Содержание к диссертации
Введение
1. Основные принципы процесса обучения 7
1.1. Принцип целостности курса общей физики 7
1.2. Принцип единства теоретических и экспериментальных навыков и умений решать физические задачи 12
1.3. Принцип индивидуализации обучения 14
1.4. Принцип взаимообратной связи 15
1.5. Принцип информатизации процесса обучения 19
Основные результаты главы 22
2. Цельность курса общей физики и внутрипредметные связи (ВПС) 25
2.1. Структурирование традиционного курса общей физики 25
2.2. Внутрипредметные связи и их свойства 30
2.3. Классификация элементов групп на основе ВПС 35
2.4. Оптимизация КОФ на основе ВПС 37
Основные результаты главы 38
3. Объединенное лабораторно - практическое занятие - комплексная технология обучения... 39
3.1. Образовательные технологии. Формы и методы обучения 39
3.2. Объединенное лабораторно- практическое занятие (ОЛПЗ) 54
3.2.1. Технология проведения ОЛПЗ 54
3.2.2. Новая технология и основные принципы обучения 60
3.3. Рейтинговая система контроля самостоятельной работы студентов 64
Основные результаты главы 68
4. Экспериментальная проверка технологии обучения 71
4.1. Методы и средства эксперимента 71
4.2. Констатирующий эксперимент 74
4.3. Анализ результатов эксперимента 76
Заключение 84
Литература 85
Приложения 99
- Принцип целостности курса общей физики
- Структурирование традиционного курса общей физики
- Образовательные технологии. Формы и методы обучения
Введение к работе
Конец двадцатого века ознаменовался в России тяжелейшим кризисом не только в экономической, политической и социальной областях, но и в сфере образования. Согласно [ 126] кризис можно определить как:
-несоответствие содержания образования современному уровню развития знаний;
-разрыв между содержанием образования, реальными образовательными запросами учащихся и развивающимися потребностями общества;
-углубляющееся социальное неравенство в области образования;
-растущий дисбаланс между сферой образования и рынком труда, неспособность образования адаптироваться к новым условиям профессиональной деятельности;
-увеличивающийся разрыв между потребностью в информации и способами доступа к ней.
Перечисленные признаки характерны не только для России. В октябре 1978 года после Международной конференции, прошедшей в Вильямсбурге (штат Вирджиния, США), Ф.Кумбс [79] следующим образом определил сущность мирового кризиса образования. По его мнению, начиная с 1945 года, во всех странах наблюдался огромный скачок в развитии и изменении социальных условий - "революции" в науке, технике, экономике, политике, демографии. Инерционность систем образования привела к тому, что "...возникший в результате этого разрыв между образованием и условиями жизни общества, разрыв, принимающий самые различные формы, и составляет суть мирового кризиса образования...".
Опыт разрешения кризисных ситуаций за рубежом показал [126], что:
1. Темпы развития образовательной системы во многом определяются успехами экономического развития и, как следствие, размером финансовой поддержки со стороны государства. К примеру, в США, где образование занимает приоритетные позиции в бюджетной политике, в конце 1980-х годов расходы на образование впервые за всю историю страны превысили бюджет министерства обороны и в 1994 году составили 353 млрд. долл. (в том числе 142 млрд. долл. выделено на высшее образование). Эти показатели соответ-
ственно в 5 и 5,6 раза превышают показатели 1970 года.
II. Выход из кризиса связан необходимостью отказа от традиционных стереотипов, консервативных систем образования и перехода к более гибким, динамичным организационным структурам, находящимся в перманентном развитии, быстро реагирующим на запросы как общества в целом, так и отдельных его членов. Структурная перестройка высшего образования определилась появлением и развитием трех новых типов учебных заведений. Первый тип - технические, технологические и научно-технические университеты. Второй тип учебных заведений обеспечивал интеграцию высшего и среднего специального образования. Это политехнические колледжи в Великобритании, объединенные высшие школы в ФРГ. И, наконец, третий тип учебных заведений, обеспечивающий краткий цикл высшего образования. Это университетские технологические институты во Франции, высшие профессиональные школы в ФРГ, двухгодичные колледжи в США и Японии.
lit. Реформы высшего образования за рубежом затронули и существенно изменили содержание образования, включая следующие положения [ 126]:
Разработка учебных программ, обеспечивающих уровень подготовки специалистов, необходимый как для современного, так и для перспективного производства, определение логической структуры и последовательности изучения учебных дисциплин, внедрение междисциплинарного подхода при организации учебного процесса;
Фундаментализация и общепрофессионализация высшего образования (особенно в 80-е - 90-е годы). Проявилась тенденция к увеличению времени, отводимого на изучение общетеоретических и общенаучных дисциплин.
Индивидуализация обучения;
Оптимизация распределения учебного времени между аудиторными занятиями и самостоятельной работой с усилением акцента на последнюю;
Гуманитаризация инженерного и естественнонаучного образования и технизация гуманитарного.
Анализируя процессы изменений высшей школы, происходившие в России с начала века, Ю.Г. Татур [119] показывает, что "за восемьдесят лет фактически изменились только масштабы высшей школы, парадигма же высше-
го образования, а также и модель функционирования учебною процесса в личностных измерениях практически не изменились". Снижение экономической активности в 80-х годах быстро отразилось на деятельности высшей школы.
Очевидно, что пути выхода из кризиса образовательной системы России во многом повторяют реформы 60-х-70-х годов в области образования ведущих стран мира. В Государственной программе развития высшего образования сформулированы основные принципы, в числе которых:
обеспечение многообразия типов высшего образования по срокам, уровням подготовки, формам обучения, выдаваемым дипломам, академическим и ученым степеням и званиям (принцип разнообразия);
обеспечение преемственности и необходимой степени интеграции ступеней образования в рамках системы непрерывного образования (принцип единства);
децентрализация и демократизация управления, предоставление самостоятельности вузам в решении стоящих перед ними задач (принцип саморазвития);
обеспечение качества образовательных программ, их ценности для общества и личности (принцип качества);
удовлетворение потребностей регионов в высококвалифицированных трудовых ресурсах с наименьшими затратами (принцип эффективности).
Практическая реализация первых двух принципов привела к структурным изменениям высшей школы. Как и в 70-х годах за рубежом, в России появились новые типы учебных заведений:
технические и муниципальные университеты;
лицеи и колледжи при вузах, интегрирующие высшее и среднее специализированное образование;
учебные заведения, обеспечивающие очно-ускоренное обучение, что по
зволяет получить высшее образование за короткий срок на базе специализи
рованного среднего.
Реализация принципа качества с необходимостью требует реформирования содержания высшего образования, по крайней мере по пяти выделенным
6 направлениям реформы содержания образования (см. стр. 4).
Резюмируя сравнительный анализ путей выхода из кризиса систем образования ведущих стран мира и России, выделим три основные направления, определяющие стратегию реформ:
Приоритетное финансирование образования;
Структурная перестройка образовательных систем;
Реформирование содержания образования, которое возможно лишь на базе новых образовательных технологий, удовлетворяющих по крайней мере, пяти положениям, перечисленным на стр.4.
Поэтому актуальность данной работы несомненна, так как ее целью является разработка образовательной технологии, обеспечивающей формирование у студентов:
представлений о целостности курса общей физики (КОФ), его структуре и внутрипредметных связях (ВПС);
навыков и умений решать физические задачи;
умения ориентироваться в общем информационном пространстве и создавать личную информационную среду.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Сформулировать основные принципы обучения физике;
Разработать основы теории ВПС, определив их количественные и качественные свойства;
Провести стуктурирование КОФ;
Сформировать набор способов и методов проведения занитий в рамках предлагаемой технологии;
На основе педагогического эксперимента выявить преимущества и недостатки защищаемой технологии.
1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЦЕССА ОБУЧЕНИЯ
Направления реформы содержания образования [126], приведенные во введении (стр.4), могут быть положены в основу любой образовательной технологии. По-нашему мнению, принципами обучения, адекватными сформулированным положениям, являются:
Принцип целостности курса общей физики
Концепция фундаментализации образования, лежащая в основе реформы высшей школы [119], выводит курс общей физики (КОФ) на уровень основополагающей, фундаментальной дисциплины, основной задачей которой является формирование у студентов физической модели природы - физической картины мира (ФКМ).
Различные подходы к анализу понятия физической картины мира прослеживаются в работах В.Ф. Ефименко [61-65,142], А.И. Ахиезера [14], В.С, Готта [52,53], Б.Я. Пахомова [94], B.C. Степина [118]. Наиболее общая трактовка понятия ФКМ дана в исследованиях В.Ф. Ефименко [65, 142], который отмечает следующие аспекты:
1. ФКМ является высшим уровнем обобщения и систем атизациифизическо-го знания, на котором наиболее полно осуществлена взаимосвязь (взаимодействие, взаимообогащение) физики и философии.
2. В ФКМ находят свою естественнонаучную конкретизацию представления о строении (структуре) и движении материи, о формах ее существования (пространстве и времени), о фундаментальных физических взаимодействиях и о закономерностях развития научного познания. ФКМ является наиболее существенной частью общенаучной картины мира и занимает доминирующее положение в современном естествознании.
3. ФКМ - это физическая модель природы, построенная на основе систематизации наиболее общих концепций, понятий, принципов, законов, теорий и гипотез, соответствующих конкретному историческому этапу развития физики.
4. Эволюция ФКМ (процесс зарождения, становления, развития и смены представлений о природе) отражает непрерывный процесс развития и углубления познания.
Проблема формирования мировоззрения студентов при изучении физики исследуется в работах В.Ф. Ефименко [64,65], И.В.Савельева [105], В.Н.Мощанского [91]. Построению содержания курса физики, обеспечивающего развивающий эффект на основе фундаментальных физических теорий, посвятил работу В.В. Мултановский [92]. В.А. Извозчиков [69, 108 (стр.10-11)], рассматривает физическую картину мира опосредованно через гуманистический аспект курса физики. Подобные идеи можно найти у Г.Г. Гранатова [55], который утверждает, что идеальная картина мира складывается и в науке, и в сознании отдельного человека из картины Природы, картины общества и "картины мышления". Характер их гармонии, доминирование того или иного элемента этой "триады" и, соответственно, уровень рефлексии зависят от возрастных и генетических особенностей человека, от его образованности, профессиональной направленности деятельности и многих других факторов.
Существуют и довольно спорные мнения по методологизации и повышению научного уровня курса физики. Например, АС. Кондратьев [108 (стр.3)] утверждает, что внедрение персонального компьютера, как в научные исследования, так и в систему образования превращает классическую диаду "теоретическая физика -экспериментальная физика" в триаду "теоретическая физика - экспериментальная физика - вычислительная физика".
Неоднозначность в трактовке понятия физической картины мира находит свое отражение и в том, что проблема структурирования и систематизации материала курсов физики в вузах решается разными авторами по-разному.
Структурированию КОФ в 40-х - 70-х годах можно сопоставить исторически сложившееся структурирование физики (как науки), которое определилось выбором
объекта исследования (физика твердого тела, физика магнитных явлений);
метода исследования (экспериментальная физика, спектроскопия, теоретическая физика);
формы движения материи (механика, молекулярная физика, электромагнетизм).
Если деление КОФ (см., например, [80,103,114,124]) на такие части как "Механика", "Молекулярная физика и термодинамика", "Электричество и магнетизм" проводилось сообразно формам движения материи, то разделы "Оптика", "Атомная физика", "Физика ядра и элементарных частиц" можно сопоставить соответствующим объектам исследования.
Структурирование традиционного курса общей физики
Структурирование курса общей физики, находящееся в диалектическом противоречии с концепцией единства физики, является неотъемлемой частью основной задачи курса - формирования у студентов представлений о физической картине мира.
Степень разрешения этого противоречия зависит от современного уровня знаний о явлениях природы, их взаимосвязи. Выделение одних и тех же физических величин и закономерностей, характеризующих природные явления, изучаемые в разных структурных элементах курса, позволяет установить связь между элементами структуры - внутрипредметные связи.
Как же выделить элемент структуры? По-нашему мнению ответ на поставленный вопрос напрямую связан с решением эквивалентной задачи о выделении объекта изучения.
Одна из структур традиционного курса физики представлена в табл. 2.1. Она соответствует одной из последних версий курса общей физики, разработанного И.В. Савельевым [104], а также близкой ей версии КОФ Д.В, Сивухина [115], и отличается от структуры КОФ, предлагаемой А.В. Астаховым и Ю.М. Широковым [10-12]. Отличие связано с иной последовательностью изложения раздела "Волны" - "Упругие волны", согласно [10-12], изучаются в разделе "Механика". Объединение "Упругих" и "Электромагнитных" волн в один раздел можно найти и в Берклеевском курсе физики [17], который существенно отличается от известных курсов А.Н. Матвеева [86], Д.В. Сивухина [115], А.В. Астахова [10-12] и других тем, что изучение систем многих частиц (молекулярная физика, жидкости, твердые тела) выносится в последний раздел КОФ, называемый "Статистическая физика".
Разными авторами структурирование каждого раздела КОФ проводится по-своему [ 10-12,86,104,115]. Нам представляется возможным в основу структурирования и систематизации материала положить те или иные физические свойства изучаемых объектов. Например, изучая электромагнитное поле имеет смысл рассматривать его два качественно отличающихся состояния: стационарное и нестационарное.
Кажущееся условным деление содержит глубокий физический смысл. Процесс измерения наблюдаемой физической величины имеет характерную длительность т. Поэтому в зависимости от соотношения между т и характерным временем протекания физического явления (временем изменения физических величин, характеризующих данное явление) Т, мы фиксируем стационарные, либо нестационарные эффекты.
Если Т « т, то физические величины настолько медленно меняются в процессе измерения, что их средние значения, измеряемые на опыте, постоянны. В этом случае можно говорить о стационарности физического явления.
При Т » т, средние значения наблюдаемых физических величин, измеряемых на опыте, меняются во времени - физические явления нестационарны.
Таким образом, можно выделить два структурных элемента, соответствующих двум объектам изучения: стационарное и переменное электромагнитное поле.
Анализ поведения ЭМП в системе с большим числом заряженных частиц (атомов и молекул) невозможен без привлечения дополнительных моделей. Это связано с одной стороны с тем, что характеристики ЭМП бесконечны на заряженных частицах, с другой стороны невозможно точно определить микроскопическое (по Лоренцу) ЭМП, т.к. оно определяется огромным числом неизвестных параметров (координатами и скоростями частиц системы).
Переход к макроскопически непрерывным характеристикам: плотности заряда, усредненным по физически бесконечно малому объему, напряженностям электрического и магнитного полей, позволяет изучать электромагнитное поле в различных средах.
Из вышесказанного следует, что изучение электромагнитного поля возможно последовательным изучением следующих объектов:
стационарное электромагнитное поле в вакууме,
стационарное электромагнитное поле в веществе,
переменное электромагнитное поле в вакууме,
переменное электромагнитное поле в веществе.
В системе отсчета, сопутствующей заряженной частице (системе зарядов) создаваемое ей (ими) стационарное электромагнитное поле является только электрическим. В этом случае к объектам изучения относятся:
электростатическое поле в вакууме,
электростатическое поле в веществе.
В любой другой равномерно движущейся системе отсчета к стационарному электрическому полю добавится стационарное магнитное, объектами изучения которого являются:
стационарное магнитное поле в вакууме,
стационарное магнитное поле в веществе.
Образовательные технологии. Формы и методы обучения
Анализируя распределение элементов группы в структуре КОФ (см. таблицу 2.2.), можно выделить элементы, имеющие лишь один узел (например, J14 (EG ) - закон Кюри - Вейсса). Назовем такие элементы локальными, все остальные будем относить к нелокальным. Последние разделим на две части:
фундаментальные, проявившиеся в каждом из пяти разделов КОФ: "Механике", "Молекулярной физике и термодинамике", "Электромагнетизме", "Волнах", "Атомной и ядерной физике", и
нефундаментальные, не обладающие названным выше свойством.
Можно полагать, что ВПС осуществляемые через фундаментальные элементы должны иметь достаточно большую длину. По крайней мере длина такой фундаментальной ВПС, независимо от выбора EG",, не должна быть меньше длины связи между последним узлом раздела "Механика" и первым узлом "Атомной и ядерной физики". Так в рассматриваемой структуре КОФ для длины фундаментальной ВПС должно выполняться соотношение: L 13, а для относительной максимальной длины фундаментальной ВПС L 0,68.
В качестве количественного критерия значимости элементов групп выберем относительную максимальную длину связи L(EG ). Расчет L(EG ), представленный в соответствующей графе таблицы 2.2., показывает, что для фундаментальных элементов L(EG ) укладывается в интервал от 0,89 до 1,0, в то время как нефундаментальные имеют, в основном, существенно меньшие значения относительной длины ВПС.
Дополнительным по отношению к L(EG ) критерием значимости элементов в группе может служить сила связи максимальной длины fik(EG);). Так, например, "Закон сохранения энергии" занимает второе место, а "Закон сохранения заряда" - четвертое, в перечне фундаментальных законов, так как при одинаковых значениях L(EGt) = L(EG() = 0,89, силы этих ВПС разные f(EG ) = 1, a f(EG44) = 0,65.
Отметим, что справедливо отнесенные нами к фундаментальным законы сохранения импульса, момента импульса и закон Кулона проявляются не во всех разделах КОФ. Снижение их значимости по сравнению с законом сохранения энергии связано с отсутствием в традиционном КОФ материала, включающего эти законы, что и приводит к уменьшению силы связи максимальной длины f(EG);).. Поэтому можно рекомендовать, например,:
1) включить в раздел "Электромагнетизм" задачи движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях, решение которых основано на использовании законов сохранения энергии, импульса, момента импульса;
2) в раздел "Молекулярная физика и термодинамика" включить задачи, относящиеся к молекулярно-кинетической теории вещества, и требующие знания перечисленных выше законов сохранения;
3) в раздел "Волны", включить задачу "Излучение точечного заряда", поле которого в приближении V « С переходит в кулоновское.
Указанные, далеко не единственные дополнения, усиливая ВПС, могут способствовать формированию у студентов целостных представлений о КОФ.
