, табличными данными, определять характеристики случайных явлений, выявлять, на основе этих данных статистические закономерности.
Выделены четыре уровня сформированности представлений о статистических закономерностях (таблица № 20): фактический («низкий»), характеризующийся наличием низкого уровня сформированности в основном всех элементов статистических представлений; операционный («средний»), при котором преобладает средний уровень сформированности каждого элемента, входящего в структурные компоненты статистических представлений; аналитико-синтетический («выше среднего»), когда достаточное количество элементов статистических представлений сформированы на хорошем уровне; творческий («высокий»), когда большинство элементов статистических представлений сформированы на высоком уровне.
Так, по завершению формирования определенного понятия в целях полу чения информации об уровнях понимания и осмысления материала, сформированности у учащихся представлений о статистических закономерностях, целесообразно предложить учащимся ответить на вопросы. Примеры подобных вопросов приведены в параграфе 2.2. второй главы. Вопросы могут быть подобраны согласно уровням усвоения понятий [11], а ответы на них демонстрировать разные уровни усвоения материала (узнавание, воспроизведение, осмысление, понимание, обобщение). Примерное содержание контрольных работ, в результате выполнения которых определяется уровень сформированности представлений учащихся о статистических закономерностях, приведены в параграфе 2.2. второй главы, а так же в конце каждого раздела учебного пособия «Закономерное в случайном», программе элективного курса, тестовые задания - в приложении № 1. Анализ учителем выполнения лабораторных работ, исследовательских заданий в классе и дома является еще одним средством определения уровня сформированности представлений о статистических закономерностях. Уроки обобщения, где учащиеся кроме выполнения тестовых заданий, контрольных работ, защищают рефераты, выступают с докладами, презентациями, так же позволяют диагностировать уровень сформированности представлений о статистических закономерностях.
Таким образом, на основе анализа психолого-педагогической, методологической литературы, опыта работы, была разработана модель, описаны структурные компоненты и основные положения методики формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике.
В параграфе рассмотрена модель методики формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике. Она предполагает специально организованную деятельность учителя и ученика по формированию у учащихся представлений о статистических закономерностях. Исследованные общие психолого-педагогические подходы для построения методики формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях дают возможность начать процесс формирования этих представлений с первых уроков изучения физики школьниками и к моменту начала рассмотрения вопросов квантовой механики сформировать у учащихся определенные статистические представления, потенциал уже имеющихся разработанных методик формирования статистических представлений усиливается опорой на межпредметные связи, систематически и планомерно организованный этап обобщения изученного материала позволяет целенаправленно осуществлять развитие вероятностного стиля мышления учащихся. Для отслеживания уровня сформированности у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике следует использовать комплекс диагностических процедур. 1. В данной главе предложена модель методики и рассмотрена непосред ственно методика формирования у учащихся представлений о статистических закономерностях при обучении физике, а именно: - общепедагогические принципы, положенные в основу методики; - принципы отбора предметного материала; - содержательно-процессуальный компонент методики; - оценочно-корректирующий компонент методики. 2. Основные положения методики формирования у учащихся представле ний о статистических закономерностях при обучении физике можно сформули ровать следующим образом: 2.1. Формирование у учащихся представлений о статистических закономерностях целесообразно осуществлять через систематически организованную деятельность, в основе которой идея о фундаментальном характере статистических закономерностей.
