Содержание к диссертации
Введение
Глава I ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ
1.1 Основные направления решения проблемы формирования понятий 11
1.2 Научно-методический анализ содержания физических основ действия тепловых двигателей в школьном курсе физики 20
1.3 Социально-личностный подход в определении целей изучения элементов термодинамики 34
Выводы по первой главе 42
Глава II. СОДЕРЖАНИЕ И СТРУКТУРА ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В КУРСЕ ФИЗИКИ ОСНОВНОЙ ШКОЛЫ
2.1 Содержательная модель учебного материала 44
2.2 Первый этап изучения тепловых явлений в факультативном курсе 5 класса 54
2.3. Второй этап изучения физических основ действия тепловых двигателей 59
Выводы по второй главе 76
Глава III. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В КУРСЕ ФИЗИКИ ОСНОВНОЙ ШКОЛЫ
3.1 Методика изучения тепловых явлений в факультативном курсе 5 класса 79
3.2 Методика изучения физических основ действия тепловых двигателей в курсе физики основной школы 85
3.3 Требования к знаниям и умениям учащихся, предъявляемые при изучении физических основ действия тепловых двигателей в курсе физики основной школы 100
3.4 Особенности подготовки студентов - будущих учителей физики по методике изучения физических основ действия тепловых двигателей в курсе физики основной школы 105
Выводы по третьей главе 109
Глава IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В КУРСЕ ФИЗИКИ ОСНОВНОЙ ШКОЛЫ
4.1 Организация педагогического эксперимента 111
4.2 Первый этап исследования 115
4.3 Второй этап исследования 121
Выводы по четвертой главе 128
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 130
БИБЛИОГРАФИЯ
- Основные направления решения проблемы формирования понятий
- Содержательная модель учебного материала
- Методика изучения тепловых явлений в факультативном курсе 5 класса
Введение к работе
Совершенствование содержания и методов преподавания физики происходит в условиях внедрения обновленного базисного плана основной школы и общеобразовательных учреждений России, введения стандарта, а также перехода к обязательному десятилетнему образованию. Выпускник средней школы должен быть подготовлен к выбору профессии в области высокоэффективных технологий производства: осознавать взаимосвязь физики, техники, человека и природы, знать способы охраны окружающей среды при использовании тепловых и других машин, пользоваться бытовыми приборами. Чтобы решить поставленные задачи, требуется усвоение учащимися физических теорий, в частности, термодинамики как основы действия тепловых двигателей.
Многие исследователи (Н. К. Гладышева, Ю. А. Коварский, В. Н. Мощанский, И. И. Нурминский, А. А. Пинский, В. Г. Разумовский, Л. П. Свитков, Ю. И. Соколовский, Л. С. Хижнякова и другие) считают, что ознакомление учащихся средней школы с физическими основами действия тепловых двигателей необходимо для освоения современной культуры, которая в широком смысле слова трактуется как социально-прогрессивная творческая деятельность человечества во всех сферах. Система понятий и законов термодинамики, составляющая физическую основу действия тепловых двигателей, создают условия для развития творческих способностей учащихся.
Проблема развития творческих способностей учащихся решалась многими психологами, методистами и дидактами (А. И. Бугаев, Л. С. Выготский, П. Я. Гальперин, В. В. Давыдов, Б. П. Есипов, А. И. Леонтьев, И. Я. Лернер, Н. Я. Менчинская, Я. А. Пономарев, С. Л. Рубинштейн, М. Н. Скаткин, Н. Ф. Талызина и другие). Ими доказано,
что возрастные особенности учащихся основной школы позволяют проводить обобщения на уровнях понятий, законов и теорий; развивать физическое мышление на базе единства системы и метода познания; формировать интерес и мотивацию обучения на основе связи учебного предмета с практикой, современных достижений техники.
Тепловые двигатели традиционно изучаются в курсе физики второй ступени средней школы. В курсе физики первой ступени пропедевтические сведения о тепловых двигателях ограничены вопросами работы газа и пара при расширении, устройством паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания. Имеется ряд исследований (Н. М. Бергер, О. Ф. Кабардин, Ю. И. Соколовский и другие) в которых показано, что в условиях всеобщего полного среднего образования такая преемственность курсов физики первой и второй ступеней обучения вполне оправдана.
Однако согласно действующему Федеральному Закону обязательным является девятилетнее образование. Для значительной части учащихся физическое образование может быть ограничено курсом первой ступени. Базисные учебные планы предполагают изучение элементов физики в курсах природоведения, окружающего мира, технологии, естествознания, а также на факультативных занятиях в начальной и основной школах. Эти изменения в учебных планах позволяют подготовить учащихся к усвоению курса физики на теоретической основе. Проводятся исследования по совершенствованию курса «Окружающий мир» в начальной четырехлетней школе (Н. Л. Дмитриева, А. А. Плешаков, М. Н. Скаткин, Л. В. Тарасов и др.). При изучении этого курса школьники знакомятся с разнообразными тепловыми явлениями. В первых классах основной школы (в 5, 6 классах) внедряется курс «Естествознание», в котором расширяются сведения о тепловых явлениях (А. Е. Гуревич, Д. А. Исаев, Л. С. Понтак, А. А. Фадеева, А. Г. Хрипкова и др.). Изучение
перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое, видов теплопередачи и других тепловых явлений создает условия для введения теоретических основ действия тепловых двигателей в основной школе. В последние годы появился ряд пособий и учебников (Н. К. Гладышева, И. И. Нурминский, А. А. Пинский, В. Г. Разумовский, Н. М. Шахмаев, С. Н. Шахмаев, Д. Ш. Шодиев и др.), в которых предлагается изучать изопроцессы, работу газа при изобарном расширении в курсе физики основной школы. Прослеживается тенденция изучения элементов термодинамики в основной школе. Однако преемственность изучения тепловых явлений интегрированных курсов и курса физики основной школы, а также методика изучения физических основ действия тепловых двигателей специально не исследовались.
В практике преподавания возник ряд противоречий, требующих разрешения. Среди них отметим следующие, возникающие между требованиями к:
выпускнику основной школы, включающими необходимость
изучения прикладных вопросов физики для профессиональной ориентации учащихся, и неразработанностью физических основ действия тепловых двигателей в основной школе;
уровню усвоения элементов физики учащимися четвертых, пятых,
шестых классов, определенным стандартом образования, и
неразработанностью методики преемственности изучения
интегрированных курсов и курса физики в основной школе.
Главной причиной указанных противоречий можно считать
отсутствие методики изучения физических основ действия тепловых двигателей в курсе физики основной школы. Актуальность исследования определяется:
необходимостью разработки методики изучения физических основ действия тепловых двигателей в курсе физики основной школы;
потребностью разработки соответствующего спецкурса для студентов по методике изучения физических основ действия тепловых двигателей в основной школе.
Проблема исследования состоит в том, чтобы привести в соответствие содержание, методы и средства изучения физических основ действия тепловых двигателей с современными требованиями, предъявляемыми к выпускникам основной школы.
Целью исследования являются определение и обоснование принципов отбора содержания, методов изучения физических основ действия тепловых двигателей в основной школе и факультативного курса «Тепловые явления» пятого класса.
Объектом исследования является процесс обучения физике в основной школе.
Предметом исследования является методика изучения физических основ действия тепловых двигателей в курсе физики восьмого класса, факультативного курса пятого класса и их преподавание в основной школе.
Гипотеза исследования. Усвоение учащимися физических основ действия тепловых двигателей будет соответствовать требованиям, предъявляемым к выпускникам основной школы, если:
содержание учебного материала базируется на элементах термодинамики; взаимосвязи теории, методов и прикладных вопросов термодинамики; преемственности пропедевтических сведений о тепловых явлениях факультативного курса пятого класса (или курса «Естествознание») и курса физики основной школы; а также отражает использование тепловых двигателей и средства охраны природы;
элементы термодинамики включают понятия и законы, система, равновесный процесс, температура, внутренняя энергия,
количество теплоты, газовые законы, первый закон термодинамики, направленность тепловых процессов. Для проверки и реализации гипотезы исследования были сформулированы и решены следующие задачи:
Провести научно-методический анализ литературы по проблеме исследования и определить предметную область физических основ действия тепловых двигателей в курсе физики основной школы и факультативного курса пятого класса.
Определить принципы отбора содержания физических основ действия тепловых двигателей и методику их изучения учащимися в курсе физики основной школы и на факультативных занятиях пятого класса.
Разработать методические рекомендации к проведению спецкурса для студентов педвуза по вопросам изучения физических основ действия тепловых двигателей в основной школе.
Провести педагогический эксперимент и исследовать возможности реализации разработанных методических положений на практике.
Методы исследования применялись как теоретические, так и практические: изучение и обобщение передового педагогического опыта; научно-методический анализ литературы по теме исследования; генетический метод, позволивший определить генезис идей, порождающих и интерпретирующих модели физических теорий; таксономический метод, применяемый при классификации уровней достижения целей образования; наблюдение учебного процесса; метод поэлементного анализа; педагогический эксперимент; обсуждение результатов исследования на методических семинарах и конференциях.
Теоретические и практические результаты исследования достоверны и обоснованы, поскольку:
опираются на теории, принципы и положения физики, философии, педагогики, психологии и методики преподавания физики;
подтверждены педагогическим экспериментом, экспертной оценкой результатов исследования на межвузовских конференциях, внедрением результатов в практику преподавания, анкетированием, анализом контрольных работ и обработкой их результатов, а также личным преподаванием в школе.
Научная новизна исследования заключается в том, что:
определено и обосновано содержание физических основ действия
тепловых двигателей курса физики восьмого класса и содержание
факультативного курса «Тепловые явления» пятого класса;
разработана методика изучения физических основ действия тепловых
двигателей в курсе физики основной школы и методика проведения
факультативного курса, включающего систему лабораторного эксперимента.
Теоретическая значимость исследования состоит в определении:
принципов отбора содержания физических основ действия тепловых двигателей в основной школе;
методики введения понятий и законов: термодинамическая система, равновесный процесс, температура, внутренняя энергия, количество теплоты, газовые законы, первый закон термодинамики, направленность тепловых процессов.
Практическая значимость исследования состоит в разработке:
программы и учебных материалов, относящихся к физическим
основам действия тепловых двигателей в курсе физики восьмого класса и
факультативного курса для учащихся пятого класса основной школы;
методических рекомендаций к проведению спецкурса для студентов
педагогического вуза.
На защиту выносятся:
1. Принципы отбора содержания физических основ действия тепловых
двигателей в курсе физики восьмого класса. Учебный материал базируется на
элементах термодинамики; взаимосвязи теории, методов и прикладных
вопросов термодинамики; преемственности пропедевтических сведений о
тепловых явлениях факультативного курса пятого класса (или курса
«Естествознание») и курса физики основной школы; а также отражает
использование тепловых двигателей и средства охраны природы.
Методика изучения понятий и законов в курсе физики восьмого класса: термодинамическая система, равновесный процесс, температура, внутренняя энергия, количество теплоты, газовые законы, первый закон термодинамики, направленность тепловых процессов.
Система лабораторных работ факультативного курса физики пятого класса.
Методические рекомендации к проведению спецкурса для студентов педагогического вуза: методика формирования элементов термодинамики, система физического эксперимента, требования к знаниям и умениям учащихся, система заданий для учащихся.
Результаты исследования апробировались и внедрялись:
в процессе участия в межвузовских конференциях, в частности: «Проблемы создания учебно-методического комплекта по физике» (МПУ, Москва, 1996г.); «Проблемы конструирования содержания учебно-методического комплекта по физике» (МПУ, Москва, 1997г.); «Проблемы формирования теоретических обобщений и вариативных технологий обучения физике» (МПУ, Москва, 1999г.).
в процессе личного преподавания в школе № 1 пос. Львовский Московской области.
Основные направления решения проблемы формирования понятий
В процессе обучения физике (как и в процессе научного познания) в сознании формируются представления, понятия, теоретические обобщения.
Высшим познавательным процессом является мышление. Оно представляет собой отражение в сознании человека любой объективной реальности, реализующееся в форме понятий, суждений, умозаключений, активную форму творческого отражения и преобразования человеком действительности. Специфическим результатом мышления выступает понятие.
Формирование понятий в учебном процессе играет важную роль в познании мира и в развитии мышления, в выработке мировоззрения учащихся. Подчеркивая важность понятия как продукта мышления, В. И. Ленин писал: «Понятия - высший продукт мозга, высшего продукта материи» [75, с 149].
Высшей формой мышления является теоретическое понятийное мышление, пользуясь которым человек в процессе решения задачи обращается к понятиям, выполняет действия в уме, непосредственно не имея дела с опытом, получаемым при помощи чувств. Теоретическое понятийное мышление характерно для формирования научных понятий.
Психология трактует «понятие» как одну «из логических форм мышления, высший уровень обобщения, характерный для словесно-логического мышления» [69].
Р. С. Немов определяет «понятие, как обобщенное отражение класса предметов в их наиболее общих и существенных особенностях» [93, с. 249]. Поскольку продуктом отражения действительности являются знания, то, определяя понятие как знание общих свойств явлений или класса предметов, существенных связей и отношений между ними, можно сказать, что процесс формирования понятий у учащихся -процесс сложный и продолжительный. В конечном итоге, овладение понятием предполагает формирование у учащихся умения оперировать понятиями, применять их для решения учебно-познавательных и практических задач. Процесс формирования понятий состоит в том, что преподавание основ той или иной науки включает в себя знание и умение оперировать учащимися системой основополагающих понятий данной науки, овладение учащимися знанием основных законов и теорий, а также методов научного исследования [97].
Формирование понятия представляет собой постепенное усвоение учащимися того содержания, которое заложено в нем наукой. Развитие понятия состоит в изменении его объема и содержания, в расширении и углублении сферы применения данного понятия.
Образование понятий - результат длительной, сложной и активной умственной, коммуникативной и практической деятельности людей, процесса их мышления. Образование понятий у индивида своими корнями уходит в детство, и только в переходном возрасте складываются интеллектуальные функции, которые составляют психологическую основу процесса образования понятий. Только при превращении ребенка в подростка становится возможным мышление в понятиях. Одними из первых в нашей стране детально исследовали этот процесс ученые-психологи Л. С. Сахаров и Л. С. Выготский, выделив основные ступени формирования понятий:
1. образование неоформленного, неупорядоченного множества отдельных предметов, обозначаемого одним словом;
2. образование понятий-комплексов на основе некоторых объективных признаков;
3. образование настоящих понятий. Здесь предполагаются умения выделять, абстрагировать элементы и затем интегрировать их в целостное понятие вне зависимости от предметов, которым они принадлежат [26, 27, 28].
Изучая развитие мышления, Ж. Пиаже установил три основные генетические стадии умственного развития у детей:
а) - до-операционная стадия;
б) - стадия конкретных операций;
в) - стадия формальных операций.
Младший школьный возраст (с 7-8 до 11-12 лет) характеризуется преобладанием конкретных операций, то есть операций, на основе которых может происходить систематизация свойств, данных в непосредственном чувственном опыте [104]. Умственные действия ребенка приобретают свойство обратимости и определенную структуру при решении конкретных задач только в предметном плане, а не в плане «чисто» словесных высказываний.
С 11-12 до 14-15 лет наблюдается стадия формальных операций, организуемых в структурное целое. Эти операции выполняются теперь и в плане «чистых» суждений (словесных высказываний) [106].
Содержательная модель учебного материала
В соответствии с Законом Российской Федерации «Об образовании» в организации образовательного процесса в общеобразовательных учреждениях используется Базисный учебный план. Образовательная область «Естественные дисциплины» представлена набором соответствующих предметов и интегрированных курсов [118]. Согласно этому плану физика изучается в 7-9 классах. В 5-6 классах преподается окружающий мир, природоведение, естествознание или факультативный курс.
Содержательная модель изучения элементов термодинамики в основной школе ориентирована на два этапа. Для изучения физических основ действия тепловых двигателей необходим пропедевтический курс, который СЛУЖИТ первым этапом. Нами разработан факультативный курс «Тепловые явления» для учащихся 5 класса, проводимый за счет часов, отводимых на факультативные, индивидуальные и групповые занятия, в соответствии с Базисным планом. При отборе содержания факультативного курса учитывались работы ряда авторов: О. В. Аквилева, М. М. Балашов, Н. М. Белякова, В. П. Горощенко, А. Е. Гуревич, Л. А. Маскаева, Г. Н. Степенова, А. В. Усова [2, 3, 9, 11, 39, 44, 79, 142, 150, 152, 180].
Факультативный курс содержит ряд лабораторных работ и предполагает, что изучение физических понятий опирается на самостоятельный физический эксперимент. Такой курс призван повысить познавательный интерес к предмету, сформировать некоторые экспериментальные умения, в частности, работать с приборами, делать выводы из результатов опытов, объяснять некоторые физические явления.
В содержание факультативного курса «Тепловые явления» включены следующие вопросы: агрегатные состояния вещества, измерение температуры, элементы понятий об энергии и работе, необходимые для формирования понятий термодинамики в основной школе. На первом этапе рассматриваем термодинамическую систему - жидкость в сосуде и элементы теплового равновесия: во всех точках системы температура имеет одинаковые значения; при смешивании жидкостей с различной температурой температура смеси не равна сумме температур ее компонентов; существование времени релаксации при измерении температуры. Изучаем с учащимися свойства воздуха, расширение и сжатие при нагревании и охлаждении, связь давления и объема воздуха. Происходит знакомство со способами изменения внутренней энергии: нагреванием тела при совершении работы силой трения и нагреванием воздуха за счет внутренней энергии спирта.
При изучении этих вопросов темы учащиеся должны выполнить ряд экспериментальных заданий.
Занятие 1. Агрегатные состояния вещества. Наблюдение различных состояний вещества.
На этом занятии учащиеся повторяют понятия тело и вещество, знакомятся с агрегатными состояниями вещества. При выполнении экспериментальной работы «Наблюдение различных состояний вещества» учащиеся выясняют, что кусочки льда сохраняют свою форму и объем, если их поместить в различные сосуды (блюдце, стакан); что при нагревании кусочки льда превращаются в воду, которая принимает форму сосуда; что вода даже в обычных условиях переходит в газообразное состояние - пар, который зрительно нельзя обнаружить, но он содержится в окружающем воздухе.
Занятие 2. Расширение воды при замерзании.
Учащимися выполняется экспериментальное задание «Расширение воды при замерзании», в котором пузырек с водой помещается в ведро, заполненное смесью снега с поваренной солью. Через 15-20 минут пузырек разрушается. Из опыта учащиеся делают вывод, что выда при замерзании расширяется.
Занятие 3. Термометр. Определение цены деления и предела измерения. Снятие показаний.
Учащиеся работают со шкалой жидкостного термометра, определяя наименьшее расстояние между двумя соседними штрихами - цену деления термометра. При снятии показаний обращается внимание на следующие правила: определить, в каких диапазонах температур можно производить измерения с помощью данного термометра; определить цену деления шкалы и определить, с какой точностью можно измерить температуру с помощью данного термометра.
Занятие 4. Измерение температуры воды и воздуха с помощью жидкостного термометра.
Учащиеся помещают термометр в сосуд с теплой водой и наблюдают, что показание термометра возрастает, а затем не изменяется. Обращается внимание на то, что для измерения температуры жидкостей термометр надо опустить в жидкость, и подождать, чтобы его собственная стала такой же, как и температура жидкости, и, не вынимая, термометр из жидкости произвести отсчет температуры по шкале термометра. Измеряется температура воздуха на уровне стола.
Методика изучения тепловых явлений в факультативном курсе 5 класса
В настоящее время в школах получили массовое распространение развивающие технологии (Л. С. Выготский, В. В. Давыдов, Л. В. Занков, Л. В. Тарасов, Д. Б. Эльконин). В возрасте 11-12 лет у учащихся быстрыми темпами развивается абстрактное мышление, отмечается умение сравнивать, рассуждать; происходит активное познание окружающего мира. Это предполагает, что учащиеся данного возраста готовы усвоить пропедевтический курс физики. Пропедевтический факультативный курс позволяет разрешить сложившиеся противоречия, связанные с необходимостью учитывать преемственность изучения тепловых явлений между интегрированными курсами и курсом физики в основной школе и отсутствием соответствующей методики преподавания.
Пропедевтический курс позволяет на доступном материале познакомиться с научным методом познания. В ходе выполнения лабораторных работ учащиеся наблюдают за происходящими явлениями, учатся их описывать, получать и оценивать результат.
Предпосылкой для качественного усвоения физических основ работы тепловых двигателей является создание факультативного курса по физике для учащихся 5 класса по теме «Тепловые явления».
Факультативный курс состоит из 10 занятий и опирается на самостоятельный физический эксперимент. Целью курса является повышение познавательного интереса к предмету, формирование некоторых экспериментальных умений.
На каждом из занятий учащиеся выполняют следующие лабораторные работы:
Агрегатные состояния вещества. Наблюдение различных состояний вещества;
Расширение воды при замерзании;
Термометр. Определение цены деления и предела измерения термометра. Снятие показаний;
Измерение температуры воды и воздуха с помощью жидкостного термометра;
Измерение температуры смеси горячей и холодной воды в сосуде;
Измерение температуры при таянии льда в стакане с водой;
Установление связи между объемом и температурой воздуха в колбе;
Изменение внутренней энергии;
Совершение работы нагретым воздухом при изменении внутренней энергии.
Рассмотрим подробно первое занятие: «Агрегатные состояния
вещества. Наблюдение различных состояний вещества».
Цель занятия: повторить материал, изученный в курсе природоведения, по темам «Тело и вещество» и «Вода в природе»; выяснить и провести сравнение свойств твердых, жидких и газообразных тел; научить проводить наблюдения над физическими явлениями; показать, как обрабатывают результаты наблюдений.
Оборудование: блюдце, стакан, пробирка, кусочек льда.
Предлагаемые вопросы для повторения:
Среди разнообразных тел есть тела природы и тела, сделанные человеком. Назовите несколько тел, сделанных человеком.
Назовите несколько тел природы, которые вы видели в лесу, на улице.
Все тела состоят из веществ. Назовите вещества, из которых состоят: мяч, стол, ножницы, книга, стакан.
Назовите тела, которые могут состоять из: алюминия, железа, резины.
После фронтального опроса учитель сообщает: «Вещество может находиться в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Эти состояния называются агрегатными», и ставит перед учащимися следующие вопросы:
В каких состояниях находится вода в природе? Приведите примеры.
Назовите основные виды осадков. Почему летом идет дождь, а зимой выпадает снег? Что происходит со снегом весной?
