Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ 11
1.1. Эмпирические методы познания в науке и в обучении 13
1.2. Прибор как универсальный объект познания 25
1.3. Полифункциональность учебных физических приборов 46
1.4. Основные психолого-педагогические требования
к использованию учебных физических приборов 52
ГЛАВА 2. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИНЦИПА ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОСТИ УЧЕБНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ДЕМОНСТРАЦИОННОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ 63
2.1. Многоцелевое использование учебного оборудования в постановке демонстрационного физического эксперимента 63
2.2. Систематизация демонстрационных опытов с учетом полифункциональности учебных физических приборов 80
ГЛАВА 3. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ И ЕГО РЕЗУЛЬТАТЫ 98
3.1. Организация педагогического эксперимента 99
3.2. Содержание и результаты педагогического эксперимента 108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 139
- Эмпирические методы познания в науке и в обучении
- Многоцелевое использование учебного оборудования в постановке демонстрационного физического эксперимента
- Организация педагогического эксперимента
Введение к работе
Учебный физический эксперимент является одним из основных методов обучения физике. Материальной основой для его постановки (и проведения) служит учебное оборудование типового кабинета физики, состояние которого оказывает большое влияние на организацию учебного процесса и его результативность. Созданию учебного оборудования для школ и его использованию в физическом эксперименте были посвящены исследования основоположников создания системы учебного оборудования для средних общеобразовательных школ Б.С. Зворыкина, Е.Н. Горячкина и А.А. Покровского. В последние годы модернизация школьного оборудования типового кабинета физики проходит по пути внедрения новейших достижений физики и техники в обучение: замена электровакуумных приборов на полупроводниковые приборы, унификация лабораторных и демонстрационных приборов, использование кибернетических устройств, перевод ряда измерителей на цифровую индикацию и т.д. Эти тенденции отражены в работах Л.И. Анциферова, В.А. Бурова, Б.М. Игошева, В.А. Извозчикова, Д.М. Комского, В.В. Лаптева, Б.Ю. Миргородского, A.M. Смирнова, Т.Н. Шамало и других.
Благодаря проведенным исследованиям значительно обогатилось содержание учебного физического эксперимента, получили развитие методика и техника постановки демонстрационных опытов, были усовершенствованы формы организации и методы проведения фронтальных лабораторных работ и работ физического практикума, решены многие проблемы комплексного использования учебного оборудования и других средств наглядности в обучении физике.
Изменившиеся экономические условия в России в 90-х годах прошлого века вызвали снижение темпов разработки и производства учебного оборудования для школ. Как следствие возникли проблемы с обеспечением школ учебно-наглядными пособиями. Эти объективные причины привели к тому, что мате-
риально-техническая база физических кабинетов школ за последнее десятилетие практически не обновлялась. Между тем продолжающийся научно-технический прогресс создавал условия для значительной модернизации школьного оборудования.
В связи с этим в новых социально-экономических условиях при реализации учебного физического эксперимента (УФЭ) в курсе физики возникли противоречия:
между высоким уровнем методических и психолого-педагогических требований к постановке УФЭ и недостаточным оснащением типовым оборудованием кабинетов физики средних общеобразовательных школ, что не позволяет реализовать эти требования в полной мере;
между возросшими техническими возможностями современного производства и низкими темпами модернизации и совершенствования учебного оборудования.
Эти противоречия в настоящее время начали ослабляться в результате повышенного внимания общественности и правительства РФ к развитию образования в нашей стране.
Разрешению указанных противоречий способствовали также разработки методистов, которые исследовали пути и средства повышения эффективности использования учебного оборудования в учебном физическом эксперименте. В работах В.Г. Разумовского, В.В. Майера, В.Ф. Шилова, П.В. Зуева, Е.С. Объед кова была научно обоснована необходимость и целесообразность создания учащимися и применения в учебном процессе самодельных приборов по физике, что имеет большое значение для развития творческих способностей школьников. Перспективными явились педагогические исследования, связанные с развитием методики использования УФЭ в учебном процессе (А.И. Анциферов, С.А. Хорошавин, Т.Н. Шамало и др.), в результате которых было выявлено, что эффективность проведения учебного физического эксперимента зависит не только от наличия и состояния учебного оборудования физического кабинета,
но и от полноты реализации функциональных возможностей школьных приборов. Использование школьного оборудования с различными методическими целями позволит осуществить большее количество опытов, расширить их содержание.
Однако раскрытие функциональных возможностей школьных приборов не нашло достаточно полного отражения в научных работах. Поэтому исследование, посвященное повышению эффективности учебного физического эксперимента при полифункциональном использовании типового оборудования школьного кабинета физики, следует считать актуальным.
Объект исследования - учебный процесс по физике в средней общеобразовательной школе.
Предмет исследования - повышение эффективности школьного физического эксперимента.
Цель исследования - разработка методики многоцелевого использования оборудования типового кабинета физики, обеспечивающей повышение эффективной постановки УФЭ в процессе обучения.
Основная идея исследования: раскрытие новых функциональных возможностей учебного оборудования обусловит создание учителями и учащимися вариативных экспериментальных установок. Конструирование и моделирование этих установок на основе типовых приборов предоставит учителю более широкий выбор методики и техники постановки демонстраций в условиях школьного кабинета физики и создаст условия для реализации и развития творческих способностей учащихся в процессе выполнения ими работ экспериментального характера.
В соответствии с основной идеей была предложена гипотеза исследования: эффективность УФЭ в процессе обучения существенно повысится, если:
- будут определены и реализованы при постановке УФЭ дополнительные функции оборудования типового школьного кабинета физики, что позволит учителю и учащимся создавать вариативные экспериментальные установки;
при разработке методики использования УФЭ будет осуществлен принцип полифункциональности физического оборудования, что предоставит учителю более широкий выбор целей проведения опытов;
изучение оборудования школьного кабинета физики учащимися будет осуществляться на основе дидактической модели формирования понятия «прибор».
Исходя из цели и гипотезы исследования, сформулированных выше, были определены конкретные задачи исследования:
Изучить и проанализировать современное состояние физических кабинетов средних общеобразовательных школ.
Разработать принцип полифункционального использования учебного оборудования при постановке и проведении УФЭ.
Разработать новые физические опыты на основе многоцелевого использования приборов типового кабинета физики.
Разработать дидактическую модель формирования обобщенного понятия «прибор».
Провести систематизацию физических опытов на основе принципа полифункциональности учебного оборудования.
Определить влияние предлагаемой методики и техники многоцелевого использования школьного физического оборудования на эффективной постановке и проведении УФЭ.
Для решения поставленных задач выбраны следующие методы исследования:
изучение и анализ психолого-педагогической, научной, методической и специальной литературы по рассматриваемой проблеме;
анализ содержания программ, типовых перечней учебно-наглядных пособий и учебного оборудования по физике и других нормативных документов;
моделирование, конструирование;
- педагогические измерения (наблюдение, беседа, анкетирование и оп
росы учеников и учителей);
4 - обобщение опыта инновационной деятельности учителей;
педагогическая экспертиза;
статистические методы обработки результатов эксперимента;
- качественный анализ результатов исследования.
Логика исследования включала следующие этапы:
Получение общих сведений по проблеме исследования. Изучение психолого-педагогической и методической литературы по проблеме эффективности использования учебного оборудования в УФЭ.
Обоснование цели и задач исследования.
Выявление направлений наиболее эффективного использования имеющегося в кабинете физики демонстрационного оборудования для постановки учебного физического эксперимента, выдвижение гипотезы.
^ 4. Реализация выбранного направления в конкретных разработках физи-
ческих опытов.
Организация и проведение педагогического эксперимента.
Количественный и качественный анализ результатов работы. Научная новизна работы заключается в следующем:
Обоснована необходимость и предложены пути повышения уровня продуктивности использования учебного оборудования типового кабинета физики как средства повышения эффективности УФЭ.
Проведена новая систематизация физических опытов на основе использования конкретных учебных приборов и принципа полифункциональности физического оборудования, которая позволяет генерировать идеи создания оригинальных демонстраций.
^ 3. Предложено 10 новых опытов, расширяющих содержание УФЭ, раз-
работана методика и техника их постановки.
Теоретическая значимость диссертационного исследования:
Предложен принцип полифункциональности использования учебного физического оборудования, реализация которого обусловливает создание вариативных экспериментальных установок для проведения УФЭ.
Разработана дидактическая модель формирования понятия «прибор».
Разработаны критерии для оценки эффективности УФЭ при постановке демонстраций с учетом принципа полифункциональности (экономичность, дидактичность, креативность).
Уточнены психолого-педагогические требования к постановке УФЭ и установлено их соответствие требованиям к учебным физическим приборам.
Практическая значимость работы:
Разработаны методические рекомендации по осуществлению многоцелевого использования демонстрационного оборудования типового кабинета физики.
Разработаны методические рекомендации по изучению школьного оборудования типового кабинета физики на основе дидактической модели формирования понятия «прибор», что позволяет в процессе обучения систематизировать знания учащихся о физических приборах.
Достоверность полученных результатов и научных выводов обосновываются: длительностью эксперимента, его повторяемостью и контролируемостью; широкой экспериментальной базой; применением методов математической обработки экспериментальных данных; учетом передового педагогического опыта школ; непротиворечивостью полученных результатов с выводами других исследований, которые проводились ранее.
Исследование осуществлялось в три этапа с 1995 по 2002год.
1-й этап - констатирующий эксперимент (1995-1997г.), который заключался в выявлении предпосылок многоцелевого использования учебного оборудования по физике;
2-й этап - поисковый эксперимент (1997-2000 г.), в процессе которого
осуществлялась разработка новых физических опытов с учетом полифункциональности учебного оборудования и их систематизация на основе выделенных признаков школьных физических приборов;
3-й этап - формирующий эксперимент (2000-2002г.), который состоял в корректировке разработанной методики многоцелевого использования учебного оборудования школьного физического кабинета с учетом данных поискового эксперимента для ее реализации в учебном процессе по физике.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в школах № 22 г. Екатеринбурга, № 1 г. Кушва, № 4 г. Новая Ляля, № 21 г. Первоуральска Свердловской обл., в Ольховской школе Шадринского района Курганской области.
Полученные результаты докладывались и обсуждались на XXIX Зональном совещании преподавателей педвузов Урала, Сибири и Дальнего Востока «Инновационные процессы в подготовке будущего учителя физики» в г. Екатеринбурге (1996 г.), на Международных научно-практических конференциях «Проблемы учебного физического эксперимента» в г. Глазове (1996, 1997, 1999 гг.), на Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики в современных условиях» (2002 г.), на заседаниях методического объединения учителей физики Орджоникидзевского района г. Екатеринбурга (1995, 1996, 1998, 2000, 2002 гг.), на заседаниях кафедры методики преподавания физики и технических средств обучения и на занятиях аспирантов и соискателей.
На защиту выносятся следующие положения:
Многоцелевое использование оборудования типового школьного кабинета физики значительно расширяет возможности учителя при выборе целей и средств обучения.
Полифункциональное использование типового оборудования обусловливает повышение эффективности учебного физического эксперимента, поскольку оно создает условия для снижения материальных затрат при поста-
новке и проведении опытов, для осуществления вариативности учебных технологий и повышения уровня творческой деятельности учителя и учащихся.
Изучение оборудования школьного кабинета физики в учебном процессе, основанное на применении дидактической модели формирования обобщенного понятия «прибор», позволит повысить уровень систематизации знаний учащихся о функциях приборов и их роли в школьном физическом эксперименте.
Приведенная систематизация физических опытов, осуществленная на основе принципа полифункциональности использования учебного оборудования в УФЭ, позволяет генерировать идеи для разработки новых демонстраций и методики их постановки.
Эмпирические методы познания в науке и в обучении
Проблемы методологии научного познания исследовали ученые A.M. Коршунов, Р.В. Майер, А.И. Ракитов, Н.П. Семыкин, B.C. Степин, В.А. Штофф и др. [58, 70, 111, 118, 125, 187]. В своих трудах они рассматривали особенности эмпирического и теоретического уровней познания, их взаимосвязь в развитии мышления субъекта; ученые обращались к различным сторонам использования материальных средств в эмпирических исследованиях (часто на примере физической науки).
Эмпирические методы познания {наблюдение, измерение, эксперимент) имеют большое значение для изучения окружающей действительности. Первоначально наблюдение было тождественно созерцанию природных явлений. Накопление человечеством сведений о происходящих процессах (землетрясения, наводнения, солнечные затмения и т.п.) привело к выявлению закономерностей и определению условий возникновения их в природе. Так стало возможным целенаправленное и планомерное проведение исследований природных явлений без вмешательства человека, т.е. научное наблюдение. Создание приборов и техники, предназначенных для преодоления природной ограниченности органов чувств человека, позволило исследователю проникнуть в область микро- и макромира.
Следует отличать обычное наблюдение, которое тождественно созерцанию, и научное наблюдение. В науке под наблюдением, по мнению Е.П. Никитина, понимают «целенаправленное и организованное восприятие внешнего мира, доставляющего первичный материал для научного исследования» [160, с.346]. Содержание термина «наблюдение», предложенное B.C. Сте-пиным и М.Н. Елсуковым [125, с. 95], аналогично содержанию вышеуказанного определения. Авторы рассмотрели не только структуру процесса научного наблюдения как особого вида деятельности, но и взаимоотношения между ее элементами - объектом наблюдения, средствами наблюдения и наблюдателем. Н.И. Кондаков распространяет наблюдение как метод исследования не только на природные, но и на общественные явления при сохранении естественных условий наблюдения и доступности непосредственному восприятию человека. Он отмечает, что «в наблюдении, которое осуществляет ученый-экспериментатор, первостепенную роль играют предшествующие знания, гипотезы, приборы, имеющиеся в распоряжении ученого, и, конечно, замысел и методический опыт ведения наблюдений» [56, с. 372]. Таким образом, все авторы фиксируют возможность применения материальных средств в наблюдении, действующих как усилители человеческих органов чувств, если отсутствует их воздействие на изучаемый объект.
Систематические астрономические наблюдения дали человечеству инструмент для определения промежутков времени между повторяющимися событиями, возможность ориентироваться в пространстве. Землепашество, торговля, мореплавание стимулировали возникновения измерения как количественной меры сравнения свойств окружающих тел. Потребность в повышении точности измерений вызвала необходимость создания измерительных средств. В.А. Штофф считает измерение «познавательным процессом, ... экспериментом особого рода» [187, с. 106] и отмечает активное воздействие субъекта на объект исследования с помощью измерительных средств. Кроме того, автор обращает внимание на необходимость учета влияния прибора на изучаемый объект и на использование теоретических знаний в ходе измерения. В этой же работе В.А. Штофф рассматривает структуру измерения как форму эмпирического исследования количественных отношений [187, с. 101-102]. B.C. Степин и А.Н. Елсуков полагают, что более строгим определением термина «измерения» является определение, принятое в метрологии. С этой точки зрения измерение - это " познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значением, принятым за эталон сравнения...» [125, с. 101]. В Физическом энциклопедическом словаре под «измерением» понимают «последовательность экспериментальных и вычислительных операций, осуществляемых с целью нахождения значения физической величины, характеризующей некоторый объект или явление» [154, с. 208]. Здесь также в структуру измерения включают технические средства. Р.В. Майер пишет: «Измерением называется сравнение некоторой величины с эталоном, в результате которого получается численное значение, показывающее, во сколько раз измеряемая величина больше эталона. Под эталоном понимается объект, обеспечивающий сохранение и воспроизведение некоторого выделенного свойства» [70, с. 11]. Основное отличие в определениях заключается в указании на степень самостоятельности измерения как количественного метода эмпирического познания.
Многоцелевое использование учебного оборудования в постановке демонстрационного физического эксперимента
Наше исследование показало, что проблема повышения эффективности применения учебного оборудования в средней школе может быть частично решена его многоцелевым использованием в постановке физического эксперимента.
Многоцелевое использование оборудования типового кабинета физики позволяет реализовать функциональные возможности демонстрационных приборов, обеспечивать как эквивалентную замену отсутствующих приборов, так и осуществлять постановку новых демонстраций.
Для иллюстрации мы выбрали наиболее простые приборы, которые имеются в каждом школьном кабинете физики: трубку Ньютона; трубку для демонстрации конвекции в жидкости; шар для взвешивания воздуха. Рассмотрим примеры постановки широкого круга демонстраций с использованием этих
приборов. При реализации новых (дополнительных) функций оборудования типового школьного кабинета физики особое внимание уделяется соблюдению правил техники безопасности для сохранения работоспособности учебного прибора и для безопасного проведения опытов на демонстрационных установках.
В паспорте прибора «Трубка Ньютона» отмечено, что он изготовлен из толстостенного стекла, и даны его основные размеры: длина 1200 мм, диаметр 60 мм. Прибор предназначен для демонстрации падения тел в воздухе и в разреженном пространстве. Нами предлагается несколько опытов, которые можно провести, используя этот прибор.
ОПЫТ 1. Изучение принципа действия уровня
Целью опыта является демонстрация способа определения горизонтальности твердой поверхности.
Оборудование и материалы: трубка Ньютона, сосуд с водой объемом от 2,5 до 3-х литров, воронка.
Для проведения опыта необходимо заполнить трубку Ньютона водой, оставив небольшой объем воздуха. Затем положить трубку на поверхность демонстрационного стола и наблюдать за поведением пузырька воздуха (рис. 1).
Смещение пузырька воздуха к одному из концов трубки Ньютона свидетельствует о наклоне поверхности стола. Если пузырь расположен в ее середине, то поверхность стола горизонтальна. На этом принципе основано действие уровня - прибора для проверки горизонтальности поверхности (например, при строительстве железных дорог с помощью уровня проверяют расположение рельс).
ОПЫТ 2. Изучение равномерного прямолинейного движения Данный опыт может быть проведен с целью изучения закономерностей равномерного прямолинейного движения и определения скорости тела.
Оборудование и материалы: трубка Ньютона, сосуд с водой объемом от 2,5 до 3-х литров, воронка, секундомер.
При подготовке опыта трубку Ньютона заполнить водой, оставив небольшой объем воздуха. Оптимальный для данного опыта пузырек воздуха получается, если воду налить свыше границы между стеклянной частью трубки и металлической или пластмассовой оправой. Прикрепить к трубке две шкалы (в прямом и обратном направлении).
Расположить трубку Ньютона вертикально и наблюдать перемещение пузырька воздуха снизу вверх (рис.2). Перевернуть ее и отмечать (с помощью ученика) расстояние, пройденное пузырьком воздуха. Одновременно фиксировать время движения пузырька секундомером. Школьники убеждаются, что за равные промежутки времени пузырек проходит одинаковые расстояния, т.е. при равномерном движении скорость тела не меняется. Возможна вариация цели эксперимента при демонстрации движения воздушного пузырька. Например, демонстрация влияния среды на форму движущегося в ней тела. При вертикальном расположении прибора в руках демонстратора пузырек воздуха находится вверху. Быстро переворачивают трубку на 180 и наблюдают за формой воздушного пузырька во время его движения. Лобовая часть пузырька воздуха закруглена вследствие обтекания ее водой. В нижней части пузырька видны вихревые образования.
Организация педагогического эксперимента
В течение 1995-1996 гг. осуществлялось предварительное изучение уровня оснащенности кабинетов физики средних общеобразовательных школах № 22, № 66, № 77, № 113, № 114, № 117 и гимназиях № 99, № 144 Орджоникид-зевского района г. Екатеринбурга учебным оборудованием. Нами выявлялось наличие физических приборов, условия их хранения и эксплуатации в учебном процессе, выяснялось, насколько эффективно используется оборудование в учебном физическом эксперименте.
В основном кабинеты физики указанных выше школ находились на тот момент в удовлетворительном состоянии, так как учителями не только соблюдались условия хранения и эксплуатации физических приборов, правила учета и списания оборудования, но и осуществлялся ремонт некоторых приборов самостоятельно или с помощью родителей учащихся. Учителя физики отмечали, что с 1991 года прекратилось поступление в школы нового оборудования, происходит износ имеющихся физических приборов и, как следствие, появились трудности с постановкой демонстрационного и лабораторного эксперимента.
Одновременно нами изучалась методическая литература по физике с целью обнаружить в ней оригинальные предложения по использованию типового демонстрационного и лабораторного оборудования в школьном физическом эксперименте.
Анализ немногочисленных публикаций (предложения С.А. Хорошавина по использованию трубки Ньютона для демонстраций фонтана в пустоте и кипения воды при пониженном давлении; применение Т.Н. Шамало акселерометра, изготовленного на основе трубки для демонстрации конвекции в жидкости, при изучении кинематики и динамики в школьном курсе физики; использование шара от электрометра для определения точки росы в работе практикума, разработанного В.А. Буровым) показал недостаточную разработанность этого направления развития УФЭ. Положительная оценка учителями подобных предложений показала на необходимость продолжения исследований использования некоторых демонстрационных и лабораторных приборов кабинета физики с другими дидактическими целями.
В 1996-1997 учебном году нами была выполнена основная часть констатирующего педагогического эксперимента. В эксперименте участвовало 16 городских школ областного центра (г. Екатеринбург), 25 школ небольших городов областного подчинения или городов - районных центров и 29 сельских школ, в основном, Свердловской области. Для повышения достоверности данных оснащенности кабинетов физики средних школ учебным оборудованием нами было увеличено количество участвующих в эксперименте средних общеобразовательных школ, различающихся типом (сельская школа, городская школа) и месторасположением в зависимости от дальности областного центра. Таким образом, методом анкетирования было опрошено 70 учителей физики и получена информация о наличии проблем с постановкой учебного физического эксперимента.
Кроме того, в обучение физике предполагается использование большого количества физических приборов для демонстрации физических явлений учителем и в ходе выполнения учащимися лабораторных работ на уроке (в соответствии с программами по физике и астрономии для средних общеобразовательных школ). Это требует от учащихся знания используемого в практической деятельности оборудования, понимания методологической связи между учебными приборами и школьным физическим экспериментом. Для определения уровня сформированности знаний выпускников о приборах, используемых в школьном курсе физики, и их роли учебном познании в 1997-1998 гг. нами было проведено сочинение, в котором приняло участие 352 школьника из одиннадцатых классов школ Орджоникидзевского района г. Екатеринбурга.
Второй этап, поисковый эксперимент, характеризовался поиском методических средств обеспечения УФЭ и разработкой экспериментальных установок с учетом полифункциональности учебного оборудования и внедрением некоторых разработок демонстрационных физических опытов в учебный процесс.
В ходе эксперимента осуществлялось конструирование экспериментальных установок на основе выбранных нами демонстрационных приборов, самооценка перспективности их использования при проведении физических опытов в новых постановках на уроке (таблица 7).
Эксперимент осуществлялся на данном этапе в школе № 22 г. Екатеринбурга в нескольких направлениях, но общее, что их связывает, это использование оборудования типового кабинета физики. Первое направление связано с организацией индивидуальной экспериментальной деятельности учащихся при написании реферата по физике. Для участия в исследовательской деятельности приглашались учащиеся 9-11 классов (по желанию). Второе направление осуществлялось при организации практической деятельности школьников по модификации устаревшего оборудования - продлению рабочего состояния прибора или модели. На основе имеющейся учебной модели школьники должны были создать новую конструкцию прибора для его демонстрации в другом разделе курса физики. Нами было проведено 20 занятий во внеучебное время с учащимися 8 классов (10 человек) с использованием метода «мозгового штурма» для выполнения поставленной перед ними задачи.
