Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Дидактические основы методики обучения решению задач по квантовой механике в педагогическом вузе 13
1.1. Дидактические основы методики решения задач в процессе обучения физике в школе и вузе 13
1.2. Особенности использования задач в курсе «Квантовая механика» в педагогическом вузе 40
1.3. Информационные технологии как средство решения задач по физике 62
Глава 2. Методика обучения решению задач по квантовой механике с использованием систем символьных вычислений 80
2.1. Дидактические основы применения метода ключевых задач при обучении решению задач по квантовой механике в педагогическом вузе 80
2.2. Анализ методических подходов к применению информационных технологий при обучении квантовой механике 92
2.3. Методика обучения решению задач по квантовой механике в педагогических вузах с использованием систем символьных вычислений 108
Глава 3. Методика проведения и обработка результатов педагогического эксперимента 155
3.1. Цели, задачи и организация педагогического эксперимента 155
3.2. Обработка и анализ результатов педагогического эксперимента 168
Заключение 180
Библиографический список 183
Приложения 201
- Дидактические основы методики решения задач в процессе обучения физике в школе и вузе
- Дидактические основы применения метода ключевых задач при обучении решению задач по квантовой механике в педагогическом вузе
- Цели, задачи и организация педагогического эксперимента
Введение к работе
Квантовая механика, объектом изучения которой являются процессы, происходящие в микромире, является сегодня одной из наиболее общих физических теорий, составляющих основы различных областей знания. Основные представления и понятия квантовой механики (принципы соответствия, дополнительности, Паули, волновые функции и др.) стали фундаментом современного естествознания, поэтому учебный курс «Квантовая механика» играет важную роль в системе физического образования студентов педвуза.
Квантовая механика в педагогических вузах традиционно изучается вслед за курсом общей физики, высшей математики и практически завершает предметную подготовку будущего учителя физики. В основном этот курс направлен на формирование представления о современной картине мира и «на выявление теоретических предпосылок и логической структуры теории» [57, с. 4]. При этом задачи изучения сводятся к приобретению будущими учителями знаний о принципах описания и законах движения микрочастиц, формированию умений применять основные положения квантовой механики в решении конкретных физических задач, закреплению навыков рассмотрения физических явлений на микроскопическом, квантовом уровне.
На физических факультетах педвузов этот раздел изучается в курсах общей и теоретической физики. Как показывает анализ опыта преподавания квантовой механики в педагогических вузах, существуют различные подходы к ее преподаванию, значительно отличающиеся друг от друга. Главными причинами этого являются: различные уровни материально-технической базы кафедры физики, подготовки профессорско-преподавательского состава, различия в учебных программах и т.д.
Следует отметить, что в настоящее время как показывает анализ школьных учебников [25, 51, 101, 114, 188] отдельные вопросы и понятия квантовой механики (корпускулярно-волновой дуализм, принцип неопределенности Гейзенберга, стационарное уравнение Шредингера и др.) изучаются
4 на старшей ступени школьного курса физики. Это обстоятельство определяет значимость данного курса для подготовки будущего учителя физики.
Поэтому в курс необходимо включать материал, который непосредственно пригодится будущему учителю физики в его профессиональной деятельности и который он сможет спроецировать на школьный курс физики. Таким образом, одной из важнейших методических и методологической задач, стоящих перед преподавателем данной дисциплины, становится - вооружить будущего учителя методикой обучения квантовой механики и методами решения задач по данному курсу.
Помимо этого, данный курс способствует формированию научного мировоззрения, научно-теоретического способа мышления, целостных представлений о современной физической картине мира.
Однако, несмотря на значимость курса, как для студентов, в общем, так и для будущих учителей, большинство вопросов, связанных с методикой преподавания квантовой механики, и сегодня остаются предметом дискуссий.
Это обусловлено, во-первых, тем, что в других разделах физики (классическая механика, оптика и др.) студенты изучают свойства реальных объектов, которые можно мысленно представить. Квантовая механика в этом аспекте невыгодно отличается отсутствием в макромире аналогий большинства квантово-механических понятий, что не позволяет преподавателям наглядно иллюстрировать учебный материал. Во-вторых, физические модели квантово-механических явлений, рассматриваемые в данном курсе, описываются сложным математическим аппаратом. Как следствие, студенты не могут в полной мере усвоить квантовую механику, что проявляется в недостаточно высоком уровне сформированности умений решать задачи, который, как показано в работах С. Е. Каменецкого, Н. Н. Тулькибаевой, А. В. Усовой является одним из основных показателей уровня усвоения изучаемого курса.
Проведенный нами анализ различных учебно-методических пособий и
рекомендаций по методике преподавания физики в школе и в вузе показал,
что их авторы основное внимание уделяют совершенствованию методов и
способов решения задач, но практически не обсуждают сам процесс отбора
5 задач, особенно для высшей школы. Важность правильного отбора задач для достижения поставленных целей обучения и повышения уровня сформиро-ванности "умения решать физические задачи отмечена в работах В. Е. Володарского, В. А. Кокина, Р. Г. Хазанкина. В них описано множество разных подходов к отбору задач, но не создано единой методологии, позволяющей поставить отбор задач на научную основу, и сформировать высокий уровень умения решать задачи, как у школьников, так и у студентов вузов.
Существующие в настоящее время критерии отбора физических задач (знания и умения студентов, трудность задач и др.) не могут автоматически применяться к процессу формирования системы задач по квантовой механике, так как большинство из них не учитывают особенности курса «Квантовая механика», а также профессиональную направленность будущих учителей.
Отмеченное обстоятельство определяет необходимость проведения исследований по данному вопросу и разработки нового подхода к отбору задач по физике в целом и квантовой механике в частности.
С учетом сложности математического аппарата, невозможности наглядного представления теоретического материала и абстрактности квантово-механических явлений курса «Квантовая механика» в настоящее время требуется применение новых средств обучения, в том числе в процессе решения задач, одними из которых являются информационные технологии (ИТ). Необходимость их применения в процессе обучения физике показана в работах В. А. Извозчикова, А. С. Кондратьева, В. В. Лаптева, А. Д. Ревунова и др.
В настоящее время на рынке прикладных программных средств появилось большое количество интегрированных программных продуктов, которые можно использовать при обучении физике в целом и при решении задач, в частности. Особое место среди них занимают системы численных вычислений (MathCAD, MATLAB) и системы символьных вычислений (ССВ)(Мар1е, Mathematica).
В преподавании физики, с нашей точки зрения, вопрос о применении ССВ имеет особую важность. Так как при решении большинства физических задач, особенно в курсах теоретической физики, приходится производить громоздкие математические преобразования, вызывающие затруднения у большинства студентов. В то же время, они не являются самоцелью в физике, поэтому использование ССВ здесь вполне оправданно. Особого внимания заслуживают большие графические возможности ССВ (функции, зависящие от одной переменной; графики функций, заданных параметрически; графики поверхностей; векторные поля и т. д.) и большое количество встроенных функций, реализующих различные численные методы.
Использование данных систем в обучении позволяет не только сократить трудоемкие математические преобразования и повысить наглядность изучаемого материала, но активизировать и разнообразить деятельность студентов, пробудить интерес к самостоятельной исследовательской деятельности, а также рассматривать учебные задачи на качественно новом уровне.
Однако проведенный анализ методических подходов к применению ССВ в процессе обучения общей и теоретической физике в вузе показал, что они ориентированы на классические университеты и предусматривают только фрагментарное использование ССВ при изучении отдельных тем курса, а для педагогических вузов данные методики отсутствуют.
Следовательно, в настоящее время требуется разработка новых подходов к применению ССВ при решении задач по квантовой механике в педагогических вузах.
Вышесказанное определяет наличие следующих противоречий:
- между объективной необходимостью формирования умения решать задачи по квантовой механике у студентов педагогических вузов и недостаточной разработанностью в педагогических исследованиях методики обучения решению задач с учетом специфики курса;
- между необходимостью применения ССВ при решении задач по
квантовой механике и отсутствием методики их применения в процессе обу
чения студентов педагогических вузов.
Выявленные противоречия обуславливают актуальность исследования, направленного на теоретическое обоснование, создание и реализацию методики обучения решению задач по квантовой механике студентов педагогических вузов с использованием систем символьных вычислений.
Цель исследования: разработка и реализация методики обучения решению задач по квантовой механике в педагогическом вузе с использованием ССВ.
Объектом исследования является процесс обучения студентов решению задач по квантовой механике в педагогическом вузе.
Предметом исследования является методика обучения решению задач по квантовой механике с использованием систем символьных вычислений.
Гипотеза исследования заключается в следующем: уровень сформированное умения решать задачи по квантовой механике у будущих учителей физики повысится, если:
разработать систему задач по квантовой механике на основе использования метода ключевых задач;
процесс обучения решению задач осуществлять на основе применения ССВ.
Для достижения поставленной цели исследования и проверки выдвинутой гипотезы необходимо решить следующие задачи:
Изучить современное состояние проблемы, связанной с методикой решения задач по курсу «Квантовая механика» в педагогических вузах, проанализировать существующие методические подходы к использованию информационных технологий в курсе «Квантовая механика».
Разработать, научно обосновать и реализовать методику обучения решению задач по квантовой механике студентов специальности 032200 «Физика» и 032200.00 «Физика» с дополнительной специальностью с использованием ССВ.
Выявить и экспериментально обосновать дидактические условия, способствующие эффективному применению систем символьных вычислений при решении задач по квантовой механике.
Разработать методические рекомендации и учебно-методические материалы для обучения решению задач по квантовой механике студентов педагогических вузов на основе предлагаемой методики.
Разработать критерии оценки и экспериментально оценить влияние разработанной методики на уровень сформированности умения решать задачи по квантовой механике.
Методологической и теоретической основой исследования явились
научно-педагогические и методические работы по:
- дидактике высшей школы (В. А. Ситаров, А. В. Хуторской и др.);
- фундаментализации физического образования и фундаментализации
предметной подготовки будущих учителей физики (О. Н. Голубева,
A. В. Купавцев, А. Д. Суханов и др.);
совершенствованию предметной подготовки студентов высших учебных заведений (С. Н. Аль-Таравна, А. И. Наумов, Г. А. Розман, Н. Н. Тулькибаева, А. В. Усова и др.);
общей теории и методике применения задач в обучении, методике решения физических задач и методике обучения решению физических задач (А. Ф. Есаулов, С. Е. Каменецкий, Г. С. Костюк, А. Н. Леонтьев,
B. П. Орехов, Н. Н. Тулькибаева, А. В. Усова, Л. М. Фридман, Д. В. Эльконин
и др.);
- методике отбора задач по физике (В. Е. Володарский,
Н. И. Зильберберг, В. А. Кокин, Ю. А. Сауров, Р. Г. Хазанкин и др.);
- использованию информационных технологий в процессе обучения и в
преподавании физики (Л. И. Анциферов, Г. А. Бордовский, А. Г. Гейн,
А. П. Ершов, В. А. Извозчиков, А. С. Кондратьев, В. В. Лаптев,
Е. И. Машбиц, С. В. Поршнев, А. Д. Ревунов, И. В. Роберт, Б. Е. Стариченко
и др.).
Научная новизна исследования состоит:
- в разработке критериев отбора ключевых задач по квантовой механике
для студентов педагогических вузов;
в построении системы задач разного уровня (репродуктивный, продуктивный, творческий) по всем разделам квантовой механики, для обучения студентов педагогических вузов;
в разработке методики обучения студентов педагогических вузов решению задач по квантовой механике с использованием систем символьных вычислений.
Теоретическая значимость работы:
определены теоретические основы построения системы ключевых задач, которая учитывает уровень усвоения учебного материала, ступень абстракции, на которой находится студент в данный момент и физические модели, значимые для формирования физической картины мира;
исследованы возможности ССВ в образовательном процессе по дисциплине «Квантовая механика»;
выявлены и обоснованы дидактические условия, способствующие эффективному формированию умения решать задачи по квантовой механике с применением систем символьных вычислений.
Практическая значимость исследования состоит:
в разработке и внедрении в учебный процесс методики применения ССВ в обучении студентов решению задач по квантовой механике в педагогических вузах;
в определении критериев и описании уровней сформированное умений решать задачи по квантовой механике;
в разработке и издании методических рекомендаций для преподавателей и студентов, обучающихся по специальности 032200 «Физика» и 032200.00 «Физика» с дополнительной специальностью педагогических вузов.
Организация, база и этапы исследования: в исследовании участвовало 2 вуза: Нижнетагильская государственная социально-педагогическая академия (2001-2006 уч. гг.), Уральский государственный педагогический университет (2003 - 2004 уч. гг.).
Логика исследования включала несколько этапов.
Первый этап (2001-2002 гг.) включал анализ нормативных документов, программ и стандартов, касающихся высшего педагогического образо-
10 вания, а также педагогической и методической литературы с целью констатации факта наличия проблемы, связанной с повышением качества высшего педагогического образования, в целом, и проблеме формирования умения решать задачи, в частности, определения степени разработанности проблемы исследования. Проведён констатирующий эксперимент.
Второй этап (2002-2003 гг.) направлен на выявление проблем, связанных с недостаточным уровнем подготовки студентов по рассматриваемому умению и на поиск путей совершенствования подготовки будущих учителей физики в области решения задач, и обоснование теоретических положений разрабатываемой методики обучения основам решения задач по квантовой механике с использованием информационных технологий.
На третьем этапе (2003-2006 гг.) проводился формирующий эксперимент, который был направлен на внедрение разработанной методики обучения решению задач по квантовой механике с использованием ССВ студентов-физиков в учебный процесс и определение ее влияния на уровень сформированное умений решать задачи. Проводился комплексный анализ педагогического эксперимента. Результаты нашли отражение в статьях.
На защиту выносится разработанная автором методика обучения решению задач по квантовой механике студентов педагогических вузов с использованием систем символьных вычислений, включающая в себя:
методику применения систем символьных вычислений для формирования умения решать задачи по квантовой механике;
критерии отбора содержания ключевых задач по квантовой механике;
систему задач по всем разделам квантовой механики;
дидактические условия, способствующие эффективному формированию умений решать задачи по квантовой механике с применением ССВ.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивается опорой на основополагающие теоретические концепции; сочетанием теоретического и экспериментального методов решения проблемы; воспроизводимостью результатов исследования и результативностью полученных данных их количественным и качественным анализом с использованием
методов математической статистики; непротиворечивостью полученных результатов исследования основным концепциям современного образования; соответствием используемых методов, цели, предмету и задачам исследования, внедрением результатов в педагогическую практику.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: анализ и обобщение научно-педагогической, методической, специальной литературы, материалов научно-практических конференций, симпозиумов, семинаров по проблеме исследования, представленных в сети Интернет; анализ нормативных документов, касающихся теоретических основ применения задач в обучении, методики решения физических задач и методики обучения решению физических задач, высшего профессионального образования в целом, а также определяющих структуру и содержание обучения будущих учителей физики; анализ и сравнение содержания учебников и учебных пособий по квантовой механике; обобщение опыта преподавания квантовой механики в педагогических вузах; анализ возможностей использования информационных технологий в решении задач, анкетирование преподавателей квантовой механики; контрольные работы; опытно-поисковая работа; методы математической статистики.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись:
в учебном процессе студентов физико-математического факультета Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии и физического факультета Уральского государственного педагогического университета; '
в результате обсуждения основных положений диссертации на конференциях (Международные научно - практические конференции «Новые технологии в образовании», г. Воронеж, 2001 г., «Образовательные технологии», г. Воронеж, 2003 г., «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах», г. Новочеркасск, 2004 г.; Всероссийские научно-практические конференции «Повышение эффективности
12 подготовки учителей физики и информатики в условиях модернизации Российского образования», г. Екатеринбург, 2002 - 2005 гг., «Информатизация общего и педагогического образования - главное условие их модернизации», г.Челябинск, 2004г; Всероссийские научно-методические конференции «Информатизация образования - 2002», г. Нижний Тагил, 2002 г., «Информатизация образования - 2004», г. Екатеринбург, 2004 г., «Информационные технологии и технические средства обучения в образовательном процессе», г. Нижний Тагил, 2004 г; Зональные научные конференции «Государственный стандарт естественнонаучного образования в системе общего, среднего и высшего педагогического образования», г. Оренбург, 2004 г.; научно-методические семинары преподавателей кафедры информатики и физики в Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии);
- путем создания и публикации учебного пособия по решению задач по квантовой механике с использованием ССВ для студентов специальности 032200 «Физика» и 032200.00 «Физика» с дополнительной специальностью.
Дидактические основы методики решения задач в процессе обучения физике в школе и вузе
Неотъемлемой частью деятельности каждого человека и общества является каждодневное решение различных задач. Большинство задач решаются человеком в процессе целенаправленной и плановой деятельности, некоторые из них возникают случайно и требуют от человека принятия решения в незапланированном порядке, вне зависимости от готовности и умения отдельного субъекта решать их правильно [207, с. 68].
Мы не будем подробно останавливаться на анализе понимания термина «задача». Выяснение сути этого понятия с точки зрения психологии и дидактики проведено в большом числе работ ведущих специалистов [98, 85, 197, 8, 35,64,206,72,165-169 и др.].
Анализ данных исследований показывает, что существует несколько подходов к определению понятия «задача», которые условно можно разделить на:
1) понимание задачи как действия (А. Н. Леонтьев, Г. С. Костюк, А.Ньюэлл, Э. Фейнбаум);
2) понимание задачи как «задачной системы» (Л. М. Фридман, А. Ф. Есаулов).
Анализ общего понятия «задача» позволяет сделать вывод о том, что познание реальной действительности человеком осуществляется через видение и решение задач.
В то же время педагоги считают, что задача - это поставленная цель, которую необходимо достигнуть; вопрос, требующий решения на основании определенных знаний; один из методов обучения и проверки знаний и практических навыков обучаемых [8]. В соответствие с этим выделяют понятие «учебная задача».
Учебная задача отличается от других задач тем, что её цель и результат состоят в изменении состояния самого действующего субъекта, заключающемся в овладении им системой действенных знаний, определенными способами действия, а не в изменении предметов, с которыми субъект действует.
В психологии и дидактике отражены различные стороны учебных задач, а также методики использования на занятиях по различным предметам. В большинстве работ в области психологии, педагогики и методики преподавания сложно выделить главные черты учебной задачи, так как они завуалированы различными методическими подходами.
Следует отметить, что учебная задача по физике имеет свою специфику. В методической литературе продолжительное время использовались термины «задача», «физическая задача» без их определения. Одно из первых определений физической задачи было дано С. Е. Каменецким и В. П. Ореховым: «...Физической задачей в практике преподавания обычно называют небольшую физическую проблему, которая в общем случае решается с помощью логических умозаключений, математических действий и эксперимента на основе законов и методов физики ...» [72, с. 5].
Наиболее полный анализ определения понятий "задача" и "учебная задача" проведен в работах Н. Н. Тулькибаевой и А. В. Усовой [165 - 169, 183, 185]. По-определению Н. Н. Тулькибаевой: "Физическая учебная задача - это ситуация, требующая от обучаемых мыслительных и практических действий на основе законов и методов физики, направленных на овладение знаниями по физике, умениями применять их на практике и развитие мышления" [156, с. 8]. Данное определение отражает роль учебной задачи в процессе обучения, ее значение для формирования понятий, контролирующую функцию. В своем исследовании мы будем придерживаться данного определения учебной задачи по физике. Функции задач
Одной из главных целей решения физических задач является осознанное усвоение понятий, принципов и законов физики, развитие логического мышления и творческих способностей обучаемых, развитие умения применять свои знания в конкретных практических ситуациях, формирование научного мировоззрения. Все это позволяет выделить несколько основных дидактических функций решения задач.
На особое место задач в обучении указывали такие выдающиеся ученые, как Э. Резерфорд, Н. Бор, А. Эйнштейн, П. Л. Капица и др. «Задачи должны, не только и не столько способствовать закреплению знаний, тренировке в применении изучаемых законов, сколько формировать сам исследовательский стиль умственной деятельности, метод подхода к изучаемым явлениям» [193].
«Знать физику - это, значит уметь решать её задачи» - говорил Э. Ферми [207, с. 45].
В своих исследованиях В. Фон Бойль отмечает, что одним из главных условий успешного усвоения физики «является упражнение ученика практическими задачами. Решение задач - развивает ум и воображение».
А. Ф. Малинин говорил: «... В случае недостатка времени, лучше сократить теоретическое изложение, даже вовсе выпускать какую-нибудь главу и с особым внимание проходить те статьи, которые допускают много задач, решаемых с помощью вычисления» [171, с. 37].
О месте физических задач в учебном процессе А. И. Бугаев пишет: «Решение задач - неотъемлемая составная часть процесса обучения физике, поскольку она позволяет формировать и обогащать физические понятия, развивать логическое мышление студентов и их навыки применения знаний на практике» [23, с. 27].
f «Физические задачи используются для: а) выдвижения проблемы и создания проблемной ситуации; б) сообщения новых сведений; в) формирования практических умений и навыков; г) проверки глубины и прочности знаний; д) закрепления, обобщения и повторения материала; е) реализации принципа политехнизма; ж) развития творческих способностей обучаемых и пр. Наряду с этим, при решении задач воспитываются трудолюбие, пытливость ума, смекалка, самостоятельность в суждениях, интерес к учению, воля и характер, упорство в достижении поставленной цели»[23]. Их решение входит составной частью в большинство занятий по физике.
«Работа с учебной задачей - это метод физического исследования. Студенты убеждаются в том, что методами научного познания можно овладеть в результате работы с физическими задачами. Решение удачно поставленной исследовательской задачи, а тем более самостоятельная постановка задачи на основе проблемной ситуации, ее решение и анализ полученных результатов в познавательном аспекте для студентов есть самостоятельное исследование и открытие. Работа с физической задачей в этом случае становится не только практикой, но и теорией познания, не только средством, но и целью обучения» [78, с. 22].
Дидактические основы применения метода ключевых задач при обучении решению задач по квантовой механике в педагогическом вузе
Проведенный в первой главе анализ научной и учебно-методической литературы позволил сделать вывод о том, что важным звеном в формировании умения решать задачи является их правильный отбор, позволяющий повысить уровень усвоения знаний, усилить внимание студентов на анализе физического содержания задач и дифференцировать процесс обучения.
Однако, как показывает анализ учебной и методической литературы [7, 8,23,30,31, 33,52,65,117,147,194,200 и др.], в настоящее время нет общих критериев отбора задач для учебного процесса. Большинство респондентов [8, 23, 78, 194 и др.] в своих исследованиях отмечают важность правильного отбора задач, и в то же время не приводят каких-либо конкретных способов их отбора. При этом часть из них указывает на важность отдельных видов задач при обучении физике. Таким образом, общая тенденция отбора задач сводится к соответствию задач тематическому содержанию изучаемого материала и направлена на закрепление, расширение и углубление физических знаний.
Наиболее приемлемым, с нашей точки зрения, является метод ключевых задач, который впервые был применен Р. Г. Хазанкиным в преподавании математики. Его эффективность была доказана на протяжении многих лет и неоднократно проверена практикой работы многих учителей математики.
В понимании Р. Г. Хазанкина ключевые задачи - своеобразные опоры при решении других, в том числе и нестандартных задач [194]. Он считает, что всегда можно отобрать определенный минимум задач, овладев методами решения которых, ученик будет в состоянии решить любую задачу на уровне программных требований по изучаемой теме. Такой минимум должен включать 5-7 задач наиболее полезных с дидактической точки зрения. Под ключевыми задачами мы понимаем задачи, в которых рассматриваются факты или способы деятельности, применяемые при решении других задач и имеющие принципиальное значение для усвоения предмета (по В. В. Гузееву) [53].
Применительно к курсу «Квантовая механика» ключевой задачей по теме «Теоретические предпосылки и экспериментальные основы квантовой механики» может считаться следующая задача: оценить время, за которое электрон, движущийся вокруг ядра в атоме водорода по орбите радиусом 0,53 -10"10 м., должен упасть на ядро, если бы он терял энергию на излучение в соответствии с классической теорией — = Тг2. В процессе ее решения оказывается возможным познакомить студентов, во-первых, с постулатом Бора о круговом движении электронов в атоме и показать несостоятельность классической теории, во-вторых.
Метод ключевых задач получил свое развитие в ряде исследований [33, 52, 65, 147, 200]. Определению и созданию специальных наборов ключевых задач посвящены многочисленные теоретические исследования и практические разработки. В них авторы классифицируют ключевые задачи следующим образом. Элементарные и неэлементарные задачи у Я. И. Груденова; ключевые у Н. И. Зильберберга; базисные - у И. Г. Габовича; опорные - у И. Ф. Шарыгина, Н. X. Розова и т.д. Рассмотрим подробнее каждый из них и проиллюстрируем данные подходы примерами задач из физики.
Я. И. Груденов [52] все математические задачи делит на элементарные и неэлементарные. Роль задач первой группы, по его мнению, сводится к формированию навыков, необходимых для решения задач второй группы. В число элементарных он включает задачи, для решения которых известен алгоритм решения. Неэлементарная задача сводится, по его мнению, к нескольким элементарным, и на некотором этапе обучения сама может стать для учащегося «элементом» решения более сложных задач. Таким образом, считает автор, предлагаемая им классификация задач, проводится, исходя из об 82 щедидактических целей обучения без учета целей обучения конкретному предмету. Это значит, что подбор ключевых задач не учитывает цели и задачи обучения конкретному предмету, и осуществляется по принципу сложности в решении самой задачи. Необходимо заметить, что Я. И. Груденов строит свою методику в соответствии с дидактическими принципами доступности и последовательного перехода от элементарных к неэлементарным задачам (дидактический принцип перехода от простого к сложному).
Важно отметить, что в физике элементарные и неэлементарные задачи называются, соответственно, простыми и сложными, например, элементарной задачей можно назвать: «Найти длину волны фотона, импульс которого равен импульсу электрона с кинетической энергией К = 0,30МэВ», а неэлементарной задачей - «Короткий импульс света энергией Е = 7,5Дж падает на зеркальную пластинку с коэффициентом отражения р = 0,60. Угол падения і? = 30. Найти импульс, переданный пластинке.»
С нашей точки зрения, данный подход практически ничем не отличается от традиционного, когда задачи подбираются с учетом дидактического принципа доступности от простых (элементарных) к сложным (неэлементарными) задачам.
Основываясь на идее Р. Г. Хазанкина, Н. И. Зильберберг в своей книге [65] предлагает практические способы выбора и формирования списка ключевых задач и подробно описывает методику обучения решению ключевых задач.
В частности, автор предлагает четыре способа подбора ключевых задач:
1. Способ, основанный на выделении знаний, которые должны быть сформированы у учеников после изучения темы.
2. Способ исключения и дополнения.
3. Способ выделения ключевых задач, основанный на методах решения задач по изучаемой теме.
4. Комбинаторный способ. Первый способ основан на выделении знаний, которые должны быть сформированы у обучаемых после изучения конкретной темы. Для отбора задач требуется просмотреть известные учителю задачи по теме и соотнести их с знаниями, которые планируется сформировать. Далее выбираются такие задачи, овладев умениями решать которые обучаемый сможет решить любую задачу определенного уровня сложности.
Цели, задачи и организация педагогического эксперимента
Педагогический эксперимент - это «...метод внесения в педагогический процесс преднамеренных изменений, рассчитанных на повышение его эффективности, с постоянной проверкой и оценкой результатов. По существу, это специально поставленный опыт, проводящийся на научной основе по заранее разработанной программе или проекту» [61, с. 154].
Экспериментальная работа обеспечивает проверку на практике идеи исследования, поэтому ее цель в рамках данного диссертационного исследования можно сформулировать следующим образом: выявление влияния разработанной методики обучения решению задач по квантовой механике с использованием ССВ на уровень сформированности умения решать задачи по квантовой механике у студентов педагогических вузов.
Цель конкретизируется в виде следующих задач экспериментальной работы:
- анализ методических подходов к обучению решению задач по квантовой механике студентов педагогических вузов;
- анализ психолого-педагогических и дидактических возможностей использования ИТ (в том числе и ССВ) в процессе обучения физике и при решении задач;
- анализ возможностей использования метода ключевых задач в процессе обучения квантовой механике студентов педагогических вузов;
- построение методики обучения решению задач по квантовой механике с использованием системы символьных вычислений Maple и включение ее в процесс обучения студентов;
- проверка влияния разработанной методики на уровень сформированности умений решать задачи по квантовой механике.
Задача экспериментального доказательства факта повышения уровня сформированное умения решать задачи по квантовой механике является достаточно сложной. Дело в том, что количественные и качественные изменения в умении решать задачи студентов являются результатом взаимодействия многих факторов (например, изучение таких дисциплин, как общая физика, квантовая механика, практикум решения задач по физике и др.).
В нашей работе мы подобрали контрольную и экспериментальную группы таким образом, чтобы максимально исключить влияние на результаты посторонних факторов. Так, например, всех студентов обучал один и тот же преподаватель, ведущий лекционные и практические занятия курса «Квантовая механика», основная цель которого - формирование современных представлений о физической картине мира, следовательно, первоначально в обеих группах наблюдалось педагогическое воздействие одной и той же методики обучения, а также исключен фактор влияния личности преподавателя на уровень сформированности знаний и умений студентов и т. д.
Для доказательства обоснованности выбора контрольной и экспериментальной групп (одинаковый уровень сформированности умений решать задачи по квантовой механике) использован r-критерий Стьюдента [53]. С этой целью была проведена контрольная работа, позволяющая определить фактический уровень знаний и умений по квантовой механике у студентов 4 курса после изучения курса «Квантовая механика». Оценивание результатов контрольной работы выполнялось следующим образом. В контрольной работе предусматривалось выполнение 15 заданий. За правильное выполнение каждого задания студент мог получить от 2 до 8 баллов в зависимости от сложности. Следовательно, каждый студент за выполнение контрольной работы мог набрать от 0 баллов (ни одно задание не выполнено) до 60 баллов (все задания выполнены правильно). Полученные результаты расчетов с вероятностью 99 % позволяют сделать вывод о том, что уровень знаний и умений по квантовой механике студентов выбранных контрольных и экспериментальных групп является одинаковым. Дальнейшая статистическая обработка результатов экспериментальной работы основывалась на положении о том, что обучение студентов обеих групп велось одинаково. Отличие в условиях преподавания в экспериментальной (ЭГ) и контрольной (КГ) группах заключалось в том, что в ЭГ обучение проводилось по предлагаемой нами методике.
Исследование проводилось на физико-математическом факультете Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии (НТГСПА) в 2001 - 2006 уч. гг. и на физическом факультете в Уральском государственном педагогическом университете в 2003 - 2004 уч. гг.
Известно, что экспериментальная работа проводится в несколько этапов и включает в себя констатирующий, поисковый и формирующий эксперименты [153]. Опишем кратко задачи и результаты каждого этапа.
