Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические аспекты оценки знаний учащихся по школьному курсу физики 10
1.1. Структура, модели и оценка процесса усвоения знаний по физике 10
1.2. Измерение количества информации и представление знаний 20
1.3. Процессы сохранения и забывания информации 31
Выводы по первой главе 34
Глава 2. Теоретические основы информационного метода оценки усвоенности знаний учащихся
2.1. Показатели оценки усвоенности знаний 36
2. 2. Понятия и определения математического аппарата информационных фреймов 45
2. 3. Сложность информационного фрейма 62
Выводы по второй главе 72
Глава 3. Технология информационного метода оценки усвоенности знаний на уроках физики в средней школе 73
3.1. Способы составления информационных фреймов сообщений назадщгую ситуацию по физике 73
3.2. Формализация знаний по физике в виде информационных фреймов 83
3. 3. Технология применения информационного метода оценки усвоенности знаний на уроках физики 99
3. 4. Вычисления комплексного показателя усвоения знаний по физике 106
Выводы по третьей главе 111
Заключение 112
Литература 116
Приложения 125
- Структура, модели и оценка процесса усвоения знаний по физике
- Показатели оценки усвоенности знаний
- Способы составления информационных фреймов сообщений назадщгую ситуацию по физике
Введение к работе
Одной из основных задач методики обучения физике является определение методов или приемов наиболее эффективного изучения и усвоения учащимися учебного материала.
За период становления методики обучения физике накоплен огромный эмпирический материал и в последнее время, ведущее значение приобретают теоретические обобщения, выросло внимание к науковедческим вопросам. Разработан ряд теоретических концепций по методологии методики обучения физике такими ведущими методистами, как Р. Ю. Волковыский, Г. М. Голин, С. Е. Каменецкий, И. Я. Ланина,В. В. Мултановский, А. А. Пинский, В. Г. Разумовский, Ю. А. Сауров, А. М. Сохор, В. Ф. Ефименко, Э. Е. Эвенчик, Т. Н. Шамало и др.
Как прикладная педагогическая наука методика обучения физике вынуждена использовать язык психологии, педагогики и при этом должна вскрыть природу педагогических процессов, усилить свои предсказательные формирующие функции. Педагогическая наука всегда стремилась быть более точной, поэтому оправдан и объясним поиск новых средств дидактического исследования.
Одной из самых острых проблем проведения экспериментального исследования в методике обучения физике является проблема измерений. Острота этой проблемы заключается в интерпретации зафиксированного факта; в построении диагностики; в выборе измеряемых качеств, шкалы измерений, критериев для сравнения результатов измерения и др.
Решению подобных проблем посвящен ряд исследований таких ученых, как В. С. Аванесов, Р. Аткинсон, В. П. Беспалько, Ю. И. Дик, О. Ф. Кабардин, Я. А. Микк, Р. В. Майер, В. И. Михеев, В. В. Новицкий, Н. Ф. Талызина, Л. Т. Турбович, Т. Г. Ханова, В. С. Черепанов, И. М. Чередов, Д. Шодиев и др.
4 Тем не менее, исследования в данной области не могут удовлетворить потребности в измерительных технологиях, поэтому в рамках этого движения необходимо множество конкретных решений.
Актуальность разработки информационного метода оценки усвоенности знаний учащихся по физике определяется также востребованностью организованной оценки усвоения знаний учащихся в школьной практике. Пока все еще требуют решения проблемы: разная "точка отсчета" оценки у разных учителей; недостаточная точность оценки качества знаний; формальная, небрежная, непрофессиональная оценка; ограниченность пятибалльной шкалы оценок; оценка и уровень притязания школьников и др.
В доступной и научно обоснованной методике оценивания качества знаний имеют потребность в настоящее время и директора школ, их заместители, инспектора управления народного образования, учителя методисты, учителя физики.
Традиционный способ оценки усвоенности знаний общеизвестен - это в основном пятибалльная система оценивания знаний. Оценка даётся в количественных единицах, однако, по своей сущности она носит качественный характер. В учебных программах определены критерии оценивания знаний по предметам, но они очень расплывчаты и неопределённы. При традиционном оценивании знаний учащегося преподаватель чаще всего полагается на свой опыт и интуицию. Поэтому нередко приходится сталкиваться с ситуациями, когда разные преподаватели за одну и ту же работу выставляют разные оценки. При этом появляются противоречия и конфликтные ситуации между участниками процесса обучения. При разрешении противоречий такого типа необходимо использовать убедительную оценку, опирающуюся на точный математический метод и дающую однозначный результат.
Предлагаемый диссертантом метод является актуальным как в теоретическом плане, так и отвечающем требованиям педагогической практики. Введенная автором оценка усвоенности знаний учащихся является
5 объективной, так как опирается на точные математические методы и почти
полностью исключает интуитивный подход к процессу оценивания знаний.
Количественная оценка даёт возможность учителю сделать анализ процесса усвоения знаний учащимися. Зная значения показателей характеризующих количественно все этапы процесса усвоения, преподаватель может скорректировать деятельность учащихся на каждом этапе процесса усвоения, а также определить фрагменты учебного материала, не усвоенные учащимися. Это является важным основанием для организации и управления познавательной деятельности учащихся.
Некоторые учащиеся хорошо воспринимают учебный материал, но быстро забывают, другие воспринимают небольшой объём учебного материала, но прочно удерживают её в памяти. Все эти стороны процесса усвоения позволяют оценить относительные показатели, а в целом, весь процесс - комплексный показатель.
Целью данной работы является разработка метода и соответствующей технологии для оценки усвоенности знаний, полученных учащимися на данном уроке физики.
Объект исследования: оценка усвоенности учащимися учебного материала по школьному курсу физики.
Предмет исследования и защиты: метод оценивания усвоенности знаний, полученных учащимися на уроке физики.
Гипотеза исследования заключается в том, что усвоенность учебного материала может быть оценена путем измерения отраженной сложности усвоенной информации (измерения знания), когда способом представления информации выступает фрейм.
Задачи исследования:
1) проанализировать существующие концепции структуры процесса усвоения с целью выявления основных и необходимых его компонент и показателей, количественно характеризующих этот процесс;
2) уточнить и операционализировать понятие фрейма;
3) разработать метод измерения отражённой сложности в процессе
усвоения знаний по школьному курсу физики;
дать алгоритмическое предписание для представления ситуации (учебного материала по школьному курсу физики) в виде информационного фрейма;
разработать алгоритмы и программы, автоматизирующие все вычислительные процессы;
5) провести апробацию метода в общеобразовательной школе на уроках
физики.
Методология и теория исследования базируются на трудах: по вопросам структуры процесса усвоения знаний (Дж. Брунер, С. А.. Рубинштейн), по вопросам моделирования и оценивания процесса усвоения знаний (Б. Г. Ананьев, В. П. Беспалько, Л. Б. Ительсон, С. И. Шапиро, Р. В. Майер), по проблемам философии понятия сложности (Б. В. Бирюков, В. С. Тюхтин), по проблемам измерения сложности и количества информации (А. Н. Колмогоров, Ю. С. Перевощиков, А. Уилсон, М. Уилсон), по теории фреймов (М. Минский), по алгоритмизации обучения (Л. Н. Ланда), по науковедческим вопросам методики обучения физике, моделирования уроков физики и структурирования учебного материала по физике (Ю. А. Сауров, В. Г. Разумовский), а также на исследованиях определяющих условия обеспечения качества обучения, формы и уровни усвоения учебного материала.
Методы исследования.
Исследования проводились на основе теоретических методов моделирования, аналогии, аксиоматизации. Рассматривается модель процесса обучения, как передача информации по каналу связи с шумом и фильтрами, а также математическая модель процесса забывания; знания моделируются в виде информационных фреймов. При построении математического аппарата информационных фреймов и в самой работе в качестве аксиом принимаются
7 такие утверждения: "информация создаётся, передаётся, перерабатывается
квантами", "отражённая сложность ситуации, явления вычисляется с помощью
формулы, использующей выражение второго замечательного предела в
интерпретации Ю.С.Перевощикова", "скорость забывания информации
пропорциональна количеству информации, хранящейся в памяти".
Из эмпирических методов исследования применяется опрос, тестирование (при воспроизведении знаний), метод наименьших квадратов (при аппроксимации результатов эксперимента М. Джонса), изучение школьных документов, дидактический эксперимент.
Экспериментальная база исследования: Кочевская
общеобразовательная школа Кочевского района Пермской области.
На защиту выносятся следующие положения:
Усвоенность учебного материала по физике может быть определена как результат процесса усвоения, имеющего следующую структуру: прием, смысловая переработка, сохранение полученных знаний и их применение.
Наиболее адекватным способом представления знаний по физике, позволяющим оценить их сложность, является фрейм.
Фрейм, как способ представления знаний, может быть определен и операционализирован в виде математической структуры, которая задается с помощью ряда условий.
Операциональным аналогом фрейма, необходимым для измерения отраженной сложности, может являться граф или строчная запись иерархивизированного множества терминалов, каждое задание которых заполнено физическим знанием.
5. Технология оценивания усвоенности учебного материала по школьному курсу физики с помощью информационного фрейма включает в себя определение и операционализацию фрейма, расчет сложности фрейма по ряду формул, сравнение сложности фрейма исходной информации и сложности фрейма усвоенной информации.
8 Научная новизна исследования:
выявлены необходимые показатели, количественно характеризующие процесс усвоения знаний по школьному курсу физики;
дано уточнение и операционализация фрейма;
введено в процесс представления знаний по физике понятие отражённой сложности;
предложен метод количественного выражения отражённой сложности в процессе усвоения знаний по школьному курсу физики;
сформулировано алгоритмическое представление учебного материала по школьному курсу физики и дана методика символьного его описания;
разработаны алгоритмы и программы для автоматизации процедур вычисления относительных показателей;
дана методика информационной оценки усвоенности знаний с апробацией на примерах уроков физики и астрономии в средней школе.
Практическая значимость исследования заключается в том, что методисты, преподаватели физики, директора школ, инспектора и др., получают новый, точный, объективный и достаточно доступный метод для оценивания степени усвоенности знаний. Результаты исследования могут быть также использованы при определении сложности, ценности и тезауруса знаний по физике. Основные этапы исследования:
этап (1995 - 1996 г.) Изучение проблемы и постановка задач исследования.
этап (1996 - 1997 г.) Разработка метода и получение основных результатов теоретического исследования.
3 этап (1997 - 1998 г.) Апробация информационного метода на базе общеобразовательной школы на уроках физики и астрономии, обучающий эксперимент.
Апробация результатов исследования. Основные положения и выводы диссертационного исследования докладывались на аспирантских семинарах в УдГУ, на научно-практических конференциях в г. Кудымкаре, на семинарах учителей физики, а также использовались автором в школе при преподавании физики. По теме диссертации опубликованы научные работы. Представленный текст диссертации обсуждался на заседании кафедры педагогики и педагогической психологии УдГУ, на кафедре физики ИжГТУ, на кафедре прикладной математики и информатики ИжГТУ, на кафедре теоретической физики и методики физики ВГПУ.
Структура, модели и оценка процесса усвоения знаний по физике
Усвоение представляет собой сложное, многозначное понятие и может трактоваться с различных позиций, с точки зрения различных подходов. Во-первых, это путь формирования индивидуального опыта через приобретение общественно-исторического опыта, как совокупности знаний (умений, навыков). Во-вторых, это сложная учебная деятельность, включающая все познавательные процессы, обеспечивающая прием, смысловую обработку, сохранение и воспроизведение принятого материала.В-третьих, это результат учения, учебной деятельности [6].
Психология и структура процесса усвоения так или иначе анализировалась в работах философов и главным образом педагогов-дидактов [41].
Одной из первых и наиболее полных была концепция структуры процесса усвоения, предложенная Я. А. Коменским [48]. В работах Я. А. Коменского усвоение рассматривалось как приобретение знаний по различным наукам и умений решать различные задачи и выполнять действия с использованием знаний. Основными компонентами структуры усвоения он считал понимание, заучивание на память, речевое и внешнее манипулятивно- ручное действие. И. Ф. Гербарт различал учение как усвоение знаний и умений и развитие - как совершенствование общих познавательных процессов (внимание, память, мышление) [27]. В процессе учения он определял четыре ступени: выделение и углубление в рассмотрении изучаемого материала (ступень ясности); связь нового материала с прошлым опытом (ступень ассоциаций); поиск выводов, определений, законов на основе новых знаний, связанных со старыми и представлениями (ступень системы); применение полученных знаний к новым фактам, явлениям, событиям (ступень метода).
В. А. Дистервег различал процессы учения и процессы развития, происходящие в обучении. Учение, по В. А. Дистервегу, это приобретение знаний, умений и навыков в определенных научных дисциплинах [37]. Общими фазами процесса усвоения он считал получение или нахождение знания и его закрепление, заучивание.
В. А. Лай считал, что усвоение состоит из фаз восприятия, переработки и изображения (выражения) [52]. Восприятие - это получение сведений об объектах природы и человека. Переработка этих сведений осуществляется средствами логики. Выражение - это разнообразная двигательная активность, включающая все виды и формы внешних действий (опыты, упражнения и др.).
К. Д. Ушинский в учении с получением знания от учителя выделял две фазы: 1) наблюдение и получение сведений, 2) закрепление знаний. Если первая фаза протекает как простое восприятие материала, тогда вторая фаза осуществляется по типу механического запоминания. Но, если первая фаза осуществляется с привлечением рассудочного процесса мышления, тогда она включает ступени непосредственного восприятия предмета или явления (сравнение, сопоставление, различение, образование понятия) и его осознание. Вторая фаза учения - закрепление знаний - становится осмысленной [117].
Развернутая характеристика структуры учения была предложена Э. Торндайком [113]. Учение рассматривается как изменение внешних реакций на внешние стимулы в связи изменением последних. При этом он выделяет две формы учения: при задании связей в готовом виде извне и при самостоятельном поиске связей. В первом случае усвоение включает две фазы: восприятие образца или сообщения о связи - самостоятельные попытки его актуализации - восприятие и оценка результата - переживание и закрепление.
Показатели оценки усвоенности знаний
Приобретение знаний учащимися происходит в процессе их обучения. Рассмотрим сущность процесса обучения. Обучение - это организованный, целенаправленный и управляемый процесс взаимодействия учителей и учеников, направленный на усвоение знаний умений и навыков, формирования мировоззрения у обучаемых, а также навыков их саморазвития. Результатом обучения является наличие определённого объёма систематизированных знаний, умений и навыков у учащихся и способов мышления [82].
Учитель передает, сообщает ученику в процессе обучения какое-то количество информации. Одна и та же информация может передаваться с помощью сигналов разного рода. Может передаваться с помощью слов, тогда это есть сочетание звуков или значков на бумаге. Выбор вида сигнала - есть кодирование: представления учителя кодируются в его речь, действия, рисунки. Из его речи, действий и рисунков - в восприятия и нервные процессы у учащихся; из этих процессов - в представления и понятия учащихся. Скорость и объем передаваемой информации зависит от пропускной способности каналов связи [49, 51].
В процессе передачи информации происходит ее искажение из - за:
а) неумения учителя, плохой методики;
б) плохой активности учащихся;
в) низкого уровня знаний учащихся;
г) вмешательства в процесс восприятия урока посторонних ассоциаций, мыслей.
Мы используем в своей работе формулировку задачи педагогики Л. Б. Ительсона: Отыскать законы и способы наилучшего кодирования передаваемой информации, которое бы обеспечивало восприятие максимального объема информации учащимся за минимальное время и в наибольшей степени бы снижало уровень и влияние различных помех, искажающих восприятие этой информации учащимися. [42]
В качестве модели процесса передачи информации от преподавателя к учащемуся мы предлагаем использовать известную из теории информации -модель информационного канала с помехами (см. рис. 11): [49, 51}
При передаче информации от источника к приемнику, последняя должна пройти через канал передачи информации и три фильтра: Фь Ф2 и Ф3.
Ф1 - физический фильтр. Он выражает чисто количественное ограничение по пропускной способности канала, не зависит от содержания данных, определяет психо-физиологические возможности учащихся.
Ф2 - семантический фильтр, отражающий отбор тех данных, которые могут быть понятны получателю, т. е. соответствуют его тезаурусу знаний.
Ф3 - прагматический фильтр. Этот фильтр пропускает понятные знания, которые полезны для решения данной задачи. Его действие определяется значимостью знаний, их ценностью для учащихся [7-
Проверка и оценка усвоения учащимися учебного материала, сформиро-ванности умений и навыков являются необходимым компонентом обучения. Образовательное значение проверки и оценки знаний состоит в том , что и учитель , и ученики получают качественную характеристику усвоения учебного материала. Учителю становится ясно, что ученик знает и чего он не понимает, какой материал усвоен хорошо, какой в недостаточной степени или вовсе не усвоен. Это является основанием для организации познавательской деятельности учащихся и управления ею. Учитель критически оценивает преимущества и недостатки своей работы, а ученику становится понятным, что он усвоил в учебном материале хорошо, что удовлетворительно, а что плохо.
Воспитательное значение проверки оценки знаний, умений и навыков в том , что у учащихся формируется отношение к учебе, к своим успехам и неудачам, желание преодолеть трудности. Проверка и оценка знаний должна удовлетворять определенным дидактическим требованиям:
Систематичность, регулярность проверки и контроля обязательны. Нарушение этого требования ухудшает отношение учащихся к учебе, отрицательно влияет на качество знаний.
Нами принимается во внимание, что оценка знаний носит индивидуальный характер. Каждый ученик должен понимать, что оцениваются его знания, его умения и навыки. - Знания, умения и навыки школьников проверяются и оцениваются с точки зрения выполнения государственных учебных программ.
Способы составления информационных фреймов сообщений назадщгую ситуацию по физике
1. Составим алгоритмическое предписание для этой ситуации. В книге Л. Н. Ланды "Алгоритмизация в обучении" даны подробные рекомендации по составлению алгоритмических предписаний для заданных ситуаций. Под алгоритмом понимают точное общепонятное предписание о выполнении в определённой последовательности элементарных операций для решения любой из задач, принадлежащих к некоторому классу. Предписание, обладающее рядом существенных черт алгоритмов, но не являющееся в точном математическом смысле алгоритмом Л. Н. Ланда называет алгоритмическим предписанием [53]. Как составить алгоритмическое предписание? Заранее фиксируется область конструктивных объектов некоторого стандартного вида, относительно которых естественно считать, что их различение и отождествление не связано с какими-либо трудностями и происходит на уровне наглядного восприятия и интуитивной очевидности. Далее фиксируется конечное множество операций над этими объектами, причём элементарность и выполнимость этих операций считается заранее заданной и безусловной. Конструктивность объектов сугубо относительна, т. е. зависит от интеллектуального уровня учащихся, навыков учителя, от уровня знаний человека и т. д. Предписания алгоритмического типа сохраняют, в общем - детерминированность (нет произвола, полностью управляем), - массовость (позволяют решать большое количество задач из данного класса задач), - и результативность (алгоритм направлен на получение некоторого искомого результата), вместе с тем допускают оперирование не только с объектами знаковой природы, но и с их содержанием, смыслом.
Важное место занимает понятие элементарной операции, поэтому следует остановиться на нём более подробно.
Всё зависит от сложности структуры системы. Так некоторые операции для одного человека могут быть элементарными, а для другого - нет. Для установления элементарности операции надо провести эксперимент. В начале строится гипотеза, - какая операция является элементарной. Затем на основе этой гипотезы составляется предписание, которое испытывают по частям. Если в ответ на указание, содержащееся в предписании, группа или человек единообразно и правильно воспроизведут соответствующие операции, то гипотеза верна. Данную операцию действительно можно считать элементарной. Для выявления элементарности важно нащупать не только верхнюю границу элементарности, но и нижнюю - не слишком ли элементарной является операция. Это делается также экспериментально. Надо усложнять операции до тех пор, пока не нарушится их единообразность и безошибочность выполнения. Если операции не элементарные, их надо дробить, если слишком элементарные - синтезировать.[53]
2. Формализуем алгоритмическое предписание в операторно-логической форме и запишем в виде графа или в форме Ляпунова -_Шестопал. А. А. Ляпунов и Г. А. Шестопал предложили для описания строения алгоритмов, перерабатывающих информацию, специальный математический аппарат - так называемые логические схемы алгоритмов. Буквы А, В, С,... обозначают отдельные элементарные акты алгоритма, перерабатывающие информацию - называют их элементарными операторами, р, q, г, . . . -обозначают проверяемые логические условия. Последовательное выполнение операторов обозначают как их произведение. Логические схемы -это выражения, составленные из операторов и логических условий, следующих друг за другом и нумерованных стрелок, расставленных определённым образом. Это же алгоритмическое предписания можно записать с помощью графа.
3. Каждому оператору (кроме НІ И конечного) поставим во взаимно -однозначное соответствие терминал будущей оболочки информационного фрейма, таким образом, чтобы характеристики операторов составили (заполнили) задания соответствующих терминалов. Заданию ядра информационного фрейма соответствует название ситуации.
4. Терминалы, соответствующие операторам, после которых непосредственно следуют другие операторы включаются в оболочку операции семантического соединения R или образуют группу семантического соединения терминалов оболочки операции частичного семантического выбора Рт. Терминалы, соответствующие операторам перед которыми следует непосредственно логическое условие включаются в оболочку операции семантического выбора Qm или образуют группу семантического выбора терминалов оболочки операции частичного семантического выбора Рт. Таким образом, мы построили главный атомарный субфрейм.
5. При необходимости выбирают нужные терминалы построенной оболочки в качестве ядер следующих атомарных субфреймов и согласно 1 -4 шагам данного предписания строят оболочки следующих атомарных субфреймов.
6. Указанный процесс продолжается до тех пор, пока операторы соответствующие валентным терминалам не будут элементарными (о критериях элементарности операторов можно знакомиться в указанной книге и статьях Л. Н. Ланды).
Похожие диссертации на Информационный метод оценки усвоенности знаний в методике обучения физике
