Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. УЧЕБНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЕ
1.1 Эволюция системы школьного физического эксперимента
1.1.1 Развитие и преемственность при реализации учебного физического эксперимента в России 14
1.1.2 Развитие физического практикума 25-31
1.1.3. Современные подходы к реализации учебного физического эксперимента 31
1.1.4: История развития цифровых лабораторий по физике 3 8-45
1.2 Современный комплекс средств цифровой учебной физической лаборатории
Выводы к главе 1 56-57
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ЛАБОРАТОРИЙ В УЧЕБНОМ ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ
2.1 Психолого-педагогические основы использования цифровой лаборатории в учебном физическом эксперименте 57
2.2 Реализация принципов дидактики при проведении лабораторных работ по физике с использованием цифровых лабораторий
2.3 Современная школьная физическая лаборатория-средство реализации учебного физического эксперимента
2.4 Основы моделирования натурного и компьютерного учебного физического эксперимента
2.4.1 Модели и виды учебного физического эксперимента 97-101
2.4.2 Процессуальные этапы натурного компьютеризированного эксперимента
2.5 Методы отбора учебного материала для работы с цифровыми лабораториями по физике
Выводы к Главе 2 113-116
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ЛАБОРАТОРИЙ В УЧЕБНОМ ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ
3.1 Методика применения цифровых лабораторий в современном фронтальном учебном физическом эксперименте 116
3.2 Методика применения цифровых лабораторий в лабораторном практикуме
3.3 Учебно-исследовательская и проектная деятельность учащихся по физике с применением средств цифровой лаборатории
3.4 Применение цифровых лабораторий в системе Интернет 147-156
3.5 Методика проведения эксперимента с удаленным доступом на базе школьной физической лаборатории
Выводы к Главе 3. 163-165
ГЛАВА 4. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ 165
4.1 Организация и методика проведения педагогического эксперимента
4.2 Констатирующий этап эксперимента 170-180
4.3 Поисковый этап эксперимента 181-187
4.4 Обучающий этап эксперимента 187-201
Выводы к Главе 4 201 -202
Заключение 202-204
Список литературы 205-223
Приложения 223-260
- Развитие и преемственность при реализации учебного физического эксперимента в России
- Психолого-педагогические основы использования цифровой лаборатории в учебном физическом эксперименте
- Методика применения цифровых лабораторий в современном фронтальном учебном физическом эксперименте
Введение к работе
В связи с всеобщей информатизацией образования и быстрым развитием цифровых средств обработки информации назрела необходимость внедрения в школьный физический эксперимент цифровых средств обработки данных.
Развитие учебного физического эксперимента происходило в нашей стране эволюционно, с учетом уровня методической и технической оснащенности учебного процесса. Над проблемами учебного физического эксперимента работали методисты-физики: Д.Д. Галанин, Е.Н. Горячкин, Б.С. Зворыкин, А.А. Покровский, И.М. Румянцев, С.А. Хорошавин, С.Я. Шамаш, А.А. Ченцов, Л.И. Анциферов, СВ. Анофрикова, Ві Бласиак, О.Ф. Кабардин, Л.Я. Прояненкова, СВ. Степанов, А.В. Смирнов, Т.Н. Шамало и др.
В 90-е годы XX века в России начинается активный процесс всеобщей информатизации общества и информатизации образования, в частности. На сегодняшний день стало очевидно, что информатизация образования — это не только установка компьютеров в школы или подключение их к Интернет. Это качественное изменение содержания, форм и методов работы с учащимися в предметной области физики. Подобное качественное изменение содержания образования возможно только при полноценном использовании личностно ориентированных технологий, в частности, в области учебного физического эксперимента (УФЭ). Реализовываться личностно ориентированные технологии в области УФЭ могут при проведении как реального (натурного) эксперимента, так и компьютерного модельного эксперимента. Чрезмерное увлечение в последние годы компьютерными моделями в физике привело к снижению роли и удельного веса натурного эксперимента и соответственно к постепенному выведению физического практикума в разряд необязательных элементов обучения. Это не соответствует основным идеям личностно ориентированной образовательной парадигмы, предполагающей создание условий для развития и самореализации личности учащихся.
Вместе с тем учебно-техническая промышленность переходит на выпуск учебного оборудования, стыкуемого с компьютерной техникой: аналого-цифровых преобразователей и датчиков физико-химических величин, учебных приборов управляемых цифро-аналоговыми устройствами, автоматизированных учебно-экспериментальных комплексов, учебных экспериментальных установок дистанционного доступа. В связи с этим, в области физического эксперимента происходит постепенное развитие информационных источников сложной структуры, к которым, в том числе, относятся компьютерные лаборатории. В России с 1994 года появляется новое средство реализации учебного физического эксперимента - цифровые лаборатории по физике (ЦЛ). В рамках проведенного в работе констатирующего эксперимента выявлено наличие оборудования ЦЛ в различных городах, районах и областях РФ.
Методические основы использования персональных компьютеров (ПК) в системе физического эксперимента решали в разное время Л.И.Анциферов, Ю.А.Воронин, И.Б.Горбунова, В.А.Извозчиков, С.В.Степанов, А.В.Смирнов и др.
Частные вопросы применения ПК в демонстрационном и лабораторном эксперименте решали также Р.В.Акатов, Ю.Б.Альтшулер, Е.И.Африна, В.В.Бласиак ,А.А.Ездов, А.Ю.Канаева, В.В.Клевицкий, В.В.Лаптев, В.К.Павлюков, О.А.Поваляев, Д.В.Пичугин , В.И.Сельдяев. и др.
Анализ Интернет источников и методической литературы по вопросу использования цифровых лабораторий в учебном физическом эксперименте показал, что развитие методики применения ЦЛ в УФЭ» происходит не системно.
Вместе с тем констатирующий эксперимент доказал, что и учителя и учащиеся считают необходимым внедрение новых информационных технологий в физический эксперимент. Сегодня уже очевидно, что учителя и учащиеся отдают предпочтение натурному компьютеризированному эксперименту, который недостаточно развит, по сравнению с модельным компьютерным.
Появление в школах сети Интернет в соответствии с программой информатизации образования привело-к необходимости использовать это мощное коммуникативное средство для образовательных, в том числе и предметных целей. Н.Н.Гомулина, М.Б.Горбунова, В.В.Гузеев исследовали информационно-коммуникативные проблемы обучения физике в школе средствами сети Интернет и новые педагогические технологии, возникающие при этом. Но вопросы использования коммуникативных возможностей сети Интернет при реализации современного УФЭ остались нерешенными.
Данные, полученные в ходе констатирующего этапа экспериментального исследования, свидетельствуют о том, что на современном этапе в общеобразовательной школе назрела необходимость в применении цифровых средств реализации и обработки данных физического эксперимента. Наметившиеся возможности перехода учебного физического эксперимента (УФЭ) на более высокую технологическую базу, связанную с цифровыми возможностями анализа и обработки данных, привели к появлению противоречия. На современном этапе в физике, как науке, остро стоит задача выявления количественных закономерностей физических явлений. Вместе с тем в современных педагогических личностно-ориентированных технологиях обучения в последнее время большое значение приобретают имитационные игровые и неигровые активные методы обучения. Суть таких технологий — в моделировании различных отношений и условий реальной жизни, в создании в рамках УФЭ «модели науки». Можно констатировать появление в современных условиях противоречия между необходимостью включения учащихся в экспериментальную деятельность, отражающую- характер современной экспериментальной деятельности в физической науке, с одной стороны, и ограниченными возможностями (преимущественно качественным характером) традиционного натурного и модельного компьютерного эксперимента, с другой стороны.
Также налицо противоречие между широчайшими информационно-коммуникационными возможностями сети Интернет и отсутствием педагогической технологии по применению этих возможностей с целью развития исследовательских и коммуникативных свойств обучаемых при выполнении УФЭ в общеобразовательной школе. В частности, появление в арсенале педагога физика цифровых средств обработки данных физического эксперимента еще не встроено в сложившуюся методическую систему проведения УФЭ в общеобразовательной школе.
Обобщая сказанное, можно утверждать, что противоречие между возможностями применения цифровых лабораторий и сети Интернет в развитии учащихся при проведении учебного физического эксперимента, с одной стороны, и отсутствием технологии по реализации этих возможностей в обучении физике в общеобразовательной школе , с другой стороны, делает актуальной избранную тему исследования.
Объектом данного исследования является методика проведения учебного физического эксперимента в общеобразовательной школе.
Предметом исследования является методика применения цифровых лабораторий в УФЭ в общеобразовательной школе.
Цель данного исследования - обоснование и разработка методики применения цифровых лабораторий в учебном физическом эксперименте в общеобразовательной школе.
В основу исследования положена гипотеза: если в учебном эксперименте по физике использовать цифровые лаборатории и возможности Интернет, то это позволит
• повысить уровень знаний учащихся по физике в общеобразовательной школе,
• более эффективно, чем в традиционном эксперименте, влиять на уровень исследовательских умений учащихся, повысить самостоятельность учащихся при выполнении эксперимента,
• развить ряд важных качеств обучаемых, таких как память, терпение, способность к коммуникации и рефлексию.
Исходя из целей и гипотезы исследования, были поставлены задачи:
1. Проанализировать состояние школьного физического эксперимента, в том числе развитие цифровых лабораторий по физике, в России и за рубежом.
2. Изучить психолого-педагогические проблемы учащихся и учителей, возникающие при работе с цифровыми средствами реализации эксперимента
3. Сформулировать основные принципы эффективного обучения по имитационной технологии в учебном физическом эксперименте с применением средств цифровых лабораторий и Интернет.
4. Сформулировать цели применения цифровых лабораторий по физике при реализации различных форм учебного физического эксперимента.
5. Обосновать отбор учебного материала по физике для работы с цифровыми лабораториями.
6. Разработать педагогическую технологию включения цифровых лабораторий в учебный физический эксперимент, в том числе выявить способы применения в рамках этой технологии средств Интернет.
7. Проверить в педагогическом эксперименте гипотезу исследования. Методы исследования.
Для решения поставленных задач применялась совокупность теоретических и экспериментальных методов педагогического исследования: сравнительный анализ философской, научной, психолого-педагогической литературы, относящейся к объекту и предмету исследования; моделирование деятельности субъектов педагогического процесса при проведении физического эксперимента с использованием цифровых лабораторий; педагогический эксперимент и педагогическая практика;
- методы экспертных оценок и математической статистики для обработки результатов педагогического эксперимента.
Методологические основы исследования составляют:
- на философском уровне закономерности и принципы диалектики, на общедидактическом уровне закономерности и принципы цикличного учебного познания; на частно методическом уровне деятельный личностно-ориентированный подход к обучению;
- результаты научно-методических исследований по проблемам информатизации физического образования и компьютерным технологиям обучения физике (Л.И. Анциферов, Ю.А. Воронин, И.Б. Горбунова, Н.Н. Гомулина, В.В. Гузеев, В.А. Извозчиков, Е.С. Кулакова, В.В. Клевицкий, В.В. Лаптев, В.К. Павлюков, Н.С. Пурышева, И.В. Роберт, А.Г. Селевко, В.И. Сельдяев, А.В. Смирнов и др.);
- научно-методические работы по вопросам организации познавательной деятельности обучаемых, гуманизации и индивидуализации при обучении физике (Н.С. Пурышева, В.Г. Разумовский, А.В. Усова, Т.Н. Шамало и др.).
Научная новизна исследования состоит в том, что
1. Сформулированы основные цели применения цифровых лабораторий в различных формах учебного физического эксперимента( углубление знаний по физике на основе овладения новыми средствами реализации учебного физического эксперимента, повышение интереса к изучению физики, развитие исследовательских и коммуникативных умений).
2. Показано, что обучение физике с применением цифровых лабораторий должно строиться с учетом принципов проблемности, личностного взаимодействия, самообучения на основе рефлексии, единства развития каждого участника и группы.
3. Показано, что при отборе вопросов курса физики, которые могут изучаться с применением цифровых лабораторий, следует учитывать технологические особенности цифровых лабораторий ( динамический характер измерений, широту спектра используемых датчиков, возможность активно менять параметры опыта и др.).
4. Разработана педагогическая технология включения цифровых лабораторий в учебный физический эксперимент (предметно-ориентированная, естественнонаучная, технократическая, личностно ориентированная с элементами технологии сотрудничества).
5. Предложен алгоритм учебно-исследовательской и проектной деятельности учащихся с применением цифровых лабораторий, позволяющий минимизировать количество измерительных и вычислительных операций, извлекать максимум информации в процессе одного замера, выбирать оптимальное время между операциями.
6. Разработана методика нового вида учебного физического эксперимента-эксперимента с удаленным доступом. Предложена структура учебно-методического комплекса для проведения эксперимента с удаленным доступом, включающая систему средств обучения, систему средств научной организации труда ( Интернет), учебно-методические пособия.
Теоретическая значимость результатов исследования определяется тем, что обоснована роль цифровых лабораторий в учебном процессе по физике в общеобразовательной школе как средства включения учащихся в экспериментальную деятельность, адекватную современной физической науке. Также введено понятие «учебный физический эксперимент с удаленным доступом», сформулированы принципы построения методики применения цифровых лабораторий при проведении фронтальных лабораторных работ, физического практикума и организации проектно-исследовательской деятельности учащихся.
Практическая значимость исследования заключается:
• в создании комплекса работ физического практикума для 10,11 классов и системы фронтальных лабораторных работ для 8,9 классов общеобразовательной школы с применением средств цифровых лабораторий. (17 новых лабораторных работ и 11 модифицированных);
• в создании методических инструкций применения ЦЛ в исследовательской и проектной работе учащихся, при обучении физике в общеобразовательной школе;
• в разработке методических и дидактических средств учебной лаборатории по физике- лаборатории новых информационных технологий и Интернет (НИТИ-лаборатории);
• в разработке учебно-методического комплекса для проведения эксперимента с удаленным доступом. На защиту выносятся следующие положения:
1. Целями применения цифровых лабораторий в учебном физическом эксперименте выступают: повышение интереса к изучению физики, углубление знаний о физических явлениях, на основе овладения новыми средствами реализации учебного физического эксперимента, развитие исследовательских и коммуникативных умений учащихся.
2. Применение цифровых средств реализации учебного физического эксперимента возможно при изучении практически всех вопросов курса физики, ограничения существуют лишь для изучения оптических и квантовых явлений.
3. Целесообразно обеспечить постепенный переход от фронтальных лабораторных работ к работам физического практикума на основе применения цифровых средств реализации учебного физического эксперимента. А в рамках физического практикума — от учебно-исследовательских видов деятельности к проектным работам и далее к проведению эксперимента с удаленным доступом.
4. Учебный физический эксперимент с применением средств цифровых лабораторий и Интернет целесообразно реализовывать в форме школьной НИТИ-лаборатории ( лаборатории новых информационных технологий и Интернет). НИТИ-лаборатория представляет собой образовательную среду, комплекс дидактических и методических средств обучения физике. 5. Работа школьной НИТИ-лаборатории должна строиться на принципах: деятельностного характера обучения; использования и развития в методе проектов исследовательских и информационных умений учащихся; нацеленности на коллективное решение системы учебных проблем; тесной интеграции современных цифровых средств обработки эксперимента и коммуникативных возможностей сети Интернет.
Апробация исследования осуществлялась на V Международной научной конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития», Московский педагогический государственный университет, Москва (2006);VI Международной научной конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития», Московский педагогический государственный университет, Москва (2007), 2-7 Конкурсах естественнонаучных проектов «Архимед»; в ходе проведения круглого стола в, Московском институте открытого образования 10 апреля 2006 года; на выставке, посвященной 60-летию московского образования 19-22 апреля 2006 года; на 15 международной конференции-выставке ИТО-2006, Москва (2006); на IX Международной конференции ФССО-07 в Санкт-Петербурге(2007); X Российской научной конференции школьников «Открытие» 20-22 апреля 2007 г. в Ярославле; на 16 международной конференции- выставке ИТО-2007, Москва (2007), на семинаре - круглом столе для преподавателей на базе конференции «Открытие» в г. Ярославле (2007). Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях: Статьи в изданиях, рекомендованных к опубликованию ВАК
1. Петрова М.А. Цифровая лаборатория «Архимед» в физическом практикуме. // Физика в школе. - М., 2005, №8. - С. 34-36.
2. Петрова М.А. Что такое «Черный ящик и как с этим работают учащиеся 8 классов. // Физика в школе. - М., 2006, №7. - С. 48-51.
Статьи в журналах и трудах Международных и республиканских конференций
3. Петрова М.А. «Применение цифровой лаборатории «Архимед» в лаборатории 11 класса и для проведения занятий в физическом практикуме 10 класса в рамках предмета по выбору». // Труды VIII Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум».- М., 2004. - С. 252-253.
4. Петрова М.А. «Лабораторный практикум по физике на базе средств новых информационных технологий». // Материалы V Международной научной конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития». Часть 2. - М., 2006. - С. 125-128.
5. Петрова М.А. «История применения цифровых лабораторий в школьном физическом эксперименте». // Материалы VI Международной научной конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития». Часть 1. - М., 2007. - С. 128-132.
6. Петрова М.А. «Беспроводные технологии учебного физического эксперимента». Физика в системе современного образования. // Материалы IX Международной конференции (2007). Том 1. — СПб.: Издательство РГПУ им. А.И. Герцена, 2007. - С. 295-297.
7. Петрова М.А. «Проектная деятельность учащихся 11 класса по физике с использованием возможностей цифровой лаборатории «Архимед». Информационные технологии в образовании. / [соавтор Чудов В.Л.; авторский вклад 70%] // XVI Международная конференция - выставка: Сборники трудов. - М., 2006. - С. 52-54.
8. Петрова М.А. «Интеграция цифровых лабораторий и Интернет -современная педагогическая технология» .Информационные технологии в образовании. / [соавтор Чудов В.Л.; авторский вклад 70%] // XVII Международная конференция-выставка: Сборники трудов. - М., 2007. — С. 104-108.
9. Петрова М.А. «Современные подходы к реализации учебного физического эксперимента». Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики. // Материалы международной научно-практической конференции 2 апреля 2007. Часть 2. - Екатеринбург. -С. 133-138.
Ю.Петрова М.А. «Новые педагогические технологии с использованием цифровых образовательных ресурсов». // IX Всероссийская научно-практическая конференция «теория и практика измерения латентных переменных в образовании»/[соавтор Беликов Ю.С.; авторский вклад 50%]// 21-23 июня 2007 г. - Славянск-на-Кубани. - С. 180-182.
П.Петрова М.А. «Компьютерные модели физических явлений». // Материалы докладов республиканской научно-теоретической конференции. - Киров, 2004. - С. 73-74.
Методические материалы
12. Петрова М.А. Учебно-исследовательский курс «Архимед» (Стартовый проект. Три экспериментальные задачи и три лабораторные работы) / Под редакцией А.Я. Казанской; [в соавторстве с А.Я. Казанской, В.Л. Чудовым. С.А. Щегловым, О.А. Щегловой; авторский вклад 50%]. - М.: Издательство МЭИ, 2006.
Структура и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений. Общий объем работы составляет 261 страницу, из них основного текста 223 страниц, 7 рисунков, 16 таблиц, 5 схем, 13 диаграмм и 6 приложений общим объемом на 38 страниц. Список используемой литературы включает 181 наименование.
Развитие и преемственность при реализации учебного физического эксперимента в России
Главным методологическим ядром школьного курса физики выступает единство физической теории и физического эксперимента и становится понятным внимание, которое российские и зарубежные методисты уделяют учебному физическому эксперименту (УФЭ).
Не случайно во всем мире формальное преподавание «книжной физики» без эксперимента называется «меловой физикой» или попросту болтовней, «Kreide Fizik», «Talk and chalk Phizic». Развитие в России экспериментального метода преподавания физики имеет обширную и интересную историю.
Первая академическая гимназия России, открытая одновременно с основанием Петербургской академии наук в 1725 году, имела светский характер и реальную направленность. Преподавали в ней академики Петербургской академии наук. Например, академик Г. Крафт был организатором преподавания физики в университете и гимназии, а с 1736 года и читал первый курс физики в академическом университете. Г. Крафт, будучи, уже инспектором академической гимназии, оборудовал в ней первый физический кабинет в России и пытался применить эксперимент в преподавании физики. Но Г. Крафт не владел русским языком и читал физику в курсе натурфилософии на латинском языке.
М.В. Ломоносов, первый из русских ученых, поднялся до понимания значимости учебного физического эксперимента. В книге «Вольфианская экспериментальная физика» он выступает против преподавания физики, оторванной от опыта [76]. М.В. Ломоносов подчеркивает, что «мыслительные рассуждения» складываются из надежных и много раз повторенных опытов.
Именно такой, экспериментальный подход в преподавании, и положил М.В. Ломоносов в основу преподавания естественных наук и в Петербургском университете и в академической гимназии. Он ввел лабораторный метод изучения физики и химии. Физический кабинет Академии наук М.В. Ломоносов превратил в научно-исследовательскую лабораторию. Можно с полным основанием считать, что прогрессивное движение педагогов за внедрение экспериментальных методов преподавания было начато гениальным М.В.Ломоносовым. Первая публичная лекция по физике была прочитана М.В.Ломоносовым 20 июня 1746-года и сопровождалась она демонстрацией опытов. Традиции по чтению публичных лекций, заложенные М.В. Ломоносовым, были продолжены профессорами Московского университета в конце 18 века и в первой половине 19 века.
Основные идеи М.В. Ломоносова о пользе эксперимента получили дальнейшее развитие в деятельности преподавателя физики Главного народного училища в Петербурге методистов М.Е. Головина и П.И. Гиляровского. Закреплял эти идеи в учебнике Э.Х. Ленц. Его «Руководство к физике для гимназий» применялось с 1839 года много лет. В 1866 года этот учебник сменило учебное пособие «Учебник физики» К.Д. Краевского, выдержавшее 27 изданий, и учебник Н.А. Любимого «Начала физики» (1876 г).
Следующий период в истории развития экспериментального- метода преподавания связан с именем великого русского ученого А.Г. Столетова.
А.Г. Столетов считал, что для преподавания физики в России в учебных заведениях необходимо иметь хорошо оборудованные кабинеты физики и уделять большое внимание методике постановки практических работ учащихся и постепенному вовлечению их в исследовательскую деятельность [141].
Университет, по мнению А.Г. Столетова, должен подготовить такие педагогические кадры, которые в полной мере владеют экспериментальными навыками, необходимыми для будущей педагогической деятельности [141].
В дальнейшем мысли А.Г. Столетова о необходимости введения экспериментальной и исследовательской деятельности учащимися были привнесены в методику преподавания физики в средней школе его учениками В.Ф. Шведовым, О.Д. Хвольсоном, Н.А. Умовым [170].
В 1884 году в своей книге «Введение в методику физики» Ф.Н. Шведов писал о ненормальности «современной» постановки преподавания физики в средних учебных заведениях, о необходимости коренной реформы, как в порядке, так и в способе изложения, о необходимости применения эксперимента в преподавании [170].
Необходимость реформы преподавания физики в средней школе и обязательность введения в преподавание физики эксперимента, отстаивал крупнейший русский физик профессор Н.А. Умов. В 1898 году под его руководством открылась работа «Комиссии по вопросу о мерах лучшей постановки преподавания физики в гимназиях». Эта комиссия разработала 125 демонстрационных опыта, которые признала обязательными при обучении физике в средней школе. Признавая огромное значение демонстрационных опытов, Н.А. Умов считал необходимым повсеместное введение самостоятельных экспериментальных лабораторных опытов учащихся при изучении физики .
На основе списка демонстрационных опытов, разработанного «Умовской комиссией», была составлена первая программа практических упражнений по физике в общеобразовательной средней школе, принятая официально московским совещанием в 1899 году по докладу В.Ф. Давыдовского.
Психолого-педагогические основы использования цифровой лаборатории в учебном физическом эксперименте
Рассмотрение психолого-педагогических проблем использования ЦЛ в учебном процессе является одной из самых важных в настоящем исследовании, так как мы попытаемся объяснить, почему, несмотря на достаточно широкое распространение оборудования ЦЛ в школах Москвы, внедряется оно медленно и во многих школах лежит, не эксплуатируясь, уже несколько лет.
Анализ этих проблем мы считаем необходимым производить по плану:
рассмотрение принципов эффективного обучения по имитационной технологии обучения (ИТО);
изучение психолого-педагогических проблем учащихся при работе с ЦЛ;
рассмотрение психологических проблем, возникающих у педагогов при работе с ЦЛ:
Ключевыми работами при развитии личностно-ориентированных технологий обучения, разработке деятельностного характера таких технологий стали труды педагогов и психологов столетней давности. Г. Мюнстерберг в книге «Психология и учитель» в 1910 году писал:
«Развитие наших реакций - это история нашей жизни. Если бы нам надо было искать выражение для самой1 важной истины, которую современная психология может дать учителю, оно гласило бы просто: ученик - это реагирующий аппарат.» [26, с. 35].
Л.С. Выготсткий вместе с Мюнстербергом полагает, что прошло то время, когда «вся двигательная сторона казалась неважным придатком, без которого душевная жизнь могла бы точно так же идти своим порядком. Теперь все становится наоборот. Теперь именно активное отношение и действие принимаются за те условия, которые дают действительную возможность для развития центральных процессов. Мы мыслим, потому что мы действуем» [26, с. 36].
Важнейшие установки педагогики сотрудничества были развиты Л.С. Выготским в книге «Педагогическая психология».
«...Личный опыт воспитанника делается основной базой педагогической работы. Строго говоря, с научной точки зрения нельзя воспитывать другого. Ребенок в конечном счете воспитывается сам... В воспитательном процессе личный опыт ученика представляет из себя все. Воспитание должно быть организовано так, чтобы не ученика воспитывали, а ученик воспитывался сам... В основу воспитательного процесса должна быть положена личная деятельность ученика.» [26, с. 82].
В 1991 году при переиздании книги Л.С. Выготского действительный член АПН СССР В.В.Давыдов пишет: «...согласно Л.С.Выготскому, учитель может целенаправленно воспитывать детей лишь при постоянном сотрудничестве с ними, с их средой, с их желаниями и готовностью действовать самим вместе с учителем.» [26, с. 9].
Л.П. Гурьева в диссертационном исследовании констатирует: «На современном этапе, начиная с 60-х годов XX века научно-технический прогресс и происходящие динамические изменения в социальных процессах повышают значимость разработки проблемы развития творческой личности будущих профессионалов. Существенное влияние на динамику преобразований в обществе оказывает компьютеризация образовательного процесса. Ее особенности состоят в том, что компьютерам передаются исполнительские интеллектуальные функции, и это вносит изменения в различные виды умственной деятельности.» [40, с. 48].
Психологическая наука не стоит на месте, и последнее время активное развитие получила проблема взаимодействия ученика и компьютера. Психологи В.Ф. Венда, Б.Ф. Ломов рассматривали проблемы взаимодействия человека и ЭВМ еще в 1984 году [23].
Поскольку темой настоящего исследования является компьютеризованный УФЭ, поэтому нас будут интересовать новые психологические проблемы, которые порождает компьютеризация любых видов человеческой деятельности.
Методика применения цифровых лабораторий в современном фронтальном учебном физическом эксперименте
«Основная цель фронтальных лабораторных работ - уяснить сущность изучаемого явления или закона, процесса или зависимости, принципа действия прибора или метода измерения физической величины. На этих занятиях приобретаются элементарные навыки экспериментирования: умения организовать свое рабочее место, собирать установки, наблюдать, выполнять измерения с помощью школьных приборов, производить элементарные расчеты, оформлять аналитически и графически результаты опыта, делать выводы.» [8, с. 207].
Подробная классификация фронтальных лабораторных работ-приведена в пособии [8]. Так, по времени выполнения работы Л.И. Анциферов разделяет их на кратковременные (5-20 мин), одночасовые (45мин) или двухчасовые (80 мин). Фронтальные лабораторные работы проводят с помощью различных приемов: иллюстративным приемом при устном или письменном руководстве, эвристическим приемом или исследовательским приемом с организацией индивидуального или коллективного поиска [8, с. 206].
Организация выполнения фронтальных лабораторных работ в 8 и 9 классе, предложенная в рамках изложенной методики, включает в себя ряд обязательных элементов.
1. Проведение ознакомительной лекции по теории погрешности.
2. Проведение одного занятия по знакомству с особенностями ЦЛ и выработке алгоритма простейших экспериментальных действий с помощью программы сбора и обработки данных Multilab.
3. Проведение фронтальной лабораторной работы параллельно с использованием программ-эмуляторов.
Мы рекомендуем проведение фронтальных лабораторных работ из сборника №1 и сборника №2 эвристическим приемом по письменному руководству. Письменное руководство в данном случае обязательно должно быть предварительно подготовлено учителем (см. приложение №1), так как режимы работы оборудования, необходимые настройки КПК и опыта, не могут быть подобраны учеником самостоятельно в течение 2 часовой лабораторной работы. Также мы рекомендуем после домашней подготовки, выполнять работу на уроке полностью. Тем самым обеспечивается непрерывность процесса выполнения и расчета результатов физического эксперимента, что очень важно для понимания физической сущности изучаемого явления. Программ-эмуляторов существует в Интернете большое количество. Автор исследования рекомендует применение программы для регистратора данных Nova 5000, которая позволяет проводить лабораторные работы в режиме «делай как я». Причем на- экране компьютера1 в таком режиме будут визуализированы результаты эксперимента, проводимого учителем, а также все настройки опыта.
Фронтальные лабораторные работы были разработаны для 8 класса автором исследования, и включают в себя 6 работ в составе Методического пособия «Первый шаг к «Архимеду». Физика 8 класс». Особенностью сборника является применение оборудования. Цифровой Лаборатории «Архимед» (ЦЛ) для проведения стандартного набора лабораторных работ из учебника А.В. Перышкина. «Физика 8 класс» [102].
Для 9 классов сборник написан в соавторстве с А.Я. Казанской и Ю.Э. Зуковской и включает в себя 7 лабораторных работ.
Необходимо пояснить сущность современной дидактики, прежде чем рассматривать построение фронтального УФЭ с применением ЦЛ.
«Традиционная дидактика ставит своей целью создание теории обучения, направленной на разработку методических приемов, а также организационных форм и методов обучения, которые оптимизируют процесс усвоения обучаемыми знаний» (И. Роберт.) [120,с.64].
«Задачи дидактики состоят в том, чтобы (1)-описывать и объяснять процесс обучения и условия его реализации; (2) разрабатывать более совершенную организацию процесса обучения, новые обучающие системы, технологии [16 , с. 51].
Воспользуемся дидактическими, принципами, изложенными в диссертационном исследовании В.В. Клевицкого [62] и раскроем сущность и принципиальную новизну их применимо к разработанным фронтальным работам по физике в 8 и 9 классах с использованием средств ЦЛ .
