Содержание к диссертации
Введение
ЧАСТЬ I. Концепция обучения эмпирическим методам познания физических явлений
Глава 1. Проблема обучения эмпирическим методам познания
в теории и практике школьного физического образования 24
1.1. Роль эмпирических методов в цикле естественнонаучного познания 24
1.2. Эволюция целей обучения эмпирическим методам научного познания в школьном физическом образовании 33
1.3. Анализ сложившихся подходов к обучению учащихся эмпирическим методам познания 43
1.4. Проверка сформированности эмпирических методов познания у учащихся средних общеобразовательных учреждений 48
Выводы по главе 1 52
Глава 2. Содержание эмпирических методов познания физических явлений 54
2.1. Содержание деятельности «познание физических явлений» 55
2.2. Классификация эмпирических методов познания физических явлений 65
2.3. Механизм выявления содержания эмпирических методов познания физических явлений 67
2.4. Содержание эмпирических методов создания понятий о физических явлениях и физических объектах 70
2.5. Содержание эмпирических методов создания понятий о физических величинах 102
2.6. Содержание эмпирических методов установления научных фактов и физических законов 107
2.7. Принцип структурирования учебного материала для обучения эмпирическим методам познания физических явлений 115
Выводы по главе 2 117
Глава 3. Модель обучения учащихся эмпирическим методам познания физических явлений 118
3.1. Теоретические основы обучения учащихся эмпирическим методам познания физических явлений 118
3.2. Требования к организации обучения эмпирическим методам познания физических явлений 127
3.3. Методическое обеспечение обучения учащихся эмпирическим методам познания физических явлений 130
Выводы по главе 3 146
ЧАСТЬ П. Реализация концепции обучения эмпирическим методам познания физических явлений
Глава 4. Методика реализации концепции обучения учащихся эмпирическим методам познания физических явлений 148
4.1. Применение принципа структурирования учебного материала для обучения эмпирическим методам познания физических явлений 149
4.2. Реализация модели учебного процесса, в котором методы эмпирического познания являются предметом усвоения 169
4.3. Ориентиры для разработки содержания этапов обучения учащихся эмпирическим методам познания физических явлений 174
4.3.1. Ориентиры для разработки содержания пропедевтического этапа обучения 175
4.3.2. Ориентиры для разработки содержания подготовительного этапа обучения 188
4.3.3. Ориентиры для разработки методологического этапа 196
4.2.3. Ориентиры для разработки содержания этапа
самостоятельного планирования деятельности 201
Выводы по главе 4 208
Глава 5. Методика подготовки учителя к реализации концепции обучения школьников эмпирическим методам познания физических явлений 210
5.1. Программа подготовки учителя физики к реализации концепции обучения школьников эмпирическим методам познания физических явлений 211
5.2. Обучение учителя физики деятельности по подготовке к уроку учебной экспериментальной установки 222
5.2.1. Определение элементов экспериментальной установки для воспроизведения физического явления 222
5.2.2. Разработка принципиальных схем экспериментальной установки для воспроизведения физического явления 233
5.2.3 Расчет параметров элементов экспериментальной установки 237
5.2.4. Подбор приборов для монтажа установки 239
5.2.5. Монтаж демонстрационной экспериментальной установки. 243
5.2.6. Выделение из содержания темы физических суждений,
при создании которых необходим эксперимент 242
5.3. Обучение учителя физики деятельности по формированию у школьников эмпирических методов познания физических явлений 248
Выводы по главе 5 277
Глава 6. Педагогический эксперимент 279
6.1. Цели и организация педагогического эксперимента 279
6.2. Организация констатирующего и поискового эксперимента и обучающего эксперимента 284
6.3. Результаты поискового эксперимента 287
6.5. Результаты обучающего эксперимента 293
Выводы по главе 6 311
Заключение 313
Библиографический список
- Эволюция целей обучения эмпирическим методам научного познания в школьном физическом образовании
- Содержание эмпирических методов создания понятий о физических явлениях и физических объектах
- Реализация модели учебного процесса, в котором методы эмпирического познания являются предметом усвоения
- Разработка принципиальных схем экспериментальной установки для воспроизведения физического явления
Введение к работе
Приоритетной целью школьного физического образования на современном этапе является овладение учащимися методами научного познания Она зафиксирована в государственном стандарте общего образования в виде требования- «учащиеся должны освоить знания о методах научного познания природы и развить способности к самостоятельному приобретению новых знаний по физике в соответствии с жизненными потребностями и интересами»1
Для достижения этой цели сделано немало Предложены пути отражения цикла научного познания в ходе обучения учащихся физике (В Г Разумовский, Н И. Нурминский) Произведено сравнение процессов научного и учебного познания, даны рекомендации по планированию уроков с учетом установленных сходств и различий (Г М Голин, С А Шапо-ринский) Найдены пути изучения методологических вопросов школьного курса физики (В Н Мощанский, Н В Шаронова, И В. Кузнецов) и формирования системы методологических знаний при обучении физики (Н Е Важеевская, Н В Кочергина, Н С Пурышева) Исследовано соотношение индукции и дедукции в процессе изучения физики (Д В Вилькеев, ДШ Шодиев)
Эмпирические методы познания являются важной разновидностью методов научного познания, без которых невозможно постичь явления природы Поэтому обучению школьников проведению наблюдений, экспериментов, измерений при изучении нового материала, проведению лабораторных работ и домашних опытов, решению экспериментальных задач посвящено большое число исследований (Д.В Ананьев, МЮ Демидова, П Л Зуев, Р.В. Майер, И С Мураховский, А А Никитин, М П Папиев, А В Сергеев, А С Сиденко, Л.В Гурьева, О М Дружинина, В Н Савин-цев, О В Муртазина и др.) В них предлагается сообщать школьникам информацию об этих методах в процессе выполнения различных видов экспериментальных работ При этом предполагается, что чем больше экспериментов выполнят учащиеся, тем успешнее у них сформируется представление о методах эмпирического познания
Получение учащихся, соответствующих требованию, сформулированному выше, возможно, если учебный процесс будет организован так, чтобы они овладевали этими методами, а не получали информацию о них При этом овладение методами должно происходить не стихийно, а осознано Методика такого обучения учащихся теоретическим методам получения физических знаний предложена в исследовании Н И Одинцовой Автор справедливо доказывает, что теоретические методы познания могут быть освоены только школьниками старших классов, в том случае, если они овладели эмпирическими методами познания Однако разработка ме-
1 Федеральный компонент государственного стандарта общего образования // Физика в школе 2004 К» 4 С 22
тодики обучения эмпирическим методам познания в данном исследовании не затронута
Вместе с тем именно эмпирическим методам познания необходимо обучать школьников с самого начала изучения физики, во-первых, потому что эмпирическое познание наиболее соответствует познавательным возможностям подросткового возраста; во-вторых, для того чтобы понимать физику, ученику недостаточно знать определения, формулы, формулировки научных законов, необходимо осознавать происхождение этих знаний Для большинства знаний, представленных в школьном курсе физики, такими способами являются эмпирические методы познания, в-третьих, эмпирические методы познания содержит в своем составе действия, которые используются людьми при решении многих житейских и профессиональных задач
Проведенный анализ существующих исследований позволяет утверждать, что задача специального формирования у школьников эмпирических методов познания при изучении физики не ставилась. Предлагалось либо сообщать школьникам информацию о существовании таких методов и их роли в научном познании, либо обучать отдельным действиям, входящим в их состав - наблюдению, планированию эксперимента, проведению эксперимента, обработке экспериментальных данных и т п
Чтобы установить, приводит ли сложившийся в практике работы учителей физики опыт представления учащимся информации о методах научного познания и применение отдельных его действий на уроках к формированию у них эмпирических методов познания, был проведен констатирующий эксперимент. В нем приняли участие учащиеся различных образовательных учреждений (средних общеобразовательных школ, гимназий, лицеев, школ с углубленным изучением предметов физико-математического цикла) из разных регионов России (всего 943 человека) Результаты эксперимента показали, что подавляющее большинство учащихся не осознает содержания эмпирических методов познания и не пользуется ими для получения физических знаний.
В итоге можно утверждать, что актуальность темы исследования обусловлена существованием противоречия между требованием к выпускнику школы научиться самостоятельно приобретать новые знания по физике и ролью эмпирических методов познания в обеспечении соответствии этому требованию, с одной стороны, и невозможностью удовлетворить это требование на основе сложившихся в теории и практике преподавания способов обучения эмпирическим методам познания, с другой стороны
Чтобы ученик умел действовать в новых нестандартных ситуациях необходимо, ему необходимо овладеть способами получения знаний в обобщенном виде В физике достоверные знания о свойствах объектов, изменениях в их состоянии, взаимодействиях, интенсивности проявления свойства не может быть получено без проведения серии экспериментальных исследований, в которых воспроизводится физическое явление. Поэтому предметом усвоения школьников следует сделать обобщенные спо-
собы получения физических знаний с применением эксперимента, реализуемые в определенной логической последовательности, которые составляют содержание эмпирических методов познания физических явлений
Проблему исследования составляет поиск ответа на следующие вопросы. 1 Какие эмпирические методы познания должны быть предметом усвоения в школьном курсе физике' 2 Какие условия необходимо создать, чтобы в процессе изучения физики в школе учащиеся овладели этими методами7
Объектом исследования является процесс обучения физике учащихся средних общеобразовательных учреждений
Предметом исследования является процесс обучения школьников эмпирическим методам познания физических явлений.
Цель исследования состоит в обосновании и разработке концепции обучения учащихся эмпирическим методам познания физических явлений и методики, построенной в соответствии с основными положениями этой концепции
В качестве теоретической основы исследования использованы следующие положения психолого-педагогической теории деятельности.
овладение деятельностью происходит в результате ее многократного выполнения и рефлексии выполняемых действий и их последовательности,
человек будет независимым от условий, в которых он будет действовать, если сформировать у него деятельность в обобщенном виде,
деятельность только тогда достигает запланированного результата, если цель этой деятельности сформулирована самим человеком на основе возникшей у него потребности
На этой основе сформулирована гипотеза исследования
содержание эмпирических методов познания физических явлений можно установить, если выделить характерные познавательные задачи, решаемые с применением физического эксперимента, выявить логическую последовательность их постановки и установить обобщенные способы их решения;
школьники смогут овладеть эмпирическими методами познания физических явлений, если на уроках физики организовать деятельность по многократному применению этих методов и рефлексии выполняемых действий и их последовательности
Цель и гипотеза исследования определили задачи исследования:
Выявить состояние проблемы обучения школьников эмпирические методы познания
Обосновать и сформулировать принцип структурирования учебного материала по физике для обучения эмпирическим методам познания физических явлений
Выделить типы эмпирических методов познания физических явлений, которые нужно делать предметом усвоения при изучении школьного курса физики
Выявить обобщенное содержание каждого из этих методов.
Построить модель деятельности учителя по обучению эмпирическим методам познания физических явлений и выделить ориентиры для выполнения всех действий, входящих в нее
Разработать методику обучения учащихся эмпирическим методам познания физических явлений
Оценить эффективность разработанной методики и сформулировать выводы о правомерности концепции, лежащей в ее основе
Разработать методику подготовки студентов и учителей физики к реализации концепции обучения эмпирическим методам познания при изучении школьного курса физики и проверить её эффективность.
Основные этапы и организация исследования. Исследование проводилось в течение 15 лет с 1992 по 2007 г. и включало следующие этапы.
На первом этапе (1992-1997 гг.) анализировались нормативные документы, касающиеся приоритетов развития физического образования в области обучения учащихся методам научного познания, и разрабатывалась методика обучения школьников познавательной деятельности, которая позволяет обучаемым овладеть обобщенным способом получения понятия о физическом явлении на эмпирическом уровне познания В 1997 г. была защищена кандидатская диссертация «Обучение учащихся познавательной деятельности по изучению физических явлений»
На втором этапе (1997-2000 гг.) исследование было расширено на обучение школьников обобщенным способам получения следующих видов физических знаний с применением эксперимента понятий о физических явлениях, объектах, величинах, научных фактов, физических законов Разрабатывалась логика введения этих системообразующих элементов и методика обучения учащихся, позволяющая сделать ее предметом усвоения. Изучались нормативные документы, диссертационные исследования, касающиеся проблемы обучения школьников методам познания и формирования экспериментальных умений будущего учителя физики, проводился констатирующий эксперимент, велся поиск решения проблемы формирования у школьников эмпирических методов познания физических явлений и подготовки учителя к данному виду деятельности В результате были сформулированы цели и задачи исследования, выдвинута гипотеза исследования
На третьем этапе (2001-2004 гг) были сформулированы основные положения концепции обучения учащихся эмпирическим методам познания физических явлений, позволившие разработать модель деятельности учителя по составлению программы обучения этим методам на уроках физики и по планированию уроков-исследований в соответствии с составленной программой На этом этапе был организован поисковый этап педагогического эксперимента, опубликованы методические материалы для учителя физики, позволяющие внедрить результаты исследования в практику обучения; разработаны программы дисциплин «Теория и методика обучения
физики» и «Дополнительные главы методики преподавания физики» для студентов, обучающихся по специальности 032200 - Физика, реализация которых позволяет сформировать у будущего учителя умения, необходимые для формирования у школьников эмпирических методов познания физических явлений
На четвертом этапе (2004-2007 гг) был проведен обучающий эксперимент и обработаны его результаты, сформулированы выводы исследования, оформлена диссертационная работа; опубликованы монографии. На этом этапе также были опубликованы учебное пособие и методические рекомендации для студентов и магистрантов, учебно-методический комплект к учебнику С В Громова, Н А. Родиной «Физика 7 класс», позволившие реализовать результаты исследования в практике обучения студентов и школьников. Этот этап позволил подтвердить выдвинутую гипотезу
Для решения поставленных в исследовании задач применялись следующие методы:
Теоретические: изучение российского и международных стандартов школьного физического образования; анализ педагогической, психологической, методической литературы и диссертационных исследований, имеющих отношение к теме работы, изучение философской литературы, в которой рассматриваются вопросы методологии научного познания, анализ работ физиков, в которых описаны способы получения физических знаний с использованием эксперимента, книг по истории физики, анализ содержания учебников по физике для общеобразовательных учреждений, моделирование деятельности учителя физики, осуществляющего обучение учащихся эмпирическим методам познания, разработка методического обеспечения для проведения педагогического эксперимента
Экспериментальные: беседы с учащимися, студентами, учителями физики; наблюдение учебного процесса, анкетирование, экспертная оценка, экспериментальная работа констатирующего, поискового и обучающего характера, личное преподавание в школе, вузе и в системе послевузовского образования.
Методологическую основу исследования составляют
работы по философии и методологии естествознания (А Н Елсуков, П.В Копнин, А Н Кочергин, И В Кузнецов, М В Мостепаненко, Н.И Род-ный, Г.И Рузавин, О М. Сичивица, В С Швырев, В А. Штофф и др),
работы ученых, в которых описано содержание и результаты деятельности по экспериментальному исследованию физических явлений (А Беккерель, В Гильберт, Р Гук, X Камерлинг-Оннес, Р Бунзен, Ш Кулон, П Кюри, М Складовская-Кюри, А Г Столетов, П Н Лебедев, Г Ом, Б Паскаль, В.К. Рентген, М Фарадей, Г-Хр Эрстед и др),
работы по истории физики (А В Ахутин, М Борн, Л А Друянов, В Н Дуков, И И Госсен, П С Кудрявцев, Л Н Купер, Г Липсон, Марио Льоцци, Дж Тригг, С Р Филонович и др),
психолого-педагогические работы по теории деятельности (Л С Выготский, П Я Гальперин, В В. Давыдов, А.Н. Леонтьев, Н Ф Талызина и др),
работы по проблемному обучению (Д. Дьюи, И Я Лернер, AM Матюшкин,МИ Махмутов,И.Е Мураховский,В Оконьидр);
работы по теории и методике обучения физике на основе деятель-ностной теории (С В Анофрикова, Е Ю Баркова, Н И Одинцова, О.Н. Попова, Л А Прояненкова,ГП Стефанова и др);
работы по формированию научного мировоззрения учащихся, отражающие проблему обучения экспериментальному методу исследования в процессе изучения физики (Д.В Ананьев, В И. Богдан, Н Е Важеевская, М Ю Демидова, О М Дружинина, П В Зуев, Д А Исаев, Н В Кочергина, ВВ. Майер, РВ Майер, А А Никитин, МП Папиев, НС. Пурышева, А В Сергеев, М.А Червонный, Л А Шабанов, Н.В Шаронова и др.);
работы по методической подготовке учителя физики к решению профессиональных задач (И М Агибова, С.В Анофрикова, Л.А Бордон-ская, В И. Ваганова, В И. Данильчук, Ю.И. Дик, С Е. Каменецкий, Л А. Прояненкова, НС Пурышева, С.В Степанов, ВИ Тесленко, Н Н Тулысибаева, А.В Усова, Л.С Хижнякова, Н В Шаронова и др.),
школьные учебники по физике (Л.И. Анциферов, Н К. Гладышева иИИ Нурминский, С В Громов иН.А Родина, А Е. Гуревич и Д А Исаев, ГЯ Мякишев и Б Б Буховцев, А В. Перышкин, В Г Разумовский, В А Орлов, Ю И. Дик, Н.Г. Никифоров, В Ф. Шилов, Г Роуэлл и С Герберт, А А Пинский, Н С Пурышева и Н.Е Важеевская, Л С Хижнякова и др).
В ходе исследования получены следующие новые результаты
Составлено определение термина «эмпирические методы познания физических явлений», эмпирические методы познания физических явлений - это обобщенные способы решения характерных познавательных задач с использованием эксперимента, конечным продуктом реализации которых является система знаний о физическом явлении, которую составляют понятия о явлении, объектах, величинах, научные факты, законы
Разработана классификация эмпирических методов познания физических явлений, основанием которой является вид физических знаний, получаемых в результате их применения Ее использование позволило выделить следующие типы методов 1) методы создания понятий о физических явлениях, методы создания понятий о физических объектах, 3) методы создания понятий о физических величинах; 4) методы установления научных фактов, 5) методы установления физических законов
Конкретизированы цели обучения учащихся методам научного познания: учащиеся должны овладеть эмпирическими методами познания физических явлений
Раскрыто содержание эмпирических методов познания физических явлений в виде обобщенных логических схем деятельности, содер-
жащих описание исходной ситуации, побуждающей к постановке познавательной задачи, формулировки характерных познавательных задач, обобщенный способ их решения с использованием эксперимента Найдена взаимосвязь и последовательность постановки характерных познавательных задач результат решения одной характерной познавательной задачи вызывает исходную ситуацию, в которой возникает потребность сформулировать и решить следующую познавательную задачу
Выявлена и обоснована логика познания физического явления, реализуемая в виде цепочки познавательных задач, решение которых позволяет ученику получить новые физические знания понятие о физическом явлении -» понятие о физическом объекте -» понятие о физической величине, описывающей интенсивность свойства объекта -» научный факт о зависимости интенсивности явления от параметров взаимодействующих объектов и условий взаимодействия -» устойчивая связь и отношение между физическими величинами, описывающими данное явление (физический закон).
Разработан и обоснован принцип структурирования учебного материала для обучения учащихся эмпирическим методам познания физических явлений получение учащимися физических знаний по теме должно быть осуществлено в результате решения системы познавательных задач, выстроенных в соответствии с логикой познания физических явлений
7. Разработана модель деятельности учителя по подготовке учебного процесса, позволяющего учащимся овладеть эмпирическими методами познания физических явлений, включающая в себя.
виды деятельности учителя, последовательное выполнение которых, позволит сделать эмпирические методы познания физических явлений предметом усвоения учащихся (подготовка к преподаванию темы школьного курса физики выстраивание логики получения физических знаний, разработка системы познавательных задач и системы эксперимента, разработка методики обучения учащихся эмпирическим методам познания физических явлений);
система действий по выполнению каждого вида деятельности,
- ориентиры для выполнения каждого действия
8 Разработана методика, позволяющая учителю обучить учащихся эмпирическим методам познания физических явлений
Теоретическая значимость заключается в том, что разработана концепция обучения эмпирическим методам познания физических явлений, в основание которой лежат следующие положения
1 В цели обучения физике должно быть включено овладение учащимися эмпирическими методами познания физических явлений
2. Учебный процесс должен строится так, чтобы у учащихся возникла потребность в решении новых познавательных задач, это возможно, если на уроке реализована логическая последовательность осуществления
познавательной деятельности- исходная ситуация -» познавательная потребность -» познавательная задача.
Для осознания содержания эмпирических методов познания физических явлений, они должны быть выделены самими учениками.
Содержание эмпирических методов познания физических явлений обязательно должно стать предметом усвоения, а для того, чтобы оно было усвоено, целесообразна методика, построенная в соответствии с положениями психолого-педагогической теории деятельности
После выделения содержания эмпирических методов познания физических явлений учащиеся должны многократно применить их для познания новых явлений Оптимальные возможности для этого предоставляют исследовательские экспериментальные работы, которые учащиеся выполняют на уроках для получения новых знаний. Как правило, в них необходимо реализовать одну из целей: 1) воспроизвести конкретное физическое явление, 2) установить зависит ли одна физическая величина от другой физической величины, 3) установить вид зависимости между величинами, 4) найти значение определенной физической величины Цели этих работ совпадают с целями характерных познавательных задач, и могут быть достигнуты учащимися самостоятельно на основе сформированных у них методов
Методика обучения учащихся эмпирическим методам познания физических явлений, соответствующая указанным положениям, состоит из следующих этапов
подготовительный На этом этапе при решении учащимися конкретных познавательных задач, предъявляемых учителем в определенной логической последовательности, происходит накопление методов решения познавательных задач одного и того же типа,
методологический, на котором ученики выделяют обобщенные способы решения характерных познавательных задач и осознают взаимосвязь и последовательность в их постановке,
этап самостоятельного исследования новых физических явлений с опорой на эмпирические методы познания физических явлений
Данная методика может быть реализована при условии, если одни и те же методы используются для получения определенного вида физических знаний не менее 3-4 раз
Практическая значимость исследования состоит в том, что разработаны ориентиры для учителя, позволяющие спланировать и реализовать обучение эмпирическим методам познания физических явлений, программа обучения учащихся эмпирическим методам познания физических явлений для основной школы, разработаны методические рекомендации для учителей, включающие разработки уроков, набор дидактических материалов, позволяющих организовать обучение эмпирическим методам познания физических явлений и проконтролировать результаты обучения этим методам Применение разработанных материалов способствует решению задачи
обучения школьников методам научного познания, стоящей перед физическим образованием на современном этапе
Разработанная программа подготовки студентов - будущих учителей физики и переподготовки учителей физики в системе повышения квалификации кадров, предложенные методические рекомендации позволяют подготовить учителей к формированию у школьников эмпирических методов познания физических явлений
Апробация и внедрение результатов исследования Результаты исследования докладывались и обсуждались на следующих международных, всероссийских, региональных, межвузовских и внут-ривузовских конференциях, семинарах, совещаниях.
VI Международной научно-методической конференции «Физические образование проблемы и перспективы развития», посвященной 105-летию со дня рождения А В Перышкина (Москва, 2007),
VIII и IX международных конференциях «Физика в системе современного образования» (Санкт-Петербург, 2005,2007),
VIII Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция методической (научно-методической) работы и системы повышения квалификации кадров» (Челябинск, 2007),
V Международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в системе образования» (Тамбов, 2007),
Всероссийской научно-практическая конференция «Дидактико-методические аспекты современного урока» (Армавир, 2007),
Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и средства обучения физике, химии и биологии» (Астрахань, 2007),
Международной научно-практической конференции «Информация образования» (Калуга, 2007),
III и IV Международных научно-методических конференциях «Проблемы и перспективы развития непрерывного профессионального образования в эпоху социальных реформ» (Саратов, 2006-2007),
V, VI, VII и VIII Международных научно-методических конференциях преподавателей вузов, ученых и специалистов «Высокие технологии в образовательном процессе» (Н Новгород, ВГИПУ, 2004-2007),
V международной конференции «Физическое образование проблемы и перспективы развития» (Москва, МПГУ, 2006),
IX Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум» (Волгоград, 2006),
международной научно-практической конференции «Традиции и инновации, проблемы качества образования» (Чита, 2005),
международных научных конференциях «Единый Каспий Межгосударственное сотрудничество и проблемы экономического и социального развития региона» (Астрахань, 2002,2005),
совещании-семинаре «Физика в системе подготовки студентов нефизических специальностей университетов в условиях модернизации образования» (Астрахань, 2004),
Всероссийской научно-методической конференции «Обучение физике в школе и вузе в условиях модернизации системы образования» (Н Новгород, НГПУ, 2004),
региональной научно-практической конференции «Проблемы современного физического образования школа и вуз» (Армавир, АГПУ, 2005),
VI международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы преподавания физики» (Пенза, 2002),
II Всероссийской научно-методической конференции учителей школ и преподавателей вузов «Школа и вуз- достижения и проблемы непрерывного физического образования» (Екатеринбург, 2002);
IX международной конференции «Математика. Компьютер. Образование» (Москва, МГУ, 2002),
сессиях, конференциях на кафедре теории и методики обучения физики Московского государственного педагогического университета (Москва, 1996-2007)
итоговых научно-практических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей, проводимых в Астраханском государственном университете (Астрахань, 1991-2007)
Внедрение научных результатов осуществлялось в процессе публикации книг, пособий, статей, научно-методических материалов, через руководимый автором научно-методический семинар для учителей физики г Астрахань и Астраханской области на факультете повышения квалификации Астраханского государственного университета (1995-2007); через курсы повышения квалификации учителей в Республиканском центре развития образования Калмыкии в г Элиста и в Астраханском институте повышения квалификации работников образования.
Методика организации учебного процесса, направленного на реализацию концепции обучения эмпирическим методам познания физических явлений, используется в практике работы учителей городов Астрахань, Москва, Санкт-Петербурга, Оренбурга, Элиста, Ставропольского края Результаты исследования внедрены в учебный процесс подготовки будущих учителей физики в Астраханском государственном университете.
На защиту выносятся:
Содержание эмпирических методов познания физических явлений.
Концепция обучения эмпирическим методам познания физических явлений
Модель деятельности учителя по подготовке и реализации учебного процесса, в котором эмпирические методы познания физических явлений являются предметом усвоения учащихся
4 Методика подготовки учителя к реализации концепции обучения школьников эмпирическим методам познания физических явлений
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения и двух частей «Концепция обучения эмпирическим методам познания физических явлений» (главы 1-3) и «Реализация концепции обучения эмпирическим методам познания физических явлений» (главы 4-6), заключения, библиографии (450 наименований) Логика ее построения отражает логику и последовательность решения основных задач исследования
Эволюция целей обучения эмпирическим методам научного познания в школьном физическом образовании
Эволюцию целей обучения методам научного познания при изучении школьного курса физики можно проследить по формулировкам этих целей в нормативных документах (школьных программах по физике и стандартах).
В программе по физике средней общеобразовательной школы 1982 г. методы познания как предмет овладения не выделяются [314]. В пояснительной записке к этой программе говорится о необходимости ознакомления школьников с методами физической науки.
В большинстве программ из сборника 1994 г. ставится как задача ознакомления учащихся с методами научного познания, так и новые задачи, касающиеся понимания сущности научного метода: усвоение учащимися факта неисчерпаемости процесса познания, роли опыта в физике как источника знаний и критерия правильности теорий и др.
В пояснительных записках к 3 и 17 программам по физике ставятся цели, связанные с овладением методами: формировать умения строить логические умозаключения, пользоваться индукцией, дедукцией и т.д. [313].
В федеральном компоненте государственного стандарта общего образования (2004 год) закреплено, что при изучении физики в основной школе учащиеся должны освоить знания о методах научного познания природы и развить способности к самостоятельному приобретению новых знаний по физике в соответствии с жизненными потребностями и интересами [397, с. 22]. В обязательном минимуме содержания образовательных программ в качестве необходимых прописаны умения: наблюдать и описывать явления различной физической природы, измерять физические величины, проводить экспериментальные исследования по выявлению вида зависимости между физическими величинами, применять полученные знания для решения практических задач. К уровню подготовки выпускников предъявляются новые требования: в результате изучения физики, ученик должен не просто запомнить определения отдельных элементов физического знания, а понять смысл понятий: физическое явление, физический закон, вещество, взаимодействие и т.д.; понять смысл конкретных физических величин и законов. В качестве обязательных выступают умения использовать физические приборы и измерительные инструменты для измерения физических величин, представлять результаты измерений с помощью таблиц, графиков и выявлять эмпирические зависимости между физическими величинами [397, с.25].
Введение таких требований как минимальных для всех учащихся является явным продвижением вперед. Однако жизнь требует постановки более сложных целей. Для того чтобы выпускник школы был успешным в современном мире, необходимо средствами разных предметов сформировать у него умения самостоятельно планировать и решать встающие перед ним задачи. Школьный предмет «физика» представляет большие возможности для обучения учащихся методам научного познания, которые в дальнейшем могут быть широко использованы в различных видах профессиональной деятельности. На материале этого предмета можно сформировать у них умения самостоятельно формулировать и решать познавательные задачи, ответом на которые является новое физическое знание. Поэтому цель «овладеть методом» должна быть конкретизирована как «умение решать новые познавательные задачи». Такая цель представлена в статьях В.Г. Разумовского, в работах по проблемному обучению (И.Я. Лернер, В.И. Андреев), деятельно-стному подходу (СВ. Анофрикова, Н.И. Одинцова, Л.А. Прояненкова), сущностностному подходу (А.В. Коржуев). Однако научных исследований, позволяющих найти пути их реализации, методических разработок, показывающих учителю, как организовать деятельность учащихся на уроках, чтобы они приобрели требуемые качества, очень мало. Соответственно отсутствует и методика подготовки будущего учителя физики к деятельности по формированию у учащихся эмпирических методов познания на уроках физики. Поэтому можно предположить, что тема исследования является актуальной.
Формирование у школьников эмпирических методов познания необходимо по следующим причинам.
Во-первых, эксперимент в физике - обязательное средство создания новых знаний. Без него невозможно ни начать, ни закончить познавательный процесс; без него невозможно получить материал для обобщения, или быть уверенным в истинности результата теоретических рассуждений. Роль его не может быть сведена к тому, чтобы подтверждать, что действительно существуют конкретные ситуации, соответствующие данному научному положению. Эксперимент должен быть одним из методов познания, «поэтому в большинстве случаев он должен приобрести характер самостоятельных исследований самих учащихся или, в крайнем случае, демонстрационного исследования для формирования у выпускников школы умения решать нестандартные задачи, которые будет ставить перед ними быстроменяющаяся действительность» [156, с.24].
Во-вторых, эмпирический уровень познавательной деятельности наиболее соответствует познавательным возможностям учеников основной школы. По утверждению академика Н. Н. Поддьякова, ведущей деятельностью детей является не игра, а именно экспериментальная деятельность. «Мощная потребность в новых впечатлениях придает деятельности экспериментирования высокий энергетический потенциал, сопровождаемый эмоциональным подъемом, поэтому именно в этой деятельности очень рано и наиболее ярко проявляется общее психическое развитие детей, формируются их способности» [306, С.6].
Содержание эмпирических методов создания понятий о физических явлениях и физических объектах
Тогда Рентген выдвигает другую гипотезу о том, что причиной обнаруженного явления-следствия (флуоресцирование некоторых веществ) является воздействие некоего объекта, возникающего при взаимодействии стенки разрядной трубки с катодными лучами. Идея экспериментальной проверки гипотезы состояла в том, чтобы изготовить баллон с электродами из любого другого вещества, кроме стекла, откачать из него воздух и пропускать электрический ток. Если эта гипотеза верна, то следует ожидать, что Х-лучи появятся в результате взаимодействия катодных лучей с веществом стенок трубки и обнаружатся по флуоресцированию исследованных тел. Проведенный эксперимент показал, что «возникновение этих лучей имеет место не только в стекле, но и в алюминии, как я мог наблюдать в разрядном аппарате, который был сделан из листового алюминия толщиной в 2 мм». Таким образом, истинность гипотезы была экспериментально доказана: «причина флуоресцирования имеет начало в разрядной трубке, а не в каком-либо другом месте цепи».
Далее ученый формулирует суждение о появлении нового объекта в результате взаимодействия катодных лучей с веществом: «на основании опытов становится несомненным, что исходным пунктом Х-лучей, распространяющихся во все стороны, следует считать то место стенки разрядной трубки, где она встречается с катодными лучами».
Далее Рентген решает вопрос о том, какими свойствами обладают Х-лучи. Явление было обнаружено ученым в ситуации, когда разрядная трубка была закрыта футляром из черного картона. Это побудило Рентгена сформулировать следующую ПЗ: «естественно поэтому прежде всего спросить себя, обладают ли и другие тела тем же свойством, какое имеет черный картон». Метод решения данной ПЗ, разработанный ученым, состоял в том, чтобы последовательно помещать различные тела перед флуоресцирующим экраном. Серия опытов, проведенная Рентгеном, дала следующие результаты: «...бумага очень хорошо проницаема, позади книги в 1000 страниц экран все еще светился. Толстые куски дерева все-таки проницаемы. Слой алюминия в 15 мм весьма заметно ослабляет действие, но все-таки и он не был в состоянии совершенно прекратить флуоресцирование. Пластины из твердого каучука в несколько сантиметров толщиной все еще пропускают лучи. Вода, сернистый углерод и различные другие жидкости, которые подвергались исследованию в слюдяных призмах, оказались весьма проницательными. Чтобы водород был значительно более проницаемым, нежели воздух, этого я не мог обнаружить. Позади пластинок из меди, серебра, свинца или золота свечение еще явственно обнаруживается, но только тогда, когда толщина пластинок не слишком значительна». Обобщая результаты экспериментов, ученый формулирует вывод: «оказывается, что для этого "нечто" все тела проницаемы, но только в очень различной степени».
После этого ученый исследует, какими еще свойствами обладают X-лучи. «Убедившись в проницаемости различных тел, я обратился к исследованию, как относятся Х-лучи к прохождению через призму, преломляются ли они в ней». Метод решения этой задачи, разработанный ученым, состоял в том, чтобы пропускать через призмы из различных веществ Х-лучи и наблюдать их отклонение. Ученый проводит серию опытов с различными веществами, результаты которой описывает следующим образом: «опыты с водой и сернистым углеродом в слюдяных призмах не дали никакого отклонения. Опыты с призмами из более плотных металлов пока не дали никакого определенного результата, вследствие малой проницаемости их». Тогда ученый разрабатывает другой метод исследования: «ввиду этого данный вопрос может быть решен и иным путем, помимо призм. Тела, превращенные в мелкий порошок, при достаточной толщине слоя пропускают лишь в очень слабой степени падающий на них свет, но зато рассеивают его вследствие отражения и преломления лучей: значит, если бы тела в порошкообразном состоянии оказались для Х-лучей также проницаемыми, как те же самые тела в не раздробленном виде - при равных массах - то этим было бы доказано, что для Х-лучей не имеет места в заметной степени ни преломление, ни равномерное отражение». Проведя серию экспериментов, ученый получил следующие результаты: «произведены были опыты с мелко истолченной солью, с мельчайшим порошком серебра, с цинковой пылью; во всех этих случаях не обнаружилось никакой разницы между проницаемостью тела в порошкообразном состоянии и тел в их целом виде». На основании полученных результатов ученый формулирует вывод: «для Х-лучей не имеет места преломление и правильное, равномерное отражение». Далее ученый пытается обнаружить, какие еще явления происходят при взаимодействии Х-лучей с другими объектами, какие свойства Х-лучей отличают их от всех известных видов излучений. Так, производя взаимодействие X-лучей с магнитом, ученый обнаружил, что «отличие Х-лучей от катодных заключается в следующем: не удалось получить отклонения Х-лучей посредством магнита». Ученый предпринимает попытки обнаружить интерференцию и поляризацию Х-лучей и получает следующие результаты: «я сделал очень много попыток получить явление интерференции и поляризации Х-лучей, но безуспешно - может быть вследствие слабой интенсивности их».
Обобщая результаты проведенного исследования, ученый формулирует обобщенные знания о свойствах Х-лучей, явлениях, которые происходят при их взаимодействии с другими объектами, «источнике» Х-лучей следующим образом: «если мы спросим себя теперь, что же такое собственно представляют из себя эти Х-лучи, которые берут свое начало там, где, по данным различных исследователей, катодные лучи встречают стенку, но которые не могут быть катодными, - то на первых порах может явиться мысль об ультрафиолетовых лучах, особенно имея в виду сильное флуоресцирование и химическое действие этих лучей. Однако сейчас же приходится встретиться с весьма вескими соображениями. Именно, если бы Х-лучи были действительно не что иное, как ультрафиолетовые лучи, то эти последние должны были бы обладать такими свойствами: а) при переходе из воздуха в воду, в сернистый углерод, в алюминий, в каменную соль, в стекло, в цинк не претерпевать заметного преломления; в) правильным образом не отражаться от названных тел; с) не поляризоваться; d) поглощаемость их в различных телах не должна зависеть ни от каких других свойств тела кроме его плотности, то есть, следовало бы признать, что такие ультрафиолетовые лучи обладают совершенно другими свойствами, чем все до сих пор известные лучи. Этого я не могу допустить». Таким образом, Рентген доказал, что при протекании открытого им явления образуется новый объект, который обладает совокупностью определенных свойств, присущей только Х-лучам.
В настоящее время открытое и изученное ученым явление называют рентгеновским излучением.
В данной работе ученый изучает причинно-следственную связь явлений: люминесценция некоторых веществ вызывается действием Х-лучей, которые в свою очередь возникают при взаимодействии катодных лучей с веществом. Аналогично разбору предыдущих примеров приведем сопоставление этапов исследования Рентгена с действиями, составляющими содержание эмпирического метода создания понятия о чувственно невоспри-нимаемом объекте в таблице 6.
Реализация модели учебного процесса, в котором методы эмпирического познания являются предметом усвоения
Деятельность учителя на первом этапе предполагает структурирование учебного материала по теме школьного курса физики в соответствие с принципом, описанным во второй главе.
Реализация этого принципа предполагает выполнение следующих действий: 1) выделить в тексте темы школьного учебника физические знания, которые должны быть усвоены учащимися; 2) конкретизировать общую логическую схему деятельности применительно к получению каждого понятия, научного факта, закона; 3) выстроить логику создания знаний по теме таким образом, чтобы в результате решения одной характерной познавательной задачи возникала потребность сформулировать и решить следующую познавательную задачу; 4) описать ее в виде системы познавательных задач по теме. Для расширения возможностей обучения эмпирическим методам познания, материал, представленный в школьных учебниках по физике, может быть дополнен и перекомпонован внутри темы.
Покажем на конкретном примере характер работы учителя по применению этого принципа.
Пример 1. Структурирование учебного материала по теме «Электромагнитная индукция».
Выделяем в тексте темы школьного учебника [399] физические знания, которые должны быть усвоены учащимися и устанавливаем, к какому виду физических знаний относится каждое из них. 1. Электромагнитная индукция - это явление, заключающееся в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется. 2. Электрический ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром, называется индукционным током. 3. Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать тому изменению магнитного потока, которым он вызван (правило Ленца). 4. Сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока: чем больше скорость изменения магнитного потока, тем больше сила индукционного тока. 5. ЭДС, возникающая в проводнике при изменении магнитного поля, называется ЭДС индукции. 6. ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, и направле АФ на в сторону, противоположную этому изменению: Е = . 7. Изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое. 8. Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, не связано с электрическими зарядами. Его линии напряженности представляют собой замкнутые линии, подобно линиям магнитного поля. Такое электрическое поле - вихревое. Направление линий напряженности вихревого электрического поля совпадает с направлением индукционного тока.
Электрическое поле, вызываемое изменением во времени магнитного поля, может существовать в пространстве и без проводника. Проводник является индикатором этого поля.
Напряженность электрического поля, вызываемого изменением магнитного поля, тем больше, чем быстрее со временем изменяется магнитный поток. 9. Работа вихревого электрического поля при перемещении положи тельного единичного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике. 10. Токи Фуко - индукционные токи в массивных проводниках. 11. ЭДС индукции в проводниках, движущихся в постоянном магнитном поле, возникает за счет перераспределения положительных и отрицательных зарядов проводника под действие силы Лоренца.
12. Явление возникновения ЭДС индукции в том же самом проводнике, по которому идет переменный ток, называется самоиндукцией. 13. ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока в проводнике: Е = L—, где L - коэффициент самоиндукции, или ин At дуктивность контура.
Разработка принципиальных схем экспериментальной установки для воспроизведения физического явления
Диагностика достижения целей обучения эмпирическим методам познания физических явлений. Дидактические возможности лабораторных работ, экспериментальных задач, работ физического практикума для диагностики достижения целей обучения эмпирическим методам познания физических явлений. Методика организации деятельности учащихся при выполнении работ физического практикума.
Опишем, какие виды деятельности необходимо сформировать у студентов, чтобы подготовить их к обучению школьников эмпирическим методам познания физических явлений и каким образом осуществляется взаимосвязь между различными формами проведения занятий по дисциплинам «Теория и методика обучения физики» и «Дополнительные главы методики преподавания физики».
При обучении в вузе будущий учитель физики должен овладеть следующими экспериментальными умениями: создавать учебные экспериментальные установки; воспроизводить и изучать с помощью них физические явления и законы; проектировать и моделировать уроки изучения нового материала с использованием в качестве дидактического средства физического эксперимента; проектировать и моделировать уроки обучения учащихся практическим действиям; организовывать деятельность учащихся при выполнении работ физического практикума. Формирование этих видов профессиональной деятельности осуществляется при изучении курса «Теория и методика обучения физики». В рамках времени, отводимого на аудиторную работу по программе данной дисциплины, для студента оказывается невозможным провести все эксперименты и уроки с использованием этого дидактического средства в силу их огромного количества. Поэтому особенно важно научить будущего учителя физики обобщенным методам решения профессиональных задач, связанных с формированием у учащихся эмпирических методов познания физических явлений.
Предлагаемая модель учебного процесса по формированию у студентов экспериментальных умений реализуется в рамках традиционно сложившихся в вузе форм занятий и контроля, которые оказываются неразрывно связанными между собой. При этом следует иметь в виду, что все знания и умения человек приобретает только через свою собственную деятельность, и потому никак нельзя ограничиться только разбором и воспроизведением отдельных экспериментальных установок и опытов, описанных в различных пособиях. Действительно, для учителя физики разработана и описана система демонстрационных опытов, лабораторных работ и работ физического практикума, составлен каталог учебного физического оборудования по физике, выпускаются специальные сборники «Физический эксперимент в школе», публикуются соответствующие статьи в журнале «Физика в школе» и приложении «Физика» к газете «Первое сентября» и т.д. Однако условия профессиональной деятельности человека в настоящее время таковы, что пока будущий учитель учится в вузе, уже созданные приборы могут быть сняты с производства и заменены новыми, которые требуют иных действий с ними, иной постановки эксперимента, которые в этих условиях приходится разрабатывать самому учителю. Нередко учитель сталкивается с тем, что указанный в описании опыта прибор отсутствует в физическом кабинете; тогда ему необходимо найти равнозначную замену, т.е. создать новую экспериментальную установку. Кроме того, если студент будет только использовать результаты деятельности других людей, он не сможет осознать функцию конкретного опыта в создании новых знаний и не овладеет технологией организации деятельности своей и учащихся на уроках разного типа, где физический эксперимент используется в качестве основного дидактического средства.
Лабораторный практикум по теории и методики обучения физике целесообразно разбить на два цикла: 1) подготовка к уроку действующей экспериментальной установки; 2) разработка системы демонстрационного эксперимента по теме школьного курса физики.
В первом цикле студенты изучают типовое оборудование школьного физического кабинета и приобретают следующие умения: определять элементы экспериментальной установки для воспроизведения физического явления; разрабатывать принципиальные схемы экспериментальных установок для воспроизведения физического явления; рассчитывать параметры элементов экспериментальной установки; подбирать приборы для монтажа экспериментальной установки; монтировать демонстрационную экспериментальную установку, с учетом педагогических требований к монтажу; составлять программу проведения эксперимента; проводить эксперимент с использованием оборудования физического кабинета.
Методика организации деятельности студентов на лабораторных занятиях первого цикла разработана СВ. Анофриковой [14]. Она реализуется в седьмом семестре. В этом же семестре на лекционных и семинарских занятиях студенты осваивают общие вопросы методики преподавания физики, отрабатывая деятельность учителя при разработке сценария и проведении уроков, на которых учащиеся создают понятия о физическом явлении, физическом объекте, физической величине, устанавливают физические законы и научные факты на эмпирическом и теоретическом уровнях познания
