Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Система разноуровневых обобщений как педагогическая проблема 12
1.1. Анализ общей структуры деятельности учащихся по решению физических задач 12
1.2. Психолого-педагогические основы решения физических задач 42
Выводы по главе 1 63
Глава 2. Методика формирования у учащихя системы разноуровневых обобщений при решении задач по физике и результаты педагогического эксперимента 65
2.1. Методика формирования у учащихя системы разноуровневых обобщений при решении задач по физике 65
2.2. Описание опытно-экспериментальной работы, анализ результатов 130
Выводы по главе 2 143
Заключение 144
Литература 146
- Анализ общей структуры деятельности учащихся по решению физических задач
- Методика формирования у учащихя системы разноуровневых обобщений при решении задач по физике
- Описание опытно-экспериментальной работы, анализ результатов
Введение к работе
Актуальность исследования. Глубокие политические, социально-экономические преобразования, происходящие в нашей стране, отражаются во всех сферах общественной жизни, в том числе и в образовании.
В условиях модернизации образования просматриваются тенденции, связанные с возрастающей потребностью в создании такой системы образования, которая обеспечивала бы условия для формирования творческой личности, обладающей преобразующим интеллектом. Как известно, творческая деятельность учащихся позволяет выйти за пределы системы имеющихся знаний. Творчество вообще представляет собой высшую форму человеческой активности и самостоятельности. (К творческой деятельности необходимо готовить, прежде всего, одаренных от природы учащихся).
Методы физики, отличающиеся логической безупречностью, математической строгостью, и достижения физики-науки принесли ей как науке заслуженный авторитет, сделав ее неотъемлемой частью человеческой культуры, признанным авангардом научно-технического прогресса. Образование, как и любая другая социальная система, выживает лишь в условиях непрерывного саморазвития. Осознание этого обусловлено осмыслением углубляющегося противоречия между состоянием преподавания естественных наук и общей социокультурной ситуацией, в которой оказалось человечество к началу XXI века.
Одной из актуальных в методике преподавания физики проблем является обучение учащихся решению физических задач. Это объясняется не только сложностью данного вида деятельности для учащихся, но и определенными недостатками методики формирования у них этой деятельности [69, 3]. Решение этой проблемы - организация специальной работы по систематизации знаний по физике вообще и обобщению знаний учащихся по решению задач, в частности.
Такую работу можно осуществить на основе выделенных уровней систематизации знаний по физике:
• уровень научных фактов (явлений, процессов);
• уровень физических понятий, в том числе физических величин;
• уровень физических законов (разной степени общности);
• уровень физических теорий;
• уровень общенаучных методологических принципов;
• уровень физической картины мира [115].
"Под систематизацией понимают мыслительную деятельность, в процессе которой изучаемые объекты организуются в определенную систему на основе выбранного принципа" [71].
Системный подход - направление методологии научного познания и социальной практики, в основе которого лежит рассмотрение объектов, как системы: ориентирует исследования на раскрытие целостности объекта, на выявление многообразных типов связей в нем и сведение их в единую теоретическую картину. Системный подход позволяет нам разработать теоретическую картину обсуждаемой проблемы, а системный анализ - разработать оптимальную модель функционирования процесса обучения учащихся решению физических задач.
Первые три уровня систематизации знаний непосредственно можно формировать при решении физических задач. Обобщения решений задач на этих уровнях имеют свою специфику, выражающуюся, в частности, в бесконечном многообразии формулировок одних и тех же законов на языке физических задач. Можно говорить о разноуровневых обобщениях при решении физических задач, имея в виду вышесказанное.
Обобщение - объединение сходных предметов по общим для них признакам. Простейшей формой обобщения является генерализация - объединение предметов по сходству отдельных, чаще всего несущественных внешних признаков.
Разноуровневые обобщения при решении задач могут быть востребованными на протяжении всей последующей деятельности человека, вне зависимости от выбранной им профессии. Методика решения задач и связанные с ней разноуровневые обобщения при их решении, обладающие свойствами широкого переноса на различные области знаний, представляют особый интерес. Практика обучения показывает, что решение задач часто вызывает значительные затруднения даже у тех учеников, которые свободно владеют теоретическим материалом.
Теоретическое знание вследствие своей общности не может быть непосредственно перенесено в область практической деятельности, поэтому для использования какого-либо общего положения теории (формулы, закона) необходимо определенным образом его преобразовать применительно к конкретной, частной задаче.
При нормативном подходе в основу построения структуры процесса решения задач (ПРЗ) кладутся некоторые теоретические принципы (теория задач, инвариантные структуры деятельности, системный подход). Это приводит к выделению этапов деятельности, которые привносятся в процедуру решения задач извне, а не выводятся из совокупности эмпирических операций [99; 142; 162]. Процесс обучения решению задач, наряду со структурой, характеризуется функциональным (процессуальным) аспектом, в котором отражается аналитико-синтетическая деятельность по преобразованию задачи [140; 143; 141]. Отсюда следствие - решение задач по физике является одним из средств развития творческих способностей на всех этапах обучения.
Анализ состояния практики обучения учащихся решению задач по физике показал, что многие учащиеся средней школы:
• не умеют анализировать содержание физической задачи;
• не знают общих этапов деятельности по решению физической задачи;
• ориентируются лишь на конечную цель (искомая величина);
• не умеют анализировать полученный результат.
Это является следствием того, что в частности недостаточно внимания уделяется вопросам:
• адекватной записи условия задачи в краткой форме (в виде "Дано"),
• "переложения" условия задачи на язык чертежа (рисунка, схемы и т.д.);
• разработки обобщенных предписаний алгоритмического типа.
В методических исследованиях недостаточно разработаны аспекты обучения учащихся конкретным приемам, алгоритмам перевода информации с "одного языка на другой", часто рассматривается лишь формальная сторона вопроса (записать условие задачи, выполнить чертеж, рисунок, схему и т.д.), т.е. структура действий при решении задач. Но "провести анализ структуры действий в процессе решения задач и
затем перейти к формированию умений учащихся их выполнить" [102] для учителя недостаточно.
Таким образом, существуют противоречия:
• между объективной необходимостью формирования у учащихся способов деятельности по решению физических задач и реальной неполнотой методики обучения учащихся этим спобом;
• между требованиями формирования у учащихся системных знаний о методах решения физических задач и отсутствием обобщенного подхода к обучению решению задач, позволяющего сделать знания о процессе решения задач системными.
Эти противоречия обусловили проблемы, которые представляются своевременными и характеризуют актуальность данного исследования.
Проблема исследования заключается в поиске путей и средств эффективного обучения учащихся методам решения физических задач, формирования у них умений и навыков такой деятельности.
Обобщение по содержанию рассматриваемого материала при решении задач может быть различным, разноуровневым. Уровень обобщения зависит от уровня абстракции.
Развитие мышления выпускников общеобразовательной школы в значительной степени определяет успех формирования поколения, способного к эффективным технологическим преобразованиям в стране.
Это и определило тему исследования: "Формирование у учащихся системы разноуровневых обобщений при решении задач по физике".
При разработке методики обучения учащихся решению физических задач рассматривались два основных аспекта:
• выявление этапов решения физической задачи и их содержания;
• разработка методики усвоения учащимися этапов деятельности решения задач по физике.
Процесс решения обычных физических задач - представляет собой трансляцию информации, содержащейся в условии задачи, которая заключается в
переводе условия с "одного язьжа на другой", что можно назвать перекодированием информации. Условие обычно представляется вербально, затем переводится на язык символов (запись "Дано"), далее представляется в виде рисунка (схемы, чертежа, графика), затем - в виде математических соотношений (уравнений), откуда и получают информацию в искомом виде.
Перед решением задачи ученик должен иметь обобщенный план решения -алгоритм или обобщенное предписание, содержание которого заключается в следующем:
1) прочитать задачу, сформировать свою модель задачи;
2) перекодировать свою модель на языке символов (запись "Дано");
3) перекодировать информацию на язык графики;
4) выяснить явление и описать его в виде уравнений (перекодировать информацию, условие задачи на язык математики);
5) проверить систему уравнений на полноту (достаточность);
6) решить уравнения;
7) провести анализ ответа и хода решения задачи;
8) обобщить решение задачи.
Процесс перекодирования информации с одного языка на другой представляет собой не что иное, как процесс трансляции (перевода) информации. Трансляция информации протекает одновременно с анализом известной информации и синтезом новой информации или информации, записанной в более удобной или рациональной для переноса форме.
Решение задач формирует у учащихся способность перерабатывать информацию, полученную в произвольной форме, и вместе с этим способность самостоятельно ориентироваться в непрерывном и ускоряющемся потоке научной информации с целью ее рационального использования.
В работах современных психологов разработана теория поэтапного формирования умственных действий, которая положена нами в основу формирования у учащихся системы разноуровневых обобщений при решении
задач [23-26; 133-134]. В основе теории поэтапного формирования умственных действий лежит следующее положение: вместо изучения множества частных явлений изучается то общее, что лежит в сущности каждого частного явления. Зная это общее и владея способом выделения его компонентов, можно самостоятельно не только анализировать новые частные явления, но и конструировать их.
Огромное преимущество поэтапного формирования умственных действий и понятий заключается в том, что вместо множества готовых частных фактов с частными методами их анализа дается единый метод, он усваивается на нескольких частных явлениях, а в дальнейшем ученик самостоятельно описывает любое частное явление [43; 44; 156].
Объект исследования: процесс обучения учащихся решению физических задач.
Предмет исследования: процесс формирования у учащихся системы разноуровневых обобщений при решении количественных задач по физике.
Цель исследования состоит в теоретическом обосновании и разработке методики формирования у учащихся системы разноуровневых обобщений при решении физических задач.
Анализ научно-методической литературы, научно-исследовательской работы, опыт преподавания физики в школе и в вузе позволили выдвинуть гипотезу исследования: если в процессе обучения решению задач последовательно и поэтапно сформировать у учащихся систему разноуровневых обобщений методов их решения, то это позволит им выработать умения решать задачи, повысит качество знаний.
Задачи исследования:
1) выявить психолого-педагогические особенности формирования системы разноуровневых обобщений;
2) обосновать необходимость и возможность формирования системы разноуровневых обобщений у учащихся при решении задач;
3) разработать методику реализации разноуровневых обобщений при решении физических задач в условиях средней школы;
4) экспериментально определить влияние разноуровневых обобщений при решении задач на качество знаний учащихся.
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы педагогического исследования и виды деятельности:
• материалистическая диалектика как логика и теория познания;
• анализ философской, психологической, педагогической и методической литературы по проблеме исследования;
• анализ учебных программ по физике;
• наблюдение учебного процесса, изучение и обобщение передового опыта школ и отдельных учителей Кабардино-Балкарской Республики (КБР), г. Нальчика и Республики Ингушетия (РИ), г. Назрань;
• выдвижение рабочей гипотезы;
• моделирование методики осуществления разноуровневых обобщений при решении физических задач;
• организация и проведение педагогического эксперимента.
Научная новизна исследования состоит в том, что в нем выделены три уровня обобщений при решении задач по физике. Разработаны требования к отбору содержания физического материала (системы задач) и характеру организации учебной деятельности учащихся в процессе решения физических задач. Этапы обобщения методов решения физических задач соотнесены с этапами формирования умственных действии (П..Я. Гальперина).
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что оно вносит вклад в совершенствование методики обучения учащихся решению физических задач, а именно: предложено проведение разноуровневых обобщений методов решения физических задач на основе деятельностного подхода.
Анализ результатов педагогического эксперимента проводился на основании анкетирования и контрольных письменных работ учащихся.
На основе существующих общих методических указаний А.И. Бугаева, СМ. Каменецкого, В.П. Орехова, Д. Пойа, Н.Н. Тулькибаевой, А.В. Усовой, Л.М. Фридмана, СИ. Шапиро и др. предложенные нами уровни обобщений раскрывают закономерности поэтапных аналитико-синтетических преобразований задач и устанавливают их связь с последовательностью наиболее существенных операций.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанная методическая система формирования у учащихся разноуровневых обобщений при решении задач может быть использована в практике обучения физике средней школы и вуза. Знание этапов обучения решению задач разного уровня сложности использования научно обоснованных методических указаний к этому процессу, ведут к повышению результативности решения задач по физике.
Достоверность и обоснованность исследования обеспечивается опорой на научную методологию, системным подходом к изучению проблемы, реализацией методов количественного и качественного анализа результатов исследования, применением методов исследования, адекватных его целям, а также проведенным экспериментом по использованию на практике результатов работы.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялась автором в процессе работы в школах Кабардино-Балкарской Республики, в лицее КБГУ для одаренных детей и в вузе (ИнГУ, г. Назрань).
Содержание материала нашло отражение в курсах, читаемых на физическом факультете Ингушского государственного университета (ИнГУ), г. Назрань.
На защиту выносятся положения, выражающие научную новизну:
1) обоснование необходимости разработки системы разноуровневых обобщений при решении задач по физике и методика ее формирования;
2) методика формирования обобщений при решении физических задач. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и литературы,
содержащей 175 источников. Работа содержит 160 стр., 33 рисунка, 7 таблиц.
Основные положения работы в ходе обсуждения на семинарах Московского государственного педагогического университета (Ml 11 У),
городских (г. Назрань), республиканских (РИ) совещаниях учителей, в ИПК КБГУ, на Международных, Всероссийских, Региональных конференциях, семинарах (с публикацией докладов и тезисов [2003-2004]).
Анализ общей структуры деятельности учащихся по решению физических задач
А.А. Никоноров среди проблем методики обучения решению задач, выделяет две проблемы:
1) исследование операционного состава действий по решению задач;
2) формирование у учащихся обобщенных умений решать задачи.
По мнению автора, взаимосвязь данных проблем заключается в том, что формирование соответствующих обобщенных умений возможно только на основе полного, развернутого операционного состава обобщенных действий [100].
Проблема формирования обобщенных приемов решения задач по физике предполагает разработку этих приемов и методики обучения им учащихся. Для выявления обобщенных приемов решения задач необходимо выделить основные структурные единицы (действия, определяющие составы обобщенных приемов), затем установить связи и отношения, которые существуют между ними.
"Не может быть абсолютно известной задачи, иначе она перестает быть для человека задачей, и не существует абсолютно новой задачи, в которой не присутствовали бы элементы проблемных ситуаций, связанные с имеющимся опытом" [49].
Необходимо выделить действия, из которых складывается деятельность учащихся по решению задач, указать последовательность их выполнения, соответствующую логике этой деятельности. Действия задаются совокупностью операций, расположенных в определенной логической последовательности. На основе этого составляется общее предписание, обеспечивающее применение данного приема для решения соответствующих задач. Обобщенный прием представляет собой умственные действия и операции. Формирование у учащихся умения обобщать решения задач мы будем строить согласно теории поэтапного формирования умственных действий.
В зависимости от степени овладения приемами построения некоторого ряда образов произвольный образ создается разными способами:
путем "проб и ошибок";
постепенным путем - когда учащийся анализирует, затем шаг за шагом создает на их основе образ;
путем "инсайта" [65].
В научно-методической и психолого-педагогической литературе имеются различные определения понятия "прием".
Б.А. Абрамский определяет прием как словесно описанное обобщенное знание о действиях или системе действий, необходимых при отыскании решения специфических для данной деятельности задач [5].
Е.Н. Кабанова-Меллер дает определение умения как наиболее рациональной совокупности действий, выполняемых в определенном порядке и служащих для решения задач. Она группирует приемы по разным основаниям: по сложности - сложные и элементарные; по широте применения - частные и обобщенные; по их назначению - приемы, служащие для работы с наглядным или словесным материалом [65].
Н.Ф. Талызина выделяет два класса приемов: общие и специфические. Общие приемы — приемы, используемые в разных областях, при работе с разными знаниями: приемы логического мышления, приемы планирования деятельности и умения контроля. Специфические приемы - приемы, которые используются только в данной области знания [148].
В.П. Хмель, не давая определения обобщенного приема, указывает, что к таковым можно отнести: индукцию и дедукцию; обобщение и абстракцию; анализ через синтез; аналогию [161].
Примером разработки содержания и методики формирования у учащихся обобщенного приема решения задач на "процессы" может служить работа Никола Г. и Талызиной Н.Ф. [99]. В математике существует более 30 разновидностей задач, решение которых основано на анализе процессов: "задачи на работу", "задачи на движение" и т.д. Анализ этих задач, проведенный Никола Г. и Талызиной Н.Ф., показал, что все они основаны на одних и тех же понятиях: скорость процесса, время его протекания и результат, к которому процесс приводит или который он уничтожает. Эти понятия и являются определяющими структурными элементами любой задачи данного класса.
По специальной методике обучения, соответствующей поэтапному формированию умственных действий они обучали учащихся прежде всего выявлять в конкретной ситуации, описанной в задаче, все структурные элементы процесса и их отношений.
В методике преподавания физики были попытки разработать обобщенный прием решения задач (Анофрикова СВ., Лефевр В.И., Юфанова И.Л. и др.). Проанализируем содержание и методику формирования обобщенных приемов, разработанных различными авторами.
Методика формирования у учащихя системы разноуровневых обобщений при решении задач по физике
Умение обобщать решения задач на конкретном уровне означает готовность учащегося к переходу на более высокий уровень сложности задач. Процесс обобщения проходит на основе установления для данных объектов общих свойств или общих отношений. Обобщение неразрывно связано с аналогией. Суждения, полученные по аналогии, проблемны и подлежат дальнейшему исследованию, доказательству и обобщению.
Умозаключение по аналогии является непременной составной частью творческого мышления, так как этим путем мысль человека выходит за пределы известного, пролагая путь к неизвестному. Осуществляется перенос знаний -трансфер [115], который сопровождается анализом связей, разрывом существующих связей, сравнением и переносом на новый объект конкретных связей, синтезом новых связей и обобщением. Трансфер, прямо или косвенно, в конечном итоге должен давать обобщение. "Применение обобщения связано с преобразованием мыслей, с умственным экспериментированием; оно есть одно из самых важных средств самообучения, автодидактики, т.е. самостоятельного расширения и углубления имеющихся знаний" [170].
Творческие, "познавательные задачи, применяемые для активизации умственной деятельности учащихся, должны иметь свойство обобщенности" [95].
Обобщения являются высшим продуктом эмпирического мышления, дают новое средство для решения новых задач, переноса полученного обобщенного метода на решение задач более высокого уровня. Подчеркивая важность обобщений, следует отметить, что конкретные знания со временем могут подвергнуться забвению, но общий способ овладения и пользования знаниями есть приобретение ума, более устойчивое, чем знания [170].
Можно предположить наличие трех уровней обобщений при решении задач: эмпирический, эмпирико-теоретический и теоретический уровни.
Обобщения первого уровня при решении задач. Задачи первого уровня представляют собой простейшие задачи. По определению П.А. Знаменского, приведенного в широко известной работе "Методика преподавания физики", "это простые элементарные задачи, при решении которых приходится иметь дело с каким-либо одним явлением, одним законом, использовать одну-две формулы. Эти задачи мы предлагаем учащимся:
1) для выяснения и закрепления основных физических понятий;
2) для уяснения, закрепления и запоминания физических законов и выражающих их формул;
3) для закрепления знаний наименования единиц и некоторых физических констант;
4) для развития первоначальных приемов и навыков в решении физических задач".
Напомним, что при решении простейших задач учащиеся должны обучаться начальным, элементарным умениям обобщать, из которых слагается умение решать задачи:
выделять структурные элементы задачи;
выделять явления и процессы, описанные в условии задачи и их характеристики;
отождествлять характеристики начального и конечного состояния процесса, приведенного в условии задачи;
выделять материальные объекты и их характеристики;
кратко записывать данные задачи - "Дано";
изображать модель задачной ситуации в виде схем, рисунков, чертежей, векторных диаграмм;
переводить данные в систему СИ; проводить расчет по конечным формулам [35].
Основное умение, которому должны научиться учащиеся - это умение обобщать элементарные процедуры решения задач, находить то новое, что дало решение каждой конкретной задачи. Это, например, алгоритмы перевода единиц скорости, ускорения, плотности и т.д.
Деятельностная теория обучения (П.Я. Гальперин, Н.Ф. Талызина) предполагает, что результатом обучения является формирование познавательной деятельности или соответствующих элементарных действий. Известно, что процесс трансформации умения в навык проходит три этапа: обучение, тренировку и автоматизацию.
При первичном, начальном обучении решению задач целесообразно решать полно поставленные задачи, которые характеризуются минимальным количеством информации, отличаются содержательной простотой, решаются с помощью простейших линейных алгоритмов, требующих простейших расчетов.
Описание опытно-экспериментальной работы, анализ результатов
Возвращаясь к вопросу об уровнях обобщения, можно было бы предположить, что число уровней обобщения соответствует числу "идей и методов" решения физических задач. И на самом деле, можно было бы говорить еще о двух уровнях: 1) примитивном, когда обобщение связано с локальным переносом знаний (например, о каком-либо законе) при решении простейших задач на "применение закона". Применение знаний без их переноса с конкретного, даже элементарного и частного на некоторое другое конкретное и частное не может быть осуществлено; 2) теоретическом, творческо-поисковом, когда осуществляется широкий и дальний перенос знаний межпредметного типа с поиском объекта исследования и соответствующей постановкой и решением проблемы или задачи. Уровням мышления, уровням "идей и методов" решения задач соответствуют также уровни трансфера — переноса знаний: [115] 127 1. Примитивный - локальный трансфер (перенос конкретных знаний, применение теории при решении простейших задач на "применение закона"). 2. Стандартный - внутрисистемный трансфер на уровне переноса известного алгоритма на решение новых задач внутри раздела курса (решение типовых, стандартных задач). 3. Квазитворческий - межсистемный, внутрипредметный трансфер на уровне переноса обобщенного метода (системы предписаний) на решение задач по данному предмету. 4. Оригинальный - межпредметный трансфер, с использованием методов других наук (например, математики, информатики и т.д.). 5. Поисковый - собственно творческий, межпредметный трансфер с поиском объекта исследования, проблемы [115]. Уровни проблемности физических задач можно также определить, приведя в соответствие их с уровнями "идей и методов" решения этих задач: 1) примитивный - проблемы на уровне применения знаний теории при решении элементарных задач, создание алгоритмов элементарных действий. 2) стандартный - проблемы на уровне применения знаний в новой ситуации, результатом решения которых будет создание алгоритма решения простых задач внутри раздела курса. 3) квазитворческий - проблемы на уровне обобщения алгоритмов по решению задач курса или его части, результатом решения которых будет создание обобщенного метода (системы предписаний алгоритмического типа) решения задач по данному предмету. 4) оригинальный - эвристический уровень проблем, результатом решения которых будет создание индивидуального или коллективного банка эвристик и обобщенного метода решения задач третьего уровня. 128 5) поисковый — творческий, поисковый уровень проблем, связанный с самостоятельным (коллективным) выдвижением и формулировкой проблем, результатом решения (иногда и коллективного) которых будет создание новых алгоритмов, эвристик, или дополнение и уточнение обобщенных методов.
Таким образом, проблемный метод обучения выступает как общий метод обучения на всех уровнях при переходе от одного уровня "идей и методов" решения задач на другой, более высокий. Такой переход с одного уровня на другой сопровождается получением нового продукта, обеспечивающего возможность решения новых задач "повышенной трудности", что дает возможность развития продуктивного и творческого мышления.
Создание проблемных ситуаций при решении физических задач должно происходить в "зоне ближайшего развития". Ясно, что в противном случае "никаких проблем не будет".
Как известно, понятие творчества, (и, в частности, творческого решения задач) весьма многогранно. Но "нельзя с уверенностью судить о том, носит ли решаемая субъектом задача творческий характер, абстрагируясь от особенностей познавательных процессов, которые должны быть осуществлены для ее решения" [17]. Творческие задачи - задачи, "предполагающие получение - способом, новым для решающего задачу субъекта, - некоторого (окончательного или промежуточного) результата, также являющегося — по крайней мере, для этого субъекта - принципиально новым" [17].
Считается, что это те случаи, когда предусматривается приобретение субъектом информации, рассчитанной на длительное хранение ее в памяти как нового способа или метода решения задач.
