Содержание к диссертации
Ведение 3
Глава 1. Методологические основы совершенствования школьного
физического эксперимента в свете идей интеграции 18
Интеграция в образовании 18
Интеграционные процессы в ходе познавательной деятельности 27
Интеграция процессов познания и моделирования Ъ1
Интегративная роль наглядности в процессе усвоения знаний 45
Целостный подход к рассмотрению средств обучения 55 Глава 2. История становления физического эксперимента в школах России 65
Становление и развитие учебного эксперимента в России 65
Физический эксперимент в советской школе 80 Глава 3. Традиционный подход к осуществлению школьного физического эксперимента 94 3.1 Традиционная методика школьного физического эксперимента 94
Физический эксперимент в основной школе 115
Эксперимент в условиях профильной старшей школы 125
Анализ школьного учебного оборудования по физике 140
Компьютер в школьном эксперименте по физике 157 Глава 4. Интеграция традиций и инноваций при осуществлении школьного физического эксперимента 171
4.1. Интегративный подход к осуществлению школьного физического
эксперимента 171
4.2. Совершенствование оборудования школьного кабинета для проведения
учебного физического эксперимента 193
4.3. Разноуровневые лабораторные работы по физике для основной школы 205
4.4. Аппаратные и программные средства для автоматизации физического
эксперимента 220
4.5 Автоматизированные работы физического практикума 242
Компьютерные модели в демонстрационном эксперименте 263
Мониторинг функционального состояния учащихся и мотивации обучения 280 Глава 5. Организация, проведение и результаты экспериментальной работы 295
Основные этапы и содержание педагогического эксперимента 295
Использование методов математической статистики для обработки результатов педагогического эксперимента 311 Заключение 323 Библиографический список литературы 325
Введение к работе
Процесс интеграции нашей страны в мировую экономическую и информационную систему, интеграционные тенденции развития наук, интеграция педагогического знания во все сферы человеческой жизни определяют стратегию развития образования, которое призвано удовлетворить потребность общества в специалистах, способных реализовать свой творческий потенциал, как в собственных интересах, так и интересах общества, умеющих адаптироваться к быстро изменяющимся условиям, обладающих интегративным стилем мышления, критически относящихся как к своему окружению, так и к самим себе.
Стремительный рост объема информации, внедрение и постоянное обновление производственных технологий выдвигает необходимость рассмотрения обучения как процесса, основу которого составляет самостоятельный поиск информации из всевозможных источников, ее извлечение, критическое осмысление и адекватное преобразование для создания новых знаний и обмена ими в процессе коммуникаций.
Новые требования общества к обучению, разъяснение его целей создают предпосылки для разрешения противоречия между требованием максимальной сопряженности профессиональных и личностных качеств выпускника образовательного учреждения и недостаточной реализ?цией используемых условий для его целостного становления.
В последние десятилетия отмечается снижение качества общего среднего образования. Это касается всех естественнонаучных дисциплин и физики в частности, что приводит к падению мировоззренческого уровня развития учащихся, отсутствию сформированности у них целостных представлений о единой картине мира и месте человека в нем. Появилась необходимость усиления образовательного и развивающего потенциала физики как учебного предмета, выявления новых путей обновления содержания физического образования, создания технологий обучения,
ориентированных на возможно более полное использование учебного физического эксперимента для обеспечения целостности образовательной системы, активизирующей деятельностный и творческий потенциал учащихся, сохраняющей их самобытность и индивидуальность.
Исходя из того, что проведение учебного физического эксперимента является исходным пунктом знаний об объективности окружающего мира, требуется создание оптимальных условий для его проведения. В то же время, учитывая, что многие лабораторные и демонстрационные установки в практику обучения вошли в 50-е годы двадцатого столетия, часть, имеющихся в школе средств, сегодня вышла из строя или технически устарела. Противоречие между новыми целями обучения и традиционными технологиями осуществления учебного физического эксперимента выдвигает проблему исследования. Сохраняя все хорошее, проверенное опытом, рациональное и эффективное, независимо от времени его создания, следует создавать новые современные интегративные средства и методы для осуществления физического эксперимента в школе, развивающие и обогащающие методическую науку и педагогическую практику. Такие методы и средства будут по-новому организовывать и направлять восприятие учащихся, объективировать содержание, выполнять функции источника и меры учебной информации в их единстве.
Программа развития системы непрерывного образования в России на 2001-2010 годы подчеркивает необходимость интеграции теоретической и практической подготовки специалистов, с целью обеспечения преемственности формирования научных знаний и умений, позволяющей применять их в различных видах практической деятельности.
В настоящее время в философии, психологии, педагогике и частных методиках проблемам интеграции и развития личности уделено достаточно много внимания. Например, различные аспекты интеграции в образовании в
своих исследованиях рассмотрели А.Я. Данилюк, В.И. Загвязинский, И. А. Колесникова, В.Н. Максимова, В.В. Сериков, Н.К. Чапаев, Э.Г. Юдин и др.
Проблемам философского обоснования методологии интегративного подхода посвящены работы Б.М. Бим-Бада, А.А. Королькова, А.Ф. Лосева, А.Ф. Малышевского, С. Л. Рубинштейна, В.Н. Сагатовского и др.
Наиболее полно и последовательно идеи развивающего обучения Л.С. Выготского в рамках психологической теории деятельности развиты П.А. Гальпериным, В.В. Давыдовым, А.В. Запорожец, А.Н. Леонтьевым, Н.А. Менчинской, Н.Ф. Талызиной, Г.И. Щукиной, Д.Б. Элькониным, И.С. Якиманской и др.
Некоторые аспекты обновления содержания школьного курса физики на основе идей дифференциации, интеграции и вариативности обучения раскрыты в исследованиях Ю.И. Дика, СЕ. Каменецкого, А.В. Перышкина, А.А. Пинского, Н.С. Пурышевой, В.Г. Разумовского, Н.А. Родиной, А.В. Усовой, В.А. Фабриканта, Л.С. Хижняковой и др.
Вопросам развития учащихся в процессе обучения физике большое внимание уделяли Л.И. Анциферов, B.C. Данюшенков, О.Ф. Кабардин, А.С. Кондратьев, В.В. Лаптев, В.А. Орлов, Н.С. Пурышева, В.Г. Разумовский, А.В. Усова, Т.Н. Шамало, Н. В. Шаронова и др.
В разное время проблемами физического эксперимента занимались:
Л.И. Анциферов, В.Н. Бакушинский В.А. Буров, Д.Д. Галанин, А.И. Глазырин,
И.В. Глинка, Е.Н. Горячкин, Н.С. Дрентельн, А.Г. Дубов, К.В. Дубровский,
Н. Дюрнбаум, С.Н. Жарков, Б.С. Зворыкин, А.Н. Зильберман,
П.А. Знаменский, СЕ. Каменецкий, Я.И. Карцов, Н.В. Кашин,
Я.И. Ковальский, Ф.Н. Красиков, В.В. Лермантов, А.А. Марголис, А. Модестов, В.П. Орехов, Н.Е. Парфентьева, А.В. Павша, А.В. Перышкин, И.М. Пищиков, А.А. Покровский, В.Г. Разумовский, В.Л. Розенберг, И.М. Румянцев, Д.И. Сахаров, Н.А. Солодухин, И.И. Соколов Н.А. Умов, А.В. Цингер, Н.М. Шахмаев, СЯ. Шамаш, В.Ф. Шилов, С.А. Шурхин и др.
Использование современных информационных технологий при осуществлении школьного физического эксперимента отражено в работах А.А. Богуславского, Д.В. Баяндина, Э.В. Бурсиана, Ю.А. Воронина, Ю.А. Гороховатского, В.А. Извозчикова, А.И. Назарова, В.В. Лаптева, Р.В. Майера, Ю.С. Песоцкого, О.В. Поваляева, А.В. Смирнова, С.К. Стафеева, СВ. Степанова, Г.Н. Степановой, А.И. Фишмана А.С. Чирцова, P.M. Чудинского и
др.
Сегодня в педагогике, психологии, теории и методике преподавания
физики проводятся определенные исследования, раскрывающие роль
интеграции в образовании, применяющие интегративный подход в обучении,
ориентированные на использование развивающего обучения,
разрабатывающие на этой основе новые подходы обновления содержания школьного физического образования, связанные с проблемами учебного физического эксперимента. Однако специальные исследования, в которых учебный физический эксперимент рассматривается на основе интегративного подхода с целью всестороннего развития личности учащегося, пока отсутствуют.
Таким образом, актуальность предлагаемого исследования обусловлена:
- современными требованиями общества к развитию личности, обладающей интегративным стилем мышления, способной к самостоятельному овладению знаниями и умениями и их применению, как в собственных интересах, так и в интересах общества;
наличием психолого-педагогических, мировоззренческих, методологических и методических предпосылок для разработки и реализации интегративного подхода к осуществлению учебного физического эксперимента с целью создания оптимальных условий для целостного становления личности;
- потребностью педагогической практики в современных технологиях и средствах осуществления школьного физического эксперимента для развития интереса к физике и формирования познавательных мотивов обучения.
Объектом исследования является процесс обучения физике в школе.
Предметом исследования является осуществление школьного физического эксперимента на основе интегративного подхода.
Цель исследования состоит в разработке концепции интегративного подхода как теоретической основы осуществления школьного физического эксперимента и ее практической реализации в средней школе.
Методологическую основу исследования составляют:
концептуальные положения философии как методологической основы;
теория познания;
концепция деятельностного подхода и теория развивающего обучения;
психолого-педагогическая теория личностно-ориентированного обучения;
методология физической науки;
- теоретические обобщения в области методики физики по проблемам
школьного физического эксперимента.
Гипотеза исследования. Если при осуществлении учебного
физического эксперимента учитывать объективно существующий
интегративный характер личности, образовательного процесса,
преподаваемой науки и создать адекватные средства обучения, обеспечивающие оптимальные условия для осуществления межпредметной, внутрипредметнои, межличностной и внутриличностнои интеграции, то это будет способствовать наиболее полному развитию личности, формированию мотивации обучения и повышению эффективности обучения физике в школе.
Задачи исследования:
Провести анализ отечественного опыта и изучить историю становления школьного физического эксперимента в России.
На основе анализа психолого-педагогических исследований
определить пути совершенствования школьного физического эксперимента.
Изучить традиционную методику осуществления школьного физического эксперимента, обосновать необходимость ее корректирования с учетом социально-личностного подхода к заданию целей обучения физике.
Определить задачи и содержание учебного физического эксперимента в основной и профильной школе.
5. Осуществить анализ существующего традиционного и современного
учебного оборудования и определить возможности его использования в
условиях изменяющейся парадигмы образования.
6. Исследовать возможности использования современных
компьютерных технологий в учебном эксперименте.
7. Уточнить теоретико-методологические основы интеграции в
образовании и связать интеграцию педагогических и методических знаний с
предметными знаниями.
Разработать концепцию интегративного подхода к осуществлению школьного физического эксперимента.
Разработать оборудование для современного кабинета физики, отвечающее идеям интеграции и личностно-ориентированного образования и показать пути его использования при осуществлении учебного физического эксперимента.
Разработать разноуровневые фронтальные лабораторные работы и обосновать их необходимость в основной школе.
Разработать аппаратные и программные средства для проведения современного физического практикума с применением компьютерных технологий.
12. Разработать комплект автоматизированных работ физического
практикума для формирования разносторонних экспериментальных умений и
навыков работы на современной технической аппаратуре.
13. Обосновать принципы отбора компьютерных моделей для
расширения возможностей современного демонстрационного эксперимента.
Создать предпрофильные и профильные элективные курсы для углубленного изучения традиционного и современного оборудования, используемого при осуществлении учебного физического эксперимента.
Осуществить мониторинг функционального состояния здоровья учащихся и мотивации обучения при проведении экспериментальных работ.
16. На основе интегративного подхода разработать учебно-
методические комплекты для проведения разноуровневых лабораторных работ
и автоматизированных работ физического практикума на базе
индивидуального рабочего места учащегося.
17. Экспериментально проверить эффективность обучения школьников по разработанным учебно-методическим комплектам. Методы исследования:
анализ философской, психолого-педагогической, физической и методической литературы по проблеме исследования;
анализ нормативных документов, авторских программ, учебных пособий по школьному физическому эксперименту, публикаций, посвященных проблемам учебного физического эксперимента;
изучение и обобщение передового опыта школ и отдельных учителей;
разработка средств обучения адекватных поставленным целям;
- поисковый, констатирующий и формирующий эксперимент по
материалам исследования;
- проведение педагогических измерений (анкетирование, тестирование,
опросы, проверочные работы);
- обработка результатов педагогического эксперимента с помощью
методов математической статистики;
Основные этапы исследования. В соответствии с поставленными задачами исследование осуществлялось в течение 15 лет (с 1992 г. по 2007 г.) в несколько этапов.
На этапе констатирующего эксперимента проводился анализ литературы по исследуемой теме, который позволил выявить общие методологические и теоретические основы исследования Изучалась история становления учебного физического эксперимента в школах России. Обобщался педагогический опыт учителей общеобразовательных школ для определения состояния проблем осуществления школьного физического эксперимента в современных условиях, уточнялась комплектность имеющегося в кабинетах физики учебного оборудования.
В ходе поискового эксперимента было проведено уточнение задач исследования, сформулирована концепция интегративного подхода к осуществлению школьного физического эксперимента. Определены пути реализации данной концепции на основе разработанных, адекватных целям, средств обучения во время проведения демонстрационных опытов, фронтальных лабораторных работ, работ физического практикума. Созданы необходимые учебно-методические комплекты для учителей, работающих по экспериментальной методике. Отобраны экспериментальные и контрольные классы, разработана методика определения эффективности предлагаемой технологии обучения.
На третьем этапе проводился формирующий эксперимент в ходе которого определялась эффективность обучения физике на основе применения интегративного подхода к осуществлению школьного физического эксперимента и разработанных средств обучения. Оценивалось влияние созданных учебно-методических комплектов на интеллектуальное развитие школьников, их академическую успеваемость и эмоционально-познавательную сферу. Уточнялись и корректировались методические рекомендации по использованию материалов исследования в педагогической практике.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования обеспечиваются:
- непротиворечивостью результатов исследования, их соответствием
теоретическим положениям и выводам базовых наук;
репрезентативностью выборки количества участников педагогического эксперимента;
методами математической статистики для обработки данных формирующего эксперимента;
- воспроизводимостью результатов обучения.
Научная новизна исследования:
Разработана теоретическая концепция интегративного подхода к осуществлению школьного учебного физического эксперимента в единстве четырех ее направлений: межпредметной, внутрипредметной, межличностной и внутриличностной интеграции.
Определены цели учебного физического эксперимента с учетом социально-личностного подхода для обеспечения целостного развития личности учащегося, интегрирующие предшествующий опыт, развитие механизмов психики, типологические свойства личности и динамику ее индивидуальных свойств. Обоснована взаимосвязь всех учебных физических экспериментов, раскрыта их различная значимость для учащихся профильных классов, определяющаяся, прежде всего профессиональными намерениями учащихся.
В соответствии с целями развития личности сформулированы требования к отбору учебного оборудования по физике, которые должны способствовать формированию интегративного стиля мышления, содействовать наиболее полному развитию восприятия, формировать умения ориентироваться в различных ситуациях, обеспечивать целостность образовательного процесса, соответствовать современным требованиям эргономики, эстетики и техники безопасности.
Для оснащения современных кабинетов физики разработано индивидуальное рабочее место учащегося, обеспечивающее широкую
функциональную возможность действий учащихся во время урока, создающее благоприятные условия для осуществления разнообразных приемов и методов личностно-ориентированного обучения, позволяющее использовать в ходе экспериментальной деятельности как традиционные, так и инновационные средства обучения. Получен патент РФ № 30245 от 27.06.2003 г.
5. Разработан многофункциональный модульный блок приборов,
предназначенный для использования, как в классах различной специализации,
так и для уровневой дифференциации внутри одного класса, позволяющий по
всем разделам школьного курса физики сделать вариативными большинство
учебных экспериментов, согласно учебным пособиям различных авторов,
включая экспериментальные методики.
6. Разработаны аппаратные и программные средства для проведения
работ физического практикума с применением компьютерных технологий,
изменяющие стиль экспериментальной работы учащегося, знакомящие его с
современными методами исследования, формирующие разносторонние
экспериментальные умения и навыки работы на современной технической
аппаратуре.
7. Разработаны учебно-методические комплекты, содержащие
разноуровневые фронтальные лабораторные работы для учащихся основной
школы, автоматизированные работы физического практикума для профильной
школы, предпрофильные и профильные элективные курсы для углубленного
изучения традиционного и современного оборудования, рекомендации по
использованию компьютерных моделей для расширения возможностей
современного демонстрационного эксперимента, обеспечивающие
систематический, самостоятельный, исследовательский характер учебно-
познавательной деятельности учащихся во время проведения учебных
экспериментов.
8. Разработана методика оценивания функционального состояния
здоровья учащихся в процессе проведения самостоятельных
экспериментальных работ с помощью валеологического автоматизированного комплекса «Варикард», предусматривающая осуществление мониторинга адаптационных возможностей организма школьников, с целью выяснения мотивации обучения. Сформулированы практические рекомендации, способствующие укреплению и сохранению здоровья учащихся для учителей, внедряющих новые педагогические технологии на уроках физики в образовательных учреждениях города.
9. Обоснована значимость концепции интегративного подхода к осуществлению школьного физического эксперимента, основанная на взаимосвязи всех компонентов концепции и их интегративных функциях, что дает возможность максимального сопряжения профессиональных и личностных качеств будущих выпускников школ.
Теоретическая значимость исследования состоит в том, что:
разработана современная теоретико-методологическая стратегия осуществления школьного физического эксперимента с учетом интеграции философских, психолого-педагогических и методических знаний с предметом исследования;
обоснована структура интегративного подхода при осуществлении школьного физического эксперимента, исходя из целей образования, его качества, перспектив развития и становления личности, использования разнообразных методов познания и современных образовательных технологий в соответствии с объективно существующими интегративными процессами, свойственными преподаваемой науке, образованию и развитию личности;
разработаны принципы создания индивидуального рабочего места учащегося, исходя из того, что оборудование физического кабинета должно представлять собой, постоянно развивающуюся систему дидактических средств, отвечающих целям обучения и воспитания школьников;
определены основные направления использования средств информационных технологий в школьном эксперименте по физике, связанные
с проведением расчетов для обработки различных результатов, применением тестовых и контролирующих программ, использованием программ-тренажеров, компьютерным моделированием учебного эксперимента и его автоматизацией;
сформулированы принципы формирования обобщенных экспериментальных умений учащихся при работе с автоматизированными лабораторными установками.
Практическая значимость исследования заключается в следующем:
создана технология осуществления школьного физического эксперимента на основе интегративного подхода;
разработаны методические рекомендации к организации и проведению современных демонстрационных экспериментов, разноуровневых фронтальных лабораторных работ и автоматизированных работ физического практикума; /
созданы рабочие тетради, содержащие разноуровневые фронтальные лабораторные работы по физике для учащихся основной школы, предусматривающие различные уровни сложности при их выполнении;
разработаны предпрофильные и профильные элективные курсы для углубленного изучения традиционного и современного оборудования;
разработана конструкторско-технологическая документация для изготовления рабочих мест учащихся, предусматривающая различные варианты их исполнения (одноместные и двухместные), содержащие специальные приспособления (систему хранения и перемещения штативов, дополнительную подвижную столешницу, откидывающуюся полочку для размещения системного блока, устройство для крепления затемняющих шторок), облегчающие проведение вариативного школьного эксперимента совместно с компьютером;
разработана конструкторско-технологическая документация для изготовления многофункционального модульного блока приборов,
содержащая принципиальные электрические схемы отдельных приборов, спецификацию используемых элементов, технологию изготовления печатных плат устройств, обеспечивающую возможность их независимого расположения внутри блока и взаимозаменяемость;
создана конструкторско-технологическая документация для изготовления устройства сопряжения компьютера с экспериментальными установками на основе разработанных многослойных печатных плат, предусматривающая технологию сборки устройства и настройки его соответствующих входов и выходов;
- созданы работы физического практикума, позволяющие осуществить автоматизацию некоторых наиболее сложных экспериментов с использованием разработанного оборудования;
разработаны практические рекомендации, способствующие укреплению и сохранению здоровья учащихся для учителей, внедряющих новые педагогические технологии в образовательных учреждениях на основе проведенного мониторинга мотивации обучения, осуществлявшегося во время проведения экспериментальных работ.
Апробация исследования и внедрение его результатов. По теме диссертации опубликовано 64 работы, сделано 30 докладов на международных и всероссийских конференциях, в том числе: на Съезде российских физиков-преподавателей «Физическое образование в XXI веке», Москва, МГУ, 2000 г.; 5-ой и 7-ой Международной конференции «Математика, компьютер, образование», Дубна, 1998, 1999 г.г.; 2-ой, 3-ей Международных научно-методических конференциях «Новые технологии в преподавании физики: школа и вуз», Москва, 2000, 2002 г.г.; 6-ой, 7-ой, 8-ой Международных конференциях «Физика в системе современного образования», Ярославль, Санкт-Петербург 2001, 2003, 2005 г.г.; научно-теоретической конференции «Образование и наука в третьем тысячелетии», Барнаул, 2002 г.; международной конференции «Проблемы физического
образования в средней и высшей школе» Рязань, 2002г.; 7-ой, 9-ой конференциях стран Содружества «Современный физический практикум», Санкт-Петербург, Волгоград, 2002, 2006 г.г.; ежегодных международных конференциях «Проблемы учебного физического эксперимента» Глазов, Symposium for Central and East European Countries, 2003 r.
Результаты исследования легли в основу серийного производства ученических столов для кабинетов физики на механическом заводе г. Сасово Рязанской области. На международном салоне инноваций (Москва 2002 г.) индивидуальное рабочее место учащегося удостоено серебряной медали. На проходивших в различных городах (Москва, Санкт-Петербург, Рязань) выставках учебного оборудования разработанный комплекс средств отмечен дипломами различных степеней. При поддержке администрации города и области в Рязанском регионе было организовано 28 экспериментальных площадок, на базе школ, где проводилась апробация и внедрение результатов исследования.
На защиту выносятся:
Концепция интегративного подхода как теоретическая основа и методологическая стратегия осуществления школьного физического эксперимента для обеспечения целостного развития личности учащегося, интегрирующая предшествующий опыт, развитие механизмов психики, типологические свойства личности, динамику индивидуальных особенностей в единстве четырех ее направлений: межпредметной, внутрипредметной, межличностной и внутриличностной интеграции.
Теоретическое обоснование целостности учебного физического эксперимента с учетом социально-личностного подхода к заданию целей и объективно существующих интегративных процессов, свойственных развитию личности, образованию, преподаваемой науке, а также различной значимости отдельных экспериментов для учащихся профильных классов,
определяющейся их способностями, познавательными интересами и основаниями для выбора будущей профессии.
3. Принципы отбора учебного оборудования, составления
разноуровневых экспериментальных заданий, использования компьютерных
моделей, создания автоматизированных работ, учитывающие
преемственность традиционных функций учебного физического эксперимента,
ориентированных на более полное их использование для обеспечения
целостности образовательной системы, повышения эффективности обучения,
активизации деятельностного и творческого потенциала учащихся и
актуализации их жизненного опыта.
4. Комплекс оборудования, обеспечивающий оптимальные условия для
учета индивидуальных особенностей учащихся, способствующий проведению
в рамках программного материала опытов, принципиально неосуществимых в
традиционных условиях, расширяющий возможности современного школьного
эксперимента, обеспечивающий систематический, самостоятельный,
исследовательский характер учебно-познавательной деятельности учащихся,
который включает индивидуальное рабочее место учащегося со специальными
приспособлениями, многофункциональный блок приборов, устройство
сопряжения компьютера с разнообразными датчиками, исследуемые
монтажные панели.
5. Методика оценивания функционального состояния здоровья
учащихся, учитывающая мотивацию обучения, готовность личности к
самоактуализации и саморазвитию, в процессе выполнения экспериментальных
заданий различной сложности.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения и библиографии. Общий объем текста составляет 335 страниц, библиографический список литературы содержит 275 наименований. Работа иллюстрирована 68 рисунками и 7 таблицами.
