Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Проблема формирования вероятностно-статистических представлений в методике обучения физике .10
1.1. Социальный заказ и формирование вероятностно-статистических представлений . . 10
1.2. Состояние рассматриваемой проблемы в методике обучения физике 25
1.3. Изучение практики усвоения вероятностно-статистических представлений . .44
Глава II. Методическая система формирования вероятностно-статистических представлений в квантовой физике . .54
2.1. Теоретическая концепция формирования вероятностно-статистических представлений в школьном курсе физики . . 54
2.2. Структура и содержание изучаемых представлений . . 67
2.3. Характеристика средств организации усвоения .82
Глава III. Экспериментальное исследование формирования вероятностно-статистических представлений при изучении квантовой физики . 104
3.1. Организация и методика проведения экспериментального исследования .104
3.2.Результаты педагогического эксперимента и их интерпретация .. 109
Заключение ..126
Литература 128
Приложение146
- Социальный заказ и формирование вероятностно-статистических представлений .
- Теоретическая концепция формирования вероятностно-статистических представлений в школьном курсе физики
- Организация и методика проведения экспериментального исследования
Введение к работе
На современном этапе развития теории и практики обучения физике вновь, как в конце 60-х - начале 70-х годов, ставится и решается проблема модернизации структуры и содержания школьного курса физики. В частности, создаются программы и новые учебники. Этот процесс нуждается в научном обосновании и обеспечении.
Одним из актуальных вопросов современной методики физики является формирование в школе статистических (вероятностных) закономерностей. Современная наука исходит из «концепции примата статистических закономерностей» [191, С. 205] и ее можно сформулировать так: «Динамические законы представляют собой первый низший этап в процессе познания окружающего нас мира; статистические законы более совершенно отображают объективные связи в природе: они являются следующим, более высоким этапом познания» [207, С. 141]. Поэтому для современной эпохи характерно резкое возрастание роли вероятностно-статистических идей и методов во многих областях науки и практики. Широко вероятностно-статистические представления используются не только в физике, но и в генетике, теории эволюции, теории информации, кибернетике и т. д. Применяются они и в гуманитарных науках - языкознании, психологии, экономике, педагогике.
Роль вероятностно-статистических идей и методов настолько велика, что статистический стиль мышления считают одним из существенных компонентов современного миропонимания [104, 117, 163, 188, 190 и др.]. В конце 60-х годов академик Б. В. Гнеденко писал: «Наша же школа с первых и до последних дней школьной жизни знакомит учащихся только с детерминистическим подходом, лишая тем самым своих воспитанников ознакомления более общими закономерностями, завоевавшими в современной физике и ряде областей знания и практической деятельности господствующие позиции» [37, С. 11]. Встает проблема введения в среднюю школу элементов статистического подхода и теории вероятностей к изучению природы на уроках математики и предметах естественного цикла. Постановка этой проблемы также
4 диктуется социальным заказом и отражается в концепциях физического образования и стандартах образования [74, 89, 90, 96, 158].
Между тем проведенный анализ программ [143, 145], учебников [33, 46, 88, 109, 204, 214] по физике 11-го класса позволяет сделать вывод о том, что существующий курс физики не формирует у учащихся вероятностно-статистические представления при изучении квантовой физики.
В настоящее время в методике обучения физике этой проблеме не уделяется должного внимания. В диссертационных исследованиях по проблеме методики преподавания квантовой физики [20, 53, 179 и др.] не была освещена проблема формирования элементов статистического метода. На протяжении сорока лет нам известно всего три диссертационных исследования [7, 49, 218], которые были посвящены проблеме формирования статистических представлений, но и в них основное внимание уделялось формированию данных представлений при изучении молекулярной физики.
В методической литературе [18, 21, 98, 119, 127, 157] проблема формирования вероятностно-статистических представлений в квантовой физике рассматривается только при изучении закона радиоактивного распада. В последнее десятилетие наиболее принципиальные попытки в совершенствовании методики изучения статистических идей были предприняты в Вятском ГПУ (В. В. Мултановский, Ю. А. Сауров [105, 165]).
В настоящее время при изучении квантовой физики на основе изучения теории и практики формирования вероятностно-статистических представлений можно выделить ряд проблем: нет ясно выделенных и доведенных до практики требований к знаниям, умениям школьников; мало дано формулировок, доступных для усвоения элементов знаний и фрагментов содержания; явно недостаточно количество конкретных приемов обучения; практически нет экспериментальных данных о процессе усвоения тех или иных представлений.
Отсюда изучаемая научная проблема, с нашей точки зрения, состоит в наличии противоречия, с одной стороны, между социальным заказом, обу-
5 словлен стандартом физического образования, программами по физике, по формированию вероятностно-статистических представлений при изучении квантовой физики, и, с другой стороны, реальным состоянием теории и практики обучения, которая выражается в отсутствии: а) полноценных исследований по данной проблеме; б) рекомендаций для учителя по формированию вероятностно-статистических представлений в квантовой физике у учащихся; в) бессистемности задач и заданий для школьников по формированию у них исследуемых представлений и т. д.
Объектом исследования является процесс формирования вероятностно-статистических знаний и умений при изучении квантовой физики в школе.
Предмет исследования - проблема и средства формирования у школьников вероятностно-статистических представлений при изучении квантовой физики.
Цель исследования состоит в разработке методики и изучении процесса формирования у школьников вероятностно-статистических представлений при изучении квантовой физики.
При конструктивном решении обозначенной научной проблемы мы руководствовались следующей гипотезой: если организовать последовательное формирование вероятностно-статистических представлений при изучении квантовой физики, выраженных в подборе и совершенствовании имеющегося содержания, построении комплекса задач и заданий, теоретического практикума, то это будет способствовать: более полному и точному пониманию природы большинства физических явлений микромира; большей доступности в усвоении вероятностно-статистических представлений; формированию знаний и умений использования вероятностно-статистического описания явлений.
Из цели и гипотезы вытекают следующие задачи исследования:
Выявить состояние и тенденции развития методики изучения квантовой физики в средней школе.
Разработать теоретическую концепцию по формированию вероятностно-статистических представлений при изучении вопросов квантовой физики.
Разработать дидактический материал для учащихся, включающий в себя новое теоретическое содержание вопросов, задачи и задания по формированию у школьников вероятностно-статистических представлений, теоретический практикум.
Подобрать, разработать методики диагностики по усвоению соответствующих знаний и умений.
Проверить в экспериментальном преподавании доступность и эффективность рекомендуемых методик.
С учетом предмета, гипотезы и задач исследования использовались следующие методы исследования:
Теоретические: научно-методический анализ содержания программ, стандартов, учебной и методической литературы по теме исследования; изучение состояния исследуемой проблемы в научно-методических работах и практике обучения физике; моделирование процесса формирования вероятностно-статистический представлений при изучении квантовой физики.
Экспериментальные: диагностическое изучение знаний и умений учащихся до и после изучения раздела «Квантовая физика»; проведение формирующего педагогического эксперимента и обработку его результатов; наблюдение учебного процесса.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
1. Разработана теоретическая концепция эффективного формирования вероятностно-статистических представлений в рамках действующего школьного курса физики, включающая следующие идеи и положения:
Необходимым условием является уточнение и разработка социального заказа по усвоению данного «опыта рода» (педагогическое осмысление важности статистических идей в образовании, построение соответствующих моделей преподавания содержания); учет и опора на межпредметные и внутрипредметные связи.
Достаточным условием является построение вариантов содержания и методики изучения тех или иных вопросов курса, выбор из них нужного в каждом конкретном случае, осуществление и накопление опыта деятельности преподавания, диагностика достижений школьников и их методическая рефлексия.
При изучении квантовой физики разработана методика формирования вероятностно-статистических представлений, включающая: а) содержание изучаемых вопросов (программа и пособие для школьников), б) дидактический комплекс вопросов, задач и заданий (более 100), в) систему ла-бораторно-практических работ.
Построены тесты и задания для диагностики школьников, получены экспериментальные данные о сформированности вероятностно-статистических представлений при изучении квантовой физики.
Теоретическая значимость исследования заключается в уточнении роли и конкретизации процесса формирования вероятностно-статистических представлений при изучении квантовой физики.
Практическая значимость исследования заключается в том, что предложенная теоретическая концепция по формированию вероятностно-статистических представлений в квантовой физике доведена до конкретных методик изучения соответствующих теоретических вопросов на уроках физики, примеров решения задач и проведения домашнего теоретического практикума. Разработанные методики подкреплены двумя дидактическими пособиями, предназначенными для широкого использования учителями школ.
8 Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечиваются;
Опорой на фундаментальные исследования по философии, психологии, дидактике и методике физики.
Анализом и учетом состояния проблемы в практике обучения.
Построением экспериментальной методики и ее постепенным внедрением в практику работы общеобразовательных школ.
Проведением при организации методики экспериментального исследования. # Изучением в педагогическом эксперименте знаний и умений учащихся разных возрастных групп (от учащихся 10-го класса до студентов пятого курса университета).
Применением различных методов изучения педагогической ре альности, в том числе известных статистических методов. # Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в ходе личного преподавания соискателя по предложенным методикам в тече ние двух лет в четырех учебных заведениях (химико-биологический лицей, г. Киров; школы № 37, 38, г. Дзержинск; школа № 50, г. Володарск Нижего родской области), а также путем внедрения методик в практику обучения че тырех школ (школа № 44, лицей развития и воспитания одаренных детей, г. Нижний Новгород; школа № 23, г. Дзержинск Нижегородской области; Зо- новская средняя школа Верхошижемского района Кировской области).
Основные практические результаты и теоретические выводы исследования докладывались автором на республиканской научно-практической конференции «Практика обучения физике как творчество» в г. Кирове (1998), на межвузовской научно-методической конференции преподавателей вузов, ученых и специалистов «Высокие технологии в педагогическом процессе» в г. Нижнем Новгороде (2000), на региональной научно-методической конференции «Учебный предмет «Естествознание» в вузе и школе» в г. Нижнем # Новгороде (2000), на республиканской научно-теоретической конференции
9 «Модели и моделирование в методике обучения физике» в г. Кирове (2000), на межвузовской научно-методической конференции «Проблемы интеграции естественнонаучных дисциплин в высшем педагогическом образовании» в г. Нижнем Новгороде (2001).
Основные результаты исследования также представлены в одиннадцати публикациях.
На защиту выносятся следующие результаты исследования:
Знания об усвоении школьниками статистических представлений (усвоение конкретных элементов знаний, формирование умений, причины недостатков).
Теоретическая концепция формирования статистических представлений при изучении темы «Квантовая физика», расшифрованная в требованиях к знаниям и умениям, принципы подбора и распределения материала по темам, профилям обучения, особенности конструирования и методики использования средств усвоения.
Методика формирования вероятностно-статистических представлений, состоящая из содержания рассматриваемых вопросов (с учетом дифференцированного обучения); дидактического материала в форме комплекса задач, заданий; теоретического практикума по формированию вероятностно-статистических представлений при изучении квантовой физики, состоящего из восьми работ.
Социальный заказ и формирование вероятностно-статистических представлений
Одной из задач физического образования становится «...формирование научного мышления и мировоззрения, понимание возможностей научного познания природы и ознакомление с его методами» [74, С. 22]. Важнейшей характеристикой теоретического мышления является его стиль. Термин «стиль мышления» был впервые использован в естествознании в начале 50-х годов в переписке между В. Паули и М. Борном [14]. Борн М. характеризовал стили как «...какие-то общие тенденции мысли, изменяющиеся очень медленно и образующие определенные философские периоды с характерными для них идеями во всех областях человеческой деятельности, в том числе и в науке» [14, С. 227-228]. Он, в частности, выделял два стиля мышления -классический и квантово-механический со свойственными им «идеями», основными принципами физической теории и различным решением проблемы соотношения субъекта и объекта в философском плане.
Авторы работ по методологии науки вкладывают в «стиль мышления» разный смысл.
Иванов В. Г. [64], Лазарев Ф. В. [80], Новик И. Б. [117] рассматривают стиль мышления как обобщенную форму, выражающую сложившуюся норму научности подхода к исследованию и его результатам. Также утверждают, что стиль научного мышления является детерминирующим компонентом методологии науки. Новик Н. Б. выделяет характеристики научного стиля мышления: дискретность, непрерывность, аппроксимация (упрощение, приближение), статистичность, синтетичность [117, С. 139].
Чудинов Э. М. характеризует стиль мышления, как совокупность правил, определяющих алгоритм научного исследования, принципы построения теории [213, С. 256]. Он подразделяет стили научного мышления на однопараметровые и многопараметровые. Примерами однопараметровых стилей научного мышления являются вероятностный и однозначно-детерминистический, так как они различаются решением одной проблемы: проблемы соответствия необходимости и случайности. Примерами многопа-раметровых стилей научного мышления выделяют — классической, релятивистской и квантовой физики. Последние включают в себя в той или иной форме однопараметровые стили научного мышления [213, С. 256].
У Ю. В. Сенько стиль мышления «выступает как система методологических принципов и характеристик, которыми в данную эпоху руководствуются ученые в своем подходе к исследованию и к его результатам» [174, С. 10]. Он выделяет пять принципов научного стиля мышления; объяснение, простота, соответствие, сохранение, наблюдаемость.
В работах Ю. В, Сачкова стиль мышления рассматривается, как характерная черта научного подхода в определенную историческую эпоху. Так как ядром стиля научного мышления является комплекс идей, то его характер будет определяться эталоном господствующей научной теории. Ю. В. Сачков выделяет три основных исторически сменяющихся типа мышления: жестко детерминированный, вероятностный, кибернетический [23, 167, 168]. С ним соглашается В. Н. Мощанский. Он пишет: «...стиль выражает то, что свойственно определенному периоду, то, что меняется от времени по времени» [101, С. 55]. При переходе на новый этап научного исследования кардинально меняются идеалы и нормы, которые выражают стиль научного мышления, так как их содержание формируется в конкретном контексте. Поэтому можно сказать, что стиль научного мышления воплощается в конкретно исторической форме.
Алексеев А. А., Громов П. А. [2] рассматривают стиль научного мышления как открытую систему интеллектуальных операций, к которой личность предрасположена в силу своих индивидуальных особенностей (от системы ценностей и мотивации до характеропологических свойств). Стиль мышления начинает складываться в детстве и развивается в течение жизни человека сообразно опыту и метаморфозам личности.
Сауров Ю. А считает, что стиль физического мышления (познания) выражает общеметодологический фундамент. Под стилем современного физического мышления он понимает «нормы научного подхода к исследованию и его результатам» [163, С. 35]. Так же Ю. А. Сауров выделяет пять черт стиля физического мышления: «1. Научный рационализм, выраженный в признании объективности и познаваемости мира; 2. Признание динамического развития мира; 3. Системный подход в познании объектов и явлений; 4. Множественность описания (языки, модели), последовательное приближение к истине; 5. Ограниченность знания, приближенность эмпирического знания» [163, С. 35].
Теоретическая концепция формирования вероятностно-статистических представлений в школьном курсе физики
Изучение статистического метода, усвоение статистических представлений является сложной и не всегда актуальной для школьников, но фундаментальной для методики физики проблемой. Анализ практики обучения физике убеждает, что вопреки декларациям усвоение этих знаний находится на низком уровне, учителя плохо подготовлены к решению соответствующих методических вопросов. И в самой науке практически не разрабатываются соответствующие методические решения. Дело не только и не столько в мгновенном использовании этих решений сегодня, дело — в подготовке решений ближайшего будущего. С нашей точки зрения, необходимо готовить почву для постепенного усиления внимания к формированию вероятностно-статистических представлений.
Почти очевидно, что проблему (фундаментальную для методики) формирования вероятностно-статистических представлений надо решать комплексно, разными средствами, в системе. Принципиально важно и то, что в этот процесс должна быть включена реальная практическая деятельность в школах, должен накапливаться опыт.
Итак, основа теоретической концепции формирования вероятностно-статистических представлений выражается следующими идеями:
Учет и опора на межпредметные и внутрипредметные связи;
Уточнение и разработка социального заказа по усвоению данного «опыта рода» (педагогическое осмысление важности статистических идей в образовании);
Построение вариантов содержания и методики изучения тех или иных вопросов курса;
Накопление опыта преподавания, диагностики достижений и их методическая рефлексия.
Все составляющие концепции обоснованы и конкретизированы ниже.
Рассмотренный механизм формирования знаний и умений показывает, что умственное развитие учащихся невозможно без осуществления межпредметных связей. О значимости осуществления межпредметных связей писали многие дидакты, например, И. Д. Зверев [60], А. В. Усова [196] и другие. «Осуществление межпредметных связей обеспечивает формирование цельного представления школьников о явлениях природы, делает их знания более глубокими и действенными» [19, С. 60].
Известный психолог Ю. А. Самарин доказал, что процесс формирования знаний, умений и умственных способностей учащихся проходит три этапа [162]. Первый этап обучения - это возникновение локальных ассоциаций, которые являются началом знаний. Для того, чтобы локальные ассоциации являлись началом умственной деятельности, необходимо, чтобы произошло их накопление, между ними установились определенные связи и отношения. На второй стадии формирования происходит образование частносистемных ассоциаций. В результате образуется простейшая система знаний. Основой этих знаний являются внутрисистемные, или внутрипредметные ассоциации. Третий этап формирования знаний и умений деятельности учащихся является образование межсистемных или межпредметных ассоциаций, которые охватывают разные системы знаний, умений и создают различные обобщения этих систем. Межсистемные ассоциации являются психологической основой межпредметных связей.
В настоящее время с точки зрения осуществления межпредметных связей ситуация по формированию вероятностно-статистических представлений улучшается. Статистические методы для современного образования стали значимы. Об этом свидетельствует наличие в концепциях образования вопросов по формированию данных представлений (см. 1.1). Дополним возникновение его соответствующего интеллектуального поля.
Академик В. А. Фок писал: «В квантовой механике понятие вероятности есть понятие первичное, оно играет там фундаментальную роль» [207, С. 166]. Поэтому в курсе математики необходимо ввести понятие вероятности, случайное событие и другие понятия, так как без них вопросы квантовой физики будут излагаться с трудом.
Организация и методика проведения экспериментального исследования
Педагогический эксперимент по теме диссертационного исследования проводился в три этапа. На первом этапе (1998-1999) были изучены научно-методическая, философская, педагогическая и психологическая литература по проблеме исследования. На их основе был спланирован и проведен констатирующий эксперимент. Целью констатирующего эксперимента было получение экспериментальных данных, подтверждающих проблему исследования.
В констатирующем эксперименте происходило изучение сформированное статистических представлений у учащихся 10-х классов после прохождения темы «Молекулярная физика». Формой проведения констатирующего эксперимента являлся тест. Тест содержал вопросы на знания основных элементов статистических идей. Некоторые вопросы теста были взяты из пособия для учителей [83], другие были составлены нами с учетом выделенных элементов знаний и умений в диссертационных исследованиях Л. С. Шурыгиной [218] и С. И. Десненко [49].
Вопросы теста приведены в п.2 Приложения. Результаты теста описаны в 1.3. и 3.2.
На этом этапе эксперимента были определены и обоснованы теоретические положения для отбора учебного материала по теме исследования, а также была проведена работа по разработке «первой» методики формирования вероятностно-статистических представлений при изучении школьниками раздела «Квантовая физика».
На втором этапе (1999-2000) экспериментального исследования был продолжен констатирующий эксперимент по изучению сформированности статистических представлений у учащихся 10-х классов. На этом этапе было продолжено изучение научно-методической литературы, и на основе этого был разработан и проведен формирующий эксперимент с использованием первой методики. Формирующий эксперимент был направлен на изучение особенностей практической реализации разработанной методики и проверки положений гипотезы исследования.
Формирующий эксперимент был организован на базе трех школ: химико-биологического лицея (г. Киров), школы № 23 (г. Дзержинск, Нижегородской области), Зоновской средней школы Кировской области.
При проведении формирующего эксперимента по первой методике учтены все предположения, выдвинутые в гипотезе исследования, то есть при изучении «Квантовой физики» было специально подобрано и усовершенствовано имеющееся в школьных учебниках содержание, а во-вторых, построен комплекс задач и заданий по формированию вероятностно-статистических представлений.
Формирующий эксперимент на этом этапе был проведен при личном преподавании соискателя (Химико-биологический лицей) и учителями О. В. Коршуновой, Г. И. Колобовой и Г, Г. Самариным.
После изучения темы «Световые кванты» была проведена самостоятельная работа, требующая ответа в произвольной форме, позволяющая выявить уровень сформированности у школьников вероятностно-статистических представлений. Вопросы самостоятельной работы представлены в п.4 Приложения. Методика данного педагогического эксперимента состоит в следующем.
1. Каждому школьнику выдается экземпляр книги экспериментального материала [210], который использовался ими, в основном для самостоятельной работы.
2. Материал некоторых параграфов прямо используется на уроке ( 4. Корпускулярно-волновой дуализм свойств света; 5. Флуктуации интенсивности светового потока; 7. Проблема описания движения микрочастиц. Квантовая механика; 8. Принцип неопределенности; П. Квантово-статистическая теория излучения света; 14. Радиоактивность. Статистический закон радиоактивного распада и др.).
3. Периодически (раз в два урока) на дом предлагается письменное (на листочках) решение заданий из пособия, возможно, по вариантам. Листочки сдаются. Учитель оценивает ответы.
4. Некоторые вопросы после параграфов обсуждаются на уроке устно для выяснения понимания излагаемых представлений и коррекции.
Для изучения результатов формирующего эксперимента был подобран и составлен специальный итоговый тест с выбором ответа. Содержание теста строилось с учетом выводов гипотезы исследования. Поэтому часть вопросов была нацелена на выявление понимания природы физических явлений микромира; вторая часть - на усвоение статистических представлений; третья часть - на представление о методах и средствах научного познания.
Вопросы теста нами были сформированы, основываясь на теоретическом материале, предложенном в пособии для учащихся [210].
Данный тест проводился в конце изучения темы «Квантовая физика» (см. вопросы теста в п.З Приложения). Для сравнения полученных данных этот же тест предлагался одиннадцатиклассникам, которым не преподавали «Квантовую физику» по данной методике. Контрольные классы составляли школьники школы № 23 (г. Дзержинск).
