Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. УСИЛЕНИЕ ГУМАНИТАРНОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ - АКТУАЛЬНАЯ ЗАДАЧА ШКОЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 12
1.1. Физика и концепция развития образования в среднесрочной перспективе 12
1.2. Гуманитаризация физического образования 13
1.3. Необходимость углубленного изучения ряда разделов курса физики. 23
Выводы 25
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКОГО АППАРАТА, НЕОБХОДИМОГО ДЛЯ УГЛУБЛЕННОГО ИЗУЧЕНИЯ РЯДА ВОПРОСОВ (ТЕМ) ШКОЛЬНОГО КУРСА ФИЗИКИ, ИМЕЮЩИХ ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ, КУЛЬТУРОЛОГИЧЕСКОЕ И ВОСПИТАТЕЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ 26
2.1. Три блока материалов по физике и адекватный им математический аппарат 26
2.2. Три блока материалов по физике и реально используемый математический аппарат27
2.3. Три блока материалов по физике в учебной и учебно-методической литературе 34
Выводы 47
ГЛАВА 3. ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ ОСНОВНОЙ ШКОЛЫ 48
3.1. Межпредметные связи физики и математики в основной школе 48
3.2. Роль приближенных вычислений и стандартный вид числа 53
3.3. Исследование кинематических процессов и их представление в Графическом виде 62
Выводы 68
ГЛАВА 4. МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ИЗУЧЕНИЯ ВОПРОСОВ ФИЗИКИ И МАТЕМАТИКИ В УСЛОВИЯХ РАБОТЫ НАУЧНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ ЛИЦЕЯ 71
4.1. Спецкурс "физический и математический аппарат при изучении энтропии и второго закона термодинамики" 72
4.1.1. Обратимые и необратимые процессы 72
4.1.2. Необратимость реальных процессов. Возможности предсказания направления самопроизвольного их протекания 75
4.1.3. Энтропия, как функция состояния. Второй закон термодинамики.... 77
4.1.4. Элементы комбинаторики и термодинамическая вероятность 79
4.1.5. Вычисление и измерение энтропии 86
4.2. Спецкурс "математическое моделирование" 90
4.2.1. Сверление лазером 91
4.2.2. Моделирование физических процессов с использованием неперова числа. , 93
4.2.3. Зависимость напряжения между пластинами конденсатора от времени его разрядки на активное сопротивление 95
4.2.4. Зависимость давления воздуха от высоты над поверхностью земли (барометрическая формула) 97
4.2.4.1. Закон радиоактивного распада 99
4.2.5. Прохождение электромагнитной волны через вещество 102
4.2. б. Распределение молекул идеального газа по скоростям 104
4.2.7. Процесс затухания гармонических колебаний 105
4.2.8. Изменение силы тока в катушке при подключении ее к источнику тока и при отключении от него 106
4.3. Спецкурс "Производная и ее приложения" 106
4.3.1. Свойства функций одной переменной в контексте их оптимизации. 107
4.3.2. Критерии оптимальности на основании свойств производных ПО
4.3.3. Методы исключения интервалов 115 \
4.3.4. Этап установления границ интервала 116
4.3.5. Этап уменьшения интервала. 118
4.3.6. Квадратичная аппроксимация , 122
4.3.7. Методы с использованием производных 125
4.3.8. Расчет относительных погрешностей измерений. 130
4.3.9. Методика вывода формул для периодов колебания пружинного,
математического маятников и колебательного контура ..132
4.4. УГЛУБЛЕННОЕ ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКИ И МАТЕМАТИКИ НА БАЗЕ НАУЧНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ ЛИЦЕЯ (ВАРИАТИВНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ) 133
4.4.1. Некоторые задачи, решаемые учащимися - членами научных секций
лабораторий 134
4.5. ПРИМЕРЫ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ УЧАЩИХСЯ 154
4.5.1. Гироскоп 154
4.5.2. Физический маятник в приборах 166
Выводы 174
ГЛАВА 5. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ 175
5.1. Методика отбор а учащихся 176
5.2. Отбор вопросов физико-математической подготовки учащихся и
Разработка методик их преподавания 180
Выводы: 194
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 196
- Физика и концепция развития образования в среднесрочной перспективе
- Три блока материалов по физике и адекватный им математический аппарат
- Межпредметные связи физики и математики в основной школе
Введение к работе
Актуальность. исслецования._Система общего среднего образования подверглась в последние годы кардинальным изменениям. Это вызвано социально-экономическим и политическим переустройством общества и всех его институтов. В основу новой образовательной парадигмы легли идеи демократизации, гуманизации и гуманитаризации, переход к личностно-ориентированной модели образования. Новое осмысление сущности современного образования с необходимостью приводит к поиску новых образовательных форм, созданию новых типов учебных заведений - гимназий, лицеев, колледжей, авторских школ, школ-комплексов, разрабатывающих свои оригинальные педагогические и дидактические концепции, включающие такие идеи, как предоставление возможностей выбора траектории получения и углубления образования, разработку гибкой и мобильной системы удовлетворения образовательных запросов школьников, их родителей, населения региона.
Важнейшей и обязательной компонентой любой образовательной системы является физико-математическая подготовка школьника. Ей всегда отводилась особая роль, поскольку с успехами в этой области связывались успехи страны в развитии научно-технического прогресса и ее обороноспособности. У истоков концепции формирования физико-математической элиты на уровне общего образования стояли такие ученые, как А.А. Колмогоров, И.К. Кикоин, В.А. Фабрикант, М.А. Лаврентьев. Благодаря их усилиям и авторитету в конце 60-х, начале 70-х годов организуются физико-математические школы при Московском, Ленинградском, Киевском и Новосибирском университетах. Были развернуты исследования, направленные как на разработку содержания физико-математического образования (В.Г. Зубов, О.Ф. Кабардин, А.С. Кондратьев, СМ. Козел, Г.Я. Мякишев, В.А. Орлов, А.А. Пинский, Г.Ю. Граховский, Н.М. Шахмаев, СИ. Шварцбурд, В.В. Фирсов и др.), так и на развитие важнейших качеств личности содержанием самих учебных предметов (В.Г. Гайфуллин, Н.М. Зверева, И.Г. Кару, СЕ. Каменецкий, В.В. Лаптев, И.Я. Ланина, И.Я. Лер-нер, В.Г. Разумовский, СЯ. Шамащ, Э.Е. Эвенчик). Эти исследователи предло-
жили новые концепции развития творческих способностей школьников, формирования естественнонаучного мышления и познавательного интереса.
Ориентация старшей ступени школы на ВУЗ в условиях существования одной единственной программы по предмету привела к тому, что во всех средних школах страны были введены программы, готовившие школьника к поступлению в ВУЗ одновременно по всем предметам учебного плана. Естественно, что успешное овладение всеми предметами на таком уровне было, с одной стороны, невозможным, с другой, - вело к перегрузке школьника. В эти годы, тем не менее, получили развитие такие формы работы, как факультативные курсы, олимпиады, конкурсы юных техников, рационализаторов и конструкторов.
Новый этап развития физико-математического образования связан с принятием в июле 1992 года Закона РФ «Об образовании», давшего новый импульс инновационному движению и развитию образовательных систем. В этот период диссертант организует первый в г. Туле и Тульской области лицей № 1. Одним из главных направлений или профилей стал физико-математический. Возник ряд проблем, ответы на которые надо было давать в ходе работы лицея, в том числе: отбор учащихся; оптимальный возраст набора в лицейские классы; физико-математическая подготовка в основной школе-лицея; физико-математическая подготовка в старших классах лицея; проблемы вовлечения лицеистов к работе в научно-исследовательских секциях и лабораториях; подготовка и участие в традиционных формах интеллектуальных соревнований школьников: олимпиадах, конкурсах юных техников и конструкторов, турнирах юных физиков, а также во вновь организованных при МГТУ им. Баумана научных конференциях «Шаг в будущее», где проводятся конкурсы исследований, тематика которых сформулирована самими школьниками.
Цельиссдедования:
Обосновать, разработать и экспериментально проверить эффективность целостного методического подхода к физико-математической подготовке учащихся лицея.
8 Объект исследования:
Уровень сформированное физико-математического образования у учащихся лицея.
Предмет исследования: процесс формирования и развития общеучебных, физико-математических и исследовательских умений школьников, как фактора, определяющего готовность школьника к выбору профессии, успешного поступления и обучения в ВУЗе.
Гипотеза исследования: многоаспектный, целостный подход к разработке концепции физико-математического образования в лицее и реализованный через систему учебных материалов, методических рекомендаций, организацию научно-исследовательской деятельности учащихся, будет способствовать повышению уровня культуры, мотивации обучения математике и физике, достижению высоких образовательных результатов, выбору профессии, поступлению в ВУЗ и успешной адаптации на последующем уровне обучения.
В соответствии с этой гипотезой, задачи диссертационного исследования состоят в следующем:
провести анализ состояния профильного физико-математического образования и выявить причины, снижающие эффективность обучения физике и математике в системе профильного лицейного образования;
определить оптимальной возраст учащихся для их набора в профильные лицейные классы;
определить порядок организации конкурсного набора учащихся;
разработать концептуальные подходы к решению задач определения целей, содержания, методов, средств и форм организации учебного процесса по осуществлению физико-математической профильной подготовки учащихся лицея;
осуществить экспериментальную проверку эффективности разработанного варианта физико-математической профильной подготовки учащихся лицея.
Методологической основой цсслздодания явились концепции развивающего обучения (Л.С. Выготский, Л.В. Занков, И.Я. Лернер, С.Л. Рубинштейн, Д.Б. Эльконин и др.), целостного подхода и преемственности обучения (Ю.К. Бабанский, В.П. Беспалько, В.В. Давыдов, B.C. Данющенков, В.В. Краев-скиЙ, М.К. Скаткин и др.); дифференциации и развития творческих способностей школьников (О.Ф. Кабардин, СМ. Козел, В.А. Орлов, Н.С. Пурышева, В.Г. Разумовский, Р.А. Молофеев и др.).
В ходе исследования применялись следующие методы:
теоретический анализ различных аспектов проблемы на основе изучения литературы и результатов исследований (методических, психологических, педагогических);
обобщение опыта работы школ и классов с углубленным изучением физики и математики;
руководство и управление научно-исследовательской деятельностью учащихся; наблюдения, опрос, анкетирование, тестирование, опытно-поисковая работа, моделирование учебно-воспитательного процесса.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования состоит:
в разработке концептуальной модели профильного физико-математического образования в лицее, как среды предпрофессиональ-ного становления личности школьника;
в обосновании организационно-деятельностных условий, способствующих развитию профильного физико-математического лицейского образования; определении и экспериментальном подтверждении начала профессионального физико-математического образования с 14-летнего возраста, т.е. с 8-го класса;
в определении направлений совершенствования содержания физико-математического образования в основных и старших классах лицея, в выделении инвариативной и вариативной составляющих;
в определении новых форм организации научно-исследовательской деятельности учащихся и личностно-развивающей технологии обучения.
Дря^И-^ссу^я^ДДДИмосТЬ исследования заключается:
в создании системы учебных и методических материалов, обеспечивающих необходимые условия для высокого уровня профильного развития и саморазвития личности учащегося;
в разработке педагогической технологии и механизмов управления на-учно-исследовательной деятельностью учащихся в новой социокультурной парадигме образования;
в распространении модели организации физико-математической подготовки учащихся лицея в другие общеобразовательные учреждения региона.
На защиту выносятся следующие положения:
Углубленное физико-математическое образование в лицеях целесообразно организовывать с 8-го класса основной школы.
Усиление физико-математического образования в основной школе должно проходить:
а) через повышение внимания к методологии познания;
б) в направлении формирования у школьников умений приближен
ных вычислений,навыков оперировать числами, записанными в
стандартном виде;
в) через исследования кинематических процессов, представленных
в графической форме.
3. Повышение уровня физико-математического образования в лицее на
старшей ступени обучения целесообразно осуществлять несколькими
путями:
а) усилением инвариантной составляющей содержания физико-математического образования путем создания специальных модулей по темам: «Энтропия. Второе начало термодинамики», «Математическое моделирование», "производная и ее приложения в физике";
б) разработкой спецкурсов по темам, отражающим специфические
направления исследований в научных лабораториях и секциях ли
цея, что во многом зависит от интересов научных руководителей;
в) привлечением каждого лицеиста к научно-исследовательской
деятельности на базе кафедр и лабораторий ВУЗов города.
Физика и концепция развития образования в среднесрочной перспективе
Мы живем в эпоху переосмысления духовных, политических и экономических ценностей. Конец 20 столетия стал для России временем выбора точек отсчета в новой системе координат. В переосмыслении нуждаются многие вопросы. И надо полагать, процесс этот будет продолжаться еще довольно долго. Среди первоочередных проблем - решение задачи обеспечения высокого уровня общеобразовательной подготовки, главная цель которой "развить способности личности во всех сферах ее деятельности через приближение ее к достижениям мировой и отечественной культуры, овладение системой знаний о природе, обществе и человеке.
Будущее, по утверждению философов образования, зависит не только и не столько от количества знаний, сколько от уровня культуры и способности человека к ориентации в нестандартных ситуациях" [90].
В работе [39] отмечается, что обновление содержания образования, вытекающее из концепции развития образования в среднесрочной перспективе (до 2010 г.), разработанной Институтом общего среднего образования РАО, может быть реализовано на основе следующих принципов:
1. Ориентация на культуросообразную школу (в содержание образования, наряду со знаниями, органично включаются системы ценностей, нормы поведения, различные элементы культуры);
2. Демократизация (соблюдается право учителя на выбор одного из вариантов построения курса, разработку авторского курса, не ущемляющего однако право ученика на получение единого для всех образовательного минимума);
3. Гуманитаризация (возрастание удельного веса гуманитарных знаний о человеке и обществе);
4. Гуманизация (уважительное отношение к субъекту образования - ученику, ориентация на развитие его личности и усиление гуманистических норм в отношениях между людьми);
5. Фундаментализация (выдвижение во главу угла не второстепенных фактов и положений, а фундаментальных знаний и универсальных способов деятельности);
6. Сочетание интернационализации содержания образования и его национально - региональной составляющей (уровень образования, соответствующий мировым стандартам и отражающий как общечеловеческие, так и национальные ценности и традиции);
7. Интенсификация (не количественное, а качественное наращивание учебной информации, освоение методов приобретения знаний, ключевых теоретических основ предметов);
8. Ориентация на непрерывное образование (тщательная проработка базовых знаний, понятий и терминов, позволяющая реализовывать преемственность изучения содержания при переходе к разным ступеням образования, стремление к самообразованию и постоянному обновлению знаний).
Таким образом, школе будущего предстоит совершить переход от зна-ниецентрической ориентации к культуросообразной, в которой целью содержания образования являются не знания, умения, навыки сами по себе, а человеческая культура. Только на такой основе возможны взаимопонимание, взаимодействия людей, достойные человека, и его гармония с обществом, природой.
Три блока материалов по физике и адекватный им математический аппарат
Итак, мы обозначили круг вопросов (тем) школьного курса физики, которые способны усилить ее гуманитарную, культурологическую направленность. Разумеется, изучение этих вопросов требует адекватного математического обеспечения. Поэтому необходимо определить содержание того оптимального математического аппарата, который позволял бы учащимся изучать соответствующие учебные материалы по физике.
Распределим обозначенные нами вопросы (темы) школьного курса физики по трем блокам.
Первый блок этих материалов охватывает статистические закономерности школьного курса: энтропию и II закон термодинамики, закон радиоактивного распада, барометрическую формулу, закон, описывающий процесс разрядки конденсатора.
Этому блоку материалов адекватно следующее содержание математического аппарата: элементы комбинаторики и теории вероятностей, предел числовой последовательности, неперово число (число е), показательная функция и свойства экспоненты, логарифмирование, натуральные логарифмы.
Второй блок материалов охватывает способ расчета относительных и абсолютных погрешностей любых измерений, а также вывод формул для периода колебаний различных колебательных систем на основе единого, симметричного подхода к изучению колебаний.
Этому блоку адекватно следующее содержание математического аппарата: абсолютная и относительная погрешности, элементы тригонометрии, логарифмирование, натуральные логарифмы, производная, дифференциал, производные суммы, произведения и частного, производные элементарных функций, вторая производная, дифференциальные уравнения, решение простейших дифференциальных уравнений.
Третий блок материалов охватывает использование стандартного вида числа и приближенных вычислений в курсе физики, а также широкое использование графиков в процессе изучения кинематики.
Этому блоку материалов адекватно следующее содержание математического аппарата: модуль числа, запись чисел в стандартном виде, приближенные значения, округление натуральных чисел и десятичных дробей, прикидка и оценка результатов вычислений, вычисления с помощью калькулятора, функция, график функции, функции типа у=кх, у=кх+Ь, ,у = ах2 + Ьх + с графики реальных зависимостей.
Межпредметные связи физики и математики в основной школе
Сегодня идет смещение акцентов в преподавании предметов естественнонаучного цикла в сторону усиления их мировоззренческой, культурологической и гуманитарной роли. Это, прежде всего, относится к физике, изучение которой в общеобразовательной школе носит технократический уклон. Согласно требованиям системного подхода, смена целевой установки влечет за собой пересмотр содержательной стороны изучаемой дисциплины и усиление ее взаимодействия с другими учебными курсами, что способствует наиболее ускоренному достижению цели. Только в этом случае образовательная система способна решать задачи, поставленные сегодняшним днем.
Следует отметить, что курс математики с 5-го по 9-ый классы в основном содержит необходимый материал, который достаточно эффективно помогает изучению физики в 7, 8, и 9 классах.. Это - отработка навыков выполнения простейших алгебраических операций, знание свойств линейных и квадратичных функций у = кх,у = fee + Ь,у = ахг + Ьх + с, построение их графиков, приемы округления чисел, вычисления с помощью калькуляторов, приближенные расчеты и др..
Естественно, что интеграция физики с математикой делает изложение сложных тем по физике более ясным и доступным на всех уровнях ее изучения. Непонимание трудных вопросов и неумение решать задачи по физике часто связано с отсутствием навыков составления уравнений, неумение проводить алгебраические преобразования и делать геометрические построения, не говоря уже об анализе функциональных зависимостей.
При изучении физики требуется органическое сочетание экспериментального и теоретического методов. Поэтому необходимо на основе понятных ученикам математических теорий прояснять суть физических законов.
Сегодня отход от технократического акцента в преподавании физики, подчеркивание ее мировоззренческого значения, требует, чтобы ученики за абстрактными формулами видели реальное воплощение их в физических явлениях и процессах , осознавали единство материального мира. Они должны понять, что математика и физика во все времена развивались взаимосвязанно, способствуя обоюдному прогресу. По большому счету, речь должна идти не о физическом, или математическом, а о физико-математическом образовании в школе.
Школьный курс математики является достаточной основой для решения различных физических задач и знакомства со многими понятиями физики 7-9 классов. В рамках этого курса решается достаточно сложная проблема: постановка задач чисто физическая, а методы решения математические, опирающиеся на основы математики 5-9 классов. Естественно, что это возможно только при построении математических моделей в физике, являющихся приближенным описанием каких-либо явлений внешнего мира, выраженным с помощью математической символики. Это позволяет сводить изучение физического процесса к решению математических задач. С одной стороны, упрощается физическая реальность, а с другой - концентрируется внимание учащихся на самых основных и существенных ее чертах. Как известно, это часто дает новые, неизвестные знания об изучаемом явлении.
Очевидно, что часть программного материала курса алгебры 8-9 классов может быть использована при изучении соответствующих разделов курса физики основной школы. Ряд тем школьного курса алгебры представляется целесообразным выстроить вдоль физической составляющей и сконцентрировать там задачи для классного и самостоятельного решения. Межпредметные связи физики и математики являются традиционно наиболее значимыми в процессе обучения. Причем физика нередко выступала инициатором развития отдельных тем по математике, а последняя помогала совершенствованию методики изучения сложных вопросов физики. Поэтому одной из основных задач обучения математике в школе является выработка умения применять полученные звания к изучению реальных явлений в физике: механического и теплового движений, электромагнитных процессов, законов оптики и явлений микромира. Это усиливает практическую направленность школьного курса математики, помогает яснее видеть математические закономерности и развивать умения их использовать. Такое обучение математике и физике показывает разнообразие их идей, широкую взаимную применяемость и закрепляет интерес к математическим моделям и физическим процессам, что способствует успешному решению вопросов мировоззренческого и культурологического характера.
В свою очередь изучение реальных физических задач, моделирование физических ситуаций способствует повышению интереса к математике и помогает развитию у школьников желания применить полученные знания в физике.
