Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ПРОБЛЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИНЦИПА СООТВЕТСТВИЯ В ПРОЦЕССЕ ФОРМИРОВАНИЯ НАУЧНОГО МИРОВОЗЗРЕНИЯ УЧАЩИХСЯ - 11
1. Научное и гносеологическое значение принципа соответствия . - 11
2. Основные направления в современной методике обучения физике, связанные с использованием принципа соответствия. -17
3. Содержание и особенности технологии применения принципа соответствия к формированию научного мышления учащихся. - 24
4. Выводы по первой главе. - 34
ГЛАВА 2. КОНКРЕТНЫЕ ПУТИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРИНЦИПА СООТВЕТСТВИЯ В СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ - 36
1. Принцип соответствия в раскрытии иерархического соподчинения различных концепций структурного строения материи в школьном курсе физики. - 36
2. Роль принципа соответствия в формировании представлений учащихся о физическом взаимодействии. - 50
3. Методические аспекты изучения физических законов и понятий с учетом их соответствия теоретическим моделям различной степени идеализации. - 63
4. Рассмотрение законов классической физики с позиций современных физических теорий. 78
5. Выводы по второй главе. - 104
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИНЦИПА СООТВЕТСТВИЯ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ
1. Этапы экспериментальной проверки. -106
2. Математическая обработка результатов контрольного эксперимента. -110
3. Выводы по третьей главе. -113
ЗАКЛЮЧЕНИЕ -114
БИБЛИОГРАФИЯ -116
ПРИЛОЖЕНИЯ - 130
- Научное и гносеологическое значение принципа соответствия
- Принцип соответствия в раскрытии иерархического соподчинения различных концепций структурного строения материи в школьном курсе физики.
- Этапы экспериментальной проверки.
Введение к работе
Актуальность и практическая значимость темы данного исследования
обусловлены перестройкой и развитием сферы образования. Социальные
изменения в обществе и предполагаемый переход к стандартам 12-летней
школы направлены прежде всего на достижение достаточно высокого уровня
развития личности, удовлетворяющего индивидуальным запросам учащихся
соответственно их способностям и склонностям. Современные
концептуальные подходы к модернизации среднего общего образования обращены к структуре личности человека, к развитию его творческих способностей, самостоятельности в постановке и решении нетрадиционных задач. Поэтому становится особенно острой проблема гуманизации естественнонаучного образования, преодоления в нем узкопрагматического уклона, воспитания научного мышления.
Из анализа научно-методических работ по данной проблеме (6, 42-44, 32, 46-47, 69, 77, 115, 124) становится ясно, что современная методика преподавания школьной физики в качестве одной из приоритетных целей обучения ставит формирование у школьников научного мировоззрения и научного стиля мышления. Определение же места и роли человека в природе, установление его взаимосвязей с ней, выработка у него навыков восприятия и использования информации, повышение общей информационной компетентности связаны прежде всего с формированием общенаучной и физической картин мира.
Вопросам формирования у школьников научного мировоззрения и методологических знаний при обучении физике посвящены исследования Г.М. Голина, В.Ф. Ефименко, В.Н. Мощанского, Н.В. Шароновой. Проблема воспитания научного стиля мышления и развития на его основе общекультурного и духовного мировоззрения личности учащегося разносторонне рассматривалась в работах В. А. Бетева, А. Т. Глазунова,
И.И. Нурминского, Н.К. Гладышевой, П.С. Пурышевой, Л.С. Хижняковой.
Воспитание научного мышления в системе генерализации физических знаний в соответствии с преемственностью в формировании научных понятий у учащихся исследовалось Н. М. Зверевой, А. А. Зиновьевым, В.А. Извозчиковым, Ю.А. Кустовым, СВ. Ливановым, И.Г. Пустальником, П.А. Самойленко, Е.А. Самойловым, Ю.А. Сауровым, В.В. Мултановским, В.Г. Разумовским, Т.Н. Шамало, А.В. Усовой, Д.Ш. Шодиевым. Ими разработаны методические основы изучения школьного курса физики в соответствии с методами научного познания и диалектичностью в формировании у школьников научных понятий. Педагогическими и психологическими исследованиями В.В.Давыдова (39-41), Л.Я.Зориной (48), Д.Б. Эльконина (143) показаны преимущества теоретического мышления по сравнению с эмпирическим, что также обуславливает необходимость генерализации школьного курса физики вокруг методологии научного познания и воспитания на его основе культуры научного мышления.
В связи с вышеозначенными аспектами развития современной методики обучения физике повышается приоритет использования в школьном курсе фундаментальных физических принципов - относительности, симметрии, инвариантности, соответствия, дополнительности, суперпозиции и др. -имеющих непосредственное отношение к проблемам воспитания научного мировоззрения. Перечисленные физические принципы, по словам Л.В. Тарасова в (129), наполнены важным для воспитания личности общекультурным и философским смыслом и демонстрируют мощный гуманитарный потенциал школьного физического образования. Применение фундаментальных физических принципов в школьном курсе физики исследовалось многими педагогами. В частности, методические возможности использования в школьном курсе принципа симметрии разработаны СВ. Ливановым (78), Г.П. Корневым (70), Л.В. Тарасовым (129).
Принцип соответствия отражает собой важную закономерность научного познания: любая новая теория не отвергает старую полностью, а сохраняет ее как свой предельный случай для прежней области явлений. Методологические основы для изучения физического принципа соответствия на уровне связи современных теорий с классической физикой разработали Р.Ю. Волковыский, Л.В. Тарасов, В.А. Извозчиков, Г.Я. Мякишев, В.А. Орлов, А.А. Пинский, Г.П. Корнев. Учитывая ценность их работ, мы продолжили исследования по использованию принципа соответствия в процессе изучения всего школьного курса физики.
Принцип соответствия выражает тот факт, что любой природный объект или физическое явление могут быть научно исследованы на основе разных моделей с различной степенью точности, а все физические законы и теории имеют границы применимости. Данная концепция развита отечественными философами: И.В. Кузнецовым, Б.М. Кедровым, Н.Ф. Овчинниковым, М.Э. Омельяновским и др. Однако в большинстве дидактических пособий он по-прежнему звучит в традиционном смысле как узкий физический принцип, устанавливающий границы применимости классической механики, а поэтому изучается на заключительных уроках применительно к обобщению школьного курса физики. Позднее изучение в школе принципа соответствия не позволяет полностью раскрыть его методологический характер. Во многих научно-методических публикациях отмечается, что при обучении физике в школе основное внимание уделяется изучению конкретных законов в отрыве от современных идей генерализации физических знаний фундаментальными принципами науки. Вследствие этого большинство учащихся получают механистические представления об основных научных понятиях, что приводит к формальному усвоению знаний о роли физической теории в познании материального мира.
Актуальность данного исследования продиктована тем, что:
еще не реализовано в полной мере применение в школьном курсе физики принципа соответствия как методологического принципа;
не обозначена преемственность его использования в системе постепенного построения физической картины мира в ходе преподавания всего школьного курса физики, так как данный принцип реализуется пока только на уровне отдельных физических теорий (классической и релятивистской механики, квантовой и классической теорий излучения, волновой и геометрической оптики);
применение принципа соответствия при обучении физике связано с формированием научного мировоззрения, так как систематическое обращение к нему демонстрирует школьникам гносеологическую сторону процесса научного познания как бесконечной смены относительных истин.
Объектом исследования является процесс формирования у школьников системы знаний о методологическом характере научного познания.
Предмет исследования - методика применения принципа соответствия к обучению физике в средней общеобразовательной школе.
Цель исследования - разработка методики использования принципа соответствия в системе формирования научного мировоззрения учащихся при обучении физике.
Основная идея заключается в систематическом и комплексном использовании методических возможностей принципа соответствия на различных занятиях по физике.
Гипотеза данного исследования состоит в том, что если использование методических возможностей принципа соответствия происходит систематически и непосредственно на различных занятиях по физике, при этом в полной мере раскрывается сущность диалектического характера научных понятий и незавершенность любых теоретических положений, то
повышается педагогическая эффективность формирования у учащихся научного мировоззрения* а также преодолевается узкопрактическое и механистическое восприятие у них физических законов и теорий.
Исходя из цели и гипотезы,исследования поставлены следующие задачи:
1. Изучить основные педагогические и методические концепции
формирования научного мышления и научного мировоззрения учащихся при
обучении физике.
Проанализировать состояние традиционного применения принципа соответствия к обучению физике.
Выделить основные (стержневые) позиции для использования принципа соответствия к обучению физике в школе как методологического принципа.
4. Разработать дидактический материал для внедрения принципа
соответствия в систему формирования у школьников научных понятий,
законов и фундаментальных физических теорий.
Предложить методику и технологию реализации методологического принципа соответствия в системе формирования научного мировоззрения учащихся при обучении физике.
Экспериментально проверить эффективность разработанной методики в условиях обучения школьному курсу физики.
Методологическую основу исследования составляют теоретический анализ педагогических трудов В.Н. Мощанского (85-87) о разъяснении границ применимости отдельных физических законов в школьном курсе, работ Г.Я. Мякишева (90,91) о статистическом характере классической физики, В.В. Мултановского (88) о различных концепциях структурного строения материи и взаимодействий, В.Ф. Ефименко (45-47) о формировании методологических функций ФКМ, Г.М. Голина (35) и Н.В. Шароновой (138) о воспитании научного мировоззрения на уроках физики, Ю.А. Кустова (74) о дидактическом принципе преемственности в обучении, анализ психологических трудов В.В. Давыдова (39-41) о теории развивающего
обучения, теоретический анализ философских работ И.В. Кузнецова (72,73), Н.Ф. Овчинникова (98), Б.М. Кедрова (67,68,82,108) о закономерностях процесса научного познания, а также общие принципы дидактики и методические основы использования методов научного познания.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы: теоретический анализ литературы; обобщение передового педагогического опыта по теме исследования; педагогические измерения (наблюдение, беседа, анкетирование, тестирование и опрос учеников и учителей); педагогический эксперимент с целью определения степени эффективности разработанной методики; статистические методы обработки результатов педагогического эксперимента.
Научная новизна диссертации состоит в том, что впервые исследованы методические возможности реализации принципа соответствия на уровне физических понятий, законов, концепций структурного строения материи и взаимодействия непосредственно через весь курс школьной физики. Методологическая функция данного принципа раскрывается посредством систематического использования на занятиях по физике закономерностей научного познания, вследствие чего должна повышаться преемственность в формировании у выпускников школы знаний о различных физических идеях.
Теоретическая значимость исследования состоит в следующем:
произведено обоснование тому, что физический принцип соответствия может реализоваться в школе не только и не столько на уровне современных теорий (квантовой и релятивистской), но и на уровне формирования физических понятий, идей структурного строения материи и взаимодействия, отдельных законов;
теоретически обоснована идея о повышении информативности обучения физике вследствие постоянного выделения из теоретических положений существенных и несущественных признаков, с последующим
рассмотрением однородных законов и понятий различной степени идеализации;
- разработана методика поэтапного формирования у школьников
представлений о границах применимости физических понятий, законов и
теорий. В рамках этой методики не просто разъясняется область
применения конкретного закона, но и совершается анализ его
сопричастности более точным теориям, повышающим степень реальности
научного описания объектов и явлений.
Практическая значимость исследования заключается в том, что:
разработан комплекс дидактических средств для использования на уроках физики различных методических возможностей принципа соответствия;
систематическим применением принципа соответствия к формированию физических понятий и законов снижается механистичность их восприятия учащимися. Это предоставляет им возможность убедиться в степени достоверности теоретических моделей несмотря на то, что они в реальности не существуют.
Апробация и внедрение результатов исследования проводились в школах № 48, 86, 102, в школе-лицее № 135 г. Самары, в Кинель-Черкасской школе № 1, в школе № 7 г. Новокуйбышевска, а также в Самарском областном многопрофильном лицее-интернате.
Полученные результаты докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях по методике обучения физике в СамГПУ (1995-99гг.), на республиканских научно-практических конференциях в Самаре «Содержательно-знаковая наглядность в системе научения физике» (1997г.), «Управление познавательной деятельностью учащихся в процессе обучения физике» (1998 г.), «Информационные технологии в процессе обучения физике» (1999 г.), на республиканской научно-практической конференции в Ульяновске «Формирование учебных умений в процессе реализации стандартов образования» (1997г.), на республиканской научно-теоретической
конференции в г. Кирове «Модели и моделирование в методике обучения физике» (1997 г.), на двух республиканских научно-практических конференциях в Москве «Взаимосвязь системы научных знаний и методов преподавания физики» (1998 г.), « Новые технологии в преподавании физики» (1999 г.).
На защиту выносится:
Методика комплексного и систематического использования на занятиях по физике принципа соответствия как методологического принципа.
Последовательное уточнение концепций структурного строения материи и физического взаимодействия непосредственно через весь школьный курс физики.
Методика поэтапного формирования у школьников представлений о границах применимости физических законов и понятий с применением качественных и вычислительных задач на принцип соответствия.
4. Вариант технологии обучения школьников физике на основе
последовательного использования принципа соответствия в различных
видах учебной работы.
Научное и гносеологическое значение принципа соответствия
Принцип соответствия соединяет современную физику с классической -для больших квантовых чисел и малых скоростей релятивистская квантовая механика переходит в свой предельный случай - механику Ньютона. Предметная область использования классической физики имеет свои границы применимости, выраженные математическим языком в виде сравнения с фундаментальными физическими константами Л и с. В этом заключается физическое значение принципа соответствия, рассмотренное в работах (3,24,58,72,73,85,142).
Общенаучное значение данного физического принципа несомненно шире, оно затрагивает гносеологию, теорию познаваемости материального мира, а также категории и законы диалектического материализма. Гносеологическое выражение данного принципа заключается в теоретической демонстрации процесса научного познания как бесконечной последовательности сменяющих друг друга относительных истин, постепенно приближающихся к абсолютной истине. С позиции диалектического материализма процесс познания природы состоит в том. что любое теоретическое положение включается в науку как относительная истина, которая правильно отражает собой лишь отдельные стороны реальных физических процессов и объектов.
С нашей точки зрения, любую физическую теорию, закон или понятие можно рассматривать как теоретическую модель, в которой от реальных природных явлений остаются только самые существенные их стороны и отношения. Развивая эту мысль дальше, можно понять, что любая теоретическая модель является частным случаем какой-либо более точной и, возможно, одновременно, более сложной модели. Уровень точности теоретической модели заключается, с нашей точки зрения, в !Многообразии и разносторонности отражения ею реальных сторон и отношений, 2)степени абстрагированности от несущественных, но тем не менее имеющих место в реальности, признаков и свойств материальных объектов.
С другой стороны, степень точности теоретической модели соответствует степени реальности того предмета физического познания, признаки которого она содержит. Упрощение теоретической модели означает отвлечение от тех или иных свойств реального объекта, которые в ней содержатся. Однако ее усложнение происходит на основе уже существующей модели путем привлечения в нее новых предметных сторон и отношений, если "устоявшиеся" теоретические выводы не могут обосновать какие-либо эмпирические факты. Принцип соответствия выражает здесь следующее: любая сколь угодно сложная теоретическая модель может заменяться своим упрощенным частным случаем, если экспериментальные выводы обеих в данной предметной области, в пределе совпадают.
Смена теоретических моделей в одной и той же предметно-объектной области научного познания мира есть не что иное как еще одно выражение философских законов материалистической диалектики; единства и борьбы противоположностей, отрицания отрицания, перехода количественных изменений в качественные.
Действительно, каждая новая физическая теория по-своему отрицает предыдущую вследствие накопления в ней нсобъясненных эмпирических фактов (а это есть выражение закона единства и борьбы противоположностей) - таким образом, например, квантовая теория атомных излучений отрицает классическую теорию электромагнитных волн, остающуюся ее частным случаем в области радиоизлучений. Количественные изменения скорости механического движения тел влекут за собой качественное изменение теории - формулы релятивистской физики заменяются классическими при скоростях, намного меньших скорости света.
Принцип соответствия в раскрытии иерархического соподчинения различных концепций структурного строения материи в школьном курсе физики
В данном параграфе излагается методика применения принципа соответствия к последовательному рассмотрению иерархии различных концепций структурного строения материи в школьном курсе физики.
Принцип соответствия в системе формирования понятий о структурном строении . материи, „и „о, взаимодействии сводится нами к иерархическому подчинению различных концепций по мере постепенного изучения школьного курса физики, при этом подчеркивается наибольшая сложность микроскопических квантовых моделей с присущей им условностью разделения материи на вещество и поле. Структурное представление данной иерархии показано в СЛС № 2. СЛС № 2.
Опираясь на анализ работ (38, 45, 88, 127), отметим, что идея соответствия различных теоретических моделей строения вещества и поля, а также реализация ее в школьном курсе основана на следующих положениях:
1) дискретность строения материи;
2) иерархическое соподчинение различных моделей строения вещества;
3) условность разделения материи на вещество и поле, которое становится явным на микроскопическом квантовом уровне.
Данные идеи включаются в школьный курс физики на различном уровне их усвоения по мере познавания учащимися все более сложных фактов из области устройства мироздания. Использование здесь принципа соответствия может повысить эффективность овладения учащимися учебной информацией об основных идеях структурного строения материального мира, так как в этом случае необходимо от урока к уроку обращать их внимание на степень достоверности теории в рамках различных концепций строения вещества. Обязательно надо рассказать о том, что модели структурного строения материи занимают в физике одно из основных положений, так как все тела в материальном мире так или иначе, но состоят из вещества, а поэтому в обширнейшем круге научных задач применяются те или иные их модели. В основном это задачи с рассмотрением микроскопических явлений внутри макротел, задачи с применением химических взаимодействий, взаимодействий между элементарными частицами, а также электромагнитных взаимодействий как на макро-, так и на микроуровне, потому что данные процессы зависят от поведения заряженных частиц.
Уже на вводных уроках (курс физики 7-ого класса) демонстрируется сугубо идеализированный характер теоретических моделей атомного строения вещества. Покажем это.
Сначала рассказывается следующее. Из эмпирических фактов (диффузия, растворение веществ в жидкостях и газах и т.д.) следует, что твердые, жидкие и газообразные тела состоят из молекул. Химические взаимодействия позволяют расщепить молекулу до мельчайших структурных единиц химических элементов - атомов (1.33). Идеальное представление атома - это упругий твердый шарик по аналогии с макроскопическим шаром любых размеров, ведь все наверняка много раз видели металлические либо пластмассовые (или из какого-то другого материала) шарики. Более реальная модель связана с внутриатомным строением. Она сводится нами к планетарной модели. Очень важно показать учащимся, что если в задачах не надо применять знания об электронных орбитах и ядре - которое в свою очередь тоже состоит из частиц и это является уже следующей более сложной моделью - то планетарная модель переходит в свой упрощенный частный случай упругого шарика в пренебрежении сложным внутриатомным составом. В этом состоит применение принципа соответствия на данном этапе физического познания учащихся.
В рассматриваемых моделях чаще всего пренебрегают геометрической формой и размерами молекул и атомов, их сложным составом, сложным составом атомного ядра.
Например, для изучения закономерностей и причин электрического сопротивления металлов необходимо использовать планетарную модель атомов, но можно ограничиться идеализацией упругого шарика в области молекулярно-кинетического строения тел, при рассмотрении понятия внутренней энергии, видов теплопередачи и т.д. То же самое касается и соответствия ядерной модели (то есть с рассмотрением сложного состава ядра атома) и ее частного случая - планетарной. Как было обосновано в первой главе диссертации, для каждого теоретического положения существуют строго определенные границы применимости, в том числе и для концепций строения материи
Этапы экспериментальной проверки.
В данном параграфе диссертации излагается экспериментальная проверка эффективности предложенной методики использования методологического принципа соответствия на уроках физики. Она осуществлялась сравнением данных, полученных при обучении учащимися контрольных и экспериментальных групп.
В задачи педагогического эксперимента входило:
- изучение состояния проблемы усвоения методологических знаний учащихся о процессе научного познания;
- определение эффективности предлагаемой нами методики использования принципа соответствия в системе поэтапного формирования границ применимости научных понятий и физических законов;
- сравнение уровня сформированное знаний о методологическом характере принципа соответствия у учащихся контрольной и экспериментальной групп.
Специально для педагогического эксперимента была разработана система вопросов и упражнений, которая позволила оценить уровень овладения учащимися знаниями о закономерностях научного познания, вытекающих из принципа соответствия.
На первом этапе педагогического эксперимента - зондирующем -проводилось анкетирование и тестирование учащихся, беседы с учителями физики. В результате зондирующего эксперимента выяснилось, что учащиеся не различают границ применимости физических законов и теорий, не видят разницы между реальностью и ее теоретической моделью. Также следует отметить превалирующий у поглощающего большинства механистический подход к описанию взаимодействий и строения вещества, что также свидетельствует о недостаточном воспитании научного мировоззрения.
Второй этап был посвящен разработке, апробации и последующей корректировке дидактических средств и отработке различных элементов разрабатываемой методики включения принципа соответствия в школьный курс физики, в результате производилась корректировка используемых методов. Регулярно после изучения каждой темы проводились проверочные работы, результаты которой обсуждались с учащимися в виде анализа типичных ошибок. Итогами этой работы стали публикации (20, 50 - 56), а также дидактические и методические пособия для учителей физики (18-20, 22). В методическом пособии (22) излагаются основные направления в использовании принципа соответствия в системе формирования физических знаний учащихся, приводится около 60-ти задач и упражнений с примерами их решения и подробными ответами, а также излагается суть изучения различных законов физического взаимодействия в качестве рассмотрения их иерархической преемственности друг другу.
На третьем этапе проводилось обучение по разработанной в данном исследовании методике изучения физических понятий, законов и теорий в качестве их соответствия теоретических моделям различной степени идеализации. В ходе обучающего педагогического эксперимента использовалась методика поэтапного формирования границ применимости теоретических моделей, составленные задачи и упражнения, СЛС и таблицы (см. с.130-141). Данный этап (1997-99 гг.) эксперимента проводился среди воспитанников Самарского областного многопрофильного лицея-интерната, обучение в котором направлено прежде всего на подготовку учащихся к поступлению и продолжению образования в ВУЗах, и преподавание физики там ведется по различным профилям - гуманитарному, базовому, естественно-географическому, химико-биологическому, физико-математическому и инженерно-техническому. Таким образом, существует разностороннее углубление в преподавание физики, вследствие чего физические знания, умения и навыки формируются лицеистов на различном уровне познания. Тем самым создается возможность для наиболее объективной апробации предлагаемой нами методики.
Сравнение уровня сформированности знаний о границах применимости научных понятий и законов производилось среди учащихся школ № 48, 135 г. Самары, Кинель-Черкасской школы № 1, школы №7 г. Новокуйбышевска, обучение которых велось по традиционной в данном случае методике, и воспитанников Самарского областного многопрофильного лицея-интерната. Математическая обработка результатов контрольного среза производилось способом х2_критеРия Для этого в конце курса физики среди учащихся 11-х классов названных школ был сделан контрольный срез, состоящий из вопросов обобщающего характера (см. с.137).
