Содержание к диссертации
Введение
1. Интеллект и интеллектуальное развитие.
1.1. Определенней содержание понятия интеллект 11
1.2. Оценка интеллекта. Умственная одаренность и школьная успеваемость 15
1.3. Интеллект и творчество 20
1.4. Возможности и механизмы интеллектуального развития 25
1.5. Пути и принципы интеллектуального развития на занятиях по физике 32
2. Мышление и решение задач повышенной трудности.
2.1. Этапы мыслительной деятельности как процесса обработки информации 40
2.2. Память и мышление при решении задач. Стратегия интеллектуального развития на занятиях по физике 43
2.3. Модель процесса мышления и логика решения физических задач 48
2.4. Трудность и сложность физических задач. Оценка трудности физических
задач 54
3. Методика решения задач, направленная на интеллектуальное развитие.
3.1.. Модельно-ассоциативньїй подход к решению задач: концепции и достоинства 79
3.2. Школьная механика как система моделей 84
3.3. Модельно-ассоциативный подход при изучении физических законов: вывод основного уравнения молекулярно-кинетическои теории 87
3.4. Идеальный газ: строгое описание и упрощенная модель 91
3.5.Модельно-ассоциативный подход при решении задач: описание процессов, происходящих в газах 99
3.6.Аналогия как средство выбора методов описания модели. Классификация аналогий при решении задач
3.7. Примеры использования аналогий при решении задач повышенной трудности 117
4. Педагогический эксперимент.
4.1. Организация эксперимента 125
4.2. Состояние проблемы интеллектуального развития в практике преподавания 127
4.3. Результаты формирующего эксперимента 140
5. Выводы 145
6. Библиография 147
- Определенней содержание понятия интеллект
- Этапы мыслительной деятельности как процесса обработки информации
- Модельно-ассоциативньїй подход к решению задач: концепции и достоинства
Введение к работе
Интеллектуальное развитие является одной из задач школы. В первую очередь потому, что интеллектуальный потенциал личности в отдельности и общества в целом - это существенный фактор, определяющий уровень и темпы развития государства и, следовательно, уровень жизни каждого человека. Действительно, в современном мире человеку нужно уметь найти необходимую информацию, преобразовать ее в соответствии с определенными требованиями и поступать в соответствии с полученными выводами. Именно при выполнении перечисленных действий и проявляются интеллектуальные умения человека. Поэтому уровень развития мышления учащихся (наряду со знаниями фактического характера) по окончании школы является наиболее существенным показателем образования школьников.
Поскольку любое развитие происходит в ходе соответствующей деятельности, а в школе молодому человеку приходится интенсивно заниматься мыслительной деятельностью, очевидно, что интеллектуальные умения и навыки человек приобретает в основном именно в школе.
Развитие мышления имеет место при обучении большинству школьных предметов, но физика (наряду с математикой и некоторыми другими предметами) обладает в этом смысле определенным преимуществом. Это преимущество состоит в том, что изучение физики предполагает решение большого количества задач. Так как интеллект в основном проявляется в решении проблем, то решение задач - это наиболее естественный процесс, способствующий интеллектуальному развитию. Ряд причин, по которым изучение физики является средством интеллектуального развития называет Л. Каданов [138].
Чтобы процесс развития был эффективным, уровень трудности задач для ученика должен несколько превышать уровень его возможностей. Иными словами, развивающее обучение предполагает решение задач повышенной трудности.
Поскольку решение трудных физических задач далеко не всякому ученику будет интересно, необходимо определить факторы, в той или иной степени решающие проблему мотивации. Одним из таких факторов является спортивный интерес, другим - сам по себе факт интеллектуального развития, понимаемый учениками. Эти а также некоторые другие мотивы приводят учащихся в кружок решения олимпиадах задач, который традиционно является основной формой работы с одаренными и интересующимися физикой школьниками.
Но развивающее обучение вовсе не привилегия одаренных учеников. Существенную часть нашего исследования составила адаптация идей, апробированных и "отлаженных" на занятиях кружка, к повседневной работе учителя. Педагогический эксперимент показал эффективность соответствующей методики как при работе в физико-математических, так и в общеобразовательных классах.
Как следует из вышесказанного, задача интеллектуального развития на занятиях по физике в средней школе может решаться следующим образом. Во-первых, учитель в своей работе на уроках использует определенную методику, направленную на развитие мышления учащихся. Во-вторых, логичным продолжением уроков должны быть занятия кружка решения олимпиадах задач. Промежуточное положение по уровню трудности решаемых задач между уроком и кружком занимает заочная олимпиада. Таким образом, каждый ученик может выбрать доступный ему уровень обучения.
Актуальность темы исследования состоит в том что, уровень интеллектуального развития выпускников школы является одним из наиболее существенных факторов, определяющих темпы развития общества. Развивающая методика повышает эффективность обучения школьников решению задач, в том числе повышенной трудности. Поскольку, олимпиада по физике традиционно является "полигоном", на котором отрабатываются с педагогической и содержательной точек зрения современные аспекты обучения физике, для проверки разработанной методики целесообразно использование именно олимпиадных задач.
Объект исследования - школьная физическая олимпиада.
Предметом исследования явилась интеллектуальная деятельность учащихся при решении задач повышенной трудности.
Цель исследования состояла в изучении логики мышления при решении физических задач повышенной трудности, выявлении определенных закономерностей этого процесса и разработке методики решения задач, в том числе задач повышенной трудности, направленной на интеллектуальное развитие учащихся.
В соответствии с целью были определены следующие задачи исследования:
1. изучить современные взгляды на методику решения физических задач в средней школе.
2. изучить содержание понятия "интеллект" и возможности интеллектуального развития. Определить пути и принципы интеллектуального развития.
3. исследовать процесс мышления при решении физических задач и определить закономерности этого процесса. Сформулировать общие принципы решения физических задач.
4. разработать единый подход к обучению школьников решению различных задач. В рамках разработки этого подхода исследовать трудности, возникающие у школьников при решении олимпиадных задач. Кроме того, классифицировать аналогии в решениях задач и определить пути эффективного использования аналогий при обучении физике.
5. в ходе педагогического эксперимента проверить эффективность предлагаемой методики обучения решению задач.
Для решения поставленных задач применялись следующие методы исследования:
1. анализ методической, психологической, психолого-педагогической, научно-популярной и учебной литературы в связи с проблемой исследования.
2. анализ решений задач и процесса мышления при решении задач, в первую очередь, повышенной трудности.
3. длительный педагогический эксперимент, в рамах которого: анализ уроков решения задач, (своих и проводимых разными преподавателями), систематический анализ и математическая обработка результатов контрольных работ по решению задач, проведение занятий кружка решения олимпиадных задач; анкетирование учащихся и преподавателей.
Теоретической базой исследования явились:
• современная методика решения школьных физических задач, методологические основы которой определены в работах: Е.И. Бутикова, А.А.Быкова, А.С.Кондратьева [20,21], и развиты в работах СВ. Бубликова [16,17], М.П. Голубовской [32,33];
• исследования в области развития творческих способностей школьников (В.Г. Разумовский [91,92], Ю.К. Бабанский [7], Р.Ю. Волковынский [24], Ю.П. Дубенский [43], Н.М. Зверева [47]);
• психологические исследования мышления (Л.С. Выготский [26,27]. В.В. Давыдов [39], А.В. Запорожец [45], Н.А. Менчинская [73], С.Л. Рубинштейн [97], В. Штерн [125], А.В. Брушлинский [15], Ю.Б. Гиппенрейтер [30], А.К. Колеченко [57], А.Н. Лук [67], P.M. Грановская [36], де Боно [13], Ю.Д. Бабаева и др. [6]);
• современные психологические исследования интеллекта, результаты которых изложены М.А. Холодной [116];
• современная когнитивная психология, изложенная Р.Л. Солсо [105];
• методические исследования, посвященные интеллектуальному развитию учащихся (Т.Н. Шамало [124], Л.Д. Шабашов [123], Б.И. Рохкес [94,95]);
• методические работы, посвященные проведению школьных физических олимпиад (В.И. Лукашик [68,69], Б.А. Комаров и др. [58], О.Ю. Овчинников [83], И.В. Старовикова [106].
• исследования, посвященные психологии решения конструкторских и изобретательских экспериментальных задач [136];
• кроме того, для понимания процессов, связанных с мышлением и памятью оказались полезными не нашедшие прямого отражения в работе результаты биофизических и биохимических исследований памяти, изложенные в. работах Ф. Блума и др. [12] и И.П. Ашмарина [5].
Концепция исследования состоит в следующем. Мышление при решение школьных физических задач является моделью научного мышления, а следовательно подчиняется общим закономерностям мышления или, иными словами, получения, хранения и преобразования информации.
Гипотеза исследования. Решение олимпиадных задач является средством развития интеллекта, проявляющегося не только в умении решать физические задачи повышенной трудности, но и во всех сферах интеллектуальной деятельности учащегося если методика решения задач строится на принципах, адекватных объективно существующим закономерностям памяти и мышления.
Научная новизна исследования:
В работе впервые процесс решения физических олимпиадных задач как средство интеллектуального развития учащихся стал предметом всестороннего комплексного исследования с психологической, логической и методологической точек зрения. В рамках этого исследования впервые:
1. предложено рассматривать решение физических задач, в том числе повышенной трудности, на уровне общих законов мышления и описана логика решения физических задач, которая включает последовательность основных мыслительных операций и моделирует научный подход к решению проблем.
2. предложен новый эффективный подход к обучению школьников решению задач повышенной трудности. Этот ("модельно-ассоциативный") подход, основан на использовании объективно существующих закономерностей памяти и мышления и заключается в формировании у школьников устойчивых ассоциаций между группами физических явлений одной природы, соответствующими моделями, изучаемыми в школьном курсе физики и физическими и математическими методами описания этих моделей.
3. разработан метод предварительной теоретической оценки трудности физических задач, позволяющий прогнозировать с известной степенью точности отношение баллов, набранных за две любые задачи, предложенные учащимся на олимпиаде для решения.
4. экспериментально показано, что решение физических задач повышенной трудности является средством развития интеллекта, измеренного не только успеваемостью по физике, но и стандартными тестами для оценки IQ.
Теоретическое значение работы состоит в том, что процесс мышления при решении физических задач повышенной трудности исследован с методологической, психологической и логической точек зрения, описана логика решения физических задач, моделирующая научный подход к решению проблем, определены параметры физической задачи, влияющие на способность решить ее учениками, а также экспериментально показано, что решение физических олимпиадных задач является причиной интеллектуального развития учащихся, проявляющегося не только в умении решать физические задачи повышенной трудности, но и в других сферах интеллектуальной деятельности ученика.
Практическое значение работы состоит в том, что все теоретические разработки доведены до практической реализации и внедрения: разработана, апробирована и внедрена методика обучения школьников решению физических задач, направленная на интеллектуальное развитие, в частности методика подготовки школьников к олимпиаде по физике.
Положения, выносимые на защиту:
1. Эффективность развивающей функции решения физических задач повышенной трудности может быть повышена, если обучение школьников строит: ся на формировании у них устойчивых ассоциаций между группами физических явлений одной природы, соответствующими этим явлениям моделями, изучаемыми в школьном курсе физики и физическими и математическими методами описания этих моделей.
2. Эффективная развивающая методика решения задач повышенной трудности строится на:
• отборе задач, описывающих явления одной природы в рамках одной модели,
• распределении этих задач по количеству умозаключений, необходимых для решения задачи с учетом их характера (индуктивного, дедуктивного, по аналогии),
• решении задач (учителем и учениками) в соответствии с логикой, которая моделирует, научное решение проблем и включает в себя описание мыслительных операций, выполняемых при решении физических задач.
Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на конференциях "Терценовские чтения" (1997), конференции "Ванеевские чтения" учителей физики Санкт-Петербурга (1997), лекции в Санкт-Петербургском УПМ (1997). семинаре аспирантов кафедры методики обучения физике РГПУ им. А.И. Герцена (1998), открытых уроках (март 1997, март 1998) для учителей города, методистов физико-математической школы-лицея №366, московского РУО и УПМ г. Санкт-Петербурга, лекции (март 1998) для учителей города, методистов фмл №366 и московского РУО.
Достоверность результатов обеспечивается математической обработкой и соответствием результатов, полученных в различных школах.
Основное содержание работы отражено в публикациях [128 - 136] написанных лично соискателем без соавторов.
Определенней содержание понятия интеллект
В современной психолого-педагогической литературе можно встретить сравнительно большое количество различных определений интеллекта. Например, "интеллект - это способность решать задачи", "интеллект - это процесс переработки информации", "интеллект - это обучаемость, то есть способность усваивать и самостоятельно добывать новые знания" и т.п. [116, с. 294-295]. Эти определения, как видим, называют способности, которыми обладает человек (решать задачи, обрабатывать информацию, способность к обучению). На наш взгляд, перечисленные, а так же некоторые другие способности являются следствием того, что человек обладает интеллектом -феноменом, который не определен в перечисленных утверждениях.
Существует определение интеллекта, предложенное Векслером, которое является более общим, чем все перечисленные. С этим определением, как утверждает Ж.Годфруа согласны большинство психологов [31, с. 415]. Интеллект - "способность индивидуума адаптироваться к окружающей среде". Данное определение называет именно тот феномен, который имеют в виду, говоря об интеллекте. Человек, обладающий названной способностью, скорее всего способен к решению задач (проблем), переработке информации, обучению и так далее. Однако, мы не можем принять это определение как рабочее, поскольку из него не следует возможных путей развития интеллекта.
Наиболее подходящим с точки зрения путей и возможностей развития нам показалось следующее определение интеллекта: интеллект - "уровень способности человека пользоваться механизмами мышления". Это сравнение, анализ, синтез, обобщение, абстракция. [102, с. 44-45]. Этого определения мы и будем придерживаться в дальнейшем.
Учитывая, что интеллект является многогранным понятием, рассмотрим его структуру. Впервые (1904, 1927 г.) структура интеллекта была предложена Спирменом, который утверждал, что существует g-фактор интеллекта, то есть общий (general) интеллект, и s-фактор, характеризующий специфические способности. [116, с. 21]. Несколько забегая вперед, отметим, что в некоторой степени показателем интеллекта можно считать школьную успеваемость. В соответствии с этим, можно наблюдать справедливость гипотезы Спирмена - действительно, существуют ученики, успевающие существенно лучше других по абсолютному большинству предметов. И наооборот, есть те, кто не успевает или с трудом осваивает большинство предметов. Первые, очевидно, обладают более высоким интеллектом (g-фактор), чем вторые. Кроме того, нельзя не признать, что есть ученики явно проявляющие способности к какому-либо одному или нескольким сходным школьным предметам. Такие способности как раз и характеризует s-фактор.
Несколько более детальна структура интеллекта по Терстоуну (1938 г.), который предложил 7 факторов - "первичных умственных способностей" (теория общего интеллекта им отвергалась). Вот эти факторы:
"S" - "пространственный" (способность оперировать "в уме" пространственными отношениями)
"Р" - "восприятие" (способность детализировать зрительные образы),
"N" - "вычислительный" (способность выполнять основные арифметические действия),
"V" - "вербальное понимание" (способность раскрывать значение слов),
"F" - "беглость речи" (способность быстро подобрать слово по заданному критерию),
"М" - "память" (способность запоминать и воспроизводить информацию)
"R" - "логическое рассуждение" (способность выявлять закономерность в ряду букв, цифр, фигур)" [116, с.23]
Этапы мыслительной деятельности как процесса обработки информации
Второй этап работы мышления, как мы уже сказали, это преобразование имеющейся информации. Чтобы понять, каким образом происходит этот процесс, рассмотрим каким образом информация хранится в нашей памяти и что такое сознание. Обратимся сначала к экспериментальным данным.
"Современные специалисты в области нервной системы ведут активные поиски организационного принципа, который обеспечивал бы подходы к явлению сознания, доступные для экспериментальной проверки. Такой организационный принцип был выдвинут американским физиологом В.Маунткаслом. Этот принцип базируется на трех отправных точках связанных с недавними открытиями...
Во-первых, кора головного мозга состоит из сложных многоклеточных ансамблей, основная единица которых образована примерно сотней вертикально связанных нейронов всех слоев коры... (мини-колонки).
Во-вторых, по мнению Маунткасла, несколько таких сходных в своей основе простых вертикальных ансамблей могут объединяться с помощью межколоночных связей в более крупную единицу, перерабатывающую информацию-модуль, или модулярную колонку... В-третьих, Маунткасл считает, что модули не только получают и перерабатывают информацию. Они совместно функционируют в составе обширных петель, по которым информация выходя из колонок, передается другим... мишеням, а затем возвращается обратно в кору... По подсчетам Маунткасла, у человека в такой организационной структуре участвуют миллиарды нейронов, образующих колонки в коре большого мозга. [12, с. 193-194].
Как видим, память в своей материальной основе имеет модульную структуру. Отметим, что при такой организации нельзя утверждать, что каждое данное (например, понятие "ускорение") хранится в единственном определенном участке мозга. "Пока не удавалось вызвать в опытах на животных достоверные нарушения уже сформировавшейся долговременной памяти путем повреждения или временного выключения той или иной области коры... С одной стороны... это свидетельствует о том, что система хранения долговременной памяти... распределена по большей части мозга. С другой стороны, устойчивость сформировавшейся долговременной памяти к местным повреждениям мозга свидетельствует о многократном повторении элементов памяти. Только система, элементы которой многократно дублированы, может сохранять активность после разнообразных повреждений" [5, с.95]. То же самое справедливо и для мозга человека: "следы памяти в коре широко разбросаны и многократно дублируются" [12, с. 161]. "Кроме того, для научения и памяти важны многие области и структуры мозга, помимо коры" [12, с.161].
Ещё один важный факт состоит в том, что в нейроне возбуждение может быть сильнее или слабее. Это важно потому, что появление информации в сознании связано с возбуждением нервных клеток, а следовательно информация запоминается лучше или хуже.
Что же является причиной воспоминания или появления информации в сознании? Н.А. Бехтерева пишет: "субъективные феномены возникают в результате повторного входа возбуждений в места первичных проекций и сопоставления на этой основе информации с прошлым опытом." [10, с. 16]. Эту же мысль можно встретить и в других источниках: "сравнение внутренних показаний с текущей информацией составляет предполагаемую основу сознания" [12. с.194].
Модельно-ассоциативньїй подход к решению задач: концепции и достоинства
Определив понятие трудности и факторы, влияющие на трудность задачи, рассмотрим, каким образом можно реализовать некоторый единый подход к решению большинства задач, и в чем этот подход заключается. Кроме того, рассмотрим, каким образом можно в рамках этого подхода на практике реализовать сформулированный выше принцип нарастания трудности при решении задач.
Будем рассматривать школьный курс физики как иерархическую систему природных процессов (явлений), соответствующих им моделей и методов описания этих моделей. Говоря о методе описания модели, будем иметь в виду уравнения физических законов (и определения величин), а также математические методы решения этих уравнений или систем уравнений. Систему уравнений, описывающих данный процесс (явление) можно назвать также математической моделью данного процесса (явления).
Предлагаемый подход основывается на трех основных идеях:
1) объединения образов сходных физических явлений с их моделями и методами описания этих моделей в памяти учащихся путем установления между ними прочных ассоциативных связей;
2) дополнения: обучение решению новым видам задач путем увеличения числа параметров известных моделей и добавления методов их описания;
3) стандартизации: использование одних и тех же методов при описании аналогичных явлений.
Поскольку понятие "модель", а также ассоциативная связь между явлением, его физической и математической моделями лежит в основе предлагаемого подхода, назовем его модельно-ассоциативным.
Преимущество такого подхода состоит в том, что он основан на реальной организации памяти человека, которая оперирует при мышлении, как мы уже говорили, определенными относительно постоянными обобщенными моделями, а механизмом мышления является ассоциативная связь.
В информатике - науке, в которой алгоритмизация мышления проявляется ярче всего, существует аналогичный подход, называемый "объектным" и его компьютерная реализация: "объектное программирование" [96, с. 171]. Основные концепции объектного программирования в некоторой степени аналогичны базовым идеям предлагаемого нами модельно-ассоциативного подхода к обучению решению задач. Такое сходство не случайно, оно является отражением реально существующих способов организации мыслительной деятельности человека, проявлениями которой служат, в частности, решение физических задач и написание компьютерных программ. Поэтому вполне очевидно, что программирование и решение задач осуществляется по аналогичным законам.
Рассмотрим подробнее содержание модельно-ассоциативного подхода к изучению физики.
Суть первой идеи (объединения) состоит в том, что мы должны учить школьников не решать задачи "на применение какого-либо уравнения" (хотя именно так написано в билетах для выпускных экзаменов за курс средней школы/{107, с.7-17], а учить их описывать определенные модели физических явлений, параметры и методы описания которых прочно и однозначно ассоциируются у учащихся с данными моделями и самими явлениями. Набор ассоциативно связанных блоков информации: "явление"-!-" модель" +" методы описания модели" назовем ассоциативным комплексом. Если такие комплексы не будут сформированы, подобно тому, как в традиционной методике преподавания физики говорилось о формировании понятий, весь курс физики в памяти ученика будет состоять из огромного количества формул, мало связанных между собой, что мы и наблюдаем довольно часто на практике. Подтверждением бессистемности набора формул, запоминаемых большинством учащихся, является одна из основных причин "неумения решить задачу по физике", называемая в исследовании И.Ф. Миронова. Он формулирует эту причину следующим образом: "неумение выбрать формулы необходимые для решения" [76, с. 108].
