Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЭМПИРИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ 18
1.1. Философский и психолого-педагогический аспекты проблемы формирования эмпирических знаний 18
1.2. Методический аспект проблемы формирования эмпирических знаний 31
1.3. Системный анализ учебных эмпирических знаний и процесса их формирования у учащихся 43
1.4. Качественная модель и основные этапы формирования
эмпирических знаний 62
Глава 2. НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ ЭМПИРИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ 82
2.1. Классификация фактов на основе экспертной оценки их дидактических характеристик 82
2.2. Закономерности процесса формирования эмпирических знаний по физике 95
2.3. Доля эмпирической информации в различных темах и главах школьного курса физики 110
2.4. Направления совершенствования методики формирования эмпирических знаний 127
Глава 3. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ ЭМПИРИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ ПО ФИЗИКЕ 132
3.1. Требования к методике формирования эмпирических знаний 132
3.2. Методика доказательства учебного факта при изучении физики 142
3.3. Изучение методов доказательства истинности фактуального положения в физической науке 152
3.4. Методика использования физических фактов для доказательства теоретических положений 165
3.5. Методика оценки уровня сформированности эмпирических знаний 183
3.6. Сущность методики формирования эмпирических знаний 190
Глава 4. ЧАСТНЫЕ МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ ЭМПИРИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ 197
4.1. Методика экспериментального установления факта: движение тела в вязкой среде 197
4.2. Методика установления эмпирического закона: статистические законы физики 209
4.3. Изучение методов установления факта измерение скорости волны 217
4.4. Доказательство теоретических положений: экспериментальное обоснование волновой физики 231
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГИПОТЕЗЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 254
5.1. Планирование педагогического эксперимента 254
5.2. Методика проведения и результаты поискового эксперимента 264
5.3. Методика проведения и результаты констатирующего эксперимента 276
5.4. Методика проведения и результаты обучающего эксперимента 288
Заключение 305
Библиографический список 309
Приложения 340
- Философский и психолого-педагогический аспекты проблемы формирования эмпирических знаний
- Классификация фактов на основе экспертной оценки их дидактических характеристик
- Требования к методике формирования эмпирических знаний
- Методика экспериментального установления факта: движение тела в вязкой среде
- Планирование педагогического эксперимента
Введение к работе
Актуальность исследования. Научно-технический прогресс, тесно связанный с общим интеллектуальным уровнем общества, предопределяет подъем всей системы народного образования на более высокий уровень, использование новых, передовых методов в учебном процессе. Возросшее значение таких естественных наук, как физика, химия, биология, зоология, астрономия, требует повышения качества преподавания их основ в средних и высших учебных заведениях. Особое значение в формировании научного мышления играет физика, изучающая наиболее простые явления неживой природы, что позволяет ей широко использовать идеальные модели, осуществлять количественное описание явлений, строить смелые дедуктивные теории.
Развитие любой науки о природе начинается с накопления фактов, явившихся результатом опытов и наблюдений, их систематизации, осмысления и выявления общих закономерностей, и только потом выливается в построение стройной теории. Вопросы, связанные с развитием естественных наук, подробно освещены в работах В. А. Ба-жанова [22], Л. Б. Баженова [23], В. В. Быкова [39], А. Н. Елсукова [42, 64], И. В. Кузнецова [96], М. В. Мостепаненко [206], В. С. Степина [261], В. С. Швырева [298]. В них показано, что совокупность фактов и методов юс установления образует систему эмпирических знаний, составляющую основание естественной науки. Факты стимулируют развитие теории, они же являются критерием ее истинности.
Проблемами теории обучения в целом и естественно-научного образования в частности занимались такие исследователи, как С. И. Архангельский [18], Г. А. Берулава [26], В. П. Беспалько [27, 28], И. Я. Лер-нер [109, 110], Ю. В. Сенько [255], С. А. Шапоринский [290]. Как показано в работах указанных авторов, процессы развития науки и обучения ее основам имеют много общего. Изучение естественно-научных дис- циплин должно так же опираться на систему учебных эмпирических знаний, — совокупность фактов и экспериментальных методов, формирование которой в сознании учащегося является одним из первых и важнейших этапов познания природы.
Принцип оптимизации обучения, сформулированный Ю.К. Ба-банским [20, 21], предполагает выделение и изучение системы фактов, позволяющей полно и последовательно обосновать важнейшие идеи рассматриваемой дисциплины, более глубоко изучить основные законы и явления природы, сформировать естественно-научную картину мира и материалистическое мировоззрение.
Настоящее исследование основывается на идеях таких известных ученых как А. И. Бугаев [36, 37], Ю. И. Дик [61], С. Е. Каменецкий [84], A. С. Кондратьев [91 - 93], И. Я. Ланина [100 - 101], В. В. Лаптев [102], B. Н. Мощанский [208], В. В. Мултановский [209 - 210], И. И. Нурмин- ский [219 - 220], А. А. Пинский [272, 273, 306, 307], Ю. А. Сауров [249], A. В. Усова [270], Н. М. Шахмаев [292 - 297], фактически определивших содержание современного школьного курса физики и методику его изу чения. Анализ их работ, а также научных трудов ученых, занима ющихся вопросами теории и методики учебного физического экспери мента, таких как Я.Е.Амстиславский [8], Л.И.Анциферов [16 - 17], B. С. Данюшенков [57 - 58], О. Ф. Кабардин [78 - 83], В. В. Майер [111 - 115], Н. Я. Молотков [203 - 205], Б. Ш. Перкальскис [228, 229], С А. Хо- рошавин [277 - 280], Т.Н. Шамало [286 - 289], позволяет констатиро вать непрерывное развитие экспериментальных методов изучения фи зики, разработку и совершенствование систем учебных опытов.
В то же время, мы вынуждены отметить отсутствие системного исследования процесса формирования у учащихся эмпирических знаний по физике в целом. В современной дидактике физического образования не определено понятие учебных эмпирических знаний по физике.
Не установлены содержание и структура системы эмпирических знаний, не разработана методика оценки уровня их сформированности у учащихся.
Кроме того, нуждается в обосновании идея необходимости использования эмпирических знаний для доказательства основных положений изучаемого курса физики. Согласно принципу достаточного основания, любое научное утверждение считается истинным только после того, как оно обосновано. В физике обоснование или доказательство какого-либо утверждения предполагает сопоставление этого утверждения или его следствий с фактами, установленными экспериментальными методами. Распространение принципа достаточного основания на процесс обучения, состоит в экспериментальном обосновании основных идей школьного курса физики, что способствует формированию доказательности мышления учащихся, убеждений в истинности приобретенных знаний, научного мировоззрения.
Совершенствование методов формирования у учащихся системы эмпирических знаний невозможно без развития методики экспериментального изучения физических явлений. Появление новой элементной базы электроники, доступность аналоговых и цифровых микросхем способствует совершенствованию учебного оборудования, методики и техники учебного физического эксперимента, что в современной дидактике физического образования реализовано далеко не полным образом.
Развитие математических методов педагогического исследования таких, как кластерный, регрессионный и факторный анализ, методов имитационного моделирования, экспертных оценок и других, представленных, например, в работах В. С. Аванесова [1 - 2], С.А.Айвазяна [5], Д. Дж. Бартоломью [24], С. Битинаса [30], Дж.Гласса и Дж. Стэнли [45], М. И. Грабаря [54 -56], М. Жамбю [65], К. А. Краснянской [55], Л. П. Леонтьева и О. Г. Гохмана [108], В. С. Черепанова [283 - 285], обес- печивает новый подход к проблеме исследования. Ее решение требует объективной классификации учебных фактов, определения количества различных видов знаний в учебнике физики, имитационного моделирования изучаемого процесса.
Все это позволяет утверждать, что имеет место противоречие между значением эмпирических знаний для создания у учащихся физической картины мира, развития научного мышления и мировоззрения, и уровнем исследования процесса формирования эмпирических знаний в дидактике физического образования. Поэтому разработка теоретических и методических аспектов проблемы формирования у учащихся эмпирических знаний представляется актуальной.
Объектом исследования является процесс формирования у учащихся физических знаний.
Предмет исследования — содержание и структура эмпирических знаний физики, обеспечивающих экспериментальное обоснование основных положений науки, и методика их формирования у учащихся.
Методологическую основу исследования составляют общие принципы теории обучения, методологические принципы физики, основные положения методики преподавания физики.
Цель исследования заключается в разработке и обосновании методики формирования у учащихся эмпирических знаний как системы экспериментальных доказательств основных положений науки.
Гипотеза состоит в следующем:
1. ЕСЛИ учебные факты курса физики, учитывая возможность их экспериментального установления в повседневной жизни, на уроке физики и трудность их усвоения учащимися, разделить на три категории: факты, которые могут быть экспериментально установлены в повседневной жизни; факты, которые невозможно экспериментально установить в повседневной жизни, но можно установить на уроке физики; факты, которые не могут быть экспериментально установлены на уроке физики;
ТО это позволит на более высоком уровне исследовать особенности распределения эмпирической информации в школьном курсе физики, построить качественную и количественную модели формирования эмпирических знаний и выявить закономерности этого процесса.
2, ЕСЛИ формирование у учащихся эмпирических знаний осуществлять по методике, которая предполагает изучение наряду с физическими фактами методов их установления и использования для доказательства теоретических положений; соответствует принципу достаточного основания, то есть позволяет подтвердить изучаемые факты и эмпирические законы средствами учебного эксперимента или ссылками на него; позволяет разрешить противоречие между эмпирическими и теоретическими знаниями учащихся и способностью учащихся доказывать их истинность; требует определения уровня сформированности эмпирических знаний учащихся как независимой характеристики их физических знаний;
ТО общий уровень физического образования учащихся будет выше, ТАК КАК учащиеся глубже овладеют фактическим материалом и методами проведения физического доказательства, на более высоком уровне будет построена физическая картина мира, сформировано научное мышление и убежденность в истинности приобретенных знаний.
В соответствии с указанными целью и гипотезой были поставлены следующие задачи:
Провести анализ современного состояния проблемы формирования у учащихся системы эмпирических знаний по физике, определить их содержание и структуру. Оценить и сравнить количество эмпирических знаний в различных темах и главах учебника физики.
Определить основные дидактические характеристики учебного факта и, опираясь на результаты экспертной оценки, выделить основные категории фактов. Построить качественную, а затем и количественную модель процесса формирования эмпирических знаний у учащихся и провести соотвествующий компьютерный эксперимент.
Опираясь на современные учебные пособия и программы, проанализировать динамику изменения потока эмпирических знаний, усвае-ваемых учащимися по мере изучения курса физики. Используя метод кластерного анализа, выделить основные классы тем и параграфов школьного курса физики с небольшой, средней и большой плотностью распределения эмпирической информации.
Разработать методику формирования у учащихся эмпирических знаний, предполагающую экспериментальное доказательство физических фактов, а также изучение методов их установления и использования для обоснования важнейших теоретических положений. Предложить более совершенную методику экспериментального изучения отдельных физических явлений и зависимостей.
Разработать метод оценки уровня сформированности эмпирических знаний у учащихся. Осуществить педагогический эклеримент по выявлению основных факторов, влияющих на уровень эмпирических знаний учащихся, а также по доказательству необходимости и целесообразности использования разработанных методик экспериментального изучения явлений.
Для решения поставленных задач использовались следующие теоретические методы исследования: изучение и анализ научной, учебной и методической литературы по проблеме формирования эмпирических знаний учащихся, системный подход к проблеме исследования, контент-анализ учебников физики, методы кластеризации многомерных объектов, экспертная оценка дидактических характеристик факта, имитационное моделирование формирования эмпирических знаний по физике, разработка конкретной методики проведения педагогического эксперимента, методы статистической обработки полученных результатов, корреляционный, регрессионный и факторный анализ.
Кроме того, применялись экспериментальные методы исследования: опытно-конструкторская работа по созданию новых учебных физических приборов и экспериментальных установок, изготовление и исследование макетных образцов нового учебного оборудования, изучение и обобщение опыта работы с предлагаемым оборудованием преподавателей физики, личное экспериментальное обучение учащихся физическому эксперименту и изготовлению приборов, многофакторный педагогический эксперимент.
Исследование проводилось с 1986 по 1998 г. Можно выделить следующие этапы работы.
Первый этап (1986-1989 гг.) связан с постановкой проблемы формирования учебных эмпирических знаний и использования учебных вариантов фундаментальных экспериментов при изучении физики в школе. С целью определения научно-методических аспектов учебного физического эксперимента, уточнения задач и целей исследования, изучались работы по педагогике, физике и методике ее преподавания. В этот период были разработаны индикатор акустического эффекта Доплера, а также не вошедшие в настоящую диссертацию методики экспериментального изучения явления электростатической индукции [118, 147], искусственной радуги [148].
Второй этап (1990-1992 гг.) исследования состоял в более глубо- ком изучении структуры и содержания системы эмпирических знаний, а также разработке методики и техники учебных вариантов фундаментальных опытов по оптике и акустике. На базе студенческого конструкторского бюро под руководством В. В. Майера было разработано оборудование для качественного и количественного изучения явления Фарадея [165, 323], брахистохронных и таутохронных свойств циклоиды [150, 177, 324], измерения скорости звука импульсным методом [153, 181]. Предложены методика использования в учебном процессе электронно-механического анализатора состояния поляризации световой волны [151, 173], а также лабораторная работа по изучению эффекта Доплера [152], зависимости скорости звука в воздухе от температуры [154], и исследованию скрытых электрических цепей с помощью авометра [217].
В практическом аспекте были сконструированы и внедрены в учебные процессы школ № 1,11, 15, технического лицея № 24 г. Глазова, Глазовского государственного пединститута, Глазовского филиала Ижевского технического университета комплект приборов для измерения малых промежутков времени по механике, измеритель скорости звука импульсным методом. Результаты работы были обсуждены в докладах "Методика изучения акустического эффекта Доплера" на Советско-Американской конференции преподавателей естественно-научных дисциплин (Москва, 1991г.), "Учебные варианты фундаментальных акустических экспериментов" на научно-методической конференции (Екатеринбург, 1992 г.).
Третий этап (1993-1995 гг.) связан с исследованием проблемы экспериментального изучения основ волновой физики с помощью фундаментальных опытов со звуковыми волнами. В этот период были определены содержание и структура системы фундаментального физического эксперимента по волновой физике [158, 159, 163], разработа- ны оборудование и методика проведения учебных опытов, составивших основное содержание диссертации [116, 117, 143, 145, 321]. Получены патенты на изобретения приборов для демонстрации электростатической [118] и электромагнитной [123] индукции, механических свойств циклоиды [162], дисперсии звука [161, 166, 170], а также некоторые другие учебные приборы [167, 168, 184]. Кроме того, разработан прибор для демонстрации принципа Ферма [120, 164, 174].
Также были опубликованы тезисы о лекционных демонстрациях интерференции звуковых цугов [157], групповой скорости волны [160] и сделаны доклады на научных конференциях в Саранске и Нижнем Новгороде. Разработаны лабораторные работы по измерению малых промежутков времени в опытах по механике и акустике, предложены оригинальные опыты по экспериментальному изучению движения тела в вязкой среде [145, 169, 176, 180, 322], дисперсии волн [170], принципа Ферма [169].
Четвертый этап (1996-1999 г.) состоял в построении концепции формирования у учащихся системы эмпирических знаний [122, 124, 132, 133], создании качественной и количественной модели процесса их формирования [119, 125, 144, 319, 320], осуществлении классификации фактов [135, 138], проведении контент-анализа школьного курса физики [134] и разработке методики физического доказательства [174, 175, 179]. Выявлены закономерности формирования эмпирических знаний [131], а также закономерности распределения эмпирической информации по школьному курсу физики [134, 141]. Разработана методика экспериментального изучения магнитного взаимодействия токов и определения магнитной постоянной [136]. Основные теоретические положения концепции формирования эмпирических знаний, а также подтверждающие их результаты педагогического эксперимента представлены в монографии [142]. Предложена учебная тетрадь для студентов, вы- полняющих лабораторный практикум по механике [146], а также в соавторстве написаны учебные тетради по физике для школьников [13, 14, 15, 51, 52].
Разработаны методы оценки уровня сформированности системы эмпирических знаний [121], спланирован и проведен педагогический эксперимент [126, 129], оценивающий уровень сформированности у учащихся системы эмпирических знаний и доказывающий основные положения исследования. Он был проведен на базе физико-математического лицея, школ № 1, 15 г. Глазова и Глазовского педагогического института.
Основные положения концепции исследования: совокупность эмпирических знаний по физике — дидактическая система, состоящая из факту ал ьной и методологической составляющих; система учебных физических фактов неоднородна и для исследования особенностей их изучения должна быть разделена на несколько категорий; по мере изучения курса физики имеют место качественные и количественные изменения состава эмпирических знаний, что влияет на процесс их формирования; формирование у учащихся научного мышления должно опираться на принцип достаточного основания, согласно которому истинным можно считать только те утверждения, которые доказаны; учащиеся должны понимать не только сущность физических фактов, но и методы их установления, а также их значение для обоснования теории; для того, чтобы физические знания учащихся были системными, формирование эмпирических знаний должно осуществляться в комплексе с теоретическими; уровень сформированности эмпирических знаний является самостоятельной характеристикой физических знаний учащихся и требует отдельной оценки; глубина усвоения физических фактов и экспериментальных методов определяется тем, насколько они включены в познавательную деятельность учащегося; формирование эмпирических знаний должно опираться на учебные эксперименты, позволяющие убедительно доказать факт существования явления, функциональной зависимости, изучить метод измерения физической константы, и соответствующие критерию доступности.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечиваются всесторонним анализом проблемы, соответствием полученных выводов основным положениям дидактики и методики преподавания физики, репрезентативностью и статистической значимостью опытных данных и подтверждаются результатами педагогического эксперимента и педагогической экспертизы.
Критерий эффективности предлагаемой методики заключается в статистически значимом повышении уровня сформированности эмпирических знаний учащихся по физике, обусловленном ее использованием.
Научная новизна исследования состоит в том, что в нем, в отличие от известных работ по методике обучения физике, обосновано построение совокупности эмпирических знаний как системы, состоящей из фактуальнои и методологической составляющих, разработаны качественная и количественная модели процесса формирования эмпирических знаний, а также метод определения количества эмпирической информации в учебнике, проведен качественно-количественный анализ школьного курса физики на предмет распределения фактуальных знаний, предложена новая методика экспериментального изучения целого ряда физических явлении, разработан метод оценки уровня сформиро-ванности эмпирических знаний у учащихся.
Теоретическая значимость работы заключается в обосновании необходимости целенаправленного формирования у учащихся системы эмпирических знаний, выявлении наиболее значимых факторов, влияющих на эффективность этого процесса, выделении дидактических характеристик учебных физических фактов и делении их на основные категории, построении математической модели исследуемого процесса, установлении тенденций распределения эмпирической информации по школьному курсу физики и изменения различных видов эмпирических знаний учащегося по мере обучения в школе.
Практическая ценность работы состоит в разработке общей методики изучения физических фактов, методов их установления и использования для доказательства теоретических положений, методики оценки у учащихся уровня эмпирических знаний, а также в развитии учебного физического эксперимента, разработке новых приборов и опытов, использование которых в реальном учебном процессе позволит повысить эффективность обучения физике.
Апробация работы осуществлялась на научных конференциях и научно-методическом семинаре "Учебный эксперимент по физике" Глазовского пединститута (1990-1994 гг.), на курсах повышения квалификации учителей Удмуртии (1993 г.), на Советско-Американской конференции (Москва, 1991 г.), Международных конференциях "Творчество в физическом образовании" (Шопрон, Венгрия, 1997), "Физика в системе современного образования" (Волгоград, 1997), "Простые опыты по физике" (Дуйсбург, Германия, 1998), на научно-методических конференциях (Глазов, 1995, 1996, 1997, 1998 гг.; Екатеринбург, 1992, 1996 г.; Нижний Новгород, 1994; Саранск, 1994 г.; Ульяновск, 1995 г.), а также на курсах повышения квалификации учителей Удмуртии,
Основные результаты исследования внедрены в практику работы Глазовского государственного педагогического института, Ижевского технического университета, школ 1, 11, 15 и технического лицея №24 г. Глазова.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Эмпирические знания учащихся можно считать сформи рованными, если они включают в себя две составляющие: 1) фак ту альную, объединяющую знания фактов и эмпирических законов; 2) методологическую, в которую входят методы установления фактов и их использования для обоснования теоретических положений. Эмпи рические знания учащихся будут отвечать требованиям полноты и си стемности только тогда, когда их фактуальная и методологическая компоненты формируются в комплексе и взаимосвязи.
Важнейшим условием успешного формирования эмпирических знаний является соответствие используемой методики общенаучному принципу достаточного основания, из которого следует, что все изучаемые фактуальные и теоретические положения должны быть доказаны. Это может быть сделано в результате проведения учебных опытов или анализа научных экспериментов.
В основу методики формирования эмпирических знаний могут быть положены качественная и количественная модели этого процесса, базирующиеся на классификации фактов, произведенной исходя из возможности их экспериментального установления. Эти модели позволяют выделить следующие закономерности: уровень знаний фактов, устанавливаемых в повседневной жизни, по мере их изучения в школе возрастает, а после окончания остается практически неизменным; уровень знаний фактов, не составляющих повседневный опыт, после изучения уменьшается вследствие забывания; скорость забывания фактов тем больше, чем в меньшей степени их изучение опирается на деятельность учащихся, связанную с наблюдением и выполнением учебных опытов, их умозрительным изучением.
В основе методики формирования эмпирических знаний лежит противоречие между эмпирическими и теоретическими знаниями учащихся и способностью учащихся доказывать их истинность. Развитие физических знаний, формирование научного мышления и критического отношения учащихся к получаемой информации требуют создания на уроке проблемной ситуации, связанной с планированием эксперимента или объяснением его результатов.
Критерием сформированности у учащихся эмпирических знаний является умение предсказывать результаты опыта, исходя из его условий, и планировать эксперимент, доказывающий справедливость выдвинутой гипотезы. При этом результаты оценки эмпирических знаний слабо коррелируют с уровнем теоретических знаний и умением решать задачи вычислительного характера и поэтому являются самостоятельной характеристикой физических знаний учащихся.
Эффективность предлагаемой методики формирования эмпирических знаний может быть доказана с помощью учебных экспериментов, разработанных нами для изучения ряда трудных вопросов курса физики (движение тела в вязкой среде, закон возрастания энтропии, закон радиоактивного распада, измерение скорости волны, дисперсия звука, акустический эффект Доплера). В отличие от существующих экспериментов по данным темам они обеспечивают возможность экспериментального установления соответствующих фактов и эмпирических законов, обладают простотой и доступностью.
Защищаемые положения проверены педагогическим экспериментом и подтверждают гипотезу исследования.
Философский и психолого-педагогический аспекты проблемы формирования эмпирических знаний
Методологические основы настоящего исследования включают в себя философский, психолого-педагогический и методический аспекты. В настоящем параграфе рассмотрены философский аспект,, позволяющий правильно определить понятия эмпирического знания, факта, эмпирического закона, установить взаимосвязь и взаимодействие эмпирических и теоретических знаний, значение физического эксперимента в развитии науки, исследовать процесс установления фактуального положения и логику экспериментального обоснования теории; психолого- п,еаалогический о.спект,, обеспечивающий понимание сущности процесса экспериментального установления и усвоения факта учащимся, характер и особенности этого процесса в различном возрасте, наметить основные подходы к решению проблемы совершенствования методики формирования эмпирических знаний.
Философский аспект проблемы формирования эмпирических знаний. Изучение процесса формирования эмпирических знаний естественно-научных дисциплин в дидактике требует однозначного определения целого ряда философских понятий и терминов. Это относится к понятиям эмпирических знаний, факта, фундаментальных и прикладных исследований, доказательности и т.д.
Вопросы, связанные со значением естественных наук и их эмпирических оснований в системе мировоззренческих положений, достаточно глубоко разработаны в современной философии такими учеными, как В. А. Бажанов [22], Л. Б. Баженов [23], В. В, Быков [39], М. Голд-стейн, И. Ф. Голдстейн [48], А. Н. Елсуков [64, 261], И. В. Кузнецов [96], Л. С. Мерзон [191], В. И. Метлов [193], М. В. Мостепаненко [206], А. И. Ра-китов [239, 240], В. С. Степин [261], М. А. Храмович [281], В. С Швырев [298], С. G. Hempel [316]. Опираясь на эти работы, проанализируем проблему соотношения эмпирических и теоретических знаний.
Задача науки состоит в изучении объекта исследования. Под объектом понимается часть объективной реальности, взаимодействующая с субъектом и противостоящая ему в его предметно-практической и познавательной деятельности [275, с. 437-438]. В силу раздвоения мира на внешнюю (открытую) и внутреннюю (сокрытую) стороны в теории познания выделяют два аспекта объекта: явление, то есть внешний аспект, и сущность — внутренний аспект.
Под сущностью понимают относительно устойчивую совокупность внутренних свойств, связей и отношений объекта [265, с. 46], "вну треннее содержание предмета, выражающееся в единстве всех многообразных и противоречивых форм его бытия" [275, с. 638], определяющее явление. Явление — "подвижная и легко изменяющаяся совокупность многообразных внешних, непосредственно отражаемых чувствами свойств, связей и отношений предмета, представляющих способ проявления, обнаружения сущности через единичные случайные отклонения или как обнаружение (выражение) предмета, внешние формы его существования" [265, с. 49].
Классификация фактов на основе экспертной оценки их дидактических характеристик
Формирование эмпирических знаний — сложный процесс, результат которого зависит от множества факторов. Физические факты и эксперименты, с помощью которых они были установлены, с точки зрения их изучения учащимися неравнозначны. Во многом глубина усвоения факта определяется его видом, свойствами, характеризуемыми предложенными дидактическими параметрами. Можно предположить, что учебные факты по выделенным в предыдущей главе дидактическим характеристикам образуют несколько однородных групп, отличающихся различной степенью усваиваемости и запоминания. Поэтому, прежде чем начать исследование процесса формирования эмпирических знаний, необходимо упорядочить факты, выделить их классы. Такая классификация является одним из первых этапов исследования объектов, ее реализация позволит лучше понять общие тенденции развития эмпирических знаний учащихся. Разработка методики подобной классификации, которая давала бы адекватные результаты, поможет определить принадлежность каждого факта к той или иной категории и использовать это при построении математической модели процесса формирования у учащихся эмпирических знаний.
Методика классификации фактов. Классификацией называют упорядочение объектов, осуществляемое исходя из степени сходства или различия между ними. В основу классификации кладутся следующие принципы: "в один класс объединяются объекты, сходные между собой в определенном отношении; степень сходства между собой у объектов, включенных в один класс, должна быть больше, чем степень сходства между собой у объектов, относящимся к разным классам" [246, с. 70].
В настоящее время широкое распространение получили методы автоматической классификации, называемые также кластерным анализом [5, 30, 65, 88, 246, 271]. Главное его преимущество состоит в объективности, возможности учета нескольких характеристик большого числа классифицируемых объектов. Метод кластеризации наиболее эффективен, когда неизвестно исходное естественное распределение объектов.
Кластеризация иерархического типа "состоит в последовательном объединении (разделении) групп объектов, начиная с самых близких, сходных (далеких, отличных), затем все более отдаленных друг от друга (приближенных друг к другу)" [246, с. 75]. В качестве меры близости двух объектов, как правило, используется геометрическое расстояние между точками, соответствующими этим объектам, в пространстве, образованном характеристиками, по которым осуществляется классификация.
Требования к методике формирования эмпирических знаний
Изложение некоторых вопросов в современных учебниках и учебных пособиях проигрывает в том, что в них физическая теория представлена в законченном виде, и учащимся остается выучить ее основные положения, совершенно не задумываясь о доказательстве их истинности. Часто ссылки на физический эксперимент не позволяют доказать основные положения науки и носят иллюстративный характер, в результате чего учитель и учащиеся не владеют системой доказательств. Следствием этого являются оторванность знаний учащихся от реального мира, несформированность материалистического мировоззрения и научного мышления, неумение использовать знания на практике, стремление "объяснять" окружающие явления сверхестественными силами.
Будем различать два принципиально различных подхода к изучению физики: догматический и доказательный. Догматический подход состоит в том, что учитель формулирует некоторое утверждение, не заботясь о рассмотрении методов его экспериментального обоснования.
Например, он сообщает, что силовые линии электрического поля перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям, или, что свет имеет электромагнитную природу. При этом учащиеся должны поверить в справедливость этих утверждений, не только не проверив их на практике, но и не поняв сущности экспериментальной проверки. Догматический подход не способствует развитию научного мышления, так как требует принятие истинности сообщаемого утверждения на веру без критического анализа его оснований.
Доказательный подход к изучению физического факта или теоретического положения предполагает рассмотрение эксперимента, доказывающего его истинность. Например, при изучении законов фотоэффекта учитель рассказывает о методе измерения кинетической энергии фотоэлектронов, определении работы выхода, показывает соответствующий опыт. Даже если учащийся не видит самого эксперимента, а знакомится с ним умозрительно, запоминаемые им формулировки законов наполняются реальным смыслом.
Преимущество такой методики состоит в том, что она формирует важнейшее качество научного мышления — доказательность. У учащегося должно выработаться критическое отношение к воспринимаемой им информации на предмет ее обоснованности. Истинным может рассматриваться только то утверждение, которое доказано практикой. Доказательность при изучении физических фактов, опора на эмпирические методы познания формирует научное мышление, убеждение учащегося в истинности приобретенных знаний. Это возможно только при таком обучении, при котором не просто происходит утверждение истинности изучаемого положения, но и сообщается способ его обоснования.
Методика экспериментального установления факта: движение тела в вязкой среде
В базовом курсе физики движение тел в вязких средах как правило рассматривается на качественном уровне. Учащиеся узнают о существовании силы сопротивления или силы вязкого трения, направленной против скорости, и знакомятся с качественным объяснением равномерного падения капель дождя, парашютиста в воздухе или других тел в вязких средах. Предлагаемая нами методика экспериментального изучения этого явления позволяет на простом оборудовании, доступном любому физическому кабинету, снять график зависимости силы сопротивления от скорости.
Экспериментальная установка (рис.25) состоит из наполненной водой мензурки 1 с метками 2 и погруженным в нее телом 3, к которому привязана нить, перекинутая через неподвижный блок 4 [146, с. 30-32; 322]. Нижняя метка должна располагаться на расстоянии 4-6 см от дна мензурки. Другой конец нити прикреплен к чашечке 5 с грузами. Для измерения времени прохождения телом расстояния между метками используется секундомер 6.
Согласно принципу оптимизации экспериментального установления факта, учебный эксперимент должен быть проведен таким образом, чтобы изучаемое явление проявлялось наиболее выпуклым образом. Используемое в данном случае тело выполнено в виде цилиндра или диска с грузом и имеет диаметр примерно на 2 мм меньше внутреннего диаметра мензурки. Это позволяет увеличить действующую на него силу сопротивления до величины, которая может быть измерена достаточно точно. Действие на тело сил тяжести и Архимеда компенсируется путем помещения в чашечку груза соответствующей массы.
Чтобы показать возможность использования разработанной методики для создания проблемных ситуаций, нами выделены основные проблемы, постановка которых позволяет обратить внимание на изучаемые физические факты и методы их установления, способствует активизации учебной деятельности учащихся.
Планирование педагогического эксперимента
Гипотеза настоящего исследования состоит из двух частей. Первая часть гипотезы, связанная с необходимостью деления всей совокупности учебных фактов на три категории, фактически доказана в первой и второй главах. Вторая часть заключается в том, что применение разработанной методики экспериментального установления факта и его использования для доказательства основных положений физической науки действительно возможно, необходимо и целесообразно, так как способствует более полному формированию системы эмпирических знаний по физике.
Истинность этого утверждения вытекает из чисто логических рассуждений, проведенных в первых трех главах. В самом деле, построение у учащихся физической картины мира, материалистического мировоззрения и научного мышления требует формирования эмпирических знаний как системы взаимосвязанных доказательств различных фактов и положений науки. Поэтому педагогический эксперимент и другие эмпирические методы, используемые в настоящем исследовании, решают два типа задач. Во-первых, дают эмпирическую информацию, например, о быстроте забывания учебных фактов учащимися, распределении эмпирической информации в курсе физики, позволяют оценить те или иные дидактические качества фактов. Полученные при этом данные уже были использованы при построении математической модели формирования эмпирических знаний, проведении качественно-количественного анализа эмпирических знаний, классификации фактов. Во-вторых, подтверждают основные следствия гипотезы исследования о возможности и целесообразности использования предлагаемой методики в учебном процессе.
