Содержание к диссертации
Введение
1. Дидактические основы обучения физике в современной школе 9
1.1. Обзор литературы по теме исследования 9
1.2. Инновационные модели обучения в педагогике 31
1.3. Вариативность обучения и структура "школа-вуз" 40
1.4. Методологические основы обучения физике 46
2. Физическая методология в межпредметных связях 53
2.1. Фундаментальные вариационные принципы и физическая аксиоматика 53
2.2. Асимптотическое отношение теорий и принцип соответствия 94
2.3. Метод аналогии 102
3. Технология лаборатории компьютерного моделирования 118
3.1. Моделирование и вычислительный эксперимент 118
3.2. Педагогические программные средства в среде Turbo Pascal 7.0 132
3.3. Практический курс вычислительной физики 154
4. Нелинейная динамика в общем курсе физики 181
4.1. Введение в новую динамику 181
4.2. Методика исследования динамического хаоса 204
4.3. Математические модели нелинейной динамики 223
5. Организация и итоги педагогического эксперимента 240
5.1. Организация педагогического эксперимента 240
5.2.Состояние исследуемой проблемы в практике обучения физике в структуре "школа-вуз" 243
5.3. Определение эффективности методики исследования 258
Заключение 270
Библиография 274
- Обзор литературы по теме исследования
- Фундаментальные вариационные принципы и физическая аксиоматика
- Моделирование и вычислительный эксперимент
Введение к работе
Конец XX в.- чрезвычайно интересный период развития отечественного образования. Можно утверждать, что особую значимость этот период приобретает в силу того, что 80-90-е годы XX в. явились годами возрождения общественно-педагогического движения, которое обусловило рождение реформы образования и связанную с ней масштабную инновационную деятельность педагогов.
В последнее время в связи с бурным развитием науки резко возрос объем новых знаний, накопленных человечеством. Это привело к увеличению роли фундаментальной науки, которое должно отразиться в системе физического образования, включая методику изучения физики. В связи с этим, в современной педагогической концепции образование рассматривается как учебная модель науки, а задача преподавателя- "учить учиться". Главным показателем эффективности школьного образования становится не столько сумма усвоенных конкретных знаний, сколько сформированность у учащихся умений и навыков самостоятельно приобретать знания. Поэтому задачей преподавателя становится научить отличать главное от второстепенного, фундаментальное от прикладного, понять иерархию структуры науки, различать отдельные ее компоненты. Общий курс физики не может носить узкопредметный характер, а должен включать в себя содержание, адекватное инновационным технологиям обучения,- научную методологию, методы компьютерного моделирования и вычислительной физики, современные фундаментальные теории.
Преемственность в системе "школа-вуз" обеспечивается следующей методикой:
1. Конструированием содержания надстройки над учебной программой по физике, включающей вопросы физической методологии, компьютерного моделирования, границ применимости физических законов и элементы нелинейной динамики.
Использованием вычислительного эксперимента при выполнении учебно-исследовательских заданий для учащихся. Результатом вычислительного эксперимента является самостоятельная разработка учеником компьютерной модели, являющейся основным средством для решения нестандартных физических задач;
Для реализации обратной связи в структуре "школа-вуз" необходимо обеспечение индивидуального образовательного маршрута творчески одаренных учащихся руководством преподавателя вуза. Он поставит перед школьниками исследовательскую задачу и поможет в ее решении.
Педагогический эксперимент показал, что эффективное преподавание физики в системе образования "школа-вуз" становится возможным в рамках инновационных технологий на основе комплексного подхода к разработке образовательных программ и учебно-методического обеспечения к ним.
Обобщая выше сказанное, отметим особенности диссертационной работы.
Объектом исследования является процесс обучения физике в структуре образования "школа-вуз".
Актуальность работы заключается в исследовании инновационного содержания обучения физике в структуре "школа-вуз", обеспечивающей преемственность образования на индивидуальных образовательных маршрутах в соответствии с современной педагогической парадигмой личностно-ориентированного обучения.
Предметом исследования являются инновационное содержание общего курса физики как средство повышения эффективности обучения.
Цель исследования состоит в постановке проблем методики обучения физике в структуре образования "школа-вуз", разработке учебно-методического обеспечения индивидуальных образовательных маршрутов творчески одаренных учащихся.
Методологическую основу исследования составляют: философские, психологические и педагогические концепции познания как общественно-исторического процесса; общие принципы дидактики и методологические принципы физики, достижения и тенденции развития теории и методики обучения физике.
Гипотеза исследования
Повышение эффективности обучения физике на основе методики, реализующей сочетание инновационного содержания и технологий обучения с традиционными методами, будет возможным в структуре образования "школа-вуз", если при построении образовательной программы и сопровождающего ее учебно-методического комплекта учитывать общие цели, специфические цели обучения, особенности учебно-познавательной деятельности и профессиональные намерения учащихся школы и вуза в совокупности.
Исходя из цели и гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи:
Сформулировать и обосновать необходимость создания содержательной надстройки над учебной программой по физике, включающей научную методологию и информационные технологии в системе образования "школа-вуз*.
Разработать подходы к определению структуры и отбору содержания курса физики в рамках технологической модели учебного процесса.
Систематизировать и разработать программное обеспечение как необходимое условие развития компьютерных технологий на всех этапах обучения.
Систематизировать и обобщить методические приемы обучения решению задач на компьютере как необходимое условие наглядного, глубокого и прочного усвоения теоретического материала.
Предложить и обосновать методические приемы реализации компьютерного моделирования и вычислительного эксперимента при организации учебно-исследовательской работы учащихся.
Логика исследования включала следующие этапы:
Изучение состояния проблемы технологического подхода к обучению в системе образования "школа-вуз".
Изучение и анализ педагогической и методической литературы по современным проблемам обучения.
Обоснование цели и задач проблемы исследования.
Разработка технологии лаборатории компьютерного моделирования и сопровождающего ее учебно-методического комплекта.
Проведение педагогического эксперимента.
Оценка результативности проведенного педагогического эксперимента и предложенных методических рекомендаций.
Достоверность полученных результатов обеспечивается: - всесторонним анализом проблемы исследования; - длительностью эксперимента, его повторяемостью и контро- * лируемостью, широкой экспериментальной базой; применением методов математической статистики при обработке результатов экспериментального исследования; согласованность прогнозов исследования и достижений передового педагогического опыта ряда школ и вузов г. Санкт-Петербурга.
Критериями эффективности предлагаемой методики в системе образования "школа-вуз'' служили: * - положительная динамика развития познавательного интереса учащихся; - качество знаний учащихся, обнаруженное в результате диагностических исследований и при анализе контрольных работ и экзаменов; победы учащихся на олимпиадах разного уровня по физике и информатике; высокий процент поступления абитуриентов в вузы г. Санкт-Петербурга; положительное отношение всех участников процесса апробации к работе лаборатории компьютерного моделирования и внедрение в практику спецлсурса "Физика на компьютере"; повышение профессиональной компетентности учителей физики.
Новизна и теоретическая значимость в отличие от имеющихся работ, посвященным инновационным вопросам (Кларин М.В., Цывин В.М., Рохкес Б.И.), в которых рассматривается инновационный подход к технологии обучения, в нашей работе предлагается инновационное содержание материала по физике; исследованы содержательные аспекты инновационной методики обучения физике в структуре образования "школа-вуз"; исследована содержательная надстройка над учебной программой по физике структуры "школа-вуз", включающая фундаментальную физическую методологию, компьютерное моделирование и вычислительный эксперимент, а также вопросы границ применимости физических законов и элементы нелинейной динамики ; исследованы вопросы границ применимости физических законов в рамках нелинейной динамики.
Практическая значимость работы состоит в разработке: - учебно-методического обеспечения индивидуальных образо вательных маршрутов структуры "школа-вуз" (компьютерные модели, методические рекомендации, учебное пособие, дидактические материалы); педагогических программных средств: универсальная тестирующая программа, прикладная математическая библиотека в среде программирования Turbo Pascal 7.0; внедрении инновационного содержания методики обучения физике в практику работы школ и вузов г. Санкт-Петербурга.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в процессе работы с преподавателями ряда школ, гимназий и вузов г. Санкт-Петербурга (школы № 181, 222 гимназия № 587, СПбГУ, РГПУ им. А.И .Герцена, СПИКиТ (институт кино и телевидения), судоремонтный колледж).
Автор исследования демонстрировал разработанные технологии в ходе ряда открытых уроков, работы факультативов, педагогических экспериментов в классах физико-математического и физико-технического профилей.
С материалами работы знакомились преподаватели школ и вузов г. Санкт-Петербурга и в большей степени внедрили их в свою работу.
На защиту выносятся следующие положения:
Выбор индивидуальных образовательных маршрутов по физике творчески одаренных учащихся может быть обеспечен надстройкой над учебной программой, включающей вопросы фундаментальных методологических принципов, компьютерного моделирования и вычислительного эксперимента, а также исследования границ применимости физических законов.
Использование современных компьютерных технологий на занятиях по физике для творчески одаренных учащихся будет эффективным, если диагностически определено содержание учебного материала в соответствии с возрастом учащихся, их индивидуаль- ными особенностями и познавательными возможностями, а планируемые пути решения нетрадиционных для школы задач соответствуют уровню сформированности исследовательских умений учащихся.
3. Преемственность методики обучения физике в вариативной структуре "школа-вуз" должна обепечиваться существованием прямой и обратной связи в содержании и методах обучения общего курса физики школы и вуза, необходимых для наиболее полного физического образования.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем текста 289 страниц, список литературы состоит из 183 наименований, из них 17- авторские публикации. Работа иллюстрирована рисунками, графиками, схемами, таблицами.
Обзор литературы по теме исследования
В настоящее время педагогическая наука переживает процессы интенсивного самопознания: дифференцируются области научного знания; уточняются философские основы педагогики, ее понятийный аппарат; происходит эмпирическое выделение смысловых доминанат различных авторских систем: педагогики ненасилия, педагогики диалога, педагогики успеха и многих других. Возникает необходимость овладения педагогами иным педагогическим мышлением с четко выраженной личностно-ценностной основой [62], [16], [57].
На протяжении XX столетия в мировой педагогике делалось немало попыток "технологизировать" учебный процесс. Педагогическая технология- понятие относительно новое, не установившееся в отечественной науке. Лишь в последние годы появились публикации по этой проблеме (В.А.Катырев, В.П.Беспалько, М.В.Кларин, В.В.Гузеев). Тем не менее введение этого понятия своевременно и правомерно. Во-первых, потому что педагогический процесс как всякий процесс целенаправленной деятельности не может не иметь своей технологии. Во-вторых, потому что подчеркивает систему внешних последовательных действий и механизм ее реализации в отличие от набора приемов. В-третьих, потому что заменявшее его понятие методики шире понятия технологии,, включает вопросы конкретного содержания и, наконец, обозначает науку о закономерностях обучения учебным предметам с учетом специфики их предметного содержания.
Инновационное движение, характерное для второй половины XX столетия не могло не коснуться всей системы общего и профессионально-технического образования. Одной из важнейших его целей- разработка концептуальных основ нового типа общеобразовательных учебных заведений, поиск более совершенных форм и методов обучения, ориентированных на всестороннее творческое развитие личности [113], [140].
Такими общеобразовательными учебными заведениями, отвечающими потребностям развития материальной и духовной культуры общества стали гимназии, колледжи, лицеи. Изменилась модель урока, позволяющая активно применять нетрадиционные методы и приемы обучения. Ведущие специалисты ( ИЛ.Ланина, В.Н.Максимова, АЛ.Тряпицына, заслуженные учителя школы РФ ГД.Бессараб и К.Ю.Глазкова из Санкт-Петербурга) указывают на некоторые из них: деловые игры, групповая работа, интегрированные уроки, педагогико-сотрудничесгво, научно-исследовательская работа [79], [88], [140].
Традиционные четырех-элементные уроки дополняются нетрадиционными уроками, включающими инновационные технологии обучения (исследовательскую, игровую, дискуссионную). В частности, исследовательские уроки, реализующие цикл научного творчества (факты - гипотеза - эксперимент - теория - факты), весьма эффективны при изучении нового материала и его закреплении при лабораторных исследованиях.
"Инновационное обучение - процесс и результат такой учебной и образовательной деятельности, которая стимулирует инновационные изменения в существующей культуре, социальной среде. Такой тип образовательного процесса помимо поддержания существующих традиций стимулирует активный отклик на возникающие как перед отдельным человеком, так и перед обществом проблемные ситуации.
В инновационных дидактических поисках на разных ступенях обучения- от начальной до высшей школы- педагог занимает лидирующую, но не доминирующую позицию, выполняет функции режиссера, но не распорядителя, играет роль не только организатора, но и соучастника такого учебного процесса, который строится как диалог учащихся с познаваемой реальностью, другими людьми, как обогащение их целостного личностного опыта [62], [140], [ИЗ].
Первые гимназии гуманитарного и физико-математического профиля стали создаваться в конце 80-х годов на базе общеобразовательных школ, как экспериментальные учебные заведения. В настоящее время они имеют сложившуюся организационную структуру и нормативную базу.
Как многопрофильные учебные заведения, гимназии имеют в своем составе классы естественно-научного цикла (физика, математика, информатика, химия, биология) и гуманитарного цикла (литература, история, иностранные языки, социология, философия и др.).
Гимназическая система образования позволяет полнее реализовать дифференцированый подход при комплектовании классов, интегрировать смежные науки и таким образом более эффективно решать общеобразовательные и воспитательные задачи школы. Она способствует сближению фундаментального школьного образования с университетским. При университетах, обсерваториях, институтах создаются академические гимназии физико-математического, естественно-научного и гуманитарного профиля.
Наглядным примером новой системы обучения может служить академическая гимназия при Санкт-Петербургском государственном университете. Это- учебно-научный и просветительный комплекс в университетской структуре. Физические, химические, биологические лаборатории, компьютерные классы оснащены современным оборудованием. С лекциями и научными сообщениями по наиболее сложным научным вопросам выступают ученые университета. Выпускные экзамены совмещаются со вступительными на естественно-научные факультеты университета.
Академическая гимназия все в большей степени обеспечивает распространение влияния университета, как крупнейшего культурно-образовательного центра на школы России и за ее пределами [136].
Одним из существенных преимуществ гимназий- кафедральная система управления во главе с компетентным руководителем. Кафедра объединяет преподавателей определенного цикла. При необходимости в коллективе профессионалов- единомышленников рассматриваются вопросы методики преподавания, актуальные дидактические проблемы с учетом особенностей гимназического образования.
class2 Физическая методология в межпредметных связях
Фундаментальные вариационные принципы и физическая аксиоматика
Мысль И.Бернулли о том, что "природа всегда действует простейшим образом",т.е. "наиболее экономно", чрезвычайно стара и послужила источником многих научных идей и методических приемов. Сошлемся еще раз на Й.Ньютона, который в своих "Началах" говорит: "Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений. Природа ничего не делает напрасно, а было бы напрасным совершать многим то, что может быть сделано меньшим. Природа проста и не раско-шествует излишними причинами вещей". Эта мысль была источником не только методологии Ньютона, но и чисто физической идеи о равенстве тяжелой и инертной масс- идеи, имевшей столь далекие-последствия в общей теории относительности.
Вскоре в физике и математике идея "экономии" получила воплощение в экстремальных (вариационных) принципах.
Задана о брахистохроне
Задача о брахистохроне (от греческого brachistos- кратчайший и chronos- время), или о кривой скорейшего спуска- одна из первых вариационных задач, была поставлена швейцарским математиком И.Бернулли в 1696 году и заключалась в следующем.
В вертикальной плоскости даны две точки А и В (рис.2.1) не лежащие на одной вертикали. Требуется среди всех кривых, проходящих через указанные точки, найти такую, спускаясь по которой под действием силы тяжести, материальная точка скатится из точки А в точку В за кратчайшее время.
Эта задача знаменита тем, что, помимо значимости ее решения с точки зрения естественнонаучной, она стала источником идей совершенно новой области математики- вариационного исчисления. Эта задача решалась математиками разных времен и всегда получалась хорошо известная кривая- циклоида. (Циклоида- плоская кривая, представляющая собой траекторию точки, лежащей на окружности круга, катящегося без скольжения по прямой линии.)
Решение задачи о брахистохроне можно связать с решением оптической задачи о преломлении света на границе раздела двух сред (рис.2.2).
На рисунке 2.2 схематически изображен луч света, падающий из точки А в точку Р оо скоростью vl, а затем проходящий в более плотной среде- расстояние РВ с меньшей скоростью v2. Полное вре мя, требуемое для прохождения луча от точки А до точки В, опреде ляется, очевидно, из равенства:
Вся геометрическая оптика заключена в этом принципе, как растение в зерне, и может быть получена из него путем методического развертывания с учетом конкретных условий распространения света.
На этом примере можно видеть две основные черты, присущие всем экстремальным принципам: крайний лаконизм и простота и в то же время крайне общий и универсальный характер. Зная принцип Ферма, можно расчитать любую оптическую систему, не нуждаясь ни в каких других законах геометрической оптики- все они являются лишь следствиями этого принципа.
Обращаясь теперь к задаче о брахистохроне, введем систему координат в вертикальной плоскости, как это показано на рисунке 2.3 и представим себе, что шарик (подобно лучу света) способен выбрать себе такую траекторию спуска их точки А в точку В, чтобы время спуска было наименьшим.
Моделирование и вычислительный эксперимент
Математическое моделирование
Математическое моделирование есть приближенное описание какого-либо класса явлений внешнего мира, выраженное с помощью математической символики. Анализ математических моделей позволяет проникнуть в суть изучаемых явлений, а также прогнозировать их течение. Процесс математического моделирования можно подразделить на несколько этапов.
Первый этап состоит в формулировке законов, связывающих основные объекты модели. При этом требуется знание разнообразных фактов, относящихся к изучаемым явлениям, глубокое проникновение в их взаимосвязи. Этап завершается записью в математических терминах сформулированных представлений, фиксирующих определяющие свойства модели.
Второй этап заключается в исследовании математических задач, к которым приводят математические модели. Основным вопросом здесь является разработка алгоритма (метода), позволяющего найти решение прямой задачи, т.е. получение выходных данных для дальнейшего их сопоставления с результатами наблюдений изучаемых явлений. На этом этапе важную роль приобретает вычислительная техника как средство для получения количественной информации.
Третий этап- выяснения вопроса о том, удовлетворяет ли принятая гипотетическая модель критерию практики в пределах точности наблюдений. Если уклонения выходят за пределы точности наблюдений, то модель не может быть принята. Применение критерия практики к оценке математической модели позволяет сделать вывод о правильности положений, лежащих в основе рассматриваемой модели.
Заключительный, четвертый этап состоит в анализе модели в связи с накоплением данных об изучаемых явлениях. Возникает необходимость построения новой, более совершенной математической модели. Триада модель-алгоритм-программа (по терминологии А.А.Самарского) дополняется, математическая модель модифицируется, как правило усложняется, и начинается новый цикл вычислительного эксперимента.
Метод математического моделирования является порой единственным методом изучения недоступных непосредственно явлений макро- и микромира.
Рассматривая этапы построения математических моделей, мы отмечали, что они создаются в результате изучения некоторых реальных явлений или процессов. Но оказывается, что можно строить модели без реальных прообразов. Выясняется, что абстрактные математические модели рано или поздно "находят" практически значимые приложения и оказываются полезными.
Еще один аспект. Осуществляя любую целенаправленную деятельность по заданному алгоритму, часто приходится оценивать текущий результат и выбирать следующий шаг из нескольких возможных, "проигрывая" их на модели. Таким образом, моделирование является важной любой поисковой деятельности, представляя один из необходимых ее атрибутов.
В заключение отметим, что хорошо построенная модель, как правило обладает замечательным свойством: ее анализ дает некоторые новые знания об объекте-оригинале, которые невозможно было предвидеть заранее. Это свойство знакомо каждому исследователю.
С появлением компьютеров процесс изучения физики и сама физика сильно изменились. Компьютер предоставил нам качественно новые возможности при решении физических задач и позволил иначе построить сам процесс изучения физики. Дело в том, что мы приобретаем квалификацию не тогда, когда усваеваем некоторую сумму понятий и законов физики, а тогда, когда оказываемся способными их применять. Э.Ферми принадлежит высказывание, с которым согласится, по-видимому, каждый профессиональный физик: "Знать физику- означает уметь решать задачи". Другими словами, уровень подготовки по физике определяется уровнем сложности задач, которые учащийся может решить.
Хорошо известно, что единственный способ научиться решать задачи- пытаться самостоятельно их решать. Отсюда вытекает диа-лектичность процесса обучения: знание теории приобретается одновременно с ее использованием для решения задач. Абстрактные поначалу законы, основные уравнения теории, определения понятий и физических величин (эта абстрактность и является главным "камнем преткновения" при изучении физики, в силу возрастных особенностей учащихся). В процессе их практического применения для описания конкретных физических явлений (то есть в процессе решения физических задач) начинают постепенно наполняться конкретным содержанием, и только тогда приходит "понимание" теории. Высказанная точка зрения определяет концепцию изучения общего курса физики, основьгоающуюся на принципе, согласно которому решение задач является одновременно и целью и средством обучения физике.
Похожие диссертации на Инновационное содержание обучения физике в структуре образования "школа-вуз"
