Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретическое обоснование модели обучения школьников естественнонаучным методам познания 17-64
1.1. Естественнонаучные методы познания как философская и методическая категория 17-27
1.2. Межпредметные связи биологии, химии и физики как условие обучения школьников естественнонаучным методам познания 27-34
1.3. Состояние проблемы обучения школьников естественнонаучным методам познания в практике преподавания биологии, химии и физики 34-39
1.4. Состояние проблемы обучения школьников естественнонаучным методам познания в теоретических исследованиях по методике преподавания биологии, химии и физики 39-50
1.5. Психолого-педагогические основы обучения школьников естественнонаучным методам познания 50-57
1.6. Модель методики обучения школьников естественнонаучным методам познания на основе межпредметных связей биологии, химии и физики 57-62
Выводы по главе 1 62-64
Глава 2. Методика обучения школьников естественнонаучным методам познания на основе межпредметных связей биологии, химии и физики 65-124
2.1. Анализ учебно-методических комплексов по биологии, химии и физике с целью обучения школьников естественнонаучным методам познания 65-80
2.2. Методика проведения уроков межпредметного модуля "Естественнонаучные методы познания" 80-95
2.3. Методика проведения уроков-исследований по биологии, химии и физике 95-100
2.4. Обучение школьников естественнонаучным методам познания на занятиях естественнонаучного кружка 100-110
2.5. Обучение школьников естественнонаучным методам познания в проектной деятельности 111-122
Выводы по главе 2 122-124
Глава 3. Педагогический эксперимент 125-177
3.1. Общая характеристика педагогического эксперимента 125-126
3.2. Констатирующий эксперимент 126-137
3.3. Поисковый эксперимент 137-145
3.4. Обучающий эксперимент 145-176 Выводы по главе 3 176-177 Заключение 178-180 Список литературы 181-198
Приложения 199-232
- Межпредметные связи биологии, химии и физики как условие обучения школьников естественнонаучным методам познания
- Состояние проблемы обучения школьников естественнонаучным методам познания в теоретических исследованиях по методике преподавания биологии, химии и физики
- Методика проведения уроков межпредметного модуля "Естественнонаучные методы познания"
- Констатирующий эксперимент
Межпредметные связи биологии, химии и физики как условие обучения школьников естественнонаучным методам познания
Серым цветом на схеме 1 выделены методы, которые являются объектом рассмотрения в рамках данного исследования. Их можно обозначить термином «естественнонаучные методы познания».
Как следует из схемы, ЕНМП - это общенаучные и частнонаучные методы познания, применяемые для получения новых естественнонаучных знаний. К общенаучным методам относят эмпирические методы познания (наблюдение, эксперимент и измерение), и теоретические методы (моделирование, классификация, идеализация, аналогия и другие). К частнонаучным относят такие методы, которые применяются в отдельных науках, как например, микроскопирование, электрофорез, хроматография, рентгеновский метод, гибридологический метод и другие.
Определим некоторые ЕНМП, обучение которым целесообразно организовывать в основной школе.
Наблюдение - это метод, который дает возможность накапливать первоначальные данные об объекте исследования при минимальном воздействии на него исследователя. Научное наблюдение от обыденного отличает четко поставленная цель и ясно сформулированные задачи, связь с теоретическими представлениями и осуществлением заранее продуманного плана [172, С. 128].
В результате наблюдения устанавливаются факты, которые необходимо фиксировать отдельно от их интерпретации. Объективность подтверждается показанием приборов, которые усиливают восприятие органами чувств. Важное место в наблюдении занимает операция измерения. Измерение представляет собой определение отношения одной измеряемой величины к другой, взятой за эталон, с использованием различных приборов [172, С. 120].
Общепризнанно, что эксперимент представляет собой более эффективный метод, отличающийся от наблюдения тем, что исследователь в ходе эксперимента активно воздействует на объект исследования путем создания искусственных условий, необходимых для выявления ранее неизвестных свойств предмета. Выделяют несколько основных видов экспериментов: качественные эксперименты (устанавливают наличие или отсутствие предполагаемых явлений); количественные (устанавливают численные параметры изучаемого процесса или явления); мысленный эксперимент (применяется в фундаментальных науках); модельный эксперимент (вместо реального объекта используется его модель) [172, С. 131]. которая является заместителем реального объекта в силу определенного сходства с ним. Первая функция моделирования состоит в материализации, опредмечивании идеального. Построение и исследование модели равнозначно исследованию реального объекта с той лишь разницей, что первое совершается идеально, а второе - материально. Вторая важная функция моделирования состоит в том, что модель выступает программой действия по предстоящему построению, сооружению моделируемого объекта [172, С. 149].
Метод моделирования, по Е.В. Ушакову, характеризуется следующими особенностями: 1) применяется в том случае, если объект труднодоступен для изучения; 2) должен быть основан на принципе подобия модели объекту (использование аналогий); 3) связан с методом абстрагирования (отвлечение от реальных свойств объекта с целью выработки абстрактных понятий, характеризующих данный объект); 4) связан с методом идеализации (мысленное конструирование понятий, теорий об объектах, которых нет в реальном мире, но есть их близкий прообраз или аналог, например, идеальный газ, математическая точка, абсолютно твердое тело, вид и т.д.) [172, С. 151]. Метод классификации являет собой объединение различных объектов в определенные группы с целью установления связей между ними [172, С. 173]. В химии и биологических науках данный метод широко применим. Классификация представляет собой метод объединения различных объектов в определенные группы с целью установления связей между ними, который основан на сравнении, анализе и синтезе. В.Л. Обухова, Ю.Н. Солонина и ряд других исследователей выделяют следующие особенности метода классификации: 1) накопление объема понятия (класса объектов, которые обозначаются данным понятием); 2) аналитическое продвижение (изучение признаков объектов до возможно мелких элементов); 3) разработка критериев (основание деления), опираясь на сравнение объектов изучения; 4) четкое деление объема понятия (формирование подклассов исходного объема понятия); 5) исключение пересечений подобъёмов исходного объема понятий; 6) построение системы на основе разработанной терминологии (номенклатуры) по дедуктивному принципу (от общего к частному); 7) классификация является законченной, если удается максимально четко структурировать объем понятия на основе постоянных оснований деления без пересечений элементов и невыделенных элементов системы [115, С. 414].
С.А. Шапоринский обосновал необходимость использования методов научного познания (далее - МНП) при организации учебной деятельности по аналогии с научным познанием: «На процесс и методы обучения влияет не только сам характер общего, но также и сложность его выделения в отдельном как реальном носителе общего, от формы выражения общего в естественном или формализованном языке, возможности его знакового или незнакового моделирования. Учебная классификация знания и его объектов, равно как и содержание образования, должна включать (на старшей ступени обучения) категории методологии научного познания» [179, С. 31].
С.А. Шапоринский выделяет этапы обучения школьников классификации: «Вводится и основа классификации и родо-видовых отношений. Используется сочетание индукции и дедукции. Последующее совершенствование знаний на основе самостоятельной работы происходит путем упражнений учащихся в выделении общего (классификационных признаков) в отдельных реальных объектах при вариации несущественных признаков. Конкретизация классификации и родо-видовых отношений также происходит на основе опознания (выделения) изучаемых объектов в реальных условиях и наглядной фиксации учеником признаков (рисунок, схема и т.п.)» [179, С. 52].
В работах ученых-методистов встречаются термины «естественнонаучные методы познания», «научный метод», «экспериментальные методы», «теоретические методы» и названия некоторых ЕНМП (наблюдение, эксперимент, измерение, моделирование, классификация, идеализация, аналогия, и другие), которым, по мнению авторов, необходимо обучать школьников.
Состояние проблемы обучения школьников естественнонаучным методам познания в теоретических исследованиях по методике преподавания биологии, химии и физики
В таблице 7 содержатся примеры эмпирических методов научного познания, к которым относятся наблюдение и эксперимент. Учащиеся 8-го класса довольно часто встречаются с этими методами в биологии, химии и физике. Так, например, в ходе выполнения лабораторных работ с помощью микроскопа по биологии они наблюдают строение клеток и тканей, по химии - чистые вещества и смеси, по физике - рост кристаллов. Кроме того, на биологии восьмиклассники наблюдают условные и безусловные рефлексы, на химии - химические процессы, на физике - тепловые, капиллярные и другие физические явления и процессы в природе.
В 9-ом классе на уроках биологии учащиеся проводят наблюдения за приспособленностью организмов к условиям среды, изучают фазы митоза с помощью наблюдений делящихся клеток в микроскоп, наблюдают примеры мутационной и фенотипической изменчивости.
На уроках химии с помощью микроскопа девятиклассники организуют наблюдение за чистыми веществами и смесями, за выделением кислорода клетками водных растений при фотосинтезе и клетками живых тканей при обработке перекисью водорода. Кроме того, ученики 9-го класса наблюдают за изменением окраски различных объектов при изменении кислотности среды или в ходе химических превращений.
При изучении физики в 9-ом классе школьники наблюдают за перемещением движущихся тел в природе и технике относительно разных систем отсчета, а также за проявлением магнитных свойств некоторых веществ.
Кроме наблюдений, учебники по биологии, химии и физике 8-9-х классов содержат немало примеров экспериментов. Так, в ходе лабораторных работ по биологии, учащиеся 8-го класса экспериментально исследуют изменения размеров зрачка в зависимости от освещенности, влияние статической и динамической работы на утомление мышц, влияние физической нагрузки на число сердечных сокращений, воздействие ферментов, содержащихся в слюне и желудочном соке, на различные органические вещества. На уроках химии восьмиклассники организуют химические эксперименты по получению кислорода, водорода, дистиллированной воды и других веществ, а также по изучению физических и химических свойств различных веществ. При изучении физики в 8-ом классе экспериментально изучаются: - взаимосвязь между давлением, температурой и объемом газа; - зависимость силы тока от напряжения в электрической цепи; - зависимость давления жидкости от высоты столба жидкости и ее плотности. На уроках биологии в 9-ом классе учащиеся знакомятся с экспериментами выдающихся биологов: Ч. Дарвина, Л. Пастера, Ф. Реди, С. Миллера, Г. Юри, Г. Менделя, Т. Моргана, И.В. Мичурина и других. Кроме того, они сами организуют эксперименты по обнаружению каталитической активности пероксидазы в живых клетках и оценки состояния воды, воздуха и радиационного фона.
При изучении химии девятиклассники проводят эксперименты по изучению теории электрической диссоциации, реакций ионного обмена, окислительно-восстановительных реакций и химических свойств элементов разных групп таблицы Д.И. Менделеева.
Учебники физики 9-го класса содержат немало примеров экспериментов известных ученых: Г. Эрстеда, Э. Резерфорда, Дж. Максвелла, М. Фарадея, Ж. Фуко и других. Помимо этого, девятиклассники экспериментально измеряют ускорение движущихся тел, период колебания маятника и другие физические величины.
В таблице 8 содержатся примеры теоретических ЕНМП, имеющиеся в учебниках 8-9-х классов по биологии, химии и физике. К ним относятся такие методы научного познания, как: классификация, моделирование, идеализация и аналогия.
В 8-ом классе на уроках биологии с помощью метода классификации школьники изучают виды регуляции работы организма, группы крови, виды
иммунитета, типы высшей нервной деятельности и темпераментов, на уроках химии - виды веществ по строению, физическим и химическим свойствам, а также классы неорганических соединений, на уроках физики - агрегатные состояния вещества, явлений электропроводности и деформации.
Девятиклассники используют метод классификации при изучении систематики живых организмов, экологических факторов и экологических групп на биологии, при изучении химических элементов разных групп и разных типов химических реакций на химии, а также при изучении видов колебаний, элементарных частиц и небесных тел на физике.
На уроках биологии учащиеся 8-го класса знакомятся с моделями: клетки, клеточной мембраны, органов человека, системы кровообращения, дыхания и пищеварения, используют метод моделирования для изучения строения и работы организма человека.
При изучении химии восьмиклассники создают модели атомов и молекул, а при изучении физики - модели кристаллических решеток. Учащиеся 8-го класса также изучают модели теплового двигателя и гидравлической машины.
В 9-ом классе на уроках биологии учащиеся изучают модели экосистем, организмов, клеток, биосинтеза белка, ДНК и других органических молекул, на уроках химии - модель электролиза, на уроках физики - модели Сегнерова колеса, замкнутой системы, электродвигателя, Вселенной, а также модели Солнечной системы, предложенные Птолемеем и Коперником.
Идеализация - метод, который достаточно полно отражен в школьных учебниках физики 8-9-х классов (идеальный газ, вечный двигатель, абсолютно упругое тело, математический маятник, материальная точка), но совсем не представлен в учебниках химии, а в учебниках биологии содержится только один пример применения идеализации - идеальная популяция (9 класс).
Методика проведения уроков межпредметного модуля "Естественнонаучные методы познания"
Как видно из таблицы 22, понятия о методах научного познания у школьников не сформированы на достаточном уровне, так как к методам научного познания они относят другие виды деятельности (чтение литературы, поиск информации в Интернете и т.п.). Менее всего учащиеся осведомлены о таких ЕНМП, как моделирование и классификация (их применяют менее 1 % опрошенных). Школьники практически не знакомы с частнонаучными методами познания (всего один ученик назвал методы генетики).
На основе анализа ответов учащихся разного возраста о методах научного познания, которые они называли чаще других методов, построена диаграмма 2.
Из диаграммы видно, что ответы учащихся разного возраста отличались незначительно. Можно предположить, что это связано с недостаточным вниманием к методологической подготовке школьников на уроках биологии, химии и физики. Из диаграммы видно, что, по мнению учащихся, менее всего у них вызывают затруднения такие умения, как выявление проблемы исследования, постановка цели и задач, оформление результатов исследования, сопоставление полученных результатов с предвиденными, объяснение результатов и формулирование выводов.
Умения формулировать гипотезу, разрабатывать план исследования, работать с учебными приборами, разрабатывать критерии и классифицировать объекты исследования, создавать условия эксперимента и их контролировать, проводить измерения, оценивать погрешность и создавать простые модели связаны с наибольшими затруднениями у учащихся.
Результаты ответа на вопрос анкеты об источнике методологических знаний и умений школьников свидетельствуют, что 71% анкетируемых приобрели их в ходе работы над проектами, 24% - на уроках естественнонаучных дисциплин, 5% - на занятиях естественнонаучного кружка (диаграмма 4).
В ходе анкетирования учащиеся сами оценивали свой уровень методологических знаний и умений. В связи с этим возник вопрос, в какой мере их утверждения о том, что они «умеют» соответствуют реально сформированным умениям. Для ответа на этот вопрос мы сравнили результаты анкетирования учащихся с результатами тестирования, в ходе которого умения учащихся оценивались учителем (см. таблицу 23).
Сравнив результаты анкетирования учащихся с результатами тестирования в ходе констатирующего эксперимента, можно сделать вывод, что у учащихся в отношении их уровня исследовательских умений завышена самооценка (это касается всех исследовательских умений, кроме создания моделей и выделения проблемы). С учетом этой поправки, по результатам констатирующего эксперимента можно сделать следующие выводы. 1. Школьники знают более всего такие общелогические методы познания, как анализ и сравнение, и общенаучные методы познания, относящиеся к экспериментальным методам (наблюдение, эксперимент). 2. Сравнительно немного учащихся знают о таких теоретических ЕНМП, как моделирование (3%) и классификация (менее 1%). 3. В меньшей степени школьники знакомы с частнонаучными методами познания. 4. У анкетируемых отсутствует четкое понятие о методах научного познания, так как в своих ответах они относили к этим методам такие виды деятельности, как: чтение литературы, поиск информации в Интернете, анкетирование и т.п.
Опыт применения методов научного познания, согласно ответам учащихся, явно недостаточен: так, эксперимент применяли в своем исследовании 19% анкетируемых, наблюдение - 14%, моделирование - менее 1%, классификацию - 0%.
Наибольшие затруднения у учащихся вызывают такие задания, как: создание моделей (47% не умеют или затрудняются), выделение критериев для классификации (38% не умеют или затрудняются), создание условий эксперимента (37% не умеют или затрудняются), проведение измерений и оценка погрешности (36% не умеют или затрудняются), классификация объектов исследования (32% не умеют или затрудняются).
Только 24% тестируемых получили знания и умения, необходимые при организации ЕНМП на уроках естественнонаучных дисциплин, что свидетельствует о недостаточно эффективной системе обучения школьников ЕНМП на уроках биологии, химии и физики.
На этом этапе эксперимента были проанализированы программы и учебники по биологии, химии и физике, проведена серия лабораторных работ, подготовлены и апробированы сценарии уроков, разработана программа занятий естественнонаучного кружка и разработаны сценарии их проведения, по результатам бесед с учащимися и учителями отобраны методические приемы по обучению ЕНМП на уроках биологии, химии и физики и в проектной деятельности, а также созданы дидактические материалы для тестирования учащихся 8-9 классов.
Поисковый эксперимент проводился в 8-9 классах ГБОУ СОШ №1690, №390, №922, ГБОУ гимназии №1530 «Школа Ломоносова» г. Москвы, ГБОУ СОШ №3 г. Выкса Нижегородской области учителями биологии, химии и физики, в том числе соискателем (всего участвовало 1374 ученика и 8 учителей).
Соискателем проводилось обучение школьников ЕНМП на уроках биологии, на занятиях естественнонаучного кружка и в ходе проектной деятельности в ГБОУ гимназии №1530 «Школа Ломоносова». В ходе поискового эксперимента были разработаны материалы для уроков общего модуля «Естественнонаучные методы познания» в 8-9-х классах, подобраны познавательные задачи межпредметного содержания и составлены деятельностно-смысловые схемы для организации наблюдений, экспериментов, моделирования, классификации и некоторых частнонаучных ЕНМП, которые применялись учащимися на уроках биологии, химии и физики и при работе над проектами.
Кроме того, шел поиск общих подходов к обучению ЕНМП на материале биологии, химии и физики, выбор методических приемов и педагогических технологий для более эффективной работы с учащимися на уроках естественнонаучных дисциплин и во внеурочной деятельности (на занятиях кружка и при работе над проектами).
В ходе поискового эксперимента соискателем проводилась работа по отбору содержания программы естественнонаучного кружка, на занятиях которого учащиеся обучались частнонаучным методам познания и закрепляли знания и умения, связанные с общенаучными ЕНМП.
По итогам этой работы был сделан вывод, что прежде, чем организовывать учебное исследование, необходимо сформировать у учащихся методологические знания и исследовательские умения.
Далее в поисковом эксперименте соискателем проводилась работа по отбору содержания программ по биологии, химии и физике основной школы, и планированию обучения школьников ЕНМП на уроках естественнонаучных дисциплин и во внеурочной деятельности на основе общих подходов.
В ходе анализа программ и учебников по биологии, химии и физике и бесед с учащимися и учителями естественнонаучных предметов было выявлено, что методы научного познания (наблюдение, эксперимент, моделирование и классификация) повторяются в материале всех трех дисциплин, но учащиеся воспринимают примеры физических, химических и биологических наблюдений и экспериментов как несвязанные между собой способы деятельности, не выделяя общих требований к их организации и проведению.
Затем в ходе поискового эксперимента был разработан межпредметный модуль «Естественнонаучные методы познания» для 8-го класса, который был опробован соискателем сначала на занятиях кружка, а затем на уроках биологии, химии и физики в гимназии №1530 «Школа Ломоносова» с помощью учителей - участников поискового эксперимента.
Констатирующий эксперимент
На этапе обучающего эксперимента проверялась гипотеза исследования. Были отобраны учащиеся 8-9 классов для экспериментальной и контрольной групп по критерию уровня владения ЕНМП на основании результатов входного теста и срезовой лабораторной работы. Экспериментальная группа проходила обучение по разработанной методике, а контрольная группа обучалась по традиционной схеме. Успешность овладения учащимися ЕНМП определялась с помощью устного зачета по вопросам методологического характера, лабораторной работы с использованием ЕНМП и межпредметного тестирования на определение уровня метапредметных умений. Критериями успешности служили следующие результаты: - изменение числа учащихся с высоким, средним и низким уровнем владения ЕНМП по сравнению с началом эксперимента; - доля учащихся, показавших низкий уровень метапредметных умений при проведении межпредметного тестирования; - средний процент выполнения заданий межпредметного тестирования. Предполагалось, что уровень владения ЕНМП тем выше, чем выше уровень методологической грамотности, самостоятельности и осознанности выполняемых действий у учащихся.
С помощью сопоставления уровней успешности учащихся контрольной и экспериментальной групп было доказано, что уровень владения ЕНМП, метапредметные результаты и интерес к естествознанию и исследовательской деятельности учащихся экспериментальных групп повысился после применения методики обучения ЕНМП, тогда как у учащихся контрольных классов он практически не изменился.
Таким образом, результаты обучающего эксперимента подтверждают гипотезу исследования.
Целью исследования являлось теоретическое обоснование и разработка методики обучения учащихся основной школы ЕНМП на основе межпредметных связей биологии, химии и физики. Для достижения этой цели были решены следующие задачи исследования.
На основе анализа научной, учебно-методической, учебной литературы, констатирующего эксперимента, результатов межпредметного тестирования московских школьников, ЕГЭ, ГИА по биологии, химии, физике и международных исследований достижений учащихся, установлено, что методологические знания и умения российских школьников находятся на недостаточном уровне. Конкретизированы ЕНМП, которым необходимо обучать школьников для достижения метапредметных и предметных результатов по биологии, химии и физике.
Определены психолого-педагогические основы методики обучения школьников ЕНМП: - из теории ассоциативного мышления (в ходе межпредметного обучения из нейронов коры сначала формируются локальные ассоциации, затем - внутрисистемные ассоциации, позже - межсистемные ассоциации; межпредметные связи используются по трем направлениям: на уровне общих методологических понятий, на уровне универсальных учебных приемов, на уровне межпредметных заданий); - из теории деятельности (обучение по третьему типу ориентировки) - из технологии достижения прогнозируемых результатов в обучении (цели обучения формулируются с позиции обучаемых; используются карты тем и деятельностно-смысловые схемы; контроль должен быть на каждом этапе обучения).
Выделены этапы обучения школьников ЕНМП: этап формирования методологических знаний и умений (методологический), этап применения отдельных ЕНМП в учебных исследованиях, этап включения отдельных ЕНМП в общий цикл научного познания.
Предложена модель методики обучения учащихся ЕНМП на основе межпредметных связей биологии, химии и физики, направленная на формирование методологических знаний и умений школьников и улучшение их метапредметных результатов, включающая в себя поэтапное обучение на уроках межпредметного модуля, уроках-исследованиях по биологии, химии, физике, занятиях естественнонаучного кружка и в проектной деятельности с использованием единой системы представления ЕНМП (карты тем и деятельностно-смысловые схемы).
В соответствии с предложенной моделью разработана методика обучения школьников ЕНМП включающая в себя: - примеры наблюдений, экспериментов, моделей и классификаций из учебников по физике, химии, биологии 8-9-х классов; - обоснование выбора учебно-методических комплексов по биологии, химии и физике; - содержание и формы обучения учащихся 8-9-х классов на материале биологии, химии, физики ЕНМП и их согласование для каждого периода обучения; - планирование и сценарии уроков межпредметного модуля, уроков-исследований и занятий естественнонаучного кружка; - методическое обеспечение, включая пособие для учителей биологии, химии и физики «Обучение школьников естественнонаучным методам познания», в котором содержатся рекомендации учителям для организации обучения школьников ЕНМП на уроках межпредметного модуля, уроках-исследованиях, занятиях естественнонаучного кружка и в проектной деятельности, а также примеры уроков и программа занятий кружка; пособие для учащихся 8-9-х классов «Учимся быть учеными», в котором содержатся задания по обучению проектно-исследовательской деятельности с примерами их выполнения, задания для диагностики уровня методологических знаний, методологических умений и достижения метапредметных результатов, критерии оценивания уровня владения ЕНМП у школьников.