Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методологические основы формирования предметных знаний по физике 26
1.1. Изложение фундаментальных идей физики как необходимое условие и методологические основы формирования предметных знаний по физике 26
1.2. Математическая форма и содержание физических законов 34
1.3. Физические модели и их адекватность физическим системам 44
1.4. Компьютерное моделирование физических процессов 50
Глава 2. Анализ причин появления формализма в знаниях при обучении физике 57
2.1. Современное состояние обучения физике 57
2.2. Трудности, возникающие при обучении физике 70
2.3. Психологические аспекты причин появления формализма в знаниях и пути его преодоления 82
2.4. Использование физических моделей в преподавании физики 95
2.5. Роль современных компьютерных технологий в преодолении формализма в знаниях при обучении физике 109
Глава 3. Новые информационные технологии, их использование в учебном процессе в системе непрерывного образования 121
3.1. Информационная культура, информационная картина мира и проблемы педагогики информационного общества 121
3.2. Современные компьютерные технологии в образовании 129
3.3. Психолого-педагогические аспекты компьютеризации обучения 141
3.4. Обобщение концептуальных положений НИТО в преподавании различных дисциплин
Глава 4. Формирования операционности знаний по физике с использованием современных компьютерных технологий 151
4.1. Компьютеры в современном физическом образовании 152
4.2. Требования, предъявляемые к современным компьютерным технологиям, используемым в обучении физике 167
4.3. Программно-методический комплекс задач по физике с использованием новых компьютерных технологий 174
4.3.1. Физические процессы в RLC-цепях 177
4.3.2. Молекулярная динамика и установление термодинамического равновесия 189
4.3.3. Электростатическое поле системы зарядов 207
4.3.4. Оптико-механическая аналогия и вариационные принципы 212
4.3.5. Особенности движения центра масс системы тел в неоднородном силовом поле 227
Глава 5. Развитие метода формирования операционности знаний с использованием новых компьютерных технологий на преподавание различных учебных дисциплин 252
5.1. Новая компьютерная технология как универсальная образовательная технология на современном этапе развития общества, повышающая операционность знаний учащихся 252
5.2. Возможности применения новых компьютерных технологий при преподавании предметов гуманитарного цикла с целью повышения операционности предметных знаний (на примере музыкального образования) 259
Глава 6. Экспериментальная проверка результатов исследования 275
6.1. Обоснование методики педагогического эксперимента и его основные этапы 275
6.2. Анализ результатов эксперимента 278
Заключение 305
Список литературы 307
Приложения 339
- Изложение фундаментальных идей физики как необходимое условие и методологические основы формирования предметных знаний по физике
- Современное состояние обучения физике
- Информационная культура, информационная картина мира и проблемы педагогики информационного общества
Введение к работе
Формирование операционности знаний, включающей повышение активизации мыслительной деятельности, отсутствие формализма в знаниях, способствующей развитию высоких форм организации умственной деятельности обучаемых, является важной проблемой дидактики современной педагогической школы. Одной из основ формирования операционности знаний является преодоление формализма в обучении.
Проблема преодоления формализма в знаниях при обучении не является новой как в педагогической теории, так и в практике преподавания. Недостаточное внимание к резервам поисковой активности студентов и школьников в процессе обучения, отсутствие должного уровня согласованности между прочностью и поливариативной динамичностью знаний часто приводит к тому, что у учащихся складывается система отвлеченных понятий, закономерностей, правил, которые не могут быть применимы к анализу реальных ситуаций, что представляет серьезное препятствие на пути практического использования знаний как в дальнейшем обучении, так и в трудовой деятельности.
Анализ преподавания физики на различных ступенях образования показывает, что формализм остается одним из самых распространенных недостатков в знаниях. Особенно опасен формализм при обучении физике, которая всегда находилась на самых передних рубежах развития человечества, у истоков технических и научных открытий и в большой степени характеризовала интеллектуальный уровень развития общества.
Концентрируя внимание на особенностях умственной деятельности обучаемых, остановимся на одном из наиболее эффективных путей преодоления формализма в знаниях - развитии высокого уровня организации умственной деятельности учащихся.
Опираясь на труды психологов, формализм в знаниях определим как более или менее ярко выраженную диспропорцию в структуре организации знаний, и прежде всего в соотношении между их упорядочением, систематизацией, с одной стороны, и модификацией, динамизацией, с другой. Проблема состоит в том, что знания должны быть одновременно достаточно глубокими, прочными и вместе с тем весьма модификативными, позволяющими обучаемому по мере овладения ими уточнять свою позицию, точку зрения, тот или другой подход к им же решаемой задаче.
Одной из наиболее серьезных причин возникновения формализма является подача материала в упрощенном виде, когда в результате неудачных методических обработок и «сглаживаний» оказывается искаженной истинная суть рассматриваемого явления, что, в свою очередь, связано с невозможностью рассмотрения определенного круга вопросов с использованием того формального инструментария, который имеется у обучаемых. Часто поверхностное изложение материала возникает в тех вопросах, где доступными для учащихся средствами в рамках существующей программы вполне возможным оказывается достаточно глубокое проникновение в сущность изучаемых явлений. Новые информационные технологии обучения открывают в этом плане большие возможности в методике преподавания различных дисциплин как в вузе, так и в школе.
Стремительно растет объем информации, которой приходится оперировать специалисту и которую необходимо "освоить" обучающимся. Ее освоение и использование стало невозможно традиционными средствами.
Сформированы и выполняются программы создания новых информационных технологий образования, организованы многие новые
специализированные центры, занимающиеся новыми технологическими средствами. Создаются локальные вузовские компьютерные сети, разрабатываются и реализуются проекты национальных и международных сетей. Начинают внедряться "мультимедиа"- и "гипермедиа"-системы, системы дистанционного обучения. Становятся реальностью "электронные" учебники.
Новые возможности предоставлены компьютерными
коммуникационными технологиями дистанционному образованию. В рамках сетей INTERNET при отдельных университетах и других организациях, занимающихся проблемами образования, созданы центры дистанционного обучения. Такое обучение делает доступным образование для некоторых особых категорий обучаемых.
Вместе с тем, информатизация современного мира с неизбежностью ставят перед современными системами образования задачу формирования у учащихся информационной культуры и усвоения информационной картины мира как необходимого условия жизни и функционирования в информационном обществе. Таким образом, с широкой компьютеризацией общества, с активным включением НИТ в системы образования, актуальной становится задача разработки информационной педагогики как педагогики, вводящей обучаемого в систему информационных связей, дающей возможность ориентироваться в информационной среде, использовать информационные потоки и разумно анализировать их содержание.
Особенно актуальной эта проблема стала с началом формирования федеральной университетской сети, так как передовые технологии обучения становятся доступными на всей территории России.
Все сказанное относится как к педагогике в целом, так и к частным методикам, и прежде всего к методике преподавания физики. Быстрое
развитие электронной техники делает актуальным согласование новых компьютерных технологий с методикой преподавания физики в целях достижения более глубокого, полного, неформального понимания сути рассматриваемых физических процессов.
В этой связи важными представляются следующие аспекты исследования: систематика описания компьютерных технологий, которые целесообразно применять в преподавании физики; определение соответствия уровня сложности компьютерной технологии уровню преподавания физики на разных этапах от школы до вуза; подбор конкретных задач, решение которых демонстрирует эффективность применяемой компьютерной технологии для достижения углубленного (неформального) понимания рассматриваемых физических явлений. Вместе с тем следует отметить, что до сих пор не установлена общепризнанная классификация педагогических программных средств, позволяющая отделить общедидактический от частнометодического подхода к компьютерному обучению; не рассмотрены интеграционные процессы между физикой, информатикой и электроникой как областями знания в их отражении на различные ступени физического образования.
Увеличение роли электронной техники в составе учебных приборов по физике требует пересмотра подхода к их использованию. При этом важно, чтобы компьютер привлекался не только для вычислений, которые включаются в общую схему изложения предмета, но и выступал как инструмент исследования. Так, например, трудно переоценить приобретенную роль электроники при постановке физического эксперимента.
Следует особо подчеркнуть, что каждая область предметных знаний в качестве аппарата описания использует условные знаки науки -специфические научные языки. В семиотике и психологии доказано, что
оперирование условными знаками - мощный стимул умственного развития, но в то же время и одна из основных причин порождения формализма в усвоении знаний. Широко опираясь на достижения теории и практики предметного обучения, на новые данные психологии и педагогики необходимо продолжить разработку концепции и методики эффективного использования новых компьютерных технологий в предметном изучении физики, раскрытие форм совмещения различных систем знаний и на этой основе выявления конкретных методических рекомендаций соподчинения и обогащения представленных систем понятий между собой, составляющих достаточно действенную базу сугубо методического подхода к разработке путей преодоления формализма в знаниях обучаемых по физике путем использования новых компьютерных технологий. При этом могут решаться реальные задачи, имеющие не только методическое, но и большое политехническое значение, обеспечивая качественно более высокий уровень обучения физике и политехнизации содержания образования в целом.
У истоков внедрения информатики в общеобразовательную школу стояли А.П.Ершов, В.М.Монахов, А.А.Кузнецов, Я.А.Ваграменко, И.Н.Антипов, Л.И.Анциферова, и др. Теоретические вопросы
использования информационных технологий в обучении разработаны в трудах А.И.Берга, В.М.Глушкова, Ю.К.Бабанского, Е.П.Велихова, В.Г.Разумовского, В.П.Беспалько, Н.Ф.Талызиной, Е.И.Мащбица, А.Ю.Уварова, И.В.Роберт и других.
К настоящему времени выполнен ряд научных исследований, связанных с подготовкой учителя в условиях информатизации образования: М.И. Жалдак (1989 г.), А.А. Абдукадыров (1990 г.), Э.И.Кузнецов (1990 г.), А.Л.Денисова (1994 г.), С.Р.Доманова (1995 г.),
М.В.Швецкий (1995 г.), Н.В.Макарова, Ю.С.Брановский (1996 г.), Т.А.Бороненко (1998 г.) и другие.
В последние годы все больший интерес проявляется к фундаментальным основам информатики, формализации, их связи с общекультурными ценностями общества. Большое внимание уделяется дифференцированному, профильному обучению информатике (работы С.А.Бешенкова, С.Г.Григорьева, А.Г.Гейна и др.). Такая форма обучения является оптимальной, позволяющей раскрыть как естественно-математическую, так и гуманитарную составляющую этой науки.
В современной педагогической практике уже доказано, что осуществление задачи обеспечения компьютерной грамотности возможно не только в рамках курса информатики, но и при обучении другим предметам, в частности физике.
Методическим основам проблемы использования компьютеров на уроках физики посвящены работы Г.А.Бордовского, В.А.Извозчикова, А.С.Кондратьева, В.В.Лаптева и др. выполненных в РГПУ им. А.И.Герцена. В работах названных авторов было показано, что наиболее перспективным направлением применения компьютеров при изучении физики является использование его как инструментального средства. Это позволило считать компьютерное обучение одной из важнейших современных тенденций в методике преподавания физики.
В настоящее время внимание специалистов сосредоточено на разработке различных учебных компьютерных моделей, моделирующих сред и различных видов программ для вычислительного эксперимента.
Широкое внедрение электронно-вычислительной техники во все сферы практической деятельности и в учебный процесс ставит вопрос о создании учебных программ, учебных и методических материалов, а также учебников и учебных пособий нового типа, ориентированных на
активное использование современных компьютерных технологий. Особое значение этот вопрос имеет для преподавания физики, поскольку именно здесь компьютер открывает принципиально новые возможности как в организации учебного процесса, так и в исследовании конкретных явлений в тех случаях, когда традиционные методы оказываются малоэффективными. Возможность использования вычислительной техники в преподавании физики требует пересмотра программ. При определенном перераспределении учебного материала ряд вопросов, которые считались второстепенными, "вычислительными", выходит на передний план, помогая создать целостное представление о предмете. Таким образом, новые компьютерные технологии обучения превращаются в важный фактор перевода информационно-экстенсивного обучения в фундаментально-интенсивный.
Основная тенденция развития современного образования основывается на концепции «образование как учебная модель науки».Однако, тот факт, что логика учебного предмета ( в данном случае физики) не является зеркальным отражением логики развития науки, ставит перед педагогикой ряд нетривиальных проблем. Важнейшая из них трансформация научного вопроса в учебную проблему с целью оптимального усвоения знаний по предмету в целом. Концепцию современного педагогического образования в области физики в настоящее время определяет синтез приоритетных идей целостности, системности, фундаментализации, непрерывности.
Генеральная цель, сверхзадача современного физического
образования - добиться развития высоких форм организации умственной деятельности обучаемых, высшей степени физического понимания -умения предсказывать не только характер протекания физических процессов, но и новые физические явления. При этом методологизация и
повышение научного уровня курсов физики на рубеже XX-XXI столетий тесно связаны с широким внедрением современных компьютерных технологий.
В то же время бурное развитие новых информационных технологий в 90 гг. Изменил характер взаимодействия «человек-компьютер».Новые информационные технологии обучения выступают универсальным, полифункциональным средством познания, анализ их коммуникативных и развивающих возможностей позволил развернуть качественно новую образовательную парадигму, выраженную в концепции диссертационного исследования, связанную с поиском эффективных путей повышения операционности знаний обучаемых.
Таким образом актуальность исследования обусловлена, с одной стороны, социальной потребностью в элементах образования, отражающих методологические достижения физики адекватно возрастным и индивидуальным особенностям обучаемых, с другой, - нерешенностью ряда проблем дидактики и методики применения новых компьютерных технологий, важнейшей из которых является анализ соотношения частного, характерного для любой дисциплины, и общего, присущего использованию компьютеров в обучении.
Содержание разработанной многоаспектной концепции повышения операционности знаний на базе использования новых компьютерных технологий в области современного физического образования в высшей и средней школах отражено в монографии, статьях, учебном пособии, различных программах и учебно-методических материалах автора.
Ряд учебных задач, рассмотренных в диссертации, несколько отличается от традиционных. Не рассматриваются задачи, ничего не добавляющие к пониманию сути явлений, служащие только для развития определенных навыков. Зато имеется ряд задач, в которых речь идет о явлениях, несколько выходящих за рамки традиционного курса физики, но доступных для понимания на основе имеющихся у обучаемых знаний и развивающих уровень их физического понимания.
Отдельные аспекты рассматриваемых в научном исследовании вопросов актуальны не только для изучения физики , они также важны для других дисциплин, преподаваемых в вузе и в школе.
Объектом исследования является целостный процесс обучения физике в вузе и в школе в единстве образовательной, развивающей и воспитывающей функции, базирующийся на широком использовании новых компьютерных технологий обучения; развитие физического мышления и физического понимания обучаемых.
Предмет исследования - повышение операционности знаний обучаемых на основе общих методологических принципов и использования современных компьютерных технологий; разработка методики решения некоторых задач физики с применением адекватных компьютерных технологий.
Цель исследования - достижение операционности знаний учащихся путем преодоления формализма в обучении при адекватном использовании современных компьютерных технологий, развивающих научное мышление и уровень физического понимания обучаемых.
Гипотеза исследования. Повышение операционности знаний обучаемых путем преодоления формализма в обучении может быть достигнуто при адекватном использовании современных компьютерных технологий в сочетании с уровнем и характером исследуемых физических процессов и подбором задач, носящих развивающий характер, что приводит к формированию высоких форм организации умственной деятельности учащихся и реализации существенных резервов педагогической эффективности учебного процесса.
В соответствии с избранным предметом и представленной темой необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ причин появления формализма в знаниях по физике.
2. Разработать методологические основы преодоления формализма в знаниях по физике.
3. На основе анализа физической, психолого-педагогической и методической литературы проанализировать дидактические и методические возможности использования адекватных компьютерных технологий при изучении сложных вопросов курса физики, развивающих научное мышление учащихся, соотнести результаты анализа с практикой обучения.
4. Определить специфические принципы, направления и эффективность применения современных компьютерных технологий в преподавании физики в системе непрерывного педагогического образования.
5. Разработать учебно-методологический комплекс задач по физике, носящих развивающий характер, с использованием адекватных
компьютерных технологий, для формирования операционности знаний при обучении физике в целом.
6. Проанализировать общие методологические особенности формирования операционности знаний с использованием современных компьютерных технологий при преподавании различных дисциплин.
7. Исследовать вопрос о влиянии разработанных методик на повышение операционности знаний, развитие мышления и уровня понимания обучаемых.
В работе использовались следующие методы исследования:
1. Изучение и научно-методический анализ психолого-педагогической и физической литературы по теме исследования, теоретико-методический анализ состояния проблемы.
2. Наблюдение и участие в учебном процессе по физике. Определение качества знаний студентов и школьников при изучении физики.
3. Анализ опыта преподавания физики, информатики в различных вузах и в школе.
4. Участие в учебном процессе по курсу «Информатика», разработка и преподавание. курсов «Прикладная информатика», «Новые информационные технологии в обучении», анализ результатов обучения.
5. Ретроспективный опрос учащихся.
6. Анкетирование, интервьюирование преподавателей, студентов, школьников.
7. Апробация результатов исследования в практике преподавания на научно-методических конференциях и семинарах.
8. Обсуждение результатов исследования и практических рекомендаций на научно-методических конференциях и семинарах.
9. Проведение педагогического эксперимента со статистической обработкой и анализом результатов.
Методологической основой исследования явились:
- в философском плане - теория познания, ее диалектический метод;
- в психологическом плане - теория организации умственной деятельности;
-в методическом плане - дидактические основы формирования у обучаемых научных понятий.
Исследование опирается на методологию базисных наук, методологические обобщения общей и частной дидактик, на теоретические работы известных математиков, физиков, педагогов, психологов, методистов и на опыт преподавания физики в вузе и школе.
Достоверность и обоснованность обусловлены непротиворечивостью и четким обозначением методологических позиций, использованием во взаимосвязи разнообразных методов, отобранных в соответствии со спецификой каждого этапа исследования, дополняющих друг друга ( теоретический анализ, концептуальный синтез, моделирование, изучение и обобщение опыта практической деятельности, опытно - экспериментальная работа с отслеживанием и коллегиальным обсуждением ее результатов), практическим подтверждением основных теоретических положений исследования в эксперименте, внутренней непротворечивостью результатов исследования.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обеспечена:
- глубоким анализом объектов исследования на основе физико- математической, психолого-педагогической и методической литературы, программных документов;
широкой экспериментальной базой по использованию новых компьютерных и информационных технологий образования;
- опорой на методические обобщения базовых наук: физики, математики, информатики, на выводы общей и частной дидактики;
длительностью эксперимента, его повторяемостью и контролируемостью;
- использованием разнообразных методов исследования, адекватных поставленным задачам;
- соблюдением основных педагогических требований к организации педагогического эксперимента;
- репрезентативностью и положительными результатами педагогического эксперимента, проведенного с 1991 по 1998г.;
- использованием разработанных методик.
Критерием эффективности разработанной методики является качество знаний и умений, эффективность приобретаемых знаний, умений и навыков при последующей деятельности, выраженной в успеваемости школьников и студентов, качестве, уровне и способе выполнения курсовых и дипломных работ, магистерских диссертаций, для аспирантов
- в их исследовательской деятельности.
Новизна исследования.
1. Проблема повышения операционности знаний путем преодоления формализма с использованием новых компьютерных технологий в средней и высшей школе впервые стала объектом специального научного исследования;
2. Разработаны научно-методические основы использования современных компьютерных технологий, позволяющие значительно повысить уровень организации умственной деятельности учащихся и добиться более эффективного усвоения учебного материала по физике;
3. Раскрыты педагогические условия, позволяющие превратить новые компьютерные технологии в важный фактор перевода информационно-экстенсивного обучения в фундаментально-интенсивное (т. е. информатизация и компьютеризация рассматриваются не только как важные факторы интенсификации обучения, но и как средство усиления его фундаментальности), достигаемого соответствующей переработкой и структурированием учебного материала, передаваемого через компьютеры многообразными моделями, через приемы снятия рутинных операций, затеняющих сущностные информацию и способы действий;
4. Впервые разработана методика последовательного использования современных проблемно-ориентированных сред в преподавании физики, определено их место, роль и целесообразность применения при обучении физике в средней и высшей школе;
5. Обоснована новая стратегия занятий по физике, заключающаяся в органичном сочетании творческих форм обучения, эмоционально-ценностной ориентации личности и в использовании новых компьютерных технологий, способствующая активизации всего образовательного потенциала обучаемого;
6. Новизна исследования заключена также и в том, что решение вопросов эффективного применения новых компьютерных технологий в преодолении формализма в знаниях осуществляется в рамках преподавания предметов разных циклов - естественно-научных, гуманитарных, т.о. доказана возможность развития метода формирования операционности знаний с использованием новых компьютерных технологий на преподавании других дисциплин.
Теоретическое значение проведенного исследования состоит в решении следующих дидактических задач:
1. Формирование методической системы, позволяющей обеспечить глубокий уровень предметных знаний по физике на основе фундаментальных идей физики и использования современных компьютерных технологий;
2. Формирование глубоких знаний по физике путем преодоления формализма в обучении с использованием современных компьютерных технологий;
3. Определении места и роли современных компьютерных технологий в структуре образовательного процесса по физике;
4. Обосновании возможности переноса метода формирования операционности знаний обучаемых на преподавание других дисциплин.
Практическое значение работы состоит:
1. В возможности использования в практике преподавания физики методических разработок и рекомендаций автора, доведения до уровня конкретной реализации сформулированных автором теоретических положений;
2. В оснащении методическим инструментарием, оригинальным комплектом учебных задач и программ, а также учебными пособиями и методическими рекомендациями по проблемам в области преподавания физики в высшей и средней школе;
3. Во внедрении в практику подготовки учителей физики, в процесс обучения физике в школе и в вузе методических разработок по применению интегрированных сред с целью преодоления формализма в знаниях;
4. В разработке методической системы, обеспечивающей целостный подход к использованию интегрированных сред в системе непрерывного педагогического образования по физике;
5. В определении перспективы дальнейшего развития методической системы формирования операционности знаний с использованием новых компьютерных технологий.
6. Во внедрении в процесс научно-исследовательской работы аспирантов физического факультета, факультета музыки и других факультетов РГПУ им. А.И. Герцена современных компьютерных технологий;
7. Обогащает педагогическую практику новой, опережающей стратегией и тактикой образования в области физики в средней и высшей
школе с учетом социокультурной реальности и развитием новых компьютерных образовательных технологий.
Апробация результатов. Результаты исследования нашли отражение в лекционно-практических курсах, читаемых автором на факультете физики и других факультетах РГПУ им. А.И. Герцена, в средних общеобразовательных школах. Теоретические выводы работы излагались на «Герценовских чтениях» ( 1989 - 1998 гг.), на региональных научно - методических конференциях, на межвузовских всероссийских и всесоюзных научно - практических конференциях и семинарах, на международных конференциях. В числе последних: «Физика в системе современного, образования» (Петрозаводск, 1995; Волгоград, 1997), «Теоретическое и методическое обучение физике» (С.-Петербург, 1996); «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Новосибирск, 1996); «Проблемы ноосферы и устойчивого развития.» (С.Петербург, 1996); «Ноология. Экология ноосферы. Здоровье. Гуманизм» (С- Петербург, 1998); «Региональная информатика» (С- Петербург, 1995, 1996, 1998).
На защиту выносятся следующие положения ;
І.Операционность знаний по физике, включающая повышение активизации мыслительной деятельности, отсутствие формализма в знаниях и способствующая развитию высших форм организации умственной деятельности обучаемых, может быть эффективно усилена
последовательным применением современных компьютерных технологий на базе использования компьютеров.
2. Повышение операционности знаний по физике с использованием новых компьютерных технологий, отвечающее современным тенденциям информатизации образования, базируется на фундаментальной предметной и методологической основе преподавания физики. Осуществление данной цели направлено на профессионально- ориентированную подготовку учащегося, готового к трансляции своих знаний и умений на различные аспекты использования информационных технологий.
3. Специфика предлагаемой методики обучения физике с использованием компьютерных технологий обусловлена возможностью применения проблемно-ориентированных сред, которые не требуют составления рутинных программ и воспринимают обычную формулировку физической задачи. Соответствие уровня сложности обучения физике уровню используемых компьютерных технологий должно быть установлено на основе отбора учебного материала, проводимого в соответствии с основными принципами дидактики.
4. Методика преодоления формализма в знаниях учащихся с использованием современных компьютерных технологий является одной из компонент открытой развивающейся образовательной системы. Методика использования современных компьютерных технологий обучения физике должна разрабатываться на основе учёта современной структуры физики как науки и методики её преподавания и удовлетворять её основным методологическим принципам. Возможность её эволюции
обусловлена, с одной стороны, изменением содержания физики как предмета и, с другой стороны, постоянным усовершенствованием информационных технологий и материальных условий их реализации.
5. Применение предлагаемой методики для повышения операционности знаний учащихся оказывается успешным при соблюдении следующих условий:
а. заинтересованности субъектов образовательной системы в использовании новых информационных технологий в преподавании физики;
б. наличии квалифицированных специалистов в области физики и информатики;
в. наличии открытой развивающейся образовательной среды;
г. апробации результатов, получаемых по данной методике, анализе результатов и осуществлении обратной связи в обучении.
6. О целесообразности применения предлагаемой методики можно судить по следующим факторам:
а. соответствии данной методики тенденциям информатизации педагогического образования как в нашей стране, так и во всём мире;
б. возможности расширения области фундаментальных вопросов физики;
в. отражении в структуре предметной методики целостности педагогического процесса;
г. положительным результатам педагогического эксперимента.
7. Возможен перенос основных дидактических принципов использования современных компьютерных технологий на преподавание
5
других дисциплин (что иллюстрируется на примере преподавания предметов гуманитарного цикла).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографии, приложений; работа иллюстрируется рисунками, таблицами, диаграммами и компьютерными программами. Основной текст - на 337 страницах.
Изложение фундаментальных идей физики как необходимое условие и методологические основы формирования предметных знаний по физике
Необходимым условием формирования адекватного научного мировоззрения является осмысление обучаемым научного метода познания. Отсутствие должного уровня понимания сущности научного подхода, соответствующего данному уровню развития науки, ведет к формализму в знаниях обучаемых, отрицательно сказывающемся на всем вырабатываемом у студентов и школьников физическом мышлении.
Физическое образование сегодня очевидно смещается от конкретно-логического, информационного в сторону методологического. Роль фундаментальных идей, построенных на фундаментальных законах природы, значительно возрастает. Этому свидетельствует взрывное в последние годы увеличение количества программ естественнонаучных курсов, где базовым предметом является курс физики.
Построение систем обучения физике, основанных на принципах симметрии, простоты и красоты, относительности, дополнительности, толерантности и других общих методологических принципах позволяет построить курс изучения физики на основе общих идей и современных качественных методик исследования, таких как подобие, метод размерностей, фазовых траекторий и других.
Основными направлениями развития физики, нашедшими отражение в методике ее преподавания, являются, наряду с другими, такие как поиск универсальной картины взаимодействия, изучение нелинейных явлений, новые достижения в области динамики неустойчивых систем и неравновесной термодинамики, понятие о динамических фазовых переходах и др.
Сегодня наблюдается глубокое проникновение физики в смежные с ней науки и возникновение на этой основе новых, более общих теорий взаимодействия. Так получили развитие современные науки хронософия, синергетика, экология (это сингулярные проблемы времени, связанные с качественным изменением сущности; проблемы биосферы, связанные с устойчивостью неравновесных процессов, "универсальный эволюционизм" и др.), что приводит к переосмыслению многих установившихся понятий и появлению новых, которые находят реальное отражение в курсах общей физики, например, понятия динамического хаоса, саморегуляции и эволюции сложных неравновесных систем, направленности процессов в природе, критерия эволюции, понятие ноосферы, инфоноосферы и т.п.
Должного внимания заслуживает обсуждение фундаментального значения представлений о флуктуациях (известных в квантовой физике как соотношение неопределенностей Гейзенберга и распространяемых на флуктуации в других разделах физики) /252/. Это требует обсуждения в курсе общей физики диалектики причинно-следственных связей с точки зрения современной физики, взаимоотношения вероятностных и диагностических соотношений.
Возросшая таким образом методологизация физики требует развития понятия научного метода познания и исследования природы на протяжении всего курса обучения физике: от исходных представлений об эмпирической и теоретической компонентах, от роли эксперимента, моделирования, границ достижений науки, соответствующих изложению механической и электромагнитной картины мира, до квантовофизической картины мира с соотношением неопределенностей и принципом дополнительности, указывающих на то, что наблюдаемые в определенных условиях эксперимента показания приборов отражают лишь одну из сторон явлений, получающих адекватное толкование только в совокупности с теоретическим (особую роль здесь играют вероятностные закономерности), принцип симметрии, эффективно используемый в физике элементарных частиц, свидетельствует об изменившихся причинно-следственных связях в исследованиях и о самостоятельной роли теоретического метода познания; от важного в мировоззренческом отношении icyjgpa, посвященного основам специальной и общей теории относительности, иллюстрирующего использование одного из основных принципов научности познания и принципа соответствия, проводящего грань между относительностью истины и окончательной формой законов в области их применимости до анализа механизмов процессов самоорганизации (в том числе вопросов возникновения и развития жизни на земле), включающих в научный метод познания общественное и индивидуальное сознание.
Современное состояние обучения физике
Учрежденная в 1996 г. Международная лига защиты культуры, организаторами которой стали выдающиеся деятели современной науки и культуры (И.Пригожин, С.Капица, А.Прохоров и многие другие), в качестве основного тезиса выдвинули идею фундаментализации образования как наиболее емкий и гибкий способ усвоения, накопления и использования информации. Причем физике как учебному предмету в этом смысле отводится особая роль в отношении всех ветвей образования: от гуманитарного, где она необходима для формирования адекватного мировоззрения в качестве науке о природе, до естественнонаучного и технического, где является основополагающим фундаментом.
Физика как наука и учебный предмет всегда находилась на самых передних рубежах развития человечества, у истоков технических и научных открытий и в большой степени характеризовала интеллектуальный уровень развития общества.
Произошедшие в последние десятилетия XX века глубокие изменения производства и общественной жизни дают основание утверждать о переходе к так называемому информационному обществу, в котором информация и знания становятся экономической категорией, однако общество при этом не перестает быть индустриальным. Технологическая среда современного общества функционирует на основе законов природы, открытых в естественных науках. Наукоемкие инновации опираются на глубокие знания в области естественных наук. Однако их развитие в современной науке невозможно без технических средств индустриального общества /124,74 и др./.
При всей возможной полярности конкретных подходов к изучению физики в вузах и средних школах различного профиля физику следует преподавать как развивающуюся науку, выделяя и методически адаптируя ее актуальные проблемы. Изучение физики при разной степени детализации и обобщения содержательных и методологических основ науки составляет неотъемлемую часть любого полноценного образования, а не только естественнонаучного и технического, обеспечивает его фундаментальный характер и становление мировоззрения /170/.
Все это требует повышения методологизации и общего научного уровня преподавания физики, с одной стороны, с другой - в настоящий момент это самым тесным образом связано с внедрением новых информационных и, прежде всего, компьютерных технологий.
Можно отметить, что наиболее важные моменты, характеризующие ситуацию в образовательной системе сегодня, связаны с интенсивным процессом дифференциации средней школы, который требует разработки и внедрения новых форм обучения физике; с проводимой в последние годы в стране реформой высшего образования, в частности, внедрением системы многоуровневого образования (подготовкой бакалавров на уровне общего высшего образования и магистров на уровне профессионального высшего образования); с возможностью выбора студентом индивидуального маршрута обучения, наиболее соответствующего его личным устремлениям, возможностям и способностям, реализуя при этом личностно-развивающую функцию обучения; с широким внедрением электронно-вычислительной техники как в саму физику как в науку, так и в методику ее преподавания и др.
При этом мировоззренческие качества личности обучаемого остаются ведущими в ряду ценностей образования /31,92,291 и др./. И если раньше связь между тремя основными направлениями научной мысли (неживой, живой природе и обществе) не носило органического характера, то в наше время осуществляется переход к третьему этапу развития науки - "постнеклассическому", происходит дисциплинарный синтез знаний, объединение представлений о трех сферах бытия в целостную картину мира на основе принципов, имеющих общенаучный характер, в частности принцип глобального эволюционизма, о чем писал еще М. Планк: "Существует непрерывная цепь от физики к химии через биологию и антропологию к социальным наукам".
Информационная культура, информационная картина мира и проблемы педагогики информационного общества
Сегодня любому человеку становятся доступными источники информации в любой части планеты, но и генерируемая им новая информация становится достоянием всего человечества (известно, что по определению Винера, общество в конце нашего столетия из века энергетики перейдет в век информатики). Понятия инфраструктура, информационное поле, информационная сфера стали важными для проблем образования и обучения. Информатизация современного мира с неизбежностью ставит перед современными системами образования задачу формирования у учащихся информационной культуры и усвоения информационной картины мира как необходимого условия жизни и функционирования в информационном обществе.
Уже сейчас, а не завтра, педагогам придется решать проблему адаптации к новым условиям жизни в информационном обществе.
С формированием инфосферы, компьютеризацией общества, с активным включением новых информационных технологий в систему образования актуальной становится задача применения этих технологий в процессе подготовки специалистов для образования, а также включение студентов в процесс знакомства с новыми информационными технологиями, применяемыми в школьном образовании.
Не менее важной является проблема стимулирования и приобщения студентов к поиску и разработке новых информационных технологий непосредственно в своей педагогической деятельности.
Под новыми информационными технологиями в самом общем виде понимают совокупность моделей, методов и средств обработки данных с непосредственным интеллектуальным доступом человека в вычислительную среду. Такое представление усиливает значимость формирования информационных сред в образовательном процессе и в других условиях подготовки и переподготовки современного специалиста.
В современных условиях технологизация высшего образования ассоциируется с применением новых информационных технологий. Этому мы находим подтверждение в материалах заседания Бюро научно-экспертного совета по информатизации высшей школы, проходившего в декабре 1996 года: "Информационная среда меняет имидж и менталитет преподавателя, из носителя знаний превращая его в тьютера - знатока навыков обучения. А объем информации - статистической, базовой, в том числе с современными методами анализа, накапливается и сохраняется в информационных технологиях образования. Если мы не вооружим преподавателя этими технологиями, то не получим морального права требовать изменений его линии поведения. Отсюда целый комплекс проблем - это и информационно-телекоммуникационные среды (их доступность, насыщенность, взаимосвязанность баз и их взаимозаменяемость, методология и методика работы с ними). Отсюда вечный поиск прорывных технологий: сегодня - мультимедиа, завтра -что-то другое... Если мы правильно сформируем инфосреду высшего образования, то сможем дать учителю в новой среде возможность творческого начала..."./206/.
Современные информационные технологии открывают учащимся доступ к нетрадиционным источникам информации, повышают эффективность самостоятельной работы, дают совершенно новые возможности для творчества, обретения и закрепления различных профессиональных навыков, позволяют реализовать принципиально новые формы и методы обучения с применением средств концептуального и математического моделирования явлений и процессов.
Таким образом, задача на современном этапе состоит в том, чтобы компьютер вместе с использованными в нем информационными средствами выступал не просто ускорителем передачи информации в образовательном процессе, а открывал принципиально новые возможности в области образования, в учебной деятельности учащегося.
