Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния школьного физического эксперимента на современном этапе . 19
1.1 Функции школьного физического эксперимента 19
1.2 Значимость школьного физического эксперимента в получении современных образовательных результатов 24
1.2.1 Проблема моделирования в обучении .25
1.2.2 Проблема развития критичности мышления учащихся 30
1.2.3 Развитие познавательной самостоятельности учащихся 32
1.3 Информационные технологии в школьном физическом эксперименте 37
1.3.1 Компьютер в школьном физическом эксперименте 40
1.3.2 Учебный виртуальный эксперимент 44
1.3.3 Вычислительный и имитационный эксперименты в обучении физике .53
Выводы по главе 1 56
Глава 2. Теоретические основы интеграции виртуального и натурного школьного физического эксперимента 58
2.1 Концепция научного познания как основа для интеграции виртуального и натурного школьного физического эксперимента 58
2.2 Место имитационного и вычислительного эксперимента в учебном познании .60
2.3 Дидактические условия интеграции виртуального и натурного школьного физического эксперимента 65
Выводы по главе 2 68
Глава 3. Методика интеграции виртуального и натурного школьного физического эксперимента 70
3.1 Системное использование виртуального эксперимента в процессе обучения физике 70
3.2 Ученический имитационный эксперимент 82
3.2.1 Процедура ученического имитационного эксперимента 85
3.2.2 Требования к компьютерным моделям для имитационного физического эксперимента .89
3.3 Приёмы сочетания виртуального и натурного учебного физического эксперимента .95
3.4 Экспериментально-исследовательская деятельность учащихся в курсе «Информационные технологии в физике» 103
3.5 Организация и результаты опытно-экспериментальной работы 110
Выводы по главе 3 124
Заключение 127
Список литературы 129
Приложения .140
- Значимость школьного физического эксперимента в получении современных образовательных результатов
- Информационные технологии в школьном физическом эксперименте
- Место имитационного и вычислительного эксперимента в учебном познании
- Процедура ученического имитационного эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы исследования обусловлена тем, что в условиях информатизации образования происходит внедрение виртуального эксперимента в систему школьного физического эксперимента (ШФЭ), приводящее к изменениям в содержании образования, к поиску новых форм проведения занятий, способов и приемов работы. Анализ публикаций, исследований и разработок учебного программного обеспечения показывает, что теоретические основы интеграции виртуального и натурного учебного эксперимента еще только закладываются. Под интеграцией виртуального и натурного эксперимента будем понимать процесс и результат их взаимодействия в системе ШФЭ.
Плодотворность сочетания натурного и виртуального эксперимента при обучении
физике в средней школе показаны в работах Ю.О. Лободы, О.Е. Макаровой,
Е.В. Оспенниковой, С.Е. Попова, В.И. Сельдяева, В.В. Смирнова, М.И. Старовикова, А.М. Толстика, А.И. Ходановича и др. Вместе с тем, требуется систематизировать приемы сочетания натурного и виртуального эксперимента, учитывая место виртуального эксперимента в учебном познании.
Актуальность исследования также продиктована необходимостью разработки элективного курса по физике, обеспечивающего вариативность обучения в соответствии с возможностями учащихся и независимость от конкретных «готовых» компьютерных моделей. Учебная программа по такому курсу, реализующему информационные технологии в физическом эксперименте, должна быть нацелена на формирование умений: анализировать процессы проведения исследований; составлять прогнозы на
основе имеющихся данных; интерпретировать научные факты и данные исследований; выявлять научные факты и данные исследований, лежащих в основе доказательств и выводов; интерпретировать графическую информацию; проводить оценочные расчеты и прикидки и др.
Проблема исследования состоит в поиске путей повышения мотивации учащихся к физике, развития их мышления и приобретения ими опыта экспериментально-исследовательской деятельности с использованием современных средств школьного физического эксперимента.
Объект исследования - процесс обучения физике школьников.
Предмет исследования - осуществление школьного физического эксперимента на основе интеграции виртуального и натурного эксперимента.
Цель исследования - выявить дидактические условия интеграции виртуального и натурного учебного физического эксперимента, разработать методические материалы по совместному использованию виртуального и натурного физического эксперимента для организации учебных исследований школьниками старших классов.
Гипотеза заключается в том, что результативность обучения физике на основе интеграции виртуального и натурного эксперимента повысится, если:
использовать учебный виртуальный физический эксперимент для организации активной учебно-познавательной деятельности - поисковой, исследовательской;
в качестве учебного виртуального эксперимента применять имитационный и вычислительный эксперименты, различающиеся специфичными функциями;
принципами отбора компьютерных моделей для имитационного эксперимента считать требования: интерактивности; адаптивности; наличие прямых измерений, адекватных натурному эксперименту; оснащенность модели методическими рекомендациями и заданиями для диагностики знаний и умений учащихся; наличие родственных моделей с дополнительными усложняющими факторами, постепенно приближающих эти модели к реальному явлению; кратковременности эксперимента;
выявить и использовать приемы сочетания виртуального и натурного учебного физического эксперимента.
Исходя из сформулированной гипотезы, для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи.
Задачи исследования:
провести анализ научной, психолого-педагогической, методической литературы (учебных программ, планов, нормативных документов, методических руководств) и диссертационных исследований, посвященных проблеме эффективного использования учебного физического эксперимента, а также вопросам применения информационных технологий в школьном физическом эксперименте;
рассмотреть значение системы ШФЭ в получении современных образовательных результатов;
проанализировать имеющиеся методики использования компьютерных моделей по физике и конкретизировать понятие учебного виртуального физического эксперимента;
выявить функции виртуального эксперимента в системе ШФЭ, обосновать применение виртуального эксперимента - определить специфичные для него цели, методы, организационные формы, условия и результаты обучения;
выявить теоретические основы и условия, которые содействуют процессу интеграции виртуального и натурного эксперимента;
обосновать необходимость и целесообразность применения в обучении физике приемов сочетания виртуального и натурного эксперимента;
разработать и апробировать элективный курс «Информационные технологии в физике», включающий экспериментально-исследовательскую деятельность учащихся с использованием компьютерного моделирования;
в ходе опытно-экспериментальной работы проверить гипотезу.
Теоретическую и методологическую основу исследования составляют: на философском уровне - закономерности и принципы диалектики, методология и методы психолого-педагогического исследования (В. И. Загвязинский, А. А. Кыверялг,
B. В. Краевский); основные принципы, законы и закономерности дидактики; научно-
методические работы по вопросам учебной деятельности (Л.С. Выготский, В.В. Давыдов,
C. Л. Рубинштейн, Ю. А. Сауров и др.); результаты научно-методических исследований
по проблемам информатизации образования и компьютерным технологиям обучения
физике (Л.И. Анциферов, Г.А. Бордовский, В.А. Извозчиков, В.А. Кондратьев,
В.В. Лаптев, Р.В. Майер, Е.В. Оспенникова, М.И. Старовиков, И.В. Роберт и др.);
вопросы методологии физики, учебного и научного познания (А. С. Кондратьев,
В.В. Майер, В.Н. Мощанский, И. И. Нурминский, В. Г. Разумовский, В. Я. Синенко,
А. В.Усова и др.); дидактические основы построения системы школьного физического
эксперимента (В. Я. Синенко).
Для решения задач исследования использовались следующие методы: анализ научной, психолого-педагогической, методической литературы; системный анализ; наблюдение, опрос и анкетирование, беседа; тестирование; моделирование; опытно-экспериментальная работа; обработка результатов опытно-экспериментальной работы методами математической статистики.
Базой исследования являлось муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение города Новосибирска «Инженерный лицей Новосибирского государственного технического университета».
Этапы исследования. На первом этапе исследования (2003-2005 гг.) был проведен анализ состояния школьного физического эксперимента (ШФЭ), сложившейся практики использования компьютера в ШФЭ, а также началось изучение дидактических возможностей применения информационных технологий в ШФЭ. В процессе изучения научной и методической литературы определены основные идеи исследования и разработана программа курса по выбору «Информационные технологии в физике» для 10-11 классов. Уточнены принципы отбора содержания для нового курса, выявлены приемы совместного использования натурного и виртуального эксперимента.
На втором этапе исследования (2006-2008 гг.) осуществлен поисковый этап -проверка эффективности фрагментов разработанного курса «Информационные технологии в физике». Опытная проверка показала, что организация виртуального эксперимента и сочетания его с натурным экспериментом в рамках курса «Информационные технологии в физике» приводит к ожидаемым положительным изменениям в деятельности учащихся по выполнению лабораторного эксперимента на уроках физики: в качестве оформления отчетов, правильности выводов по лабораторной работе, в повышении самостоятельности учащихся. Проводились разработка и оформление теоретического содержания диссертации.
На третьем этапе исследования (2008-2012 гг.) в формирующем этапе была проверена гипотеза исследования. В ходе собственного преподавания и преподавания другими учителями выявлена целесообразность применения методических материалов по элективному курсу «Информационные технологии в физике»; проверены результаты (в соответствии с гипотезой). По результатам апробации курса издано два учебно-методических пособия (для 10 и 11 классов).
Научная новизна исследования состоит в том, что в отличие от выполненных ранее работ:
1. Установлено, что процесс интеграции виртуального и натурного учебного
физического эксперимента опирается на концепцию научного познания и наличие
общих функций виртуального и натурного эксперимента (наглядности, источника
знаний, содержание обучения и способ деятельности).
2. Разработана процедура ученического имитационного физического эксперимента и
требования к компьютерным моделям для ученического имитационного
эксперимента.
3. Определены дидактические условия интеграции виртуального и натурного
эксперимента в системе ШФЭ:
отражение в методике обучения физике модельного характера познания, включение моделирования в содержание среднего общего образования;
выполнение требований к инструментам моделирования, реализованным на базе информационно-коммуникационных технологий;
использование виртуального эксперимента для организации активной учебно-познавательной деятельности - поисковой, исследовательской.
4. Описаны три группы приемов сочетания виртуального и натурного эксперимента
(первая группа приемов - когда виртуальный эксперимент предваряет натурный;
вторая - когда очередность экспериментов не имеет значения и результаты
виртуального и натурного эксперимента сравниваются; третья - когда стоится
прогноз в вычислительном эксперименте по результатам натурного эксперимента).
Теоретическая значимость проведенного исследования заключается в следующем:
-
Обосновано место вычислительного и имитационного физического эксперимента в учебном познании.
-
Приемы сочетания виртуального и натурного эксперимента могут быть положены в основу разработки новых компьютерных моделей с целью получения современных образовательных результатов в школьном физическом эксперименте, а также для новых исследований по проблемам повышения критичности мышления учащихся.
Практическая значимость исследования состоит в том, что разработаны и внедрены в процесс обучения физике методические материалы (в том числе учебно-методическое пособие), позволяющие интегрировать виртуальный и натурный эксперимент в обучении физике. Авторское учебно-методическое пособие «Информационные технологии в физике» включает поурочные разработки с использованием совместного использования натурного и виртуального эксперимента, рекомендовано для классов с профильным (углубленным) изучением физики.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечиваются опорой на основные положения современных методологических, психолого-педагогических и научно-методических исследований; результатами экспериментальной проверки разработанной гипотезы. Критериями результативности предложенных организационно-методических разработок служили:
-
повышение мотивации к обучению физике (результаты анкетирования, выбор предмета «Физика» на Едином государственном экзамене (ЕГЭ), результаты поступления в вузы);
-
качество предметных знаний и умений учащихся (результаты ЕГЭ);
-
системность знаний по физике (результаты специальной контрольной работы);
-
количество и качество экспериментально-исследовательских работ (результаты участия учащихся в творческих конкурсах и научно-практических конференциях).
На защиту выносятся следующие положения:
Учебный виртуальный физический эксперимент может быть разделен по месту в учебном познании на два вида: вычислительный и имитационный.
Дидактическими условиями интеграции виртуального и натурного ШФЭ следует считать: отражение в методике обучения физике модельного характера познания; выполнение требований к инструментам моделирования, реализованным на базе ИКТ (доступности и качественного функционирования информационных сетей, вычислительных сред, наличие широкой базы имитационного эксперимента с возможностью легкого доступа к ней, ее передачи, тиражирования; соответствие учебных компьютерных моделей общедидактическим принципам, а также требованиям: интерактивности, адаптивности, наличие прямых измерений, адекватных натурному эксперименту; оснащенность модели методическими рекомендациями и заданиями для диагностики знаний и умений учащихся; наличие родственных моделей с дополнительными усложняющими факторами, постепенно приближающих эти модели к реальному явлению; кратковременности эксперимента); использование виртуального эксперимента для организации активной учебно-познавательной деятельности - поисковой, исследовательской.
Процедура работы с готовой компьютерной моделью, имитирующей натурный физический эксперимент, должна состоять из следующих этапов: подготовительный, тестирование модели, практический, аналитический, рефлексия деятельности и её результатов.
Апробация исследования. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались автором: на XIX Международной конференции «Применение новых технологий в образовании» (Троицк, 2008); на XII Международной научно-практической конференции «Инновационные ресурсы развития современного урока» (Новосибирск, 2009); на Всероссийской конференции «Системы обучения интеллектуально одаренных детей в российской школе» (Новосибирск, 2010); на шестнадцатой Всероссийской научно-практической конференции «Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения» (Глазов, 2011); на Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные процессы и технологии в образовании: стратегии, риски, перспективы» (Новосибирск, 2011); на Всероссийской научно-практической конференции «Содержание образования в аспектах реализации национальной образовательной инициативы «Наша новая школа» (Новосибирск, 2012); на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы эффективного внедрения федерального государственного образовательного стандарта общего образования» (Новосибирск, 2013); на Международной научно-практической конференции «Наука, образование, общество: тенденции и перспективы» (Мин-во обр. и науки, Москва, 2013).
По теме диссертационной работы опубликовано учебно-методическое пособие (в 2 частях) и 13 статей, из них 4 - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций.
Диссертационное исследование объемом 128 страниц основного текста состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования, 9 приложений. Работа содержит 11 рисунков, 2 таблицы.
Значимость школьного физического эксперимента в получении современных образовательных результатов
Федеральный государственный образовательный стандарт среднего общего образования (ФГОС СОО) [85] определил требования общества к выпускнику школы и планируемые результаты обучения. Анализ требований к выпускнику школы в предметной области физики позволил нам выявить некоторые дидактические возможности школьного физического эксперимента в получении современных образовательных результатов, а именно: развитие познавательной самостоятельности учащихся, формирование критичности мышления учащихся, формирование у них научных представлений о моделировании.
Существующий разрыв между кардинально новым уровнем развития современной техники, используемой в быту, и недостаточным уровнем теоретических представлений учащихся для понимания принципов работы этой техники, бессилие в решении возникающих технических проблем затрудняет мотивацию детей к обучению физике. Чтобы учащиеся не становились пассивными потребителями достижений современной техники, необходимо воспитывать у них уверенность в возможности познания окружающего мира, обеспечивать включение учащихся в экспериментально-исследовательскую деятельность. Экспериментирование как деятельность – шире, чем просто работа с приборами, установками и т.п. «В целом, это довольно сложный … вид деятельности, который втягивает в себя знания, приёмы и др., в том числе такой фундаментальный и особый вид деятельности как моделирование, деятельность с моделями» [67, с. 73]. «Конечно, в обучении и конкретно при экспериментировании, объект «приготавливается» учителем, методистом, учебником. Это не страшно с точки зрения целей, хотя и важно избежать искажений, ошибок при таком задании объекта. Но главное – обеспечить переход от объектов к предметам, к построению моделей, к их отражению в знаках, к получению эффекта (знания!) на модели. Не случайно довольно резко В. Г. Разумовский говорит о модельном характере современного физического мышления. Блестяще об этом пишет профессор А.Д. Гладун: «…преподавание физики должно прежде всего исходить из того, что физика – это величайшая культура моделирования» [67, с. 75].
Моделирование – это такой специфический метод познания, который включает построение моделей (или выбор готовых) и изучение их с целью получения новых сведений о рассматриваемых физических объектах. Знания о сущности моделирования являются очень важными для формирования мировоззрения, соответствующего современному уровню развития науки и общественной практики. Возрастающая роль метода моделирования объясняется тем, что он позволяет получать данные о явлениях и процессах, недоступных непосредственному изучению. С помощью моделей удаётся свести изучение сложного к простому, невидимого и неощутимого к видимому, незнакомого к знакомому, т.е. сделать практически любой сложный объект доступным для тщательного и всестороннего изучения.
Повышенное внимание к понятию модели и методологии моделирования наблюдается применительно к различным областям знания. Примером этому может служить включение понятия «модель» в содержание учебных предметов «Математика», «Информатика и информационно-коммуникационные технологии», «География». Владение умениями проводить учебные исследования, в том числе с использованием простейшего моделирования, требуется в углублённом курсе географии [85]. Сформированность представлений о математических понятиях как о важнейших математических моделях, позволяющих описывать и изучать разные процессы и явления – требования к предметным результатам освоения базового курса математики. Углубленный уровень изучения математики предполагает сформированность умений моделировать реальные ситуации, исследовать построенные модели, интерпретировать полученный результат. «Значимость метода компьютерного моделирования возрастает в условиях стремительного прогресса всей информационной сферы общества, непрерывно порождающей новые возможности. С учетом данной тенденции каждый выпускник общеобразовательной школы должен в той или иной мере владеть умением моделирования на компьютере» [77, с. 103]. «Компьютерное моделирование – один из методов изучения сложных систем, суть которого состоит в расчетном воссоздании какой-либо системы и/или ее свойств или расчетном воспроизведении какого-либо процесса с помощью компьютерной моделирующей программы… К основным этапам компьютерного моделирования относятся: 1) постановка задачи, определение объекта моделирования; 2) разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и элементарных актов взаимодействия; 3) формализация, т.е. переход к математической модели; создание алгоритма и написание программы; 4) планирование и проведение компьютерных экспериментов; 5) анализ и интерпретация результатов» [55, с. 172-173].
Обучение школьников конкретным умениям математического моделирования, созданию модели на языке программирования, требует больших затрат времени и является сложной задачей. Компьютерное моделирование как одно из основных понятий школьного курса информатики предполагает построение компьютерной модели (достаточно простой) самими учащимися. Владение опытом построения и использования компьютерно-математических моделей, проведения экспериментов и статистической обработки данных с помощью компьютера, интерпретации результатов, получаемых в ходе моделирования реальных процессов; умение оценивать числовые параметры моделируемых объектов и процессов и др. – это планируемые результаты при углублённом изучении информатики [85]. Обучение моделированию в рамках курса информатики, как правило, начинается с построения математической модели. Стремление познать суть физического явления всегда с самого начала работы сфокусировано на построение физической модели явления. Физическая модель явления представляет собой упрощённое представление явления с чётким описанием связей между параметрами и явно сформулированными гипотезами, необходимыми для объяснения явления, или, говоря другими словами, это построенное в голове исследователя представление о том, что происходит, как и почему. Естественно, модель явления совершенствуется в ходе исследования за счёт более детального рассмотрения различных вариантов процесса и более глубокого понимания причин, вызывающих соответствующие изменения.
При исследовании физических явлений (процессов) стремятся к тому, чтобы по результатам экспериментов на моделях можно было судить о явлениях, происходящих в естественных условиях. В работе С. Е. Попова представлена схема компьютерного моделирования (рисунок 1) [57, с. 138]. Изучение явления начинается с построения физической, затем математической модели изучаемого явления, и далее следует получение результатов в вычислительном эксперименте. В основе организации процесса обучения - цикл познания.
Информационные технологии в школьном физическом эксперименте
В условиях информатизации образования происходит внедрение средств информационных и коммуникационных технологий (виртуального эксперимента, цифровых лабораторий) в систему школьного физического эксперимента, приводящее к изменениям в содержании образования, к поиску новых способов и приёмов работы.
Под информатизацией образования понимают целенаправленно организованный процесс обеспечения сферы образования методологией, технологией и практикой создания и оптимального использования научно-педагогических, учебно-методических, программно-технологических разработок, ориентированных на реализацию дидактических возможностей информационно-коммуникационных технологий (ИКТ), применяемых в комфортных и здоровьесберегающих условиях (И.В. Роберт) [63]. Задачи информатизации образования: методологическая база отбора содержания образования, разработки методов и организационных форм обучения, воспитания, соответствующих задачам развития личности обучаемого в современных условиях информационного общества массовой коммуникации и глобализации; создание методических систем обучения, ориентированных на развитие интеллектуального потенциала обучаемого, на формирование умений самостоятельно приобретать знания, осуществлять деятельность по сбору, обработке, передаче, хранению информационного ресурса, по продуцированию информации; разработка средств и систем автоматизации процессов обработки учебного исследовательского, демонстрационного, лабораторного эксперимента как реального, так и «виртуального», в том числе удаленного доступа; и др.
Обучение на основе ИКТ должно обеспечивать получение современных образовательных результатов: готовность и способность к самостоятельной информационно-познавательной деятельности, включая умение ориентироваться в различных источниках информации, критически оценивать и интерпретировать информацию, получаемую из различных источников; умение использовать средства ИКТ в решении когнитивных, коммуникативных и организационных задач с соблюдением требований эргономики, техники безопасности, гигиены, ресурсосбережения, правовых и этических норм, норм информационной безопасности.
ИКТ рассматриваются именно как средства, которые требуют новых форм проведения занятий, способов и приёмов работы с ними как учащихся, так и педагогов. В то же время информационные технологии, как и многие достижения научно-технического прогресса, представляют собой новые условия для развития и формирования личности человека и характеризуются как позитивными, так и негативными для него последствиями [83]. ИКТ формируют готовность взаимодействия с компьютерной техникой и информационными системами, что создает условия для успешной политехнической и профессиональной подготовки. Информатизация образования способствовала развитию дистанционного обучения. Однако «ИКТ обладают такими характеристиками, как опосредованность, дистанцированность, малая эмоциональность общения» [83, с. 47]. Уменьшается время на непосредственное педагогическое взаимодействие, которое включает в себя процесс реального общения, тем самым ограничивается межличностное взаимодействие, что не может негативно не сказаться на личностном развитии человека. «И речь идет не только о коммуникативных способностях, но и том, что в процессе восприятия, понимания другого человека и взаимодействия с ним ребенок накапливает опыт познания людей и самого себя, что является важнейшим фактором личностного развития» [39, с. 36-37].
Будем учитывать в процессе обучения то, что использование информационных технологий требует организации познавательной деятельности учащихся именно под руководством учителя, а также требует более широкого применения проектных и групповых способов работы. В рамках специального курса (по выбору) ценно и само межличностное общение, которое взаимно обогащает, но на которое часто не хватает времени на уроках физики, и приобретение учащимися опыта творческой деятельности, необходимого для продолжения образования.
Анализ методической литературы по использованию информационных технологий свидетельствует, что к 2007 году в обучении физике сложились основные направления использования средств ИКТ (по убыванию степени использования): 1) демонстрация текстов, формул, фотографий при изучении нового материала; 2) иллюстрирование методики решения сложных задач, в том числе сопровождение решения каждой сложной задачи интерактивной моделью происходящего в ней физического процесса; 3) индивидуальный опрос учащихся (тестирование на компьютере); 4) решение экспериментальных задач с использованием анимационных экспериментов; 5) организация выполнения компьютерных лабораторных работ и др. [75]. Преподавание физики с компьютерным сопровождением автором данного исследования началось с 2003 года. В 2008 году отношение учащихся 11 классов к процессу обучения с включением компьютерных демонстраций на лекционных занятиях по физике определялось в ходе самооценки. Учащимся (50 чел.) предлагалось оценить свои качества по предложенным показателям, сравнивая уроки с компьютерным сопровождением и без него. Такая самооценка учащихся выявила, что: - активность повышается у 52% учащихся, однако в лекционном режиме на самом низком уровне активности остаются 20%; - возрастание интереса отмечают 92%, причем 48% - значительное (от «среднего» до «максимального»); - повышение темпа урока отметили 70%, при этом, по мнению большинства, темп не достигает максимального, изменяется от «среднего» до «выше среднего»; - снижение усталости на уроке отметили 50% учащихся, от «выше среднего» до «среднего». Однако 12% - усиление усталости; - понимание учебного материала субъективно повышается у 56%, а полное понимание отмечают вместо 8% уже 33% учащихся [16].
В ходе опроса учителей физики 30 образовательных учреждений города Новосибирска, проведенного нами в 2008 году, были выявлены следующие проблемы в системе школьного эксперимента: - Много времени уходит на подготовку и проведение экспериментов в школе. - Невозможность быстрого изменения условий эксперимента существенно затрудняет деятельность учителя. - Невозможность показать все нюансы опыта и продемонстрировать несколько опытов по разделу на одном уроке. - Нередко результаты плохо поставленного эксперимента мешают правильному восприятию физических явлений. - Моральное устаревание традиционного учебного оборудования.
В результате сделан был вывод о причинах возникновения трудностей в ШФЭ. Основными причинами являются: нехватка времени у учителя на уроке и на этапе подготовки к уроку, недостатки оборудования для натурного эксперимента. Сократить временные затраты на подготовку и выполнение физического (демонстрационного и ученического) эксперимента, а также проводить эксперимент, реализующий основные функции ШФЭ, который был раньше невозможен из соображений безопасности, позволят информационные технологии.
Место имитационного и вычислительного эксперимента в учебном познании
Процесс учебно-познавательной деятельности, как отмечает А.А. Никитин, во многом аналогичен процессу научного познания и поэтому может быть разделен на два уровня: эмпирический, связанный с накоплением фактов, и теоретический, обуславливающий переход от конкретного к абстрактному, построение теории [48, с. 6-7]. Д.Х. Рубенштейн утверждает, что в процессе обучения учащийся последовательно проходит следующие этапы: 1) первичный этап, в котором определяющую роль играет наблюдение за окружающими процессами; 2) эмпирический этап, предполагающий более или менее сознательное экспериментирование с объектами; 3) теоретический этап, в основе которого лежит широкое использование теоретических методов познания: анализа, синтеза, индукции, дедукции и т.д. [65].
Мы не ставим знака равенства между научным и учебным познанием. В первом случае творческая деятельность людей направлена на формирование тех знаний, которые ранее человечеству были неведомы. Особенность учебного познания в том, что оно направлено на формирование знаний, истинность которых уже установлена учёными, но пока ещё неведома школьникам.
Попытаемся определить место имитационного и вычислительного эксперимента в учебном познании. Будем опираться на следующие философские представления, что «внешняя сторона объекта – явление воспринимается органами чувств человека либо непосредственно, либо опосредованно через специальные приборы. Результатом чувственного подхода к исследованию объекта являются эмпирические или фактуальные знания. Внутренняя сторона – сущность постигается в результате рационального подхода, что приводит к возникновению теоретических знаний» [42, с. 8]. Т.к. «гносеологическая природа экспериментального метода – это установление связи между моделями науки и объектами природы» [67, с. 77], представим два вида виртуального учебного эксперимента (имитационный и вычислительный) как способы перехода от явления (внешней стороны) изучаемого объекта к теоретической (концептуально физической) модели и от неё к рассматриваемому объекту в новых условиях (рисунок 3) [22].
Объект изучения вначале предстает как явление. Важнейшая задача физики - объяснить явление природы, т.е. найти ответ на вопрос: «Почему это явление происходит так или иначе?» Но, прежде чем объяснить явление, его надо обнаружить, вычленить из ряда других многообразных процессов, которые происходят в природе, т.е. установить научный факт, ответить на вопрос: «Что происходит в природе и как происходит?» На начальном этапе обучения необходимо организовать наблюдения явления в естественных условиях или натурный эксперимент. Натурный опыт, показываемый учителем на демонстрационном столе, позволяет лишь познакомить с изучаемым явлением, но задача учителя состоит в том, чтобы построить абстрактные теоретические модели, раскрывающие его сущность.
Объект (явление, опыт и т.п.) в познании выделить непросто. Неслучайно типичным недостатком в обучении является «неузнавание» явления в опыте. В этом смысле не случайны многочисленные попытки найти эффективные схемы представления опыта (рисунки, диалог и др.) «…Необходим этап символизации образа, который, с одной стороны, имеет определенные черты сходства с реальными объектами, но, с другой стороны, лишен качественного своеобразия реальных объектов. На самом деле в ходе урока целесообразно обсудить с детьми не один такой символический образ, а несколько, варьируя несущественные признаки» [4, с. 169]. Сказанное обосновывает использование компьютерных моделей и анимаций с целью абстрагирования и формализации.
При переходе от явления (внешней стороны) изучаемого объекта к теоретической (физической) модели применяется имитационный эксперимент – учебный вариант физического эксперимента, результаты которого составляют эмпирический базис изучаемого раздела физики, реализованный в компьютерной модели.
При выполнении имитационного эксперимента на этом этапе учащиеся могут учиться планировать и анализировать результаты эксперимента, знакомятся с оригинальными методами измерения и регистрации изучаемых объектов и явлений. Вместе с тем имитационный эксперимент можно представить одним из способов изучения научных фактов. В работе В.Я. Синенко [71] используется термин «группа исходных фактов». «Кроме эмпирических, в группу исходных фактов включаются и законы, претендующие на их использование для выдвижения гипотезы, достоверность которых установлена на практике. Мотив подбора этих фактов выражен обобщённым вопросом: «Единично ли установленное противоречие, связано ли оно и как с другими предметами и явлениями, при каких условиях они взаимосвязаны и как влияют друг на друга, какие объективные закономерности данной области познания могут подойти для построения на их основе разумных умозаключений для решения проблемы?» На наш взгляд, накопление фактов – важнейшая и ответственная часть научного исследования. При ответе на поставленный вопрос в ходе подбора фактов уже в скрытом виде начинает формироваться модель. Чем полнее подобрана группа исходных фактов, тем объёмнее будет основание для концептуального построения» [71, с. 126].
Имитационный эксперимент должен служить источником таких экспериментальных данных, которые помогут ученику осознать необходимость поиска гипотезы, а компьютерная модель для имитационного эксперимента должна служить обоснованию гипотезы. «…Гипотеза в учебном процессе должна появляться не как фантом озарения, а в результате анализа известных фактов, попыток их объяснения на основе тех теорий, которые уже известны детям, и обсуждения противоречий между выводами теорий и эмпирическими фактами» [4, с. 153]. Имитационный эксперимент может обогатить группу исходных фактов, но лишь в достаточно ограниченной мере, т.к. убедительность виртуального эксперимента меньше натурного. Под убедительностью эксперимента понимается его неопровержимость, вескость, неоспоримость. Построение теоретической модели на языке физики требует введения новых терминов, необходимых определений, термины фиксируются в знаковой форме и т.п. Вычислительный эксперимент на этапе возврата от теоретической (физической) модели к реальному конкретному явлению позволяет получить сведения о протекании явления в новых условиях (прогностическая функция эксперимента). Вычислительный эксперимент нацелен на выявление особенностей поведения модели в новых условиях с целью обнаружения ранее неизвестных характеристик явления и последующей проверки полученных результатов в натурном эксперименте. Если результат натурного эксперимента подтверждает результат вычислительного эксперимента, то учащийся убеждается в правильности используемой теоретической модели. Вычислительный эксперимент помогает представить исследуемый объект в его разнообразных проявлениях для более глубокого понимания [21].
Вычислительный эксперимент в обучении способствует углублению теоретических знаний по физике, знакомит с методом компьютерного моделирования, развивает модельные представления. В своем исследовании опираемся на то, что виртуальный эксперимент должен подводить учащихся к представлению, что использование теоретических моделей упрощает задачу изучения реальных объектов, и при определенных условиях эти теоретические модели можно использовать для описания реальных объектов. Отметим, что более тщательная разработка физической модели (модели с различной степенью детализации) изучаемого явления возможна, но преимущественно в классах физико-математического и естественнонаучного профиля.
Таким образом, наряду с натурным экспериментом в учебный процесс встраивается виртуальный эксперимент. Деление виртуального эксперимента на имитационный и вычислительный, на наш взгляд, имеет значение в обучении и для учителя, для учащегося (таблица 1). Учителю важно знать, что имитационный эксперимент применяется при индуктивном пути, т.к. следует формулирование логического умозаключения путем обобщения данных наблюдения и эксперимента, а вычислительный эксперимент – при дедуктивном пути, т.к. организуется переход от некоторых общих посылок к частным результатам, следствиям.
Процедура ученического имитационного эксперимента
Рассмотрим ученический имитационный эксперимент на интерактивной
компьютерной модели. Чтобы организовать самостоятельное исследование
учащимися компьютерной модели, учитель может использовать соответствующую процедуру. Термин «процедура» (от лат. procedo – иду вперед) означает порядок выполнения, ряд последовательных действий, необходимых для выполнения чего-нибудь (книжн.) [73, с. 574]. Для разработки процедуры имитационного эксперимента рассмотрим и будем учитывать последовательность действий по выполнению натурного учебного исследовательского эксперимента: 1. «Подготовительный этап: выявление противоречия между наличным и требуемым уровнями знаний о предмете экспериментального исследования (самостоятельно или в связи с получением учебного задания); актуализация имеющихся знаний о предмете исследования; формулировка (уточнение, доопределение) цели и задач исследования; выдвижение предположения о путях и результатах деятельности (гипотезы); разработка метода решения задачи на основе имеющихся знаний (наиболее значимыми при этом являются знания теоретического характера об исследуемом явлении), в том числе: получение расчетной формулы, определение состава контролируемых величин, способа их измерения; проектирование экспериментальной установки, выбор приборов, материалов, проверка их наличия и исправности; определение последовательности измерений, диапазона варьирования различных параметров эксперимента, необходимого количества опытов; прогноз точности, степени достоверности ожидаемых результатов; выбор оптимальных условий постановки опытов с целью изоляции и расчленения исследуемого явления, минимизации погрешностей измерений; выбор способа кодирования информации, получаемой в процессе наблюдений и измерений. 2. Этап выполнения действий по созданию экспериментальной установки и получению первичных данных: сборка и наладка экспериментальной установки, подготовка образцов; проведение наблюдений и измерений; фиксирование полученных данных. 3. Этап обработки и интерпретации результатов измерений и наблюдений: расшифровка, преобразование, математическая обработка, оценка точности и достоверности полученных данных, их интерпретация, содержательное обобщение; при необходимости осуществление дополнительных серий измерений; формулировка выводов, изложение результатов работы» [76, с. 248].
В виртуальном эксперименте вместо сборки и наладки экспериментальной установки присутствует реализация (создание) компьютерной модели. Как и в эксперименте с предметными моделями в виртуальном эксперименте появляются дополнительные звенья - проверка правильности ее функционирования (тестирование) и перенос результатов исследования модели на подлинный объект исследования.
В основу процедуры заложим обобщённую структуру частнодидактической теории, разработанную С.А. Суровикиной на основе критериев технологичности, содержательного (теоретического) обобщения, структуры учебно-познавательной деятельности и этапов формирования обобщённых умений [84]. «Ориентировочно-мотивационный этап включает: создание проблемной ситуации и введение в неё учащихся; осознание проблемы и её выражение в виде учебной задачи вербально, формулировку цели; оценку своих возможностей (знаний, умений, и т.д.) и планирование деятельности по решению проблемы. Исполнительно-операционный этап предполагает решение учебной задачи через выделение необходимых знаний, навыков и умений, способа деятельности, итогом которого являются новое знание и способ деятельности; применение нового знания, способа деятельности к решению исходной учебной задачи, а также новых учебных задач на уровнях знакомых, измененных и в новых условиях. Рефлексивно-оценочный этап включает контроль, переходящий в самоконтроль; коррекцию (при необходимости); оценку, переходящую в самооценку» [78, с. 26]. Учитывая сказанное, предлагаем следующую схему процедуры ученического имитационного эксперимента, организованного учителем на уроке (рисунок 4). 1. Подготовительный этап Осознание проблемы и цели эксперимента I 2. Тестирование модели Осознание возможностей управления моделью, проблемный вопрос I 3. Практический этап: постановка задач планирование – осуществление манипуляций – получение информации = Учитель актуализирует знания об изучаемом объекте познания. Чтобы у ученика был сформирован его образ, физическое явление требуется продемонстрировать на опыте или, если невозможно организовать натурный эксперимент, на фотографии, видео. Учитель сообщает цель эксперимента, даёт пояснения об используемом оборудовании, подчёркивает значение изучаемого явления (объекта) для человека. На этом этапе роль учителя может быть сведена к минимуму при наличии у компьютерной модели соответствующей информационной справки. Учащийся фиксирует в тетради опыт в виде рисунка, на котором представлены основные для этого опыта обозначения, а также цель эксперимента. 2) Тестирование модели. Основной результат – осознание учащимся собственных возможностей управления моделью, уточнение проблемных вопросов: «При каких условиях наблюдается или не наблюдается изучаемое явление?», «Какие измерения физических величин возможны и необходимы в данном эксперименте?»
При знакомстве с новой компьютерной моделью необходимо убедиться в правильности её функционирования, т.е. проверить поведение модели для ранее изученных в натурном эксперименте случаев протекания явления. С этой целью желательно продемонстрировать учащимся в данном эксперименте известный им результат при определенных условиях, т.е. связать данные, полученные на модели, с уже имеющимися у учащихся знаниями. Для этого учитель должен подобрать некоторые параметры модели заранее и предложить их учащимся.
При работе с моделью учащийся выясняет, какие параметры модели могут изменяться, т.е. какими приборами и устройствами в эксперименте можно управлять, и что при этом фиксируют приборы. 3) Практический этап: постановка задач - планирование деятельности осуществление манипуляций - получение информации в эксперименте.
Основной результат – замысел исследования, гипотеза о сущности явления. Исследование учеником компьютерной модели на выявление причинно-следственных связей проводится при нечётко заданных или менее определённых условиях эксперимента. «Замысел – идея, связанная с представлениями о способах ее реализации, методически оформленная, но существующая только в сознании исследователя» [15, с. 198]. Замысел исследования с помощью компьютерной модели надо осуществить самому учащемуся. Учащиеся составляют план действий по исследованию компьютерной модели. В соответствии с планом они проводят манипуляции по изменению параметров при некотором фиксированном параметре, получают результаты, возможно, выясняют граничные (или максимальные, минимальные) значения. Этот этап должен сопровождаться созданием продукта познания (таблица, схема, рисунок). Таким образом, модель изучаемого явления принимает некоторую форму фиксации – качественное и (или) количественное описание. С осознания необходимости поиска гипотезы для разрешения противоречий между имеющимися знаниями и учебными фактами, полученными на интерактивной модели, начинается обсуждение гипотез о сущности наблюдаемого. Обсуждение организуется учителем. 4) Аналитический этап. Основной результат – знания о сущности явления, формирование понятий. От графической формы представления модели (график, диаграмма) переходят к математической модели изучаемого физического объекта (математические формулы). На основе обработки полученной информации (возможно, в Excel) может быть сформулирована гипотеза о выявляемой закономерности физических величин с последующим прогнозированием результатов эксперимента. Возможно многократное выполнение манипуляций на интерактивной модели с целью проверки в эксперименте своего предположения о какой-либо величине. Если выводятся следствия, предсказывающие экспериментально наблюдаемые эффекты, то необходимо учитывать, что в модели скрыто присутствуют границы её применимости, и они могут быть оценены. Заканчивается этап письменным изложением результатов и выводов.
Вопросы для самопроверки, а также ссылки к другим информационным источникам, помогут учащимся осознать полученные результаты и правильность выводов. Чтобы обеспечить перенос результатов исследования модели на подлинный объект познания, учителю следует указать на практическое применение полученных знаний, на связь нового знания с уже имеющимися знаниями. 5) Рефлексия деятельности и ее результатов. Основной результат этапа – знание учащегося о собственном знании или незнании. Большинство философов определяют «знание как результат отражения в сознании объективной действительности, полученный в ходе чувственного и рационального познания, проверенный практикой и имеющий идеальное выражение» [29, с. 27].
Похожие диссертации на Интеграция виртуального и натурного школьного физического эксперимента в процессе обучения физике
