Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Использование натурного и вычислительного эксперимента в процессе обучения физике 13
1.1. Анализ развития учебного физического эксперимента 13
1.2. Содержательно-функциональные аспекты готовности студентов к выполнению натурного и вычислительного эксперимента 28
1.3. Модель формирования готовности будущего учителя физики к использованию натурно-вычислительного эксперимента 53
Выводы по первой главе 73
Глава 2. Методика формирования готовности будущего учителя физики к проведению натурно-вычислительных экспериментов 75
2.1. Система натурно-вычислительных экспериментов в курсе физики педагогического вуза 75
2.2. Организация лабораторного практикума по курсу общей физики 109
2.3. Оценка готовности будущего учителя физики к использованию натурно-вычислительных экспериментов 140
Выводы по второй главе 152
Глава 3. Педагогический эксперимент и его результаты 154
3.1. Организация и проведение педагогического эксперимента 154
3.2. Анализ результатов педагогического эксперимента 167
Выводы по третьей главе 177
Заключение 178
Библиографический список 180
Приложение 206
- Анализ развития учебного физического эксперимента
- Модель формирования готовности будущего учителя физики к использованию натурно-вычислительного эксперимента
- Система натурно-вычислительных экспериментов в курсе физики педагогического вуза
- Оценка готовности будущего учителя физики к использованию натурно-вычислительных экспериментов
Введение к работе
Актуальность исследования. Непрерывное совершенствование учебного физического эксперимента (УФЭ) как на методическом, так и на технологическом уровнях предполагает внесение определенных изменений в экспериментальную подготовку будущего учителя физики. В таких условиях приоритетной задачей обучения в педагогическом вузе становится формирование готовности студента к проведению учебного физического эксперимента с учетом современных форм и перспективных направлений его развития.
Учебный физический эксперимент как важнейший метод обучения физике и его разнообразные функции являлись предметом пристального изучения ведущих методистов: Л. И. Анциферова, О. Ф. Кабардина, В. В. Майера, В. Г. Разумовского, А. В. Усовой, Т. Н. Шамало.
В настоящее время учебный физический эксперимент представлен не только классическими натурными опытами, но и их компьютеризированными аналогами и вычислительными экспериментами. Применение различных компьютерных технологий в УФЭ рассматривалось в исследованиях М. Ю. Гармашова, О. В. Заковряшиной, В. В. Клевицкого, М. А. Петровой, Е. И. Постниковой. Многообразие подобных исследований отражает высокий потенциал развития данного направления учебного физического эксперимента. Значительный вклад в развитие методологии вычислительного эксперимента и его использования в учебном процессе внесли работы Е. И. Бутикова, Р. В. Майера, С. Е. Попова, А. А. Самарского, А. И. Ходановича. В этих исследованиях раскрыты возможности изучения физических объектов посредством построения и последующего анализа математических моделей, описывающих физические явления.
В последние годы наблюдается усиление интеграционных процессов в образовании. Интеграция как принцип осуществления образовательного процесса, основанный на взаимодополнении разных форм постижения действительности (А. С. Кондратьев), в физике наиболее ярко проявляется в комплексном использовании натурного и вычислительного эксперимента. Натурно-вычислительный эксперимент как научный метод, обеспечивающий комплексное изучение явлений и проявляющийся в интегрированном взаимодействии натурного эксперимента и компьютерного моделирования, был предметом рассмотрения в работах В. Я. Синенко, М. И. Старовикова, О. В. Заковряшиной.
Тем не менее, имеется множество нерешенных проблем, связанных, прежде всего, с выявлением форм интеграции натурного и вычислительного эксперимента, с недостаточной разработанностью содержания обучения и методических решений, использование которых обеспечит успешную реализацию натурно-вычислительных экспериментов при обучении физике.
Анализ нормативных документов, научно-методической литературы и педагогической практики позволил выявить следующие противоречия:
– на научно-педагогическом уровне – между развитием технологической и инструментальной базы лабораторного физического эксперимента и недостаточной разработанностью теоретических и методических основ ее использования в процессе обучения физике;
– на научно-методическом уровне – между дидактическим потенциалом современного натурного и вычислительного эксперимента и недостаточной разработанностью методики их комплексного использования в учебном процессе при подготовке учителя физики.
Необходимость разрешения указанных противоречий обусловливает актуальность диссертационного исследования и позволяет сформулировать его проблему: как подготовить будущего учителя физики к использованию современного учебного натурно-вычислительного эксперимента? В соответствии с указанной проблемой была определена тема исследования – «Подготовка будущих учителей к использованию натурно-вычислительного эксперимента при обучении физике».
Объект исследования: процесс обучения физике в педагогическом вузе.
Предмет исследования: формирование готовности будущего учителя физики к постановке и проведению натурно-вычислительного эксперимента.
Цель исследования: разработать и теоретически обосновать методику подготовки будущих учителей физики к комплексному использованию натурного и вычислительного эксперимента.
Гипотеза исследования: подготовка будущих учителей физики к постановке и проведению физического эксперимента будет обеспечена, если:
– в практикуме курса общей физики в качестве средства обучения будут использоваться интеграционные формы натурного и вычислительного эксперимента;
– организацию лабораторного физического практикума осуществлять с учетом принципов «обеспечения разнообразия сочетания натурного и вычислительного эксперимента» и «восхождения от натурного и вычислительного экспериментов к интегрированному натурно-вычислительному эксперименту».
В соответствии с выдвинутой гипотезой и для достижения поставленной цели исследования были определены следующие задачи:
-
На основе анализа нормативных документов, психолого-педагогической литературы и педагогической практики определить структуру готовности учителя физики к выполнению современного учебного физического эксперимента.
-
На основе анализа научной и научно-методической литературы выявить тенденции развития лабораторного физического эксперимента, определить интеграционные формы натурного и вычислительного эксперимента, соответствующие содержанию курса общей физики.
3. Разработать методику подготовки студентов педагогического вуза к поста
новке и проведению выявленных форм натурно-вычислительного эксперимента.
4. Провести педагогический эксперимент по проверке гипотезы ис
следования и результативности разработанной методики.
Теоретико-методологическую основу исследования составили:
– фундаментальные исследования в области теории и методики обу
чения физике (М. Д. Даммер, С. Е. Каменецкий, Н. С. Пурышева,
А. В. Усова, Т. Н. Шамало);
– исследования в области методологии, теории и практики исполь
зования информационных технологий в обучении физике
(В. А. Извозчиков, С. Е. Каменецкий, А. С. Кондратьев, Н. И. Пак, А. И. Ходанович);
– работы по вопросам методологии математического моделирования и вычислительного эксперимента (Р. В. Майер, Г. Г. Малинецкий, С. Е. Попов, А. А. Самарский, П. В. Трусов);
– фундаментальные исследования по вопросам организации, проведе
ния и представления результатов педагогических исследований
(В. И. Загвязинский, В. В. Краевский, А. М. Новиков, Б. Е. Стариченко).
Решение поставленных задач осуществлялось с применением следующих методов исследования:
– теоретические (анализ и обобщение философской, психолого-педагогической, научно-методической литературы; изучение материалов научно-практических конференций; анализ федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования, основных образовательных программ подготовки учителей физики в педагогических вузах, учебных планов и других нормативных документов; анализ программного обеспечения, используемого в технологии компьютерного моделирования; метод моделирования);
– эмпирические (анкетирование студентов, учителей и преподавателей физики, тестирование, пооперационный анализ, метод экспертных оценок, наблюдение за учебным процессом, педагогический эксперимент, анализ результатов учебно-исследовательской деятельности);
– статистические методы обработки экспериментальных данных.
Организация исследования. Диссертационное исследование осуществлялось в период с 2008 по 2016 гг. на базе Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии и охватывало четыре этапа: констатирующий, поисковый, обучающий и контрольный.
На первом этапе (2008 г.) проводилось изучение психолого-педагогической и научно-методической литературы, анализировались государственные образовательные стандарты и другие нормативные документы. Результатом этой работы стало: подтверждение наличия проблемы исследования, разработка понятийного и научного аппарата, обоснование необходимости включения исследовательских работ, построенных на основе интеграции натурного и вычислительного эксперимента, в содержание обучения будущих учителей физики. Под интеграцией натурного и вычислительного эксперимента будем понимать процесс и результат их согласованного использования в системе лабораторного физического эксперимента.
На втором этапе (2009 – 2010 гг.) были разработаны основные элементы методики подготовки будущих учителей физики к постановке и проведению современного учебного физического эксперимента. Для этого был проведен отбор тем лабораторных работ и учебно-исследовательских проектов по различным разделам курса общей физики, предполагающих возможность разнопланового сочетания натурного и вычислительного эксперимента. Проведено опытное преподавание, по результатам которого были внесены отдельные изменения в содержание методов и форм обучения, разработан комплекс исследовательских заданий.
На третьем этапе (2011 – 2013 гг.) проводился обучающий эксперимент по проверке результативности разработанной методики формирования готовности будущих учителей физики к выполнению современного натурно-вычислительного эксперимента. На данном этапе диагностика уровня подготовленности студентов осуществлялась на основе получения комплексной оценки с использованием матрицы свертки.
На четвертом этапе (2014 – 2016 гг.) осуществлялась проверка результатов обучающего эксперимента. Сопоставление уровней подготовленности студентов в экспериментальных и контрольных группах проводилось путем сравнения количественных результатов по отдельным показателям. Оценивались четыре показателя, соответствующие мотивацион-ному, когнитивному, операционно-деятельностному и рефлексивному компонентам готовности студентов к выполнению современного УФЭ. Для их диагностики применялись методы тестирования, анкетирования и пооперационного анализа учебной деятельности. Также был выполнен итоговый анализ педагогического эксперимента с последующим формулированием выводов и рекомендаций, оформлением текста диссертации.
Научная новизна исследования:
-
В отличие от ранее проведенных исследований, в которых раскрываются возможности использования компьютерных информационных технологий на лабораторных занятиях по физике (Ю. Б. Искренникова, Н. А. Оспенников), в представленной работе обоснована необходимость и возможность включения в подготовку будущих учителей физики комплексного натурно-вычислительного эксперимента (НВЭ).
-
На основе принципов «обеспечение разнообразия сочетания натурного и вычислительного эксперимента» и «восхождение от натурного и вычислительного к интегрированному натурно-вычислительному эксперименту» разработана структурная модель формирования готовности будущих учителей физики к проведению современного учебного физического эксперимента. Ее реализация в учебном процессе предполагает проведение нескольких этапов, соответствующих трем основным формам натурно-вычислительного эксперимента (параллельная, последовательная и комплексная).
-
Разработана методика, использование которой направлено на подготовку будущих учителей физики в педагогическом вузе к выполнению натурно-вычислительного эксперимента.
4. По основным разделам курса общей физики разработано шесть
оригинальных лабораторных работ, выполнение которых предполагает
использование различных интеграционных форм натурного и вычисли
тельного эксперимента.
Теоретическая значимость исследования:
1. Уточнено понятие учебного натурно-вычислительного эксперимента как метода обучения физике, основанного на интеграции лабораторного эксперимента и компьютерного моделирования и позволяющего получать новые учебные результаты.
2. Предложены принципы отбора и структурирования содержания
обучения: «обеспечение разнообразия сочетания натурного и вычисли
тельного эксперимента» и «восхождение от натурного и вычислительного
к интегрированному натурно-вычислительному эксперименту».
-
Установлены различные формы сочетания современного натурного и вычислительного эксперимента (параллельное, последовательное, комплексное).
-
Предложены критерии, позволяющие оценить уровень операцион-но-деятельностной готовности будущего учителя физики к выполнению современного УФЭ на основе поэтапного выполнения натурно-вычислительного эксперимента.
Практическая значимость исследования заключается в доведении теоретических результатов до уровня практического применения, разработаны и внедрены в учебный процесс Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии1:
-
Комплекс лабораторных работ, охватывающий основные разделы курса общей физики и предназначенный для подготовки студентов к использованию различных форм сочетания натурного и вычислительного экспериментов.
-
Комплекс учебно-исследовательских проектов по темам «Исследование волновых процессов», «Движение заряженных частиц в магнитном поле», «Моделирование орбиталей электрона в атоме водорода», использование которого направлено на овладение будущими учителями физики методом вычислительного эксперимента.
-
Методические рекомендации по использованию лабораторных работ и учебно-исследовательских проектов для улучшения экспериментальной подготовки студентов педагогического вуза. Результативность такого обучения подтверждена педагогическим экспериментом.
Обоснованность и достоверность результатов исследования обеспечиваются: всесторонним анализом выявленной проблемы; использованием теоретических и эмпирических методов, адекватных предмету и задачам исследования; репрезентативностью выборки студентов (будущих учителей физики) и тщательностью проведения педагогического эксперимента; применением статистических методов обработки результатов экспериментального обучения, их воспроизводимостью.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в ходе экспериментальной работы на базе Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии. Основные теоретические положения и результаты диссертационного исследования докладывались на заседаниях кафедры физики и методики обучения физике и кафедры физико-математического образования НТГСПА. Теоретические положения, материалы и результаты исследования были представлены в докладах на международных научно-практических конференциях («Реализация нацио-
1 С 2013 г переименована в Нижнетагильский государственный социально-педагогический институт (филиал РГППУ в г. Нижнем Тагиле).
нальной образовательной инициативы «Наша новая школа» в процессе обучения физике, информатике и математике», г. Екатеринбург, 2010 г., 2012 г.; «Подготовка молодежи к инновационной деятельности в процессе обучения физике, математике, информатике», г. Екатеринбург, 2013 г.; «Формирование инженерного мышления в процессе обучения», г. Екатеринбург, 2015 г., 2016 г.) и всероссийских научно-практических конференциях («Учебный физический эксперимент. Актуальные проблемы. Современные решения», г. Глазов, 2008 г., 2009 г., «Актуальные проблемы и перспективы развития естественнонаучного и физико-математического образования», г. Нижний Тагил, 2016 г.).
Основные результаты исследования отражены в 20 публикациях, в том числе 4 – в ведущих научных изданиях, включенных в реестр ВАК МОиН РФ.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Развитие инструментальной и технологической базы натурного
эксперимента, включение вычислительного эксперимента в систему со
временного учебного физического эксперимента привели к формированию
натурно-вычислительного эксперимента как комплексного метода обуче
ния физике. Современный учитель физики должен быть готов к проведе
нию натурно-вычислительного эксперимента, поэтому натурно-
вычислительный эксперимент должен быть включен в содержание подго
товки будущего учителя физики.
-
Отбор содержания обучения необходимо проводить с учетом принципа обеспечения разнообразия сочетания натурного и вычислительного эксперимента. Деятельность студентов должна быть направлена на освоение основных форм сочетания натурного и вычислительного эксперимента (параллельное, последовательное, комплексное). Параллельное выполнение обеспечивает возможность сравнения результатов натурного и вычислительного эксперимента, служит основой для дальнейшего изучения их интеграционных форм; последовательное – позволяет получать более точные результаты эксперимента, расширить и углубить уровень знаний по физике; комплексное – формирует представления о технологии постановки и проведения современных научных и учебных экспериментов.
-
Организацию лабораторного практикума следует осуществлять в соответствии с регулятивным принципом восхождения от натурного и вычислительного к интегрированному натурно-вычислительному эксперименту. На практике повышение степени интеграции обеспечивается в три этапа. На первом – выполняются работы, в которых натурный и вычислительный эксперименты проводятся независимо. На втором этапе студенты выполняют серию лабораторных работ, в которых натурный и вычислительный эксперименты чередуются на основе различных приемов сочетания, обеспечивая более глубокое и многоаспектное изучение явлений. На заключительном этапе выполняются работы с использованием комплексного натурно-вычислительного эксперимента, которые призваны завершить формирование готовности к проведению современного учебного физического эксперимента.
4. Реализация предлагаемой методики обеспечит подготовку будущих учителей физики к постановке и проведению современного натурно-вычислительного эксперимента. Критериями результативности разработанной методики выступают:
– повышение мотивации к освоению натурно-вычислительного эксперимента;
– формирование знаний, необходимых для проведения интегрированного эксперимента;
– овладение методами постановки разнообразных форм натурно-вычислительного эксперимента;
– развитие способности объективно оценивать умения по постановке и проведению натурно-вычислительного эксперимента.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и приложения.
Анализ развития учебного физического эксперимента
Поиск путей совершенствования учебного физического эксперимента на основе использования современных информационных технологий должен осуществляться с учетом анализа истории развития как натурного, так и вычислительного экспериментов.
Экспериментальный метод занимал господствующее место в одном из первых учебников физики, переведенным в 1744 году с латинского языка М.В. Ломоносовым. В «Вольфианской экспериментальной физике» изложение учебного материала строилось с описания натурного эксперимента, после чего излагались выводы и приводились обобщения [198].
В учебниках М.Е. Головнина и П. Гиляровского также уделяется значительное внимание физическому эксперименту. На страницах этих книг приводятся описания: наиболее характерных экспериментов по основным разделам физики; «современных» приборов (лейденская банка, электрофор, электрометр); работ Г. Галилея, Р. Декарта, Э. Торричелли, И. Ньютона, Л. Эйлера и других ученых того времени [36].
Первый в стране физический кабинет был основан в Царскосельском лицее Я.И. Карцовым. Будучи преподавателем физики, он оборудовал класс всеми необходимыми машинами и аппаратами, используемыми для чтения курса. Среди наиболее интересных для учащихся были электрическая машина и аппарат, демонстрирующий обращение планет вокруг Солнца [198].
Заведующий кафедрой физики Санкт-Петербургского университете Э.Х. Ленц в 1839 году издает учебник для русских гимназий. Его «Руководство к физике» в течении четверти века считалось основным учебником для средних учебных заведений. Описание физических экспериментов дополнялось точными теоретическими формулировками, математическими формулами и всеми необходимыми расчетами. По своему построению и методическому изложению учебного материала этот учебник значительно превосходил все имеющиеся на то время пособия [148].
Первая учебная лаборатория физики, созданная под руководством Ф.Ф. Петрушевского, начала работу в 1867 году. Ее развитие было делом всей жизни приват-доцента В.В. Лермантова. Он предложил публиковать чертежи важнейших машин и отчасти физических приборов. Его педагогический замысел состоял в побуждении учеников старшего возраста к самостоятельному созданию с помощью этих рисунков движущихся моделей машин. В предисловии к книге «Методика физики и содержание приборов в исправности» автор отмечает, что для учащегося соответствие вычисления по данному правилу с натурным экспериментом убедительнее доказывает его правильность, чем математический вывод [105]. Анализируя опыт преподавания физики в Америке и Англии, где учащиеся активно участвуют в проведении физических экспериментов, В.В. Лермантов отмечает, что у нас этот метод преподавания еще на разработан и его нельзя всецело использовать в преподавании физики. Причинами того является нехватка времени и подготовленных учителей физики. Методика преподавания физики с опорой на натурный эксперимент, адаптированная В.В. Лермантовым к нашим условиям заключалась в демонстрации и объяснении основных опытов учителем в классе. Также на страницах этой книги приводятся ценные указания и рекомендации по технологии организации и проведения демонстрационных физических экспериментов.
Экспериментальный характер обучения физике послужил причиной создания физических классов. Петербургский педагогический музей, объединивший известных ученых и методистов: В.В. Лермантова, О.Д. Хвольсона, И.И. Боргмана, К.В. Дубровского, В.Л. Розенберга, Н.С. Дрентельна, П.А. Знаменского и других в 1874 году опубликовал каталог, включающий подробное описание 272 приборов физического кабинета по следующим рубрикам: предварительные понятия (16 приборов), движение и равновесие (82), магнетизм (8), гальванизм (48), электричество (33), свет (38), звук (14), теплота (33) [46].
К.В. Дубровский разработал и создал коллекцию упрощенных самодельных приборов по физике. Было показано, что для самих учащихся конструирование таких приборов, является отличным применением физических знаний на практике. Его сборник «Общедоступные физические приборы» содержал описание 25 простых опытов с использованием самодельных приборов по всем разделам элементарного курса физики. Однако отсутствие в коллекции измерительных приборов не позволяло в полной мере организовать проведение лабораторных работ по физике [63].
Несколькими годами позже (1885 г.) вышла книга Я.И. Ковальского «Сборник первоначальных опытов, при помощи которых можно ознакомить детей с самыми простыми физическими и химическими явлениями». Она содержала свыше 200 простых опытов и приборов, необходимых для начального знакомства учащихся с явлениями теплоты, звука, электричества, света и магнетизма. Значительная часть опытов была рассчитана на выполнение самими учащимися, в том числе и в домашних условиях [48].
В земской учительской школе Н.С. Дрентельн основал хорошо оснащенную физическую лабораторию, состоящую из простых и оригинальных физических приборов, позволяющих сопровождать натурными демонстрациями весь курс физики. Ему принадлежат методические рекомендации, не утратившие смысла и в наше время: эксперимент должен быть прост, нагляден и убедителен; содержание натурного эксперимента должно удовлетворять условию необходимости и достаточности; последовательность действий должна быть ясна и понятна всем учащимся; результат опыта не должен вызывать сомнений. Значительный вклад в развитие учебного физического эксперимента оказала книга Н.С. Дрентельна «Пособие для практических работ по физике в средней школе», на страницах которой приводилось обобщение опыта по организации практических работ с учащимися [198]. В это же время вопросом организации лабораторных работ по физике в средней школе занимался и П.А. Знаменский. Им подготовлено детальное описание приборов и способов их применения, указания по оценке точности измерений, более 600 лабораторных работ с предполагаемыми результатами [62].
Несмотря на значительное развитие содержания и методики проведения физических экспериментов, по-прежнему не были даны ответы на такие вопросы, как: нужно ли отводить специальные часы на выполнение лабораторных работ? Какую форму работы предпочтительнее использовать? Каким работам отдавать предпочтение – качественным или количественным?
Ответом на некоторые вопросы был метод предложенный И.В. Глинка и названный им «методом лабораторных уроков». Его предложение заключалось в последовательности, при которой в начале обучения физике все учащиеся следовали в лабораторию, где под руководством преподавателя выполняли физические эксперименты [32]. При этом лабораторные занятия могли осуществляться как «фронтальной системой», так и системой «разных работ». В первом случае, специальные часы не отводятся, и учащиеся выполняют эксперимент одновременно с объяснениями учителя. Во втором случае, выполнение лабораторных работ осуществляется учащимися в специально отведенное время после прохождения части теоретического материала. Одновременно с И.В. Глинка вопросами повышения качества преподавания физики с использованием фронтальных лабораторных работ занимались Н.В. Кашин, А.В. Павша, С.Н. Жарков.
В период с 30-х по 40-е годы XX века Д.Д. Галанин, Е.Н. Горячкин, С.Н. Жарков, А.В. Павша, Д.И. Сахаров выполнили огромную совместную работу по описанию учебного оборудования и лабораторных физических экспериментов по всем разделам школьной физики. Результатом этой работы стало издание многотомной энциклопедии «Физический эксперимент в школе».
В 1938 году публикуется книга А.Н. Зильбермана «Лабораторные работы по физике», а в 1944 году выходит «Курс физики» под редакцией Г.С. Ландсберга, ставший основой для «Элементарного учебника физики», в котором основное место отведено физическому эксперименту.
Несмотря на то, что фронтальные лабораторные работы впервые были введены в программу школьного курса физики еще в 1927 году, до начала 50-х годов они не нашли отражения в широкой практике обучения. Все изменилось благодаря трудам А.А. Покровского и Б.С. Зворыкина. Ими создан комплект учебного оборудования и налажен его промышленный выпуск. Для учителей издается книга «Фронтальные лабораторные занятия по физике», в которой приводится подробное описание 53 наиболее важных лабораторных работ, приводятся инструкции с иллюстрациями по сборке любой установки, рассчитывается максимальная относительная погрешность возможных результатов [46].
Модель формирования готовности будущего учителя физики к использованию натурно-вычислительного эксперимента
В соответствии с действующим ФГОС для всех ступеней высшего образования перед вузами ставится задача формирования у студентов не столько системы знаний и умений, сколько способов и опыта получения информации, ее преобразования и применения в реальных ситуациях. Результатом образовательного процесса в этом случае должна стать система профессиональных компетентностей.
Для выстраивания эффективного процесса формирования профессиональных компетентностей будущих учителей физики разрабатываются специальные методики. Их отличительные особенности, структурные элементы и функциональные связи изображаются в наглядной, схематичной форме в виде дидактической модели.
Процесс подготовки будущего учителя физики к проведению натурно-вычислительного эксперимента можно представить структурной моделью состоящей из четырех блоков: целевого, теоретического, процессуального и результативного. В своей совокупности они образуют целостную систему [51], схематично представленную на рисунке 2.
Целевой блок отражает социальный заказ и требования федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению «Педагогическое образование», определяет направленность методики обучения на достижение требуемого результата – формирования готовности будущих учителей физики к проведению натурно-вычислительного эксперимента.
В предыдущем параграфе приводился анализ действующих стандартов на предмет выявления требований к уровню информационной подготовки будущих учителей физики. Там же отмечалось отсутствие у существующих методик возможностей формирования отдельных компонент информационной готовности, в частности, связанных с организацией и проведением современных форм учебных физических экспериментов.
Существующие программы подготовки учителей физики предусматривают формирование большинства компонентов информационной компетентности на первых курсах обучения в вузе. Студенты получают начальные знания по способам математической обработки информации, численным методам решения дифференциальных уравнений и систем уравнений. Недостаток опыта самостоятельного практического использования данных знаний в предметной области (физике) решается путем включения в программы подготовки будущих учителей физики курсов по основам вычислительной физики или компьютерному математическому моделированию. При этом, выполнение натурных экспериментов в физических лабораториях и вычислительных экспериментов в компьютерных классах разнесены по времени. У студентов отсутствует возможность сравнения как самих технологий изучения физических объектов при помощи компьютерного и реального лабораторного эксперимента, так и результатов этих работ.
Во время построения компьютерных моделей на лабораторных занятиях по вычислительной физике студенты сталкиваются с некоторыми трудностями психологического характера. В основном на этапе формализации, связанным с построением математической модели на базе физической. Психологами эти затруднения объясняются, как правило, недостаточным уровнем развития физического воображения, умения выделять главное в объекте изучения, научной фантазии и других компонентов умственной деятельности. Для их преодоления необходимо подготовить студентов к восприятию математической модели путем ее поэтапного построения, начиная с решения наиболее простых задач – учитывая только основные свойства и элементы исследуемой системы. Идеализация исследуемого явления, как обнаружилось в ходе практики, также порождает у студентов определенные психологические затруднения. Они возникают, как на этапах содержательной и математической постановки задачи моделирования, так и при анализе результатов вычислительного эксперимента. Обучаемые часто отождествляют компьютерную модель с реальным процессом или явлением, поэтому задача преподавателя – объяснить то, что данная компьютерная модель это лишь один из вариантов моделирования исследуемого явления, а не абсолютно точная его копия.
Основная задача обучения основам вычислительной физики заключается в изучении системы иерархий моделей объектов, взаимодействий, явлений и процессов (именно моделей!). В то время как в лабораторном практикуме студенты имеют дело с реальными объектами и явлениями, тем самым отсутствует должная связь между натурным экспериментом и компьютерным моделированием. Отсутствует сама возможность сравнения модели с настоящим явлением. Такое «раздельное» обучение отрицательно сказывается на эффективности профессиональной подготовки будущих учителей физики и, в частности, формировании готовности к использованию современных форм учебного физического эксперимента.
В предыдущем параграфе приводился анализ деятельности студентов при выполнении лабораторного физического эксперимента и при поэтапном исследовании физических объектов в вычислительном эксперименте. Результаты позволяют констатировать целесообразность включения серии учебно-исследовательских работ, построенных на основе совместного использования натурного и вычислительного эксперимента для повышения эффективности подготовки будущих учителей физики к проведению современного УФЭ. Данное обстоятельство послужило основой для постановки цели разрабатываемой методики – формирование отдельных аспектов готовности учителя физики к проведению УФЭ на основе интеграции натурного и вычислительного эксперимента. Теоретический блок модели отражает специфику готовности учителя физики (систему компонентов, уровни их сформированности) и содержит обоснование натурно-вычислительного эксперимента, как средства формирования этой готовности.
Специфика готовности учителя физики определяется ее компонентным составом, единством содержательных и структурных компонентов, обусловливающих спектр основных направлений использования информационных технологий, форму проявления и внутренние механизмы формирования. Для каждого из содержательных компонент характерны свои возможные уровни развития, представленные в таблице 3. Связи структурных и содержательных компонент с учетом уровней их сформированности изображены в структурно-содержательной модели, представленной в работе [192]. Там же приводится обоснование результативности формирования готовности учителя физики к проведению современного УФЭ средствами сочетания натурного и вычислительного эксперимента.
Учебно-экспериментальная работа на физико-математическом факультете позволила выявить три варианта организации процесса обучения физике на основе сочетания натурного и вычислительного эксперимента.
Система натурно-вычислительных экспериментов в курсе физики педагогического вуза
Условием успешного формирования готовности будущего учителя физики к проведению современного учебного физического эксперимента является направленность учебного процесса на развитие всех структурных компонентов готовности:
- поддержка и усиление мотивации студентов (учет интересов, склонностей, индивидуального стиля учебной деятельности, стремления самореализации личности);
- получение студентами знаний в области современного УФЭ (раскрытие тенденций в развитии инструментальной и технологической базы натурного учебного физического эксперимента, знакомство с технологией поэтапного проведения вычислительного эксперимента);
- приобретение студентами опыта выполнения учебных лабораторных исследований, основанных на использовании различных схем сочетания натурного и вычислительного эксперимента;
- осуществление студентами самооценки своей подготовленности в области проведения натурно-вычислительного эксперимента (управление процессом выполнения НВЭ от постановки цели до анализа полученных результатов).
Процесс формирования у студентов психологической готовности к проведения современного УФЭ состоит из двух частей: теоретической и практической [80]. I. Теоретическая часть включает целенаправленную преподавательскую работу на лекционных занятиях. Изложение теоретического материала преследует цель – обеспечить студентов знаниями по изучаемым темам в наиболее общем, системном виде. Необходимо зафиксировать основные положения теории, обратить повышенное внимание на сложные вопросы, поставить студентам задачи по самостоятельному изучению материала.
1. Методологическая триада современной физики (теоретическая, экспериментальная и вычислительная). Предмет вычислительной физики.
При выборе средства исследования ученый должен провести сравнительный анализ достоинств и недостатков имеющихся в его распоряжении методов. Появление вычислительной физики в середине ХХ века, обусловленное широким внедрением электронно-вычислительной техники в процесс научного исследования, значительно обогатило арсенал доступных средств исследования. В силу этого, при изучении материала темы основное внимание уделено рассмотрению сравнительных характеристик трех фундамен тальных методов проведения физических исследований (таблица 4).
Чтобы помочь учащимся разобраться с предметом вычислительной физики необходимо дополнить содержание этой темы историческими сведениями, связанными с формированием вычислительной физики как науки.
2. Основы моделирования реальных систем и процессов (моделирование как метод познания, понятие модели, требования к моделям, функции моделей).
В данном разделе раскрывается роль моделирования как одного из основных инструментов познания человеком явлений окружающего мира, рассматриваются взаимосвязанные понятия модели и моделирования. Затем формулируются основные цели математического моделирования в научной сфере:
- изучить конкретные физические объекты (явления, процессы): их структуру, внутренние связи, основные свойства, законы развития, саморазвития и взаимодействия с окружающей средой;
- научиться выбирать лучшие способы управления объектом или процессом в зависимости от поставленных целей и критериев;
- предсказывать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект [197].
Особое внимание при изложении материала следует уделять требованию ингерентности, простоты и адекватности.
Первое требование – ингерентность модели, то есть достаточная степень согласованности создаваемой модели со средой в которой проводится исследование. Например, имеющиеся различия в образовании, мироощущении могут послужить источником несогласованности модели со средой.
Следующее требование – простота модели. Хорошо построенная модель благодаря своей относительной простоте, как правило, доступнее, информативнее и удобнее для изучения, нежели реальный объект. Простота модели неизбежна из-за необходимости оперирования с ней, использование ее как рабочего инструмента, который должен быть обозрим и понятен. Последнее требование, предъявляемое к модели – ее адекватность. Адекватность модели означает, что она достаточно полна, точна и истинна. Достаточно не вообще, а именно в той мере, которая позволяет достичь поставленной цели [121].
Только следование всем этим требованиям позволит раскрыть познавательный потенциал модели и поспособствует достижению ее функций (теоретическая, эвристическая, трансляционная, проектирующая, прагматическая и интерпретационная [201]).
3. Виды моделей. Классификация математических моделей.
В учебной литературе можно встретить огромное количество различных видов моделей. Для их упорядочивания при изучении данной темы приводится распространенная классификация, включающая группу натурных, аналоговых и идеальных моделей:
- Натурные (материальные или физические). Это материальный аналог исследуемого объекта, воспроизводящий основные физические, химические, биологические, геометрические и другие свойства исходного объекта. Примерами таких моделей являются модели зданий в архитектуре, масштабные модели транспортных средств и др.
- Аналоговые. Аналоговая модель объекта – это другой объект, имеющий иную физическую природу, но одинаково описывающийся формальным языком. Например, колебания математического маятника и изменение величины тока в колебательном контуре описываются одинаковыми математическими соотношениями, хотя и имеют различную физическую природу. Другой пример: распределение давления и скорости кровотока (в норме и при образовании тромба) в крупных сосудах аналогично протеканию электрического тока по цепи с постоянным сопротивлением. Появление тромба в сосуде аналогично увеличению сопротивления резистора в электрической цепи [162]. - Идеальные. Это модели, представляющие собой абстрактные образы реальных или воображаемых объектов. Идеальные модели, в свою очередь, могут быть двух видов: интуитивные и знаковые.
Интуитивные модели невозможно описать с помощью формальной логики, в тоже время они позволяют получить определенные сведения об объекте исследования. Например, жизненный опыт любого человека можно считать его интуитивной моделью окружающего мира [14].
Знаковые модели описывают оригинал с помощью различных символов: схем, чертежей, текстов на различных языках, включая формальные, чаще всего математические.
Особое внимание здесь уделяется идеальным моделям, в особенности знаковым, поскольку математическое моделирование является важным и весьма обширным видом знакового моделирования.
При изучении данной темы студенты знакомятся с различными критериями классификации математических моделей. Подробная классификация математических моделей приводится в работе М.С. Бургина, В.И. Кузнецова [21]. Эта классификация допускает возможность принадлежности одной и той же математической модели к нескольким классам, построенным по независимым классификационным признакам. Поэтому, считаем необходимым завершить изучение этой темы примером, демонстрирующим возможность построения для одного определенного процесса нескольких моделей различного типа (рисунок 8).
Оценка готовности будущего учителя физики к использованию натурно-вычислительных экспериментов
Разработка диагностических процедур по определению степени подготовленности будущих учителей физики к использованию натурно-вычислительных экспериментов предполагает выбор критериев и показателей сформированности. В первой главе диссертационного исследования мы определили структуру готовности будущего учителя физики к постановке и проведению натурно-вычислительного эксперимента, которая включает в себя четыре компонента: когнитивный, мотивационный, операционно-деятельностный и рефлексивный.
С учетом структуры готовности и особенности организации учебно-познавательной деятельности студентов-физиков в педагогическом вузе были определены критерии результативности методики подготовки будущих учителей физики к постановке и проведению натурно-вычислительных экспериментов (рисунок 29).
Приведенные критерии измеряются количественными и качественными показателями, выявленными на основе анализа научно-педагогической литературы с учетом особенностей разработанной методики. Для их оценки подбирались, разрабатывались и использовались различные методики: анкетирование студентов на основе методики К. Замфир в модификации А.А. Реана, наблюдение за работой студентов, пооперационный анализ учебной деятельности и др.
Готовность будущих учителей физики к использованию натурно-вычислительного эксперимента, представленная совокупностью структурных компонентов, критерии и показатели ее сформированности, а также методы их оценивания приведены в таблице 14.
I. Первый критерий представляет собой проявление интереса и повышение мотивации к использованию интеграционных форм натурного и вычислительного эксперимента в будущей профессиональной деятельности учителя физики. Для оценки этого критерия применяются: 1) анкетирование студентов с целью определения их отношения к использованию натурно-вычислительного эксперимента; 2) наблюдение за выполнением студентами лабораторных работ, вовлеченность обучаемых в проведение натурных и вычислительных экспериментов и анализ результатов этой деятельности.
1. Отношение будущих учителей физики к использованию натурно-вычислительных экспериментов характеризуется соотношениями различных типов мотивации (мотивационные комплексы личности). Для их оценки мы использовали методику К. Замфир в модификации А.А. Реана [20]. Основу методики составляет разделение мотивации на внутреннюю (ВМ), внешнюю положительную (ВПМ) и внешнюю отрицательную (ВОМ). Первый тип мотивации свойственен студентам, для которых проведение натурно-вычислительного эксперимента имеет значение само по себе. Внешние мотивы обусловлены стремлением избежать критики, получения хорошей оценки, зачета по предмету и т.д. При этом внешние положительные мотивы являются более предпочтительными, нежели внешние отрицательные.
Для оценки мотивации студентам предлагается заполнить бланк с семью мотивами, оценив их значимость для себя по пятибалльной шкале (таблица 15).
Для каждого типа мотивации значение критерия будет числом (возможно дробным) из интервала от 1 до 5.
Далее определяется мотивационный комплекс личности - тип соотношения между собой трех видов мотивации. Например, оптимальными моти-вационными комплексами, определяющими сформированность мотивацион-ного компонента готовности будущих учителей физики к использованию натурно-вычислительного эксперимента, являются сочетания типа: ВМ ВПМ ВОМ и ВМ=ВПМ ВОМ. При сочетание ВОМ ВПМ ВМ готовность студентов к использованию натурно-вычислительного эксперимента будем считать не сформированной. Другие комбинации видов мотивации относятся к средним по эффективности промежуточным комплексам.
2) Другой показатель сформированности мотивационного компонента готовности характеризует степень активности участия будущих учителей в учебно-познавательном процессе, способность к самообучению и эффективной организации собственной учебной деятельности.
Наблюдение за своевременностью выполнения различных этапов лабораторных работ, вовлеченностью студентов в проведение натурных и вычислительных экспериментов и анализ результатов этой деятельности позволяют отследить развитие познавательной активности студентов. Использовалась трехуровневая системы оценки: низкий, средний и высокий уровни сформированности познавательной активности (таблица 16).
Наличие среднего и высокого уровня познавательной активности говорит о готовности будущих учителей физики к использованию натурно-вычислительного эксперимента.
При оценки данных показателей применялась порядковая (ранговая) трехуровневая шкала.
II. Второй критерий – сформированность основных знаний, необходимых для постановки и проведения современного учебного физического эксперимента. Показателями данного критерия выступают полнота знаний и широта использования современных форм учебного физического эксперимента во время прохождения педагогической практики и при выполнении выпускной квалификационной работы.
Для оценки полноты знаний применяется тестирование в ходе которого определяется число верно выполненных заданий. За каждый правильно данный ответ студент получает 1 балл. Максимально возможное число баллов за тестирование – 28 баллов, минимальное – 0 баллов. Коэффициент полноты усвоения знаний рассчитывается по формуле