Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Проблема использования моделей и моделирования в учебном физическом эксперименте по геометрической оптике . 10
1.1. Понятие и место моделей и моделирования в физике и методике обучения физике . . 10
1.2. Проблема развития школьников средствами физического эксперимента . . 37
1.3. Характеристика методики использования школьного физического эксперимента по геометрической оптике. . 50
1.4. Изучение практики обучения физике с точки зрения сформулированной проблемы . 62
Глава II. Теория и методика использования учебного физического эксперимента как средства формирования у учащихся знаний о моделях и действий моделирования . 78
2.1. Теоретическая концепция формирования знаний о моделях при использовании учебного физического эксперимента . 78
2.2. Концепция формирования умений моделировать физические объекты и явления . 93
2.3. Построение методики изучения темы «Световые явления» 107
2.4. Формирование знаний о моделях и действий моделирования при изучении световых явлений во внеурочной работе . 133
Глава III. Экспериментальная проверка гипотезы исследования . 144
3.1. Организация и методика проведения экспериментального исследования 144
3.2. Результаты педагогического эксперимента и их анализ . 152
Заключение. 172
Литература. 173
Приложение 192
- Понятие и место моделей и моделирования в физике и методике обучения физике
- Теоретическая концепция формирования знаний о моделях при использовании учебного физического эксперимента
- Организация и методика проведения экспериментального исследования
Введение к работе
В настоящее время одной из самых важных задач, стоящих перед школой, является формирование личности, обладающей системой базовых знаний, адекватных современному миропониманию, и системой знаний и умений, необходимых для самостоятельного изучения и объяснения явлений окружающего мира. Одним из средств формирования такой личности является построение учебного процесса с прямым использованием достижений методологии науки, в частности, изучение на уроках физики вопросов методологии науки, использование при обучении моделей и моделирования. Постановка этой проблемы диктуется социальным заказом и отражается в Концепциях физического образования и в Стандартах образования [11, 38, 75, 174]. Требования Стандарта закладываются в основные и проектные Программы [140, С. 4, 7, 32; 49, С. 14, 16, 19] и рекомендуемые учебные пособия [138], учитываются в концепциях разрабатываемых учебников, пособий и рекомендаций к ним [30, 38]. Проблема освещается в целом ряде диссертационных исследований [1,130, 186 и др.].
Важность включения в содержание предмета физика вопросов теории познания осознана психологами, дидактами, учеными-методистами достаточно давно. Первые исследования, среди которых, например, [60, 62, 69, 137, 150, 165,167], рассматривающие возможность изучения части этих вопросов (моделей и моделирования) в школьном курсе физики и их влияние на процесс усвоения учащимися содержания элементов теории науки физики, выполнялись уже в конце 60-х, начале 70-х годов. В частности, в одном из исследований (В. К. Рогушин) была показана важность включения вопросов о моделях и моделировании в содержание геометрической оптики для повышения эффективности (облегчения) изучения ее программных вопросов слабовидящими детьми. Однако для массовой школы значимость включения в предмет усвоения моделей и моделирования долгое время ставилась под сомнение, в том числе и ведущими учеными (см. напр., [68]).
На сегодняшний день в педагогической психологии и дидактике общедидактические проблемы моделей и моделирования раскрыты достаточно определенно (В. В. Давыдов, М. К. Мамардашвили, Л. М. Фридман). А в методике физики имеется устойчивая тенденция усиления роли моделей при конструировании содержания, выделения умений моделирования, как важнейшего общеучебного умения (С. Е. Каменецкий, В. В. Мултанов-ский, И. И. Нурминский, В. Г. Разумовский, Ю. А. Сауров, Н. А. Солоду-хин, Т. Н. Шамало, Н. В. Шаронова, Д. Ш. Шодиев). Но частных методических исследований по вопросам изучения моделей и моделирования в школьном курсе физики сравнительно мало, и они решают очень небольшой круг вопросов практического использования моделей и моделирования в учебном процессе. В предшествующих исследованиях не ставился четко вопрос о влиянии эксперимента на формирование теоретических знаний и месте моделей и моделирования в этом процессе.
Опираясь на вышесказанное, научную проблему мы видим в следующем: многие базисные предметы начальной школы (в том числе математика, русский язык), построенные на современных психолого-дидактических теориях обучения, рассматривают модели и моделирование в качестве основных объектов усвоения, но при обучении физике (как в базовой, так и старшей школе) этот подход не находит последовательного решения; осознано общее значение и роль моделей и моделирования, но нет рекомендаций для учителя по формированию у учащихся знаний о моделях и действий моделирования; классические работы по проблемам совершенствования учебного физического эксперимента (УФЭ) значительное внимание уделяют технике физического эксперимента и при этом в рамках разных методов недостаточно раскрывают потенциал эксперимента в развитии ученика; общие идеи о месте моделирования при проведении учебного физического эксперимента не всегда выражаются внятно, обычно не доведены до технологических решений, пригодных для прак тического использования.
Объектом исследования является процесс развития ученика средствами учебного физического эксперимента при изучении геометрической оптики.
Предмет исследования - усвоение знаний о моделях и формирование умения моделировать изучаемые объекты и явления при использовании физического эксперимента.
Цель исследования состоит в разработке методики формирования у учащихся знаний о моделях и умений моделирования средствами физического эксперимента.
Для конструктивного решения обозначенной научной проблемы предлагаем следующую гипотезу исследования: если в методике использования физического эксперимента при изучении световых явлений выделить и уточнить значение, роль и место моделей и моделирования как содержательной составляющей учебного физического эксперимента, системообразующего элемента методики использования физического эксперимента, ориентировочной основы действий при самостоятельном экспериментировании, то это будет способствовать развитию учащихся, проявляющемуся, в частности в более осознанном и системном усвоении школьниками темы «Световые явления», формировании материалистических представлений, выраженных в четком отделении объектов природы и моделей науки, усвоении метода экспериментального научного познания, выраженного схемой «факты —модель — следствие — эксперимент», развитии мотива, выраженного в отношении к объектам и результатам исследования. * Из цели и гипотезы исследования «выводятся» следующие задачи исследования:
1. Проанализировать понятийный аппарат рассматриваемой методи ки УФЭ.
2. Изучить методику физического эксперимента по оптике с точки (Ф зрения формирования у учащихся знаний о моделях и действий моделиро вания средствами физического эксперимента.
3. Разработать теоретическую концепцию использования моделей и моделирования при проведении учебного физического эксперимента по геометрической оптике.
4. Разработать методику изучения темы «Световые явления» с ис- Ш пользованием разработанной концепции и построить процесс изучения школьниками данной темы.
Подобрать и разработать методики диагностики формирования знаний о моделях и действий моделирования.
Проанализировать эффективность применения формирующей ме-тодики для развития учащихся.
Для решения задач исследования использовались следующие методы: теоретические: сравнительный анализ известных знаний по изучае мой проблеме; восхождение от абстрактного к конкретному при конструи- т ровании новых концепций и методических проектов; синтез представлений при построении методики; моделирование при планировании и описании педагогического эксперимента, при интерпретации экспериментальных данных; экспериментальные: диагностическое изучение изменения знаний и развития школьников до и после изучения раздела «Световые явления»; поисковый, лабораторный и формирующий педагогический эксперимент; личное преподавание; внедрение разработанной методики в практику преподавания учителей.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
1. Разработана концепция формирования у учащихся знаний о моделях средствами УФЭ, формулировка положений которой такова: учебный физический эксперимент - всегда эксперимент модель- 1 ныи, в частности, по целям и задачам его постановки и результа- там использования; последовательный учет модельного характера познания при постановке УФЭ способствует усвоению теоретических знаний; при реализации основных функций УФЭ всегда происходит формирование знаний о моделях; при активном формировании знаний о моделях УФЭ становится носителем содержания физического образования (совместно эмпирических и теоретических компонент), при этом знания приобретают новые формы; в любом учебном физическом эксперименте должно происходить изучение объектов природы, что прямо способствует усвоению теоретических знаний.
2. Разработана концепция формирования у учащихся умений моделировать физические объекты и явления при проведении УФЭ, которая состоит из следующих положений: моделирование определяет суть любого учебного познания, в частности, метода УФЭ; при постановке любого УФЭ действия моделирования выражаются в установлении взаимосвязи между объектами природы и объектами науки; для прямого и эффективного формирования действий моделирования УФЭ должен быть объектом усвоения; действия моделирования рассматриваются как целостный процесс учебной деятельности со всеми присущими ей элементами, и при этом структура учебной деятельности и действия моделирования как умения совпадают.
На основе предложенных концепций построена новая методика изучения темы «Световые явления», включающая планирование занятий, дидактическое пособие с инструкциями для 7 экспериментальных исследований, рассчитанные на классную и домашнюю работу, рекомендации по организации исследований и оценке их выполнения, новые эксперименты.
Разработан комплекс новых опытов по оптике (иллюзий и др.) для использования во внеурочной работе: семь демонстраций, два опыта - самостоятельных эксперимента и четыре экспериментальных задачи.
Получены экспериментальные данные об изучении школьниками знаний о моделях и формировании умений моделировать физические объекты и явления при выполнении УФЭ.
Теоретическая значимость исследования заключается в конкретизации и уточнении роли моделей и моделирования при использовании учебного физического эксперимента.
Практическая значимость исследования заключается в том, что предложенные теоретические концепции о формировании знаний о моделях и действий моделирования средствами УФЭ доведены до конкретных методик по изучению темы «Световые явления» на уроках физики и по изучению отдельных вопросов темы во внеурочной работе. Разработанные методики подкреплены тремя дидактическими пособиями и книгой с моделями уроков по изучению темы «Световые явления», предназначенных для широкого использования учителями школ.
Основные практические результаты и теоретические выводы исследования докладывались автором на проводимых ежегодно Всероссийских и Международной конференциях по проблемам учебного физического эксперимента в г. Глазове (1996, 1997, 1998, 1999, 2000), на I Республиканской научно-теоретической конференции «Модели и моделирование в методике обучения физике» в г. Кирове (1997), на Республиканской научно-практической конференции «Практика обучения физике как творчество» в г. Кирове (1998), на III научно-практической конференции ХБЛ «Проблемы формирования навыков творческой деятельности участников педагогического процесса» в г. Кирове (1998), на заседаниях кафедры теории и методики физики Вятского ГПУ (1999, 2000), на отчетных научных конференциях аспирантов и соискателей Вятского ГПУ (1998, 1999).
Основные результаты исследования также представлены в 21 публикации [26,27, 76 - 93,155].
На защиту выносятся следующие результаты исследования:
Концепции формирования у учащихся знаний о моделях и действий моделирования при использовании УФЭ.
Методика изучения световых явлений в 8 классе, построенная с учетом сформулированных концепций.
Методика формирования у учащихся знаний о моделях и действий моделирования с использованием УФЭ при внеурочном изучении оптических иллюзий.
Понятие и место моделей и моделирования в физике и методике обучения физике
Понятия «модель» и «моделирование» сейчас уже прочно вошли в методику физики. Их освоение началось в конце 60-х годов, но роль и ме-сто моделей и моделирования в обучении вообще и в эксперименте в частности до сих пор нуждаются в уточнении. Покажем существование этих проблем.
Закономерно предварить анализ использования моделей и моделирования в учебном процессе рассмотрением их значения в науке физике. Всеми исследователями отчетливо обозначается тот факт, что в развитии научного познания модели и моделирование имели скорее решающее, чем прикладное, значение. Ведь «наука», как пишет М. К. Мамардашвили, означает, прежде всего, создание специальных научных объектов (специфической предметности) и мышление о действительности посредством их, через них [107, С. 18-19]. При этом речь идет именно о сознательном создании и использовании учеными моделей.
В свое время разделение объектов науки на реальные объекты и их модели, а затем развитие этих представлений привело к зарождению экспериментального и теоретического начал естествознания, причем модели выступили связующим звеном между экспериментом и теорией, превратив их в методы единой науки. То есть между этапами становления физической науки, ее методов, и развитием представлений о моделях существует объективная связь (схема 1.1).
Расшифруем схему 1.1. Рассмотрение начнем с блока «Возникновение экспериментального естествознания». Зарождение экспериментального и теоретического методов физики началось еще в античные времена. В это время впервые появляются особые философские - теоретические представления, имеющие непосредственное отношение к реальному макромиру. Так в «Началах» Евклида (около 330 - 327 гг. до н. э.) была представлена аксиоматическая конструкция античной геометрии, построения которой носили зачастую физический характер.
В основе геометрии Евклида лежали реальные объекты - свет и тела.
Геометрические построения, аксиомы и теоремы опирались на представления о свете как идеальном объекте и о твердом теле, которое конструировалось из реального тела в процессе идеализации. Геометрия Евклида является первой логической системой понятий, трактующих поведение при родных объектов - тел с определенными свойствами и света. Современ ными исследователями истории физики высказывается мнение, что именно определенная идеальность света, его способность к «двойному присутствию» в идеальном мире геометрии и в реальном мире определили возможность возникновения экспериментальной физики [169, С. 131-133].
Следующий этап развития естествознания начинается с так называемой галилеевской эпохой, и в трудах Г. Галилея (1564 - 1642 гг.) происходит первичный синтез теоретических и эмпирических методов исследования. Свойство света прямолинейно распространяться на этот раз использует Галилей для теоретических описаний и создания измерительной практики. Теперь оптические приборы создаются по точным чертежам (проектам, моделям), отчего воспринимаются не как забавные игрушки, обманывающие зрение, а как средства, улучшающие зрение, повышающие разрешающую способность глаз ([71, С. 116-117; 9, С. 72]). Переоценка сути линзы, телескопа, превращение их в инструмент, стимулирует развитие экспериментального естествознания, которое немыслимо без точных измерений и (Ф приборов [169, С. 133-134]. Инструмент, по выражению просветителей XVIII века, «становится формой обнаружения действия природы» [126, ! С. 45].
Теоретическая концепция формирования знаний о моделях при использовании учебного физического эксперимента
Сформулируем концепцию формирования знаний о моделях при использовании учебного физического эксперимента. Она состоит из следующих положений:
учебный физический эксперимент - всегда эксперимент модельный, в частности, по целям и задачам его постановки и результатам использования;
при реализации основных функций учебного физического эксперимента всегда происходит формирование знаний о моделях;
последовательный учет модельного характера познания при постановке учебного физического эксперимента возможен и способствует совершенствованию усвоения теоретических знаний;
при активном формировании знаний о моделях физический эксперимент становится носителем содержания физического образования (теоретических и эмпирических компонент), при этом знания приобретают новые формы;
в любом учебном физическом эксперименте должно происходить исследование (изучение) объектов природы, что прямо способствует усвоению теоретических знаний.
Раскроем и обоснуем эти положения. Основания первого положения были частично рассмотрены в 1.3. В самом параграфе и на схеме 1.5 было показано, что, во-первых, в любом учебном физическом эксперименте используются учебные идеальные и (или) учебные материальные модели объектов и явлений, и, во-вторых, изучение этих моделей или отдельных их сторон, свойств должно являться целью проведения УФЭ. Именно такое представление об использовании моделей в учебном физическом эксперименте согласуется с представлением о значении моделей в научном эксперименте ведущих ученьж-физиков (М. Борн [33, С. 33]) и исследователей методологии науки. Как пишет А. В. Ахутин, в физике предметный опыт становится продуктивным (экспериментальным) только при условии, что ему предпосылается идеальный (с теоретической точки зрения) образ искомого, позволяющий определить, в каких условиях эмпирические результаты будут иметь теоретическое значение, и когда именно к этому идеальному образу (объекту) непосредственно относятся утверждения развиваемой теории [8, С. 14, 15]. Только в таком представлении учитывается общее назначение моделей в диалектике познания. Так В. А. Штофф пишет, что модель выступает промежуточным звеном, соединяющим в научном познании пары полюсов: чувственное и логическое, конкретное и абстрактное, наглядное и не наглядное [196, С. 290]. И если эксперимент является методом познания, то помимо полюса чувственности в нем должен быть заложен полюс логического (теория), а также сам переход между полюсами в лице моделей; где, говоря словами А. В. Ахутина, идеализированные объекты (модели - авт.) одновременно составляют мысленную сторону (выделено авт.) реального предмета опыта и выступают предметной, наглядной стороной теоретического знания [8, С. 15].
Проводя эксперимент, учащиеся всегда оперируют с двумя типами действительности (объектами) - объектами и явлениями природы, представляемыми учащимся в виде фактов, и продуктами осмысления этих фактов, выраженных в идеальных и материальных носителях или формах. Последние объекты, в конечном итоге, представляются учащимся в виде целостных образований и являются по сути материальными или идеальными моделями. Поэтому, что мы особо отмечаем, цель учебного физического эксперимента не ограничивается «сбором» и систематизацией учащимися фактического материала, а заключается в построении учащимися моделей изучаемых объектов или явлений, то есть в согласовании опытных результатов с определенной теорией или, в самом общем плане, с физической картиной мира.
Организация и методика проведения экспериментального исследования
Педагогическое исследование осуществлялось в четыре этапа. На первом этапе (1995 - 1996) в ходе изучения методической, философской, педагогической и психологической литературы был спланирован и проведен эксперимент по предварительной проверке некоторых положений гипотезы исследования. В нем изучались особенности и сама возможность формирования знаний о моделях и действий моделирования у учащихся 6-х (7-х) классов при экспериментальном изучении оптических иллюзий в рамках общегородского кружка.
По результатам проведения занятий кружка планировалось получить экспериментальные данные конкретно об изменении интересов и мотивации учащихся, об усвоении ими некоторых знаний о моделях и действий моделирования. Для получения этих данных в ходе исследования использовались методы наблюдения, анкетирования и анализа результатов деятельности. Анкету составляли вопросы об отношении учащихся к общей организации занятий, к содержанию изучаемого материала и к форме его изучения, о чтении учащимися дополнительной литературы, об оценке по школьному предмету физика (для учащихся 7-х классов), об их отношении к тому, чтобы этот кружок посещали школьные товарищи. Анализ результатов деятельности включал изучение письменных отчетов учащихся по сделанным наблюдениям, анализ их ответов на вопросы и разработанных ими экспериментов. В педагогическом эксперименте не использовались контрольные работы и тесты по проверке усвоенных знаний и умений, и это объясняется тем, что усвоение учащимися материала носило добро- вольный и выборочный характер. Результаты этого эксперимента представлены в На втором этапе исследования (1996 - 1997) было продолжено изучение специальной литературы, и на основе этого разработаны и проведены констатирующий эксперимент и формирующий эксперимент с использованием первой методики. Целью констатирующего эксперимента было получение экспериментальных данных, подтверждающих проблему исследования. Формирующий эксперимент был направлен на изучение особенностей практической реализации разработанной методики и проверку положений гипотезы исследования.
В констатирующем эксперименте происходило изучение сформиро-ванности знаний о моделях и действий моделирования у выпускников школы после повторного изучения вопросов геометрической оптики. Форма проведения констатирующего эксперимента - тест. Тест содержал вопросы на знания определений и свойств основных моделей геометрической оптики, а также на умения применять эти знания для описания световых явлений. Чтобы результаты теста были не слишком заниженными из-за необычности вопросов, эксперимент проводился среди учащихся лучших школ г. Кирова (физико-математический лицей (ФМЛ), химико-биологический лицей (ХБЛ), средняя школа № 16), причем сразу после повторного изучения геометрической оптики.
Похожие диссертации на Модели и моделирование в методике использования учебного физического эксперимента (На материале темы "Световые явления")
