Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Дидактические модели исследования 23
1.1. Принцип цикличности как основа дидактической модели процесса научного познания учащихся 24
1.2. Содержание, структура и место учебной физики в дидактике физики 39
1.3. Основные дидактические модели исследования 55
Глава 2. Новые элементы учебной физики для методики организации процесса научного познания 101
2.1. Закономерности процесса создания новых элементов учебной физики 103
2.2. Использование новых элементов учебной физики в экспериментальных доказательствах 143
2.3. Новые элементы учебной физики при обучении основам научного познания 174
Глава 3. Педагогический эксперимент 260
3.1. Экспертная оценка элементов учебной физики 261
3.2. Новые методики и оценка их эффективности 275
3.3. Создание новых элементов учебной физики методом совместного творчества 335
Заключение 364
Библиографический список 368
- Принцип цикличности как основа дидактической модели процесса научного познания учащихся
- Закономерности процесса создания новых элементов учебной физики
- Экспертная оценка элементов учебной физики
Введение к работе
Постановка научной проблемы и актуальность исследования. Переживаемый нами этап развития общества характеризуется резким обострением экономических и социальных проблем, решение которых под силу лишь поколению высокой нравственности, культуры и творческого потенциала. Именно поэтому определяющим направлением в современном образовании является поиск эффективных методов становления и развития личности.
В этих условиях конкретные дидактики, в том числе и дидактика физики (теория и методика обучения физике), должны в еще большей степени опираться на психолого-педагогические теории личности, деятельности, творческой активности. Традиционно дидактика физики исходит из педагогической концепции развития личности в процессе изучения конкретного учебного предмета и рассматривает физику как базисную науку, специфика которой должна быть учтена.
Такой подход, несомненно, дал крупные результаты. Исследования закономерностей формирования физических понятий (А.В.Усова [436-439]), развития творческих способностей учащихся в процессе обучения физике (В.Г.Разумовский [393, 394]), оптимизации учебного процесса (Ю. К. Бабанский [20-22]), системности и оптимизации школьного физического эксперимента (Л.И.Анциферов [18]), формирования познавательного интереса школьников (И.Я.Ланина [ 114,115 ]), использования учебного физического эксперимента в развивающем обучении (Т. Н. Шамало [464-467]), проблемного обучения на уроках физики (Р. И. Малафеев [326]), учебной деятельности школьников при изучении физики (Ю.А.Сауров [410-413]), познавательной активности школьников в процессе обучения (В. С. Данюшенков [55, 56]) и др., а также содержания школьного физического образования (Ю. И. Дик [64], А.Т.Глазунов [45], О. Ф. Кабардин [84, 85], С. Е.Каменецкий [91], В.В.Лаптев [116], В. В. Мултановский [351, 352], В.А.Орлов [391], А. А. Пинский [446, 445], А.А.Покровский [59, 60], С.А.Хо-рошавин [457-461], Н.М.Шахмаев [469-472] и др.) определили суть дидактики физики наших дней и задают одно из направлений дальнейшего ее развития.
Однако это направление не единственно. Личность обладает свободой выбора и в процессе обучения далеко не всегда ставит перед собой те же задачи, которые решаются учителем. Парадигма подготовки учащегося к взрослой жизни на наших глазах трансформируется в парадигму образовательных услуг, удовлетворяющих потребности личности в образовании. Поэтому на одно из центральных направлений выдвигается дидактическое исследование элементов физической науки с целью создания пригодных для изучения подрастающим поколением элементов физического знания. В этом направлении также выполнены значительные по объему и глубине отечественные исследования, в результате которых созданы новые учебные теории, учебные эксперименты и методики их изучения. Среди ученых этого направления, оказавших наибольшее влияние на настоящее исследование, в первую очередь следует отметить Я. Е. Амстиславского [ 11 ], М. Н. Ба-шкатова [23], А.С.Кондратьева [99], Н.Н.Малова [327], Б. Ю. Миргородского [343], Н. Я. Молоткова [345-348], Б. Ш. Перкальскиса [377-379], Л.И.Резникова [398], Г.А.Рязанова [403-405].
Кратко перечисленные здесь исследования не исчерпывают проблему обеспечения в системе физического образования процесса научного познания учащимися. Современным требованиям общества и государства отвечают созданные в Лаборатории физики и астрономии ИОСО РАО обязательные минимумы содержания курса физики для средней общеобразовательной школы и школы с гуманитарным профилем обучения [365], а также примерные программы среднего (полного) общего образования [ 390] (Ю. И. Дик, В. А. Коровин, В. А. Орлов, А. А. Пинский), которые предусматривают не только понимание сущности метода научного познания окружающего мира, но и владение основами этого метода. Такая задача раньше не ставилась, поэтому традиционный курс физики рассчитан прежде всего на ознакомление с результатами научных достижений при широком охвате материала, но довольно мелкой и поверхностной его проработке на хорошо известных и нередко избитых примерах. В этих условиях возникает противоречие между необходимостью изучения всех важнейших областей науки и ее практического применения при жестком бюджете времени, с одной стороны, и непременным требованием включения учащихся в процесс научного познания, который в свою очередь требует достаточно продолжительных самостоятельных исследований, с другой стороны. В конце 60-х годов был найден способ частичного разрешения этого противоречия путем изучения наряду с общим курсом физики курсов по выбору учащимися. Однако усилия исследователей этого направления были нацелены преимущественно опять-таки на углубленное ознакомление учащихся с научными достижениями.
Для организации исследовательской деятельности учащихся необходимо выявить такую область науки, которая допускает возможность получения новых результатов учащимися и учителем. Назовем эту область науки учебной физикой. Очевидно, учебная физика не исчерпывается содержанием учебников и, по существу, неисчерпаема в смысле возможности осуществления исследований с целью получения результатов, характеризующихся новизной.
Согласно современной концепции теории образования учебные курсы физики представляют собой модели науки физики. С этой точки зрения можно говорить об обобщенной дидактической модели физической науки — учебной физике, которая, охватывая существующие курсы физики, объединяет все пригодные для обучения подрастающего поколения физические знания. Методическая система обучения, определяемая по А. М. Пышкало, как совокупность иерархически взаимосвязанных целей, содержания, методов, организационных форм и средств обучения, частично включает учебную физику в качестве содержательного компонента. Помимо традиционных разделов учебная физика содержит все доступные для обучения новые разделы физической науки, которые изложены в обширной по тематике, разнообразной по уровню научной, популярной, периодической, учебной и методической литературе, а также дидактические материалы, предназначенные непосредственно учащимся, физические игрушки, приборы и многое другое.
Изучение научной и методической литературы показывает, что само понятие учебной физики не выделяется, содержание этого понятия не определено, место учебной физики в дидактике физики не обозначено, значение учебной физики для обеспечения научного познания учащимися не исследовано.
Таким образом, выявлено противоречие общего характера между тем значением, которое имеет учебная физика для дидактики физики вообще и развития личности учащегося в частности, и неразработанностью теоретической концепции учебной физики как объекта изучения и научного познания.
Кроме того, в теории и методике обучения физике можно выделить ряд противоречий, решение которых прямо связано с проблемой исследования. К ним относятся противоречия между: требованием общества и потребностью учащихся в научном по- знании явлении ноосферы, имеющих важное значение для физической науки, техники, для развития познавательного интереса, мотивации исследовательской деятельности, формирования физического мышления, мировоззрения, овладения методами научного познания, а в конечном итоге — становления личности учащихся, и возможностями самостоятельного изучения этих явлений в современной системе физического образования; необходимостью изжить формализм в знаниях учащихся, отождествление ими модели и явления, неумение проверить теоретический вывод экспериментом, отличить научную информацию от псевдонаучной и сложной, малопонятной, неинтересной физической теорией, недоступным физическим экспериментом, а также необоснованностью учебной физической теории учебным физическим экспериментом, отсутствием системных экспериментальных доказательств справедливости теоретических положений; необходимостью формирования умений учащихся на основе экспериментальных фактов формулировать гипотезу, строить теоретическую модель явления, выводить из нее следствия, планировать и выполнять эксперимент с целью проверки следствий и подтверждения или опровержения гипотезы, определять область и границы применимости теории и т. д. и недостаточной разработанностью методики развития познавательной и творческой деятельности учащихся [393, 394] при изучении конкретных вопросов физики, исключающей практику передачи учащимся "малопонятной для них информации, запоминание которой создает лишь видимость знаний" [395].
Таким образом, актуальна проблема разработки теоретических основ и создания конкретных элементов учебной физики, как области дидактики физики, овладение которой позволит учащимся не толь- ко познакомиться с важнейшими достижениями физической науки, но и освоить теоретический и экспериментальный методы научного познания.
Основная идея выполненного исследования состоит в том, что развитие системы физического образования привело к появлению учебной физики как дидактической модели физической науки; в области применимости этой модели учебная теория и учебный эксперимент взаимодействуют подобно взаимодействию теории и эксперимента в физической науке; относительная самостоятельность учебной физики обеспечивает объект исследования, который представляет научно-практический интерес для учителя, доступен учащимся и позволяет организовать процесс научного познания при обучении, приводящий подобно научному познанию в физической науке к объективно новым результатам.
Концепция исследования (концепция организации процесса научного познания в современной системе физического образования) может быть сформулирована следующим образом.
В основе методики организации процесса научного познания при обучении лежит сформулированный В. Г. Разумовским принцип цикличности, однако реально научное познание осуществляется преимущественно в теории или в эксперименте, поэтому наряду с ним необходимо использование более простых моделей типа: факты —> модель —> следствия и условия —у результат —у анализ.
Физическая теория и физический эксперимент не находятся в иерархическом отношении, они равноправны, поэтому в обучении физике необходимо добиваться этого равноправия, повсеместно используя в качестве наиболее доступного метод экспериментальных доказательств.
Исследования учащихся и учителя могут приводить к объ- ективно новым результатам в области учебной физики при условии, если они имеют целостное представление о содержании и структуре дидактики физики, ее связях и взаимодействиях с другими науками. Это представление должно быть модельным, отличаться максимальной простотой и доступностью с тем, чтобы формирование его не требовало значительных временных и интеллектуальных затрат, отвлекающих от предмета исследований.
В процессе научного познания центральным является понятие новизны, поэтому необходим обоснованный критерий новизны элемента учебной физики, на основе которого экспертным методом могут быть получены количественные оценки.
Новый элемент учебной физики действительно может быть эффективно использован в рамках существующей системы физического образования для обогащения ее содержания, расширения кругозора и познавательного интереса учащихся, углубления их физических знаний, овладения ими методом научного познания, становления и развития личности учащихся, если его учебная физическая теория (УФТ) и учебный физический эксперимент (УФЭ) характеризуются достаточно высокими значениями учебности— параметра, определяемого тем, что новые теория и эксперимент необходимы в учебном процессе, то есть научны и фундаментальны или интересны учащимся, изучение теории и эксперимента возможно в условиях существующей системы физического образования, то есть они безопасны, дидактичны и доступны, учебная теория и учебный эксперимент разработаны достаточно, то есть в демонстрационном, индивидуальном и самостоятельном вариантах, а методика изучения этого элемента обладает достаточно высоким значением эффективности— параметра, определяемого тем, что в реальном учебном процессе учащимися усвоены учебная физическая теория, то есть ее факты, модель и следствия, учебный физический эксперимент, то есть его условия, результат и анализ.
Появление новых элементов учебной физики — не стихийный, а закономерный процесс, поэтому осознанное применение определяющих его сущность законов будет способствовать научному познанию в области учебной физики.
Овладение теорией научного познания и законами дидактики физики не гарантирует успешности научного познания. Научиться исследованию можно только на конкретных примерах, сначала полностью повторяя уже выполненные исследования и подтверждая полученные в них результаты, затем внося в известные исследования элементы новизны и, наконец, осуществляя вполне самостоятельные исследования. Поэтому методика организации процесса научного познания при обучении должна опираться на совокупность вновь созданных элементов учебной физики, конкретные описания которых в доступной для учителя и ученика литературе и иных информационных системах совершенно необходимы.
Наиболее эффективное овладение основами научного познания и развитие творческих способностей учащегося обеспечивается в процессе совместного научного познания учителя и ученика, который при достаточной квалификации учителя происходит одновременно с традиционным учебным процессом и параллельно ему без дополнительных материальных и временных затрат.
Объектом исследования являются содержание и методы фи- зического образования в средних общеобразовательных и высших педагогических учебных заведениях.
Предметом исследования являются учебная физика и конкретные ее элементы в механике, молекулярной физике, электродинамике, оптике и квантовой физике как основа организации процесса научного познания их учащимися.
Цель исследования — совершенствование методики организации процесса научного познания при обучении физике путем разработки теоретических и экспериментальных основ современной учебной физики, создания новых элементов и разделов учебной физики, внедрения их в существующую систему физического образования.
Гипотеза исследования включает следующие положения.
Процесс учения отличается от процесса обучения тем, что он индивидуален. Научным методом познания и методами исследования ученик овладевает в самостоятельной деятельности. Наиболее эффективна совместная исследовательская деятельность учителя и ученика, направленная на получение новых результатов в дидактике физики.
Познавательная деятельность учащегося в сущности такая же, как ученого-исследователя, то есть осуществляется по известному циклу: факты —> модель —> следствия —> эксперимент. Отличается она лишь интеллектуальной облегченностью и временной сокращенно-стью благодаря использованию специально подготовленных в результате дидактического исследования элементов физической науки. Такие элементы, необходимые и достаточные для организации самостоятельной познавательной деятельности учащегося, образуют основное содержание учебной физики.
3. Завершенный элемент учебной физики в принципе позволя ет учащемуся в условиях исследовательской деятельности полностью овладеть методом научного познания, поскольку: он включает учебную физическую теорию, учебный физический эксперимент и методику их изучения; в нем учебная теория и учебный эксперимент взаимодействуют подобно взаимодействию теории и эксперимента в физической науке; его методика гарантирует усвоение не только учебной теории, учебного эксперимента, но и методологии физической науки; его относительная самостоятельность предполагает выбор предмета исследования в соответствии с интересами ученика и учителя; его доступность обеспечивает получение нового результата в самостоятельном исследовании учащегося.
Исходя из концепции, цели и гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи:
Изучить теоретические основы и особенности реализации дидактической модели процесса научного познания учащимися при обучении физике.
Определить содержание, структуру и место учебной физики в дидактике физики как объекта учебного исследования, обеспечивающего совершенствование методики организации для учащихся процесса научного познания.
Исследовать возможность построения дидактических моделей, обеспечивающих научное познание при создании, оценке и внедрении новых элементов учебной физики в современную систему физического образования.
Выявить закономерности создания и совершенствования новых элементов учебной физики и обосновать их решением актуальных проблем обучения механике, молекулярной физике, электродинамике, оптике и квантовой физике.
Показать возможность создания и использования новых элементов учебной физики с целью экспериментального доказательства существования физических явлений, функциональных зависимостей, значений физических констант, обоснования физических теорий.
Разработать конкретные методики применения предлагаемых элементов учебной физики в рамках существующей системы физического образования для организации процесса научного познания учащимися.
В педагогическом эксперименте, организованном в условиях учебного процесса средней и высшей школы, курсов повышения квалификации учителей, ежегодной научной конференции, издания периодических сборника научных трудов и научно-практического журнала, произвести экспертную оценку новых элементов учебной физики.
Внедрить новые элементы учебной физики в реальный учебный процесс средней школы и педагогического института; в обучающем педагогическом эксперименте доказать эффективность методики их изучения и научного познания.
Доказать возможность и целесообразность создания новых элементов учебной физики в совместном творчестве учителя и ученика в условиях существующей системы физического образования.
Методологическая основа исследования определяется поставленными целью и задачами; она строится на разработанных в психолого-педагогической науке дидактических теориях и моделях уровней обученности, общих принципах дидактики, методологических принципах физики, общепринятых концепциях дидактики физики, методах педагогической квалиметрии, достижениях и тенденциях развития общей и частных дидактик физики.
Методы исследования, использованные при решении поставленных задач: а) теоретический анализ проблемы на основе изучения и анализа психолого-педагогической, методической, физической и специальной технической литературы; б) анализ школьных и вузовских программ, учебников и учебных пособий, а также практического опыта преподавания физики; в) теоретическое исследование проблемы с целью построения учебной теории новых элементов учебной физики; г) теоретическое и экспериментальное исследование новых учебных опытов, опытно-конструкторская работа по созданию новых учебных физических приборов и экспериментальных установок; д) специальные методы создания программного продукта для компьютерного моделирования физических явлений; е) педагогический эксперимент в форме экспертной оценки, реального использования новых педагогических технологий в учебном процессе и совместного творчества учителя и ученика; ж) статистическая обработка результатов педагогического эксперимента с целью выявления эффективности предлагаемых методик.
Научная новизна исследования заключается в том, что впервые создана научная концепция, позволяющая решить проблему организации процесса научного познания в современной системе физического образования; впервые предложена и всесторонне обоснована концепция учебной физики как структурной составляющей дидактики физики, в свою очередь состоящей из целостных элементов, в которых в органическом единстве взаимодействуют учебная физическая теория, учебный физический эксперимент и методика их изучения; созданы новые элементы учебной физики, интегрированные в современную систему физического образования и обеспечивающие органи- зацию процесса научного познания учащимися при изучении механики, молекулярной физики, электродинамики, оптики и квантовой физики; созданы новые разделы учебной физики, специально предназначенные для организации исследовательской деятельности учащихся по научному познанию физических явлений кумулятивного эффекта, акустики, гидро- и аэроакустики, ультраакустики, полного внутреннего отражения, градиентной оптики, голографии и др.
Теоретическая значимость полученных результатов определяется тем, что дальнейшее развитие теории организации процесса научного познания при обучении физике предполагает сохранение в качестве инвариантного ядра введенных и обоснованных в настоящем исследовании: а) фундаментального системообразующего в дидактике физики понятия учебной физики с его объемом и содержанием; б) дидактических моделей учебной теории, учебного эксперимента и методики их изучения; в) дидактических параметров учебности теории, эксперимента и эффективности методики, методов их количественной оценки; г) законов создания новых элементов учебной физики. Концепция исследования дает возможность выделить в курсах физики две категории элементов учебного материала: 1) допускающие научное познание при обучении физике; 2) не допускающие научное познание, следовательно, сообщаемые лишь с целью повышения осведомленности учащихся.
Практическая значимость исследования заключается в возможности использования теоретических результатов для: а) осуществления новых исследований в дидактике физики; б) создания новых элементов учебной физики и эффективного внедрения их в систему физического образования; в) совершенствования содержания и методики учебных занятий по физике в средней и высшей школах; г) создания новых методических рекомендаций, учебных пособий, учебного оборудования, включающего приборы и экспериментальные установки, совершенствования существующих учебников, задачников и практикумов по физике; д) разработки систем творческих заданий для учащихся; е) разработки программ новых спецкурсов, спецсеминаров, практикумов для учащихся, студентов и учителей.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечены: а) всесторонним анализом проблемы исследования; б) применением разработанных методик, адекватных целям проведенного исследования; в) реальным созданием новых элементов учебной физики в соответствии с концепцией исследования; г) длительностью педагогического эксперимента, контролируемостью его условий и повторяемостью результатов, соблюдением основных дидактических требований по его организации; д) применением методов математической статистики при обработке результатов педагогического эксперимента.
Критерии эффективности предлагаемых методик: полнота сформированности основных понятий, содержание и характер знаний учащимися теоретических и экспериментальных основ новых элементов учебной физики, уровень исследовательских умений, степень владения методом научного познания физических явлений ноосферы; умения и навыки учащихся определять условия, наблюдать результат, проводить анализ субъективно нового учебного эксперимента, способности к самостоятельной постановке известных и разработке новых экспериментов в учебной физике, умения оформлять выполненную работу, докладывать и обсуждать полученные в ней результаты.
На защиту выносятся следующие положения:
Предложенные в настоящем исследовании теоретическая концепция учебной физики, дидактические модели учебного физического эксперимента, учебной физической теории, методики их изучения, а также параметры новизны, учебности и эффективности позволяют реализовать целостный подход в разработке конкретных проблем содержания физического образования, направленный на совершенствование процесса научного познания учащимися при обучении физике.
Предлагаемые учебные теории адекватны научным и обеспечивают разноуровневое научное познание новых элементов учебной физики в существующей системе физического образования. Разработанный учебный физический эксперимент обеспечивает проведение демонстрационных, индивидуальных и самостоятельных занятий учащихся по изучению явлений механики, молекулярной физики, электродинамики, оптики и квантовой физики. Рекомендуемые методики изучения новых элементов учебной физики доступны учителям физики средних учебных заведений гуманитарного, базового, углубленного профилей и при использовании в обучении эффективно способствуют усвоению учащимися современных методов научного познания.
Логика исследования включает следующие этапы.
Первый этап (1965-1974 гг.) характеризуется выбором проблемы исследования. Изучение литературы по учебному физическому эксперименту показало, что волновая физика недостаточно обеспечена учебным экспериментом, а известный эксперимент часто недоступен для использования в учебном процессе. Выявлены основные направления исследования: учебные модели волновой оптики, акустики и ультраакустики. Намечен единый подход к изучению волновых явлений разной природы. Осознана принципиальная необходимость одновремен- нои разработки учебной теории, учебного эксперимента и методики их применения как основы организации процесса научного познания учащихся. Оформилась методическая концепция экспериментального доказательства. Создан научно-методический семинар студентов и преподавателей Глазовского пединститута, определяющий совместные исследования учителя и учащегося. Активно ведется работа в общегородском семинаре учителей физики. Опубликована монография [124], в которой предложена новая методика изучения интерференции света в школе.
Второй этап (1975-1984 гг.) определялся главным образом экспериментальными и теоретическими исследованиями конкретных проблем учебной физики в средней школе и педагогическом институте. На этом этапе методом совместного творчества была осуществлена масштабная по тем временам работа по созданию новых учебных опытов по механике, молекулярной физике, электродинамике, оптике и квантовой физике, их систематизации, разработке простейших доступных для учащихся вариантов. Наряду с учебным экспериментом разрабатывалась учебная теория. Опробовались различные формы изложения учебного материала, в том числе в виде заданий творческого характера для учащихся и учителя. Итогом этого этапа явились монографии по ультраакустике [173, 204] и градиентной оптике [203]. Полностью оформились методические концепции основных явлений волновой физики и визуализации физических явлений в учебном эксперименте. На базе научно-методического семинара создано Студенческое конструкторское бюро. Теоретические идеи обсуждаются на курсах повышения квалификации учителей.
Третий этап (1985-1994 гг.) посвящен разработке и внедрению новых элементов учебной физики. Исследуются проблемы изучения голографии, гидродинамики, акустики и других разделов. Совершенствуются традиционные и разрабатываются новые спецкурсы, создаются новые учебные лаборатории. Полученные результаты обобщены в монографиях по струям и звуку [205], полному отражению света [209] и кумулятивному эффекту [214], в которых найденная форма изложения учебного материала, реализующая дидактическую модель цикла научного познания в применении к учебной физике, получила дальнейшее развитие. Совершенствуются и разрабатываются новые конкретные методики изучения явлений механики, гидродинамики, физики упругих и электромагнитных волн, волновой оптики, физических основ голографии и др. С целью обеспечения научных исследований и внедрения их результатов создано инновационное предприятие "Аргон". Студенческое конструкторское бюро преобразовано в Учебно-исследовательскую лабораторию.
Четвертый этап (1995-2000 гг.) связан с завершением разработки дидактических моделей эксперта, учебной теории, учебного эксперимента. Оформляется концепция учебной физики, как дидактической модели физической науки. В рамках учебной физики определенное место заняли разработанные элементы и разделы. Проанализированы результаты экспериментального обучения в условиях реального учебного процесса. Проведены экспертные оценки, завершены частные педагогические эксперименты. Многолетним опытом доказана необходимость и целесообразность включения в систему обучения новых элементов учебной физики по механике, молекулярной физике, электродинамике, оптике и квантовой физике, доступность и надежность основного физического эксперимента в этой области. Теоретические идеи исследования реализованы при организации ежегодной научно-практической конференции федерального уровня "Школьный физический экспери- мент: Проблемы и решения", издании периодического сборника научных трудов "Проблемы учебного физического эксперимента" (начало издания 1995 г.) и научно-практического журнала "Учебная физика" (выходит с 1997 года).
Апробация и внедрение результатов исследования.
Результаты исследования докладывались и обсуждались на заседаниях научно-методического семинара "Учебный эксперимент по физике" и итоговых научных конференциях профессорско-преподавательского состава Глазовского пединститута (1971-2000 гг.), рассматривались на совещаниях и заседаниях секции учителей физики Глазова (1972-81 гг.), анализировались на занятиях курсов повышения квалификации учителей Удмуртии (1975-2000 гг.), рассматривались, докладывались и обсуждались на зональных совещаниях и конференциях по проблемам преподавания физики в Тюмени (1971 г.), Магнитогорске (1972 г.), на 24 и 35 "Герценовских чтениях" в ЛГПИ им. А. И. Герцена (1971, 1982 гг.), на научных конференциях международного и российского уровней в Москве (1978, 1980, 1991, 2000 гг.), С. Петербурге (1999 г.), Глазове (1995-2000 гг.), Ижевске (1982, 1995 гг.), Екатеринбурге (1996, 1999 гг.), Н. Новгороде (2000 г.), Кирове (1997, 1998 гг.) и за рубежом в Шопроне (Венгрия, 1997 г.) и Дуйсбурге (Германия, 1998 г.).
Разработанные в результате исследования новые элементы учебной физики опубликованы издательством "Наука" массовым тиражом в форме, доступной учащимся, учителям и преподавателям физики [173, 203, 205, 209, 214]. Новые физические приборы, комплекты приборов и экспериментальные установки пять раз экспонировались на ВДНХ СССР и отмечены бронзовыми, серебряной и золотыми медалями [206-172], несколько разработок представлялись на Всероссийских и Всесоюзных выставках и конкурсах и также отмечены наградами.
Цикл работ " Система индивидуального учебного эксперимента по физике", завершенный в 1998 году, удостоен Государственной премии Удмуртской республики в области науки и техники.
Теоретическая концепция составила основу хоздоговорных работ с Глазовским техническим колледжем (1983, 1991 гг.), Глазовским гороно (1995-97 гг.), Глазовским филиалом Ижевского технического университета (1993-98 гг.), средними школами №№13 и 15 Глазова, а также исследования "Региональная программа непрерывного физического образования" (1995-97 гг.) по заказу Министерства народного образования Удмуртской республики.
Новые экспериментальные результаты внедрены в практику обучения путем мелкосерийного производства физического оборудования и реализации его учебным заведениям страны. К нему относятся отдельные приборы: дифракционный измеритель длины световой волны, набор голографических дифракционных решеток, набор учебных голограмм, учебный дифракционный спектроскоп, дидактические материалы на основе фотографий волновых полей, оптические световоды, градиентная линза, колебательные контуры (суммарно более 1000 экземляров); комплекты приборов для учебных опытов по механике, акустике, электромагнитным волнам, поляризации света, с инфракрасными лучами, голографии, эффекту Доплера, для измерения малых промежутков времени (всего более 100 комплектов). Среди пользователей разработанного оборудования Кемеровский, Пермский, Удмуртский госуниверситеты, Уральский, Ижевский технические университеты, Екатеринбургский, Вятский педагогические университеты и другие высшие и средние учебные заведения России.
В настоящее исследование входят 228 опубликованных работ, из них 7 монографий, 11 учебных пособий, б патентов на изобретения, 5 проспектов экспонатов на ВДНХ СССР, 19 депонированных рукописей, 149 статей и 31 тезис докладов.
Структура диссертации. Суть современного научного метода познания в его модельности. Вначале происходит накопление и осмысление фактов, затем внезапно появляется модель, логическим путем из нее выводятся следствия, которые проверяются экспериментально. Модель позволяет не только объяснить известную совокупность фактов, но и предвидеть новые. Модель лишь приближенно отражает свойства исследуемого объекта или явления, имеет область и границы рационального применения.
Эти общие соображения определяют структуру настоящей диссертации. Первая глава посвящена дидактическим моделям, составившим основу исследования. Во второй главе изложены результаты создания новых элементов учебной физики, которые фактически являются теоретическими следствиями моделей. Наконец, в третьей главе описан дидактический эксперимент, подтверждающий следствия и тем самым обосновывающий справедливость представленных в первой главе моделей.
Разработанные в ходе исследования новые элементы относятся ко всем разделам учебной физики и довольно многочисленны. Детальное представление каждого из них приведет к значительному увеличению объема текста. Поэтому мы выбрали в качестве основного фактического материала тот, который относится к физической оптике, и лишь в отдельных случаях столь же подробно рассматриваем элементы, относящиеся к другим разделам учебной физики. Все остальные элементы кратко характеризуются и сопровождаются ссылками на наши опубликованные работы.
Принцип цикличности как основа дидактической модели процесса научного познания учащихся
Постановка задачи. В теории и методике обучения физике общепризнано, что в основе процесса научного познания, осуществляемого учащимися при изучении физики, лежит принцип цикличности. Однако признание этого обстоятельства еще не обеспечивает действительное использование его на практике. Поэтому особый интерес представляет не общая формулировка и теоретический анализ принципа цикличности, а конкретная реализация содержания этого принципа в современной системе физического образования.
Принцип цикличности в физике и дидактике физики. В теории познания творчество представляют в виде процесса упорядочения между исходной информацией и информацией, которой располагает сознание. При этом исходная информация подвергается эмоциональной оценке (осуществляется подсознательная работа мозга с расплывчатыми образами) и передается в сознание для логической обработки. Оттуда она вновь возвращается в подсознание и так до тех пор, пока в сознании не сформируется новая идея [433, с. 71]. Современный научный стиль мышления характеризуется динамичностью и статичностью, непрерывностью и дискретностью, строгостью и ап-проксиматичностью.
Парадигмой современного познания принято считать естествознание, которое обеспечивает полную или частичную доказательность своих гипотез и выводов. В одной из своих работ А.С.Кондратьев пишет: "Физика наиболее полно демонстрирует способность человеческого разума к анализу любой непонятной ситуации, выявлению ее фундаментальных качественных и количественных аспектов и доведе нию уровня понимания до возможности теоретического предсказания характера и результатов ее развития во времени" [ 99 ].
Современная концепция научного познания восходит к Г. Галилею (1638 г.) и сформулирована А.Эйнштейном (1952 г.) в письме к М.Соловину в разъяснение гносеологических вопросов [477]. В дидактику физики эта концепция в явном виде введена В. Г. Разумовским в 1970 г. [394] и последовательно развивается им до настоящего времени [395].
По А. Эйнштейну: 1) нам даны непосредственные данные нашего чувственного опыта; 2) на них психологически (интуитивно) основаны аксиомы, эта интуитивная связь постоянно возобновляется, но никакого логического пути от фактов к аксиомам не существует; 3) из аксиом логически выводятся частные утверждения, которые могут претендовать на строгость; 4) полученные следствия сопоставляются с опытом. А.Эйнштейн специально подчеркивает, что логического пути нет не только при построении модели на основе имеющихся фактов, но и при проверке теоретических следствий в эксперименте, применении теории на практике; этот скачок обеспечивает интуиция [477, с. 569-570].
Анализируя эту модель познания, В.Г.Разумовский пишет: "В схеме А. Эйнштейна видна цикличность процесса познания: если логические следствия, вытекающие из гипотезы, не подтверждаются экспериментом, то требуется уточнение модели или создание новой. Кроме того, четко определены функции индуктивного и дедуктивного мышления. Индукции отводится гипотетическая роль, роль догадки, то есть вероятностного, интуитивного познания, требующего проверки. Дедукции же отводится строго логическая роль (при любом преобразовании информации по законам логики выводы будут верными, если верны посылки). Однако любая модель строится на ограниченном на боре фактов. В силу этого безупречно строгие логические выводы будут абсолютно верными по отношению к посылке, но могут быть катастрофически ошибочными по отношению к практике" [395]. Последнее положение фактически совпадает с мыслью, высказанной Н. Бором: "История физической науки наглядно показывает, как исследование все более широких областей опытного знания, с одной стороны, обнаруживает неожиданные ограничения для привычных идей, но тем самым указывает, с другой стороны, новые пути для восстановления логического порядка" [27, с. 488].
Глубокое исследование теории познания позволило В. Г. Разумовскому сформулировать дидактический принцип цикличности (рис.1): факты-проблема —у гипотеза-модель —У следствия-выводы —У эксперимент-применение, который в настоящее время нашел самое широкое применение при управлении учебным познанием и конструировании содержания учебного предмета. Ю. А. Сауров дает следующую развернутую оценку: "Принцип цикличности достаточно адекватно, экономно отражает в структуре и содержании тем, разделов, иногда отдельных вопросов логику научных теорий, выраженную формулой: основание —У ядро —У следствия. При таком подходе к построению содержания, во-первых, удается получить целостную систему знаний, в которой объединены факты об объектах и явлениях, средства их описания, примеры применения. Во-вторых, обеспечивается сочетание фундаментальных и прикладных знаний как при создании целых курсов, так и в рамках сравнительно небольших тем. В третьих, последовательнее в материале находят отражение методологические вопросы, которые все чаще становятся прямым объектом усвоения.
Закономерности процесса создания новых элементов учебной физики
Постановка задачи. Совершенствование содержания физического образования невозможно без создания новых элементов учебной физики. Представляет значительный научный и практический интерес выяснение закономерностей, лежащих в основе этого процесса.
Основные законы дидактики физики. Исследование новых элементов учебной физики приводит к выводу, что они появляются не стихийно, а закономерно. Как показано в первой главе, дидактика физики как самостоятельная наука определяется тем, что она включает учебную физику. Поэтому основными законами дидактики физики как науки являются те, которые раскрывают суть процесса создания и непрерывного совершенствования ее содержательных элементов, относящихся к учебной физике.
Выполненные нами исследования по теории и методике обучения физике, изучение и анализ физической, исторической, педагогической и психологической литературы позволяют со значительной долей уверенности утверждать, что в основе дидактики физики как науки лежат следующие законы.
Закон создания элемента дидактики физики. Новый элемент дидактики физики возникает в результате дидактического исследования элемента физической науки, относится к учебной физике и представляет собой учебную физическую теорию, учебный физический эксперимент и методику изучения физических явлений ноосферы.
Закон совершенствования элемента дидактики физики. Известный элемент дидактики физики совершенствуется при дидактическом исследовании, которое приводит к уменьшению временных, материальных и интеллектуальных затрат, необходимых для усвоения этого элемента данным поколением учащихся, то есть повышению эффективности методики, росту учебности теории и эксперимента.
Закон завершенности элемента дидактики физики. В любом полном завершенном элементе дидактики физики учебная физическая теория обоснована учебным физическим экспериментом и в области своей применимости полностью объясняет результаты всех учебных физических экспериментов, а методика обеспечивает изучение этого элемента в рамках существующей системы физического образования.
В этих формулировках ноосфера — это все, что окружает современного учащегося дома, в школе, на природе — все, что он может наблюдать и исследовать. Элементами учебной физики в широком смысле этого слова являются, например, школьный курс физики в целом, курс общей физики института, отдельные разделы, темы и вопросы этих курсов, конкретные эксперименты, теории, задачи и т. д. Понятно, что все это элементы разного уровня; любой элемент учебной физики представляет собой систему, которая бесконечным числом способов может быть разбита на другие элементы. Строго говоря, элемент учебной физики — это та наименьшая, далее неделимая составляющая, которая несет в себе все характерные черты целого.
Анализируя известные элементы учебной физики [ 15-17, 105, 111, 112, 117, 118, 331, 332, 440, 447], мы не нашли ни одного, появившегося и совершенствующегося вопреки двум первым законам, что могло бы рассматриваться в качестве их опровержения. С другой стороны, надежно установлено, что все элементы учебной физики, не удовлетворяющие третьему закону, нуждаются в дальнейшем дидактическом исследовании или должны быть отброшены как противоречащие физической науке и задачам физического образования. Наконец, все новые элементы учебной физики, созданные нами и нашими учениками, появились как результат последовательного применения сформулированных законов и могут служить подтверждением их справедливости [315, 319, 320, 322].
Экспертная оценка элементов учебной физики
Экспертное направление осуществленного педагогического эксперимента решает задачу получения количественных оценок дидактических качеств элементов учебной физики методом индивидуальной или групповой экспертизы. Кратко изложим суть подхода, предложенного нами в работе [286, с. 200-212].
Индивидуальная и групповая экспертные оценки. Дидактическая модель параметра учебности (таблица 8, с. 82) может рассматриваться в качестве теста, задачей которого является не оценка знаний тестируемого, а определение верной оценки самого объекта, то есть параметра учебности. В теории и практике тестирования относительно недавно было осознано принципиальное отличие педагогических измерений от физических [1, 462]. Дело в том, что результат педагогического измерения методом тестирования определяется взаимодействием двух основных факторов: уровнем трудности j-то задания теста tj, и уровнем знаний г-го тестируемого (эксперта) Z{. Поэтому у одних и тех же испытуемых тестовые оценки получаются более высокими по более легкому тесту, или один и тот же тест для более сильных испытуемых оказывается более легким.
Обычно считают, что латентные переменные z и t распределены по нормальному закону. Тогда в качестве функции, стоящей в правой части соотношения (17), можно использовать интегральную функцию нормированного нормального распределения Ф(ж) или логистическую функцию Ч/(сх) от аргумента сх = 1,7х, так как для всех ж, принадлежащих области определения этих функций, справедливо неравенство Ф(х) — Ф(сж) 0,01. В практических приложениях предпочтительнее логистическая функция, которая в однопараметрическои модели Г. Раша дает вероятность правильного ответа г-го эксперта.
Для нас здесь наиболее важен тот результат, что в принципе, если компетентность эксперта достаточна для правильного ответа на вопросы теста, то совокупность таких ответов количественно характеризует не столько эксперта, сколько объект, по которому составлены эти вопросы.
Значит, нет необходимости делать групповую экспертную оценку из многочисленной группы экспертов — результаты будут не лучше, чем если бы оценку производил один эксперт, специалист в этой области. Но возникает проблема определения такого специалиста. Н. В. Акинфиева, например, пишет: "Соответствие конкретного эксперта среднему уровню определяется общепринятым способом: оценка отдельного эксперта не должна сильно отличаться от средней оценки всей группы. Чем больше отклонение оценки от среднего результата, тем ниже устанавливается его уровень. Эксперты не должны допускать случайных погрешностей. Для этого одному и тому же человеку предлагают оценить важность каждого свойства через некоторый интервал времени, при этом оценки не должны сильно расходиться" [10]. В методике групповой экспертной оценки предлагаются различные процедуры подбора групп, основанные на использовании статистики [463]. Нетрудно видеть, что для учебной физики эти процедуры слишком дорогостоящи и малоэффективны, а потому, если и будут применяться, то в исключительных ситуациях. В самом деле, экспертная оценка сложного дидактического объекта требует от эксперта микроисследования. Если эксперт непосредственно не владеет объектом экспертизы, а так это обычно и бывает, поскольку трудно допустить, что одно и то же исследование одновременно проводится многими различными экспертами, то дать компетентный ответ на вопросы теста он не в состоянии. Увеличение числа экспертов в таком случае приводит к кажущемуся росту объективности экспертной оценки. Мы, разумеется, не отрицаем принципиальной возможности эффективной экспертизы дидактического объекта группой экспертов, но считаем, что она требует настолько больших временных и материальных затрат, что предполагать их окупаемость результатами экспертизы неправомерно.
Поэтому единственный практически реализуемый путь — это внешняя оценка компетентности эксперта. Критерий однозначен: экспертом в любой области учебной физики может быть специалист, объективно получающий или использующий новые результаты в этой области.
