Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные информационные технологии и их влияние на процесс обучения физике
1.1. Анализ научно-педагогической литературы 13
1.2. Программные педагогические средства как основной 24
элемент реализации современных информационных технологий обучения физике
1.3. Социально-экологические проблемы внедрения современных информационных технологий в процесс обучения физике в основной общеобразовательной школе 34
Выводы по первой главе 40
Глава 2. Анализ содержания темы «Основы кинематики» и традиционной методики ее преподавания
2.1. Физические основы темы «Основы кинематики» 41
2.2. Анализ традиционного представления материала темы «Основы кинематики» в основной общеобразовательной школе 55
2.3. Дидактика в условиях информатизации образования 63
Выводы по второй главе 71
Глава 3. Методика обучения теме «Основы кинематики» в основной общеобразовательной школе при применении компьютерных технологий
3.1. Требования к учебному процессу и к уровню подготовки учителя и учащихся при изучении темы «Основы кинематики» с применением компьютерных технологий 72
3.2. Обзор программных педагогических средств, затрагивающих элементы кинематики- 83
3.3. Программа темы «Основы кинематики» при препода- 96
вании с применением компьютерных технологий
3.4. Планирование темы «Основы кинематики» при пре- 111
подаваний с применением компьютерных технологий
3.5. Выборочное описание моделей уроков по теме «Основы кинематики» при обучении с применением компьютерных технологий- 135
3.6. Основные положения методики обучения механике, в частности кинематики, с применением компьютерных технологий в основной общеобразовательной школе 159
Выводы по третьей главе 161
Глава 4. Организация и проведение педагогического эксперимента
4.1 Организация педагогического эксперимента 162
4.2. Констатирующий эксперимент 166
4.3. Поисковый эксперимент 180
4.4. Обучающий и контрольный эксперименты 181
Выводы по четвертой главе 193
Заключение 194
Литература 197
- Анализ научно-педагогической литературы
- Физические основы темы «Основы кинематики»
- Требования к учебному процессу и к уровню подготовки учителя и учащихся при изучении темы «Основы кинематики» с применением компьютерных технологий
Введение к работе
Сегодняшний этап цивилизации характеризуется повышением роли и степени воздействия интеллектуальных видов деятельности на все стороны жизни человечества. Этот процесс тесно связан со стремительно развивающейся информатизацией общества. Затрагивая все сферы деятельности людей, внедряясь в науку и производство, информатизация достигла и процесса образования, становясь одним из приоритетных направлений его развития.
Проблему компьютеризации образования следует рассматривать в связи с необходимостью отражения в образовании процесса информатизации, происходящего в науке и технике. В ближайшие годы информационное общество потребует специалистов, готовых работать с оборудованием, функционирующим на базе микропроцессорной техники, умеющих быстро принимать решения в нестандартных ситуациях, а также научных сотрудников, способствующих продвижению научно-технического прогресса.
Компьютеризация обучения обеспечит более целостную подготовку специалистов всевозможных уровней. Значит, уже сегодня необходимо приучать школьников управлять компьютерной техникой и с ее помощью - различными процессами. Это первое, что, на наш взгляд, обусловливает необходимость компьютеризации образования.
Во-вторых, в быстро развивающемся научном мире одной из задач современной системы образования является углубление и детальная проработка обязательных знаний учащихся, в том числе и по физике. Анализ проблемы информатизации показал, что процессы, происходящие в информационном обществе, требуют пересмотра традиционных подходов к обучению физике. Назрела необходимость обеспечения сферы образования средствами новых информационных технологий, ориентированных на реализацию суммы научных знаний. Изучение практического использования компьютерной техники на уроках в основной общеобразовательной школе позволило сделать вывод о том, что в отечественной практике преподавания физики разрабатываются различные направления ее применения.
Но, наряду с этим, можно констатировать, что на сегодняшнем этапе, во-первых, новейшие информационные средства применяются эпизодически, часто наблюдается «модное» вкрапление элементов компьютерных технологий в учебный процесс, во-вторых, единой концепции использования средств новых информационных технологий в процессе обучения физике не существует.
Сложившаяся противоречивая ситуация внедрения компьютерной техники в процесс обучения, с одной стороны, и ее хаотичное применение - с другой, послужила основой для постановки задачи разработки методики обучения физике, в частности кинематике, с применением компьютерных технологий.
Процессу информатизации физического образования и развитию компьютерных технологий обучения физике посвящены многие научные публикации (Л.И. Анциферов, В. Бласиак, СЕ. Каменецкий, В.Г. Разумовский, А.Д, Ревунов, И.К. Турышев и др.). Разработкой вопросов внедрения средств новых информационных технологий в среднюю школу занимались в разные годы такие ученые, как А.П. Ершов, В.А. Извозчиков, В.В. Рубцов, А.Ю. Уваров, СИ. Шварцбург и др. Психологические и дидактические аспекты использования компьютера на уроках отражены в трудах Б.С. Гершунского, Е.И. Машбиц, O.K. Тихомирова, Т.В. Корниловой, И.В. Роберт и др.
В последнее время появилось большое количество кандидатских диссертаций, в которых исследованы вопросы использования компьютерных средств в обучении физике. Их авторы - О.Б. Гук, П.С. Дроздов, А.А. Ездов, А.В. Ельцов, В.П. Коновалов, П.М. Малюк, Е.Е. Минина, А.А. Немцев, И.М. Нуркаева, A.M. Слуцкий, О.Г. Смолянинова и др. Эти работы затрагивают отдельные направления методики обучения физике с использованием средств новых информационных технологий. Но все авторы отмечают, что сделаны только первые шаги на пути исследования данного направления.
Из всего многообразия применений средств новых информационных технологий в обучении особо выделяют использование программных педагогических средств (ППС).
Существует ряд исследований по проблеме применения программных педагогических средств при обучении физике в школе. Методическим основам использования ППС на уроках физики посвящены работы М.В. Додонова, А.С. Кондратьева, В.В. Лаптева, С.Л. Светлицкого, В.И. Сельдяева, A.M. Слуцкого, Р.Ю. Шукюрова, А.О. Чефрановой и др. Но вопрос о методике использования современных компьютерных технологий в школе на сегодняшний день считается нерешенным. Не решен этот вопрос и в обучении физике, в частности в изучении кинематики, как одной из первых тем в большинстве систематических курсов физики.
Таким образом» актуальность проблемы исследования обусловлена противоречием между требованиями информационного общества по внедрению компьютерных технологий в процесс обучения физике и отсутствием методики обучения физике, кинематике в частности, с применением этих технологий, недостаточностью популяризации компьютерных пособий, каталогов, банков данных, содержащих информацию о ППС, рекомендаций по их применению.
Для разрешения данного противоречия необходимо разработать специальную методику обучения кинематике, опирающуюся на активное использование средств современных информационных технологий, а также определить основные пути реализации разработанной методики, ее применения на уроках физики в основной общеобразовательной школе. Целью исследования является создание такой методики.
Объектом исследования выступает методика обучения механике в основной общеобразовательной школе.
Предметом исследования является методика обучения механике, кинематике в частности, с использованием компьютерных технологий в основной общеобразовательной школе.
Гипотеза исследования формулируется следующим образом: если при- менить новую методику обучения механике, кинематике в частности, опирающуюся на компьютерные технологии, то это повысит эффективность обучения и обеспечит уровень знаний и умений учащихся, соответствующий требованиям современного информационного общества.
Цель и гипотеза определили задачи исследования: изучить и проанализировать научную, научно-методическую, научно-популярную, психолого-педагогическую, учебную и нормативную литературу по теме исследования; выявить состояние процесса компьютеризации обучения физике; проанализировать существующие программные педагогические средства по механике, разработать критерии отбора ГШС к урокам по теме «Основы кинематики»; определить основания классификации ГШС по кинематике, провести классификацию отобранных ГШС; исходя из целей обучения и логико-генетического анализа физического содержания темы «Основы кинематики», сформулировать дополнительные, новые требования к знаниям и умениям учащихся, разработать содержание, указать методы, формы, средства обучения при изучении этой темы в условиях компьютеризации образования, определить требования к обеспечению учебного процесса; - осуществить проверку гипотезы путем проведения педагогического эксперимента.
1-й этап (1994-1999 гг.) включал: изучение и анализ нормативных документов, учебных планов и программ по физике для общеобразовательных учреждений, в частности программ по механике, учебников по разделу «Механика», рекомендованных Министерством образования для общеобразовательных учреждений, и прочей литературы по проблеме исследования; изучение процесса компьютеризации обучения физике; изучение отечественного фонда программных педагогических средств по физике.
2zJL3ISyu (1997-1998 гг.) был посвящен разработке программы по кинематике с использованием современных информационных технологий и методики обучения кинематике с применением компьютерных технологий в основной общеобразовательной школе; определению основных требований к знаниям и умениям учащихся, подготовке учителей и оснащению кабинета физики в условиях компьютерного обучения. Выявлены оптимальные методы и формы обучения в условиях компьютеризации образования.
2:&ЛЗЯ (1998-2001 гг.) связан с проведением педагогического эксперимента по проверке выдвинутой гипотезы исследования и обработкой его результатов. На этом этапе корректировалась программа темы «Основы кинематики», осуществлялась разработка поурочного планирования материала, уточнялись методические рекомендации по использованию программно-аппаратных средств обучения.
4-й этап (1998-2001 гг.) - подведение итогов исследования. Оформление результатов.
Для решения поставленных задач на разных этапах исследования применялись следующие методы: теоретический анализ литературы по проблеме исследования; изучение опыта работы учителей как по традиционным методикам, так и с применением компьютерных технологий; обобщение и системный анализ полученных исходных данных; моделирование образовательного процесса при изучении темы «Основы кинематики»; проведение уроков физики по разработанной методике; педагогические измерения (результаты наблюдений; анкетирование учащихся, учителей и студентов педагогического вуза; ретроспективные опросы учителей и учащихся; беседы с учителями и учащимися); - педагогический эксперимент со статистической обработкой его резуль татов с целью определения эффективности и коррекции предлагаемой методи-
Методологической основой исследования являются: - системный подход к целям, содержанию, методам, формам и средствам обучения физике; логико-генетический подход к анализу физического знания, позволяющий определить требования к знаниям и умениям учащихся при изучении темы «Основы кинематики» курса физики основной общеобразовательной школы; общие принципы дидактики и методологические принципы физики; достижения общей и частной методики обучения физике; концепция информатизации общества как основы устойчивого развития земной цивилизации; концепция приоритетности информатизации образования в России как основы ее будущего устойчивого социально-экономического развития.
Научная новизна и теоретическая значимость работы состоят: в обосновании необходимости создания новой, опирающейся на компьютерные технологии методики обучения кинематике в основной общеобразовательной школе в условиях развития информационного общества; во всестороннем анализе ППС по механике с выдвижением критериев их отбора для проведения уроков по теме «Основы кинематики»; в определении оснований для построения классификации ППС по кинематике; в создании методики обучения кинематике с применением компьютерных технологий.
Практическая значимость исследования заключается: в разработке и внедрении в учебный процесс основной общеобразовательной школы научно обоснованной методики обучения кинематике с применением компьютерных технологий; в создании классификации ППС по кинематике; в разработке моделей уроков различного типа по кинематике с использованием программных продуктов и инструментальных средств.
На защиту выносятся следующие положения:
Разработка новой методики обучения физике, базирующейся на компьютерных технологиях, необходима и целесообразна ввиду потребности информационного общества в модернизации и более рациональном использовании существующих форм, методов и средств обучения, а также потребности в специалистах всевозможных уровней, владеющих современными информационными технологиями.
Применение методики обучения механике на примере темы «Основы кинематики», включающей содержание, методы, формы и средства обучения, базирующиеся на использовании компьютерных технологий в обучении, обеспечивает повышение эффективности учебного процесса и приводит к повышению качества образования.
Классификация программных педагогических средств по кинематике, построенная на основе таких критериев, как научность содержания ППС, доступность предъявляемой им информации, наглядность программного средства, адаптивность, активизация деятельности учащихся, реализация индивидуального и дифференциального подходов в обучении физике, суггестивная обратная связь, позволяет учителю физики осуществлять выбор необходимого программного средства для проведения урока определенного типа и сравнивать программные средства в рамках одного типа с целью подбора оптимального для проведения конкретного урока.
Апробация исследования осуществлялась посредством выступлений на: - конференциях по итогам научно-исследовательской работы МПГУ (1996-2001 гг.); научно-методических семинарах и заседаниях кафедры теории и методики преподавания физики МПГУ (1998-2001 гг.); ежегодных внутривузовских научно-методических конференциях Сургутского государственного университета (1998-2001 гг.); заседаниях и научно-практических семинарах кафедры эксперимент тальной физики Сургутского государственного университета (1998-2001 гг.); - научно-методической конференции «Новые технологии в преподавании физики. Школа и вуз» в МПГУ (март 1999 госструктура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации - 215 страниц. Основной текст диссертации составляет 190 страниц. Работа включает 21 рисунок и 16 таблиц. Список литературы составляет 210 наименований.
Во_вдедеяии обоснована актуальность темы исследования, отмечена проблема исследования, определены его объект и предмет, выдвинута гипотеза, сформулированы цель и соответствующие ей задачи. Отражены новизна, теоретическая и практическая значимость работы, выносимые на защиту положения. Приведены сведения об апробации результатов исследования и их достоверности. BlMSSSS&JWSS. «Современные информационные технологии и их влияние на процесс обучения физике» раскрыт понятийный аппарат работы. На основе анализа проблемы информатизации общества в целом и образования в частности раскрыты основные аспекты применения компьютера в учебном процессе и основные проблемы, возникающие при преподавании с применением компьютерных технологий.
В ходе исследования на основе выделенных критериев был отобран ряд программных педагогических средств. Возникла потребность их классифицировать. На основе трудов других исследователей было выделено восемь типов программных педагогических средств по методическому назначению и девять - по функциональному назначению.
Во второй „главе «Анализ содержания темы «Основы кинематики» и традиционной методики ее преподавания» проведен анализ традиционных методик преподавания этой темы, разработанных под руководством таких видных отечественных ученых, как СЕ. Каменецкий, В.П. Орехов, Н.С. Пурышева, И.К. Турышев, А.В. Усова, Э.Е. Эвенчик и др.
В главе показано, что в связи с информатизацией образования изменяется парадигма педагогической науки. Расширяются ее объект и предмет, добавляются новые цели и задачи.
Обоснована целесообразность использования возможностей программных педагогических средств для поддержки традиционных форм и методов обучения физике, создания и развития новых методик обучения, опирающихся на компьютерные технологии.
В третьей главе «Методика обучения теме «Основы кинематики» в ос новной общеобразовательной школе с применением компьютерный техноло гий» выдвинута система требований к обеспечению учебного процесса и к уровню подготовки учителя и учащихся в условиях информатизации образова- ** ния. Предложена методика обучения кинематике в применением компьютер- | ных технологий, включающая цели, содержание, методы, формы и средства ||: обучения. Представлены модели уроков разных типов, проводимых с привле- чением компьютерной техники. Сформулированы основные положения пред- ан лагаемой методики. І; В четвертой главе «Организация и проведение педагогического экспери- мента» описано проведение эксперимента, выделены цели и задачи каждого f* этапа, описаны методы исследования. Описан ход каждого этапа педагогиче- ского эксперимента. Представлены полученные результаты.
В заключении сформулированы основные выводы исследования и намечены перспективы дальнейшей работы.
Анализ научно-педагогической литературы
Современный период развития общества характеризуется процессом информатизации. Это глобальный социальный процесс, одной из доминант которого является сбор, накопление, продуцирование, обработка, хранение, передача и использование информации, осуществляемые на основе современных средств микропроцессорной техники, а также на базе разнообразных средств информационного обмена [144]. Информатизация общества связана с повышением роли и степени воздействия интеллектуальных видов деятельности на все стороны жизни человечества,
Одним из приоритетных направлений процесса информатизации общества является информатизация образования - процесс обеспечения сферы образования методологией и практикой разработки и оптимального использования средств новых информационных технологий, ориентированных на реализацию психолого-педагогических целей обучения [142].
Решение этой задачи требует от учителя пересмотра организации своего труда. Таким образом, компьютеризация учебных заведений создает новые возможности для совершенствования и развития форм и методов обучения.
Процессу информатизации физического образования посвящены многие научные публикации. В работах отечественных и зарубежных исследователей подробно рассмотрены проблемы развития современных средств вычислительной техники и средств коммуникации, программного обеспечения, средств обработки учебной информации, в том числе в области искусственного интеллекта, экспертных систем, мультимедиа и гипертекстовых технологий: А.К. Айла-мазян [2], B.C. Барсуков [12], Ж.-Л. Лорьер [86], С.К. Новосельцев [111], А.В. Петров [122], Ж.Ф. Сергазин [158], А.В. Соловьев [171], А. Френсис [188] и др.
Количество работ, характеризующих резкий рывок в развитии информатизации образования, довольно велико. Широкий обзор состояния проблемы в этой области был дан в «Концепции информатизации сферы образования в РФ» [73], в концепции внедрения средств новых информационных технологий в учебный процесс общеобразовательной школы [72] и в программе «Информатизация образования в Российской Федерации» [58]. В этих документах подчеркивается, что современный учитель, кроме знаний по предмету, должен владеть знаниями в области применения средств новых информационных технологий обучения. Под средствами новых информационных технологий (СНИТ) будем понимать программно-аппаратные средства и устройства, функционирующие на базе микропроцессорной вычислительной техники, а также современных средств и систем информационного обмена [142]. Значит, необходимо подготовить учителя к продуктивному применению СНИТ. Включение компьютера в структуру урока не сделает работу учителя легче, как это может показаться на первый взгляд, хотя освобождает его от рутинной работы, но при этом многие свои функции педагог должен выполнять на более высоком уровне; от него потребуется более глубокая подготовка к уроку, повысятся требования к его технической грамотности и научным знаниям.
Все более отчетливо проявляется переход от традиционной методики преподавания к обучению с использованием новых информационных технологий. Изменения касаются и учителей физики. Это показано в работах Л.И. Анциферова, В. Бласиак, В.А. Извозчикова, СЕ. Каменецкого, В.П. Коновалова, В.В. Лаптева, В.Г. Разумовского, А.Д. Ревунова, И.К. Турышева и др. «... Выбор новых методов и организационных форм обучения вносит заметные изменениях в учебный процесс» [53].
Однако до настоящего времени не существует четкой педагогической концепции применения СНИТ в процессе обучении физике. Это затрудняет работу как разработчиков СНИТ, так и педагогов-физиков, использующих эти средства в обучении.
В процессе практического использования разрабатываются самые разные направления применения компьютерных технологий, т.е. способов обучения, базирующихся на использовании программно-аппаратных средств и устройств, сопрягаемых с микропроцессорной техникой: от обработки результатов измерений, моделирования физических опытов на ЭВМ до создания экспертных систем и обучающих модельно-экспериментальных сред.
Физические основы темы «Основы кинематики»
Первым из важнейших разделов «Механики» является кинематика. Кинематика - это раздел физики, который изучает характеристики движения тел и изменения их форм, не касаясь вопроса о причинах этих движений. Любое изменение состояния реального объекта в природе или любое изменение состояния модели, будь то простое перемещение или что-нибудь другое, называется событием. При изучении простых механических процессов под событием понимают изменение либо положения тел, их совокупностей в пространстве, либо относительного расположения отдельных частей сложной системы. Все события происходят во времени и в пространстве.
Для того чтобы ввести основные характеристики движения, используют простейшую модель - материальную точку. Под материальной точкой понимается тело, которое имеет такие размеры, что ими можно пренебречь по сравнению с общим перемещением тела в пространстве. Одно и то же тело в одних задачах можно рассматривать как материальную точку, а в других задачах так поступать нельзя. Понятие материальной точки является абстракцией. Однако постановка ряда задач механики такова, что позволяет с успехом пользоваться этой абстракцией.
Для материальной точки имеют смысл лишь два вопроса: где эта точка находится в данный момент и как она движется. Для описания положения точки в пространстве используется координатный способ.
Можно использовать одномерную, двумерную и трехмерную системы координат. Причем они не обязательно должны быть ортогональными. Иногда используют косоугольные системы. А в некоторых случаях удобны полярная и сферическая системы координат.
Но независимо от того, какая система координат используется для того, чтобы охарактеризовать положение точки на прямой, надо задать одно число, на плоскости — два числа, для описания положения точки в пространстве с помощью координатной системы задают три числа. Число координат, с помощью которых однозначно задается положение точки или тела в пространстве, принято называть числом степеней свободы. Каждая координата при этом определяет возможное перемещение точки или тела и называется степенью свободы.
При относительно небольших размерах пространства реальный мир хорошо описывается евклидовой геометрией. Лишь при переходе к более обширным пространствам, связанным, например, с целой Вселенной, выясняется, что обычная геометрия Евклида уже не адекватна природе, и надо пользоваться более сложной геометрией - криволинейной геометрией Римана. В этом случае полагают, что мир искривлен.
При анализе упомянутых выше систем координат можно заметить закономерность, которая заключается в том, что число введенных координат, независимо от того, какая система координат была использована, является одним и тем же. Таким образом, можно прийти к выводу о том, что число степеней свободы является инвариантом и не зависит от выбора системы координат.
Общее правило заключается в следующем. Если какое-либо тело представить состоящим из N частей (или материальных точек, причем все эти материальные точки могут двигаться друг относительно друга), то для полного описания его состояния надо ввести либо 3N декартовых координат, либо три координаты центра масс, три координаты, которые характеризуют поворот всей системы как целого по отношению к некоторой системе координат, и, наконец, 3N-6 координат, описывающих относительное движение частей тела или его деформации. Число координат деформации системы тел может быть и меньше 3N-6. Это возможно, если относительное положение некоторых частей тела считается неизменным.
В физике существует очень большое число самых разнообразных координат. Они получили название обобщенных. Выбор наиболее рациональной системы координат диктуется прежде всего соображениями удобства и простоты описания движения тела или системы тел и простотой получающихся при этом уравнений движения.
Яркий пример тому - движение планет вокруг Солнца. Заслуга Н. Коперника, предложившего планетарную систему, как раз и заключается в очень нелегком процессе изменения точки зрения наблюдателя и мысленного перенесения его в мировое пространство.
Физические основы темы «Основы кинематики»
Одной из основных для учебного процесса является проблема требований к подготовке учащихся, в решении которой находят отражение общественные представления о задачах образования. Требования к обязательной подготовке школьников - это описание в деятельностной форме необходимого минимума предметного содержания образования и специальных учебных умений, которыми в обязательном порядке должны овладеть учащиеся.
Система требований к знаниям и умениям школьников полностью согласована с обязательным минимумом содержания общего образования по физике и очерчивает минимум знаний и умений, необходимых для формирования представлений о физике как части общечеловеческой культуры, о значимости физики в развитии человеческой цивилизации и современного общества.
В соответствии с общими задачами обучения и развития к уровню подготовки школьников по физике можно предъявить четыре группы требований: владение определенной системой физических законов и понятий; умение воспринимать и перерабатывать учебную информацию; освоение экспериментального метода научного познания; владение понятиями и представлениями физики, связанными с жизнедеятельностью человека.
Разные группы требований предполагают разные преимущественные формы проверки уровня их достижения: устного опроса, развернутых письменных ответов на поставленные вопросы, решения конкретных физических задач, экспериментальных заданий, заданий с выбором ответа.
После изучения темы «Основы кинематики» в условиях компьютерного обучения учащиеся должны:
I. Понимать сущность, метода научного познания окружающего мира,
1.1. Приводить примеры опытов, обосновывающих научные представления и законы:
1.1.1. Относительность механического движения.
1.2. Указывать границы (область, условия) применимости научных моделей, законов и теорий:
1.2.1. Классический закон сложения скоростей.
1.3. Выдвигать на основе наблюдений и измерений гипотезы о связях физических величин, планировать и проводить исследования по проверке этих гипотез с применением компьютерной техники и из-мерительно-вычислительных комплексов.
1.4. Знать назначение физических приборов, уметь ими пользоваться. Уметь пользоваться учебными базами данных, учебными базами знаний, проводить по ним выборку необходимой информации.
1.5. Измерять и определять при различных видах движения:
1.5.1. Время.
1.5.2. Путь.
1.5.3. Перемещение.
1.5.4. Скорость.
1.5.5. Ускорение.
1.6. Раскрывать влияние научных идей и теорий на формирование современного мировоззрения:
1.6.1. Классический закон сложения скоростей и границы его применимости; закон сложения скоростей в релятивистских представлениях (качественный уровень).
