Содержание к диссертации
Введение
Глава I. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОТБОР УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
1.1. Современные представления об агрегатных состояниях вещества 14
1.2. Фазовые переходы с молекулярно-кинетической и термодинамической точек зрения 40
1.3. Состояние методики изучения агрегатных состояний вещества и фазовых переходов в школьном курсе физики 51
1.4. Межпредметные связи при изучении строения и свойств вещества 81
Глава II. МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ЗНАНИЙ О МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ ВЕЩЕСТВА И ИХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ
2.1. Этапы изучения агрегатных состояний вещества и их превращений 98
2.2. Методика изучения структуры и свойств вещества в УІ классе 104
2.3. Методика развития понятий о структуре и свойствах вещества в УЇЇ классе 114
2.4. Основные направления углубления и обобщения понятий об агрегатных состояниях вещества и фазовых переходах в IX классе 132
2.5. Физический эксперимент при изучении агрегатных состояний вещества и их взаимных превращений 138
Глава III. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
3.1. Задачи и организация педагогического эксперимента 147
3.2. Результаты констатирующего эксперимента 151
3.3. Результаты формирующего эксперимента 161
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 179
- Современные представления об агрегатных состояниях вещества
- Этапы изучения агрегатных состояний вещества и их превращений
- Задачи и организация педагогического эксперимента
Введение к работе
Партия и правительство уделяют постоянное внимание проблеме образования и воспитания молодого поколения, вопросам совершенствования и развития общего среднего образования. Уже в первые годы становления Советской власти по идеям В.И.Ленина и под руководством Н.К.Крупской и А.В.Луначарского была проведена коренная реформа всей системы народного образования в соответствии с принципами, изложенными в первой программе партии.
В документах ХХУ и ХХУТ съездов КПСС и в постановлениях партии и Советского правительства сформулированы основные задачи ,Сз-$;1$ стоящие перед школой на современном этапе: осуществление всеобщего обязательного среднего образования детей и молодежи, отвечающего требованиям общества и научно-технического прогресса, вооружение учащихся глубокими и прочными знаниями основ наук, формирование у молодого поколения марксистско-ленинского мировоззрения. "Взят важный рубеж - завершен переход к обязательному всеобщему среднему образованию. Главное сегодня в том, чтобы повысить качество обучения" ft .feoj.
Реформа школы, реализуемая в соответствии с программными установками июньского /1983 г./ Пленума ЦК КПСС, имеет своей целью поднять ее работу на новый качественный уровень, соответствующий условиям и потребностям общества развитого социализма. "Принципиальное требование реформы - необходимость обеспечить органическое сочетание профессионального образования в школе с дальнейшим повышением уровня общеобразовательной подготовки учащихся" 6] . Среди основных задач, стоящих перед реформой общеобразовательной и профессиональной школы, следующие: повысить качество образования и воспитания ; обеспечить более высокий научный уровень преподавания каждого предмета, прочное овладение основами наук. Важно, чтобы
- 5 -преподавание естественнонаучных дисциплин вырабатывало у учащихся "умение правильно объяснять явления природы...? С81 .
Несмотря на большие успехи, достигнутые в процессе перехода на новое содержание образования /1968-1973 гг./ и разработке усовершенствованных программ и учебников /I98I-I983 гг./, имеются еще большие ресурсы в деле дальнейшего совершенствования физического образования в средней школе. Успешно реализуется в настоящее время линия на генерализацию системы физического образования, предусматривающая группировку всего учебного материала вокруг ведущих идей и принципов современной физики в рамках фундаментальных теорий, изучаемых в этом курсе, в частности, молекулярно-кинетическои. Учение о структуре и физических свойствах двух видов материи - вещества и поля - леждт в основе всей физической науки.
Идеи молекулярно-кинетическои теории строения вещества пронизывают весь курс физики. Важнейшей задачей раздела молекулярной физики является изучение строения и свойств вещества, находящегося в разных агрегатных состояниях, а также фазовых переходов, исходя из молекулярно-кинетических представлений. Изучение агрегатных состояний вещества и их взаимных превращений имеет не только познавательное, но и большое политехническое значение. Теория фазовых превращений лежит в основе современного материаловедения и указывает пути создания новых материалов с наперед заданными полезными свойствами. Изучение агрегатных состояний вещества и фазовых переходов дает богатый материал для формирования диалектико-мате-риалистического миропонимания.
Решая задачу приближения школьного курса физики к современному уровню науки физики, необходимо определить тот минимум материала, эффективное изучение которого даст основы глубоких и прочных знаний, отвечающих современным требованиям. Одновременно с повышениєм научного уровня содержания раздела надо построить такую методику его изучения, которая вела бы кратчайшим путем к осуществлению главных целей обучения физике в школе: глубокому и прочному усвоению учебного материала, развитию мышления и формированию диа-лектико-материалистического мировоззрения учащихся. Прочное знание основ наук предполагает не только глубокое усвоение учащимися системы научных понятий, но и умение применять полученные знания на практике, "умение самостоятельно пополнять свои знания, ориентироваться в стремительном потоке научной и политической информации", а это с неизбежностью предполагает "приведение самих методов обучения в соответствие с требованиями жизни" СЗ,
Вопросам преподавания молекулярно-кинетической теории,включая изучение агрегатных состояний вещества и фазовых переходов, за последние 30 лет было посвящено значительное число работ. Многие из них раскрывают методику преподавания по старым программам, но выкристаллизовавшиеся в них основные идеи сохраняют свое значение и по сей день.
Основы изучения молекулярной физики в средней школе были рассмотрены в работах Е.С.Артеменко Г/21, Н.М.Бергера E20J, Г.С.Ма-неева [901 , А.И.Торшина М9І, В.В.Усанова D52-/5V] , А.В.Усовой [157] , Б.Я.Шарапова и др. Они касались, в частности, и молекулярно-кинетического объяснения фазовых переходов, методики и техники демонстрационных опытов, политехнизации учебного материала. Заметим, что в этих работах исследовалась методика изучения этого материала в основном только в старших классах. В настоящее же время агрегатные превращения вещества изучаются в основном только в УЇЇ классе, и прямой перенос разработанных ранее рекомендаций в курс физики первой ступени невозможен.
Перестройка работы школы потребовала введения на рубеже 70-х годов новых программ, основное содержание которых было подготовлено большим числом диссертационных исследований, посвященных термодинамике и молекулярной физике 30;i3; 5;/22;/32l, изучению строения и свойств твердых тел lib; 121; 53] , газообразного состояния Ж; 84; 44j , жидкости С180].
Одной из основных задач, которые решались при переходе на действующие ныне программы по физике, являлось приведение содержания школьного курса в соответствие с уровнем современной науки и требованиями к среднему образованию. Особое внимание было уделено повышению роли теории на первой ступени обучения физике. Это потребовало усиления роли пропедевтических курсов природоведения в младших классах. Отдельные вопросы этой проблемы были решены в работах В. В. Новакович Ll05] , А.В.Самсоновой /36], О.В.Аквилевой 10] , Д.Шодиева Ц%11 и др. В указанных диссертационных исследованиях агрегатные состояния вещества и фазовые переходы рассматривались попутно, в виде частных вопросов или в качестве примеров реализации исходных концепций. Так, А.В.Поздняков [122] реализует идею единого подхода к изучению агрегатных превращений вещества на основе химии дисперсных и поверхностных явлений, Ю.Асиев /3j иллюстрирует обучение приемам творческой деятельности на материале данной темы и др.
Отдельным предметом исследования рассматриваемая нами проблема не являлась, если не считать работу Р.Ф.Миньковой 1021, посвященную формированию понятий об агрегатных состояниях вещества и фазовых переходах у учащихся восьмилетней школы. Однако мы не можем согласиться с ее выводом, будто бы изучение элементов молеку-лярно-кииетической теории в УІ классе нецелесообразно, так как ведет к нарушению историчности и логики науки и трудностям, которые возникают у учащихся при усвоении этого материала без предварительного формирования понятий массы, скорости, силы, энергии. Нам представляется, что позиция Р.Ф.Миньковой не соответствует современной тенденции усиления роли теории на первой ступени обучения физике, более раннего знакомства учащихся с элементами теорий.
Проблеме формирования представлений о структуре вещества в курсе физики средней школы посвящены диссертации Н.А.Кокорина С6#], И.М.Лучкив І8Ї1 и др. Н.А.Кокорин рекомендует в курсе физики первой ступени особое значение придавать уточнению и детализации представлений о структуре макроскопических тел и объяснению на этой основе закономерностей фазовых переходов ; дополнить силовое описание межатомных связей энергетическим и рассмотреть преобразования энергии в процессах агрегатных превращений вещества.
В докторской диссертации Н.А.Родиной [ІЗ1/] раскрыты теоретические основы преподавания физики на первой ступени ее изучения в средней школе. В результате исследования сделан важный шаг в направлении приведения методики обучения физике в УІ-УЇЇ классах в соответствие с актуальными задачами обучения, выдвинутыми требованиями научно-технической революции к среднему школьному образованию: повышение роли физических теорий и усиление внимания к изучению строения вещества.
Таким образом, имеется ряд исследований, близких к нашей теме, однако темой самостоятельного методического исследования рассматриваемый вопрос не являлся. Отсутствует последовательная методика формирования знаний о молекулярно-кинетической теории агрегатных состояний вещества и их взаимных превращений на первой ступени обучения физике, где данный материал изучается все-таки в основном феноменологически. Силовые и энергетические представления слабо привлекаются для раскрытия фазовых переходов. Не формируется понятие о том, что с увеличением температуры растет не только молекулярно-кинетический, но и молекулярно-потенциальный компонент внутренней энергии. Имеется определенная несогласованность в распределении учебного материала об агрегатных состояниях вещества и их превращениях между ступенями обучения физике. Недостаточно разработан учебный эксперимент по теме, в частности, не решен вопрос с подбором веществ для иллюстрации фазовых переходов в наиболее удобных для средней школы температурных интервалах, отвечающих требованиям техники безопасности и школьной гигиены.
Сказанное позволяет сделать вывод, что дальнейшая разработка принципиально важной для школы проблемы повышения научного уровня преподавания предметов естественнонаучного цикла, в частности, совершенствование методики формирования знаний о строении и свойствах вещества на основе молекулярно-кинетической теории является актуальной.
Цель исследования: разработать педагогически эффективную методику формирования знаний об агрегатных состояниях вещества и фазовых переходах на основе сочетания энергетического и структурного подходов к их изучению /в основном на первой ступени обучения физике/.
В основу исследования положена следующая гипотеза: если последовательно осуществлять энергетический и структурный подходы к изучению строения и свойств вещества, то эти подходы обеспечат углубление и развитие знаний о молекулярно-кинетической теории агрегатных состояний вещества и фазовых переходов, что содействует улучшению формирования представлений учащихся о двусторонней связи свойств вещества и его строения.
Объектом исследования является процесс изучения курса молекулярной физики в средней школе. В качестве предмета исследования наїли избрана методика изучения в школьном курсе физики агрегатных состояний вещества и их взаимных превращений /в основном на первой ступени обучения физике/.
Исходя из цели исследования, планировалось решение ряда конкретных задач:
1. Определить теоретические основы формирования требуемых знаний об агрегатных состояниях вещества и фазовых переходах.
2. Обосновать пути формирования системы знании на основе анализа молекулярно-кинетического /структурного/ и термодинамического /энергетического/ методов, меж предметных связей с курсами природоведения, физической географии и химии.
3. Исследовать эффективность разработанной методики в учебном процессе.
При решении этих задач использовались апробированные в педагогической науке методы исследования: изучение трудов классиков марксизма-ленинизма, материалов съездов КПСС, постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР о совершенствовании народного образования ; изучение и анализ специальной литературы по теме исследования ; сравнительный анализ ранее выполненных научных исследовании, программ, учебников и методических пособий ; наблюдение за ходом учебного процесса в школе ; педагогический эксперимент ; анализ результатов, их статистическая обработка и оценка достоверности.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
- создана методика изучения агрегатных состояний вещества и фазовых переходов на первой ступени обучения физике, учитывающая не только энергетический, но и структурный /статистический/ аспект проблемы, включающий рассмотрение различной степени упорядоченности расположения частиц в кристаллах, жидкостях и газах ;
- обоснована целесообразность и возможность изучения на первой ступени обучения физике понятия о различных структурах вещества /атомных, молекулярных, ионных и металлических/ и объяснения на этой основе различий в макроскопических свойствах ;
- усовершенствована лабораторная работа по изучению процесса плавления кристалла /УП кл./ и предложены новые работы по изучению процесса кипения воды /УП кл./ и метастабильного состояния переохлажденной жидкости /IX кл./.
Практическая значимость диссертации состоит в том, что в ней предложена педагогически эффективная методика изучения агрегатных состояний вещества и фазовых переходов на первой ступени обучения и усовершенствован учебный эксперимент по теме, что может быть непосредственно использовано в учебном процессе, а также при совершенствовании программ, учебников и методических пособий. Внедрение некоторых результатов исследования осуществлено путем публикации статьи в журнале "Физика в школе".
На защиту выносится:
- методика изучения агрегатных состояний вещества и фазовых переходов /в основном на первой ступени обучения физике/, основанная на последовательном применении основных идей молекулярно-кине-тической теории и учения о преобразованиях энергии, реализации межпредметных связей физики с курсами природоведения, физической географии и химии ;
- предложения по совершенствованию учебного эксперимента по теме /изучение явлений плавления и кипения/ ;
Структура и содержание работы обусловлены целями и задачами исследования. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы.
Во введении показана актуальность темы исследования, ее научная новизна и практическая значимость, определяются объект и предмет исследования, цель и задачи исследования, формулируются гипотеза и положения, выносимые на защиту.
Современные представления об агрегатных состояниях вещества
Одним из основных вопросов методики физики является содержание обучения, отбор научного материала, подлежащего изучению в школе. Задачи преподавания физики заключаются в ознакомлении учащихся с явлениями окружающего мира, протекающими в природе, в различных установках современной техники. Знания, полученные при изучении физики, в полной мере должны использоваться в других школьных предметах и на практике.
Эти задачи, стоящие перед преподаванием физики в средней школе, а также сложившиеся определенные требования в современной педагогике к отбору учебного материала, должны лечь в основу отбора материала науки для школьного преподавания [161;//S;/82]. При отборе учебного материала для формирования знаний о молекулярно-ки-нетической теории агрегатных состояний вещества и фазовых переходов учитывались требования, вытекающие из целей физического образования в средней школе, основные из которых - формирование научного мировоззрения, развитие мышления и политехническое обучение. Каждый вопрос оценивался со следующих точек зрения:
- важности материала для формирования основ диалектико-мате-риалистического мировоззрения и воспитания учащихся ;
- значимости отобранного материала, который должен способствовать развитию теоретического мышления учащихся ;
- доступности для учащихся, соответствия их познавательным
- -возможностям, поддержания устойчивого познавательного интереса ;
- значимости для развития политехнического кругозора ;
- реализации как внутрипредметных, так и межпредметных связей.
Таким образом, только наличие систематичности в расположении изучаемого материала и учет педагогической целесообразности его введения может привести к правильному отбору и построению учебного материала.
С точки зрения формирования научного мировоззрения агрегатные состояния вещества и фазовые переходы вносят существенный вклад в создание у учащихся диалектико-материалистического миропонимания: материальность и познаваемость мира, взаимосвязь свойств макро- и микромира, переход количественных изменений в качественные и т.п. В плане формирования естественнонаучной картины мира изучение агрегатных состояний вещества позволяет раскрыть основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества, зависимость свойств вещества от его внутренней структуры. Знакомство учащихся с физическими основами современной техники и технологии, такими, например, как получение и применение сплавов, литейное производство, служит целям политехнического обучения.
Программа предусматривает систематическое изучение физики, раскрывающее микромеханизм явлений. При этом важно построить все обучение так, чтобы изучаемые сведения логически вытекали из мо-лекулярно-кинетических представлений о строении вещества. Для этого надо отобрать только минимум фактов, понятий и закономерностей и дать им толкование, отвечающее современности. Добиваться при этом, чтобы молекулярно-кинетические представления, развитые при изучении простейших механических свойств, могли быть наиболее эффективно использованы при изучении других свойств вещества: тепло - 16 вых, электрических, оптических. Итак, решая задачу приближения школьного курса физики к современному уровню науки физики, следует определить тот минимум материала, эффективное изучение которого привело бы кратчайшим путем к осуществлению главных целей обуче -ния физике в школе: глубокому и прочному усвоению материала, развитию мышления и формированию диалектико-материалистического мировоззрения школьников.
Этапы изучения агрегатных состояний вещества и их превращений
Одним из требований, предъявляемым к курсу.физики средней школы, является изучение понятий в соответствии с современными взглядами, преподавать физику как развивающуюся науку. В век научно-технической революции, по мере того как человечество увеличивает запас опытных знаний, все настоятельнее возникает потребность в их систематизации, без которой нет возможности разобраться в бесконечном изобилии окружающих нас явлений. Поэтому "...нельзя требовать знания только опытной физики, но вовсе не потому, что это слишком мало, а потому, что это слишком трудно. Более или менее полное знание опытной физики без помощи теории человеку не под силу"[9, С.2Ц9].
В изложении нового содержания курса физики в средней школе, перед которым поставлена задача формировать физические понятия на современном уровне развития науки, больше внимания, чем раньше, уделено раскрытию "механизма" получения новых знаний в физике. Физические законы даются в нем как обобщение опытных фактов, из законов логически выводятся следствия, которые экспериментально подтверждаются. Это соответствует известной ленинской формуле: "От живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике - таков диалектический путь познания истины, познания объективной реальности" ["2, с./52-/53].
О необходимости изучения микромеханизма явлений писал А.Ф. -Иоффе: "... при построении курса современной физики должно исходить из описания свойств элементарных процессов, механизма их действия в отдельных случаях, статистического характера законов, охватывающих большое число элементарных фактов" [52, с.951 . При таком подходе "изложение физических явлений, исходящих из механизма, упрощает и облегчает ученику усвоение предмета физики,внося разумный элемент и наглядность, освобождая учащегося от запоминания большого числа непонятных формул и формулировок. Ученик начинает чувствовать возможность самостоятельно разобраться в многочисленных проявлениях элементарных актов, возможность предсказать изменение окружающей среды в определенных условиях" /там же/. Актуальность этого положения подчеркивается решениями партии,ставящих задачу перед учащимися средних школ - "умение самостоятельно пополнять свои знания, ориентироваться в стремительном потоке научной и политической информации" 3, с.7г] , что с неизбежностью предполагает усовершенствование самих методов обучения[ 1 . Одним из требований, предъявляемых к методам обучения, является этапность учебного процесса познания, исходящая из наиболее общих законов марксистско-ленинской диалектики, изучаемого предмета и психологических особенностей учащихся.
В качестве исходных принципов построения методики изучения агрегатных состояний вещества и фазовых переходов для нас служили следующие положения: последовательность изучения вопросов этих тем должна в основном соответствовать последовательности, изложенной в программе [/267 ; за основу принято учебное время, отведенное программой. Сведения, отсутствующие в программе, можно уложить в те же временные рамки. "Речь идет не о включении дополнительных глав в программу, а об ином изложении неизменного по объему круга знаний" ["52, с.95]
Как показал опыт преподавания, более детальный анализ характера движения и взаимодействия частиц вещества в разных агрегатных состояниях и при фазовых переходах не только не вызывает перегрузки учащихся, но и облегчает изучение материала, избавляя их от необходимости заучивать малопонятные факты и формируя умение самостоятельно изучать физические явления.
В основу методики легла идея единого подхода к изучению агрегатных состояний вещества и их превращений, которая заключается в том, что все три состояния можно представить в виде систем с различной степенью упорядоченности расположения частиц в них, а фазовые переходы можно представить как переходы порядка в расположении частиц в беспорядок и обратно /или от одной системы упорядочения частиц к другой/. Тем самым реализуется возможность изучения в средней школе условий устойчивого агрегатного состояния не только с энергетической стороны, но и структурной. Структурный подход должен отражать качественную сторону стремления системы частиц к максимальному беспорядку /при данных условиях/.
Задачи и организация педагогического эксперимента
Для проверки эффективности формирования знаний об агрегатных состояниях вещества и фазовых переходах на основе молекуляр-но-кинетической теории проводился педагогический эксперимент /констатирующий и формирующий/ в УІ-УП классах пяти школ г.Армавира Краснодарского края /Ш 3,7,10,12,13/ в период с 1979 по 1983 год.
Цель экспериментальной проверки состояла, во-первых, в определении следующих факторов:
- доступности для учащихся экспериментальных классов идеи о различной степени упорядоченности частиц вещества в разных агрегатных состояниях /беспорядок, ближний и дальний порядок/ ;
- степени сформированности знаний учащихся о связи между структурой и свойствами вещества по двум направлениям: свойства -структура и структура-свойства ;
- понимания условий фазовых переходов с различных точек зрения - преобразования энергии и степени упорядоченности частиц вещества; глубины усвоения учащимися данного материала.
Во-вторых, в сравнении педагогической эффективности экспериментального обучения с контрольными классами, где работали те же учителя.
Для достижения этих целей необходимо было решить соответствующие задачи:
- выбрать методику педагогического исследования, адекватную особенностям решаемой проблемы и конкретным обстоятельствам ;
- обеспечить учителей и учащихся необходимыми дидактическими материалами ;
- разработать систему контрольных заданий, позволяющих регистрировать основные критерии усвоения учебного материала.
Мы пользовались следующими основными методами исследования:
а/ наблюдение за ходом учебного процесса и за самостоятельной работой учащихся на уроках ;
б/ беседы с учащимися и краткий опрос в процессе выполнения практических заданий;
в/ анализ письменных работ и устных ответов учащихся, записанных на магнитную пленку.
Ответы учащихся, полученные при письменных и устных опросах, требовали средств анализа, адекватных задачам исследования. Значение адекватности методики исследования особенностям решаемой проблемы неоднократно подчеркивалось в ряде работ [ЦБ 82) 22 7 по вопросам методологии педагогических исследований. В нашем исследовании мы использовали трехуровневую шкалу диагностики усвоения отдельных элементов знаний, основанную на разработанной советскими психологами теории формирования умственных действий и широко применяемую в частных дидактических исследованиях [\2В) / /43 :
I уровень соответствует этапу распознавания и воспроизведения изложенных понятий ;
П уровень - умению применять знания в знакомой ситуации ;
Ш уровень - умению переносить и применять полученные знания в измененной либо новой ситуации.
По В.Г.Разумовскому [}281 выделяются отдельно уровни распознавания и воспроизведения. Мы сочли возможным объединить эти два уровня в один, поскольку характер контрольных заданий и вопросов, как правило, включает либо уровень распознавания /в заданиях с выборочным ответом/, либо уровень воспроизведения в пись - 149 -менных контрольных работах.
Обучающий эксперимент проводился только на первой ступени обучения физике, так.как, во-первых, по действующей программе фазовые переходы изучаются в основном в УЇІ классе, во-вторых, наиболее трудно сформировать нужные представления именно в УІ -УШ классах, в IX классе это значительно легче. Поэтому мы выбрали для эксперимента наиболее сложную часть - УТ-УП классы.
При проведении педагогического эксперимента были выделены экспериментальные классы /с общим охватом 552 учащихся УІ классов и 408 учащихся УЇЇ классов/ и контрольные классы. В психолого-педагогических исследованиях принято считать приемлемой 95 -ную доверительную вероятность /при предельной ошибке в 5% / при выборочном наблюдении [3 1 . Количество учащихся в экспериментальных классах больше минимального объема выборки - 384 учащихся -что обеспечивает 95 -ный уровень достоверности, когда результаты выборки оцениваются по числу верных и неверных ответов учащихся.
