Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 12
Глава 2. ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ И НЕОБХОДИМОСТИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ КОМПЛЕКСНОГО ХАРАКТЕРА ДЛЯ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ИНТЕГРИРОВАННЫХ КУРСОВ 31
2.1. Роль наглядности в учебном процессе 31
2.2.Дидактический принцип наглядности в школьном естественнонаучном эксперименте 38
2.3. Интеграционные процессы в образовании как потребность времени 43
2.3.1. Интеграция как образовательная категория 43
2.3.2. Интеграция естественнонаучных дисциплин 49
Глава 3. РАЗРАБОТКА ИНТЕГРИРОВАННЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ К ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫМ КУРСАМ 53
3.1. Реализация принципа интеграции в лабораторных работах по естествознанию 53
3.2.Методика отбора заданий для лабораторных работ интегрированного типа 56
3.2.1. Пример интегрированной лабораторной работы по молекулярной физике 63
3.3. Вклад астрономических знаний в процесс формирования современного научного мировоззрения 75
3.3.1. Пример интегрированной лабораторной работы по астрономии 79
3.4. Классификация заданий интегрированных лабораторных работ 85
3.5. Гуманитаризация естественнонаучного образования через лабораторные работы комплексного типа
3.6. Реализация индивидуального подхода в лабораторных 93
работах интегрированного типа
3.7. Проблема формирования методологических знаний об экспериментальном методе научного познания и экспериментальных умений и навыков Ю7
3.8. Домашние лабораторные работы как одно из средств формирования мировоззрения 115
Глава 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ВНЕДРЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 127
4.1 . Анализ результатов тестирования по разделу «Молекулярная физика» 131
4.2.Анализ результатов тестирования по разделу «Астрономия».. 136
4.3.Количественный анализ результатов тестирования по
разделу «Астрономия» 149
Заключение 158
Литература 162
Приложение 176
- Роль наглядности в учебном процессе
- Реализация принципа интеграции в лабораторных работах по естествознанию
- Анализ результатов тестирования по разделу «Молекулярная физика»
Введение к работе
На современном этапе развития представлений о целях и задачах массового образования одной из основных задач является формирование современного научного мировоззрения. Основную роль в решении этой задачи возлагают на естественнонаучные предметы.
Физика как наука, изучающая общие законы природы, как научная основа большинства технологий, представляет собой один из важнейших элементов культуры общества. Ее общекультурное значение обусловлено тем в первую очередь, что достижения физики образуют фундамент современного естественнонаучного мировоззрения и формируют базовые представления человечества о мире, в котором оно живет.
Интегративные процессы в науке и образовании в конце 20 столетия привели к необходимости смены парадигмы содержания образования. Все больше людей склоняется к мысли, что новая образовательная система должна строиться на принципах интеграции знаний, гуманистической направленности образования. Данная позиция не случайна.
Указанная выше основная задача образования — формирование научного мировоззрения - более эффективно решается в том случае, если у учеников формируется целостное знание о мире природы, синтетические представления о законах и взаимных связях, существующих в окружающем мире. Именно такое знание формируется в процессе преподавания интегрированных естественнонаучных курсов, базирующихся на физическом знании. Для данных курсов характерен более высокий уровень обобщения, систематизации, понимания естественнонаучных методов исследования процессов и явлений, происходящих в окружающем мире. Т.е. рассматриваются те же самые реалии, что и в программах средней общеобразовательной школы, но с более высокой степенью систематизации, с углублением в методологию естественнонаучного познания, которые
5 иллюстрируются примерами, требующими более внимательного изучения ввиду их абстрактности (Вселенная, Большой Взрыв и т.д.). В основу построения интегрированных курсов положена идея комплексного подхода к теоретическим положениям и объектам, обоснованию научного знания.
Разработка программ естественнонаучных интегрированных курсов и написание в соответствии с ними учебников ведется как для среднего звена, так и для старших классов. Это наиболее актуальная задача, т.к. в связи с реформой школьного образования в программу средней школы включен курс «Естествознание». Он предназначен для преподавания в старших классах гуманитарной направленности. Это обуславливает работу педагогов и методистов в направлении методического и практического обеспечения подобных курсов.
Одна из проблем обучения связана с общими тенденциями развития научного знания, в частности, с усилением теоретического уровня учебного процесса.
В принятой в настоящее время системе методов обучения важное и неоценимое место принадлежит практическим методам. Наибольшее значение имеет учебный эксперимент в обучении естественным наукам, которые являются экспериментальными. Важная особенность его как средства познания состоит в том, что в процессе наблюдения и при выполнении опытов учащиеся начинают видеть за внешними признаками проявления физических процессов их сущность, внутренний механизм, причины исследуемого явления. Учебный эксперимент, являясь производным от научно-исследовательского, позволяет знакомить учащихся с основным методом познания реальной действительности. Определяя место эксперимента в системе методов исследования природы, академик А.Б. Мигдал писал: «Теоретические построения оставались бы просто забавой мудрецов, если бы не существовало надежного испытания — эксперимента».
Как заметил Б.Ф. Кильдюшевский: «изучение физики без эксперимента будет мертвым и безжизненным, никакое яркое описание явления или качества предмета не может заменить непосредственного восприятия этого явления или качества явления». Данное высказывание относится не только к физике, но и другим естественнонаучным предметам.
Из-за сокращения часов, отводимых на изучение предметов естественнонаучного цикла, наблюдается уменьшение роли предметно-образной наглядности, что ведет к усилению значения идеальной наглядности: графиков, формул, мысленных экспериментов. Теория остается без практического применения и понимания. В таком случае слабо выражен процесс формирования мировоззренческих категорий, доказательности научных знаний, применения, анализа, синтеза, оценки. Не менее опасна в этом плане и обратная тенденция, когда увеличено число практических работ при малом количестве часов курса. В результате это приводит к слабому освещению важных теоретических аспектов (границ применимости теории, выводов, следствий и др.), к неспособности учащихся делать простые мировоззренческие выводы.
Применение наглядности особенно значимо для естественнонаучных интегрированных курсов, в частности «Естествознание», для которых, как было сказано, характерен высокий уровень обобщения и систематизации.
Сказанное выше подчеркивает актуальность темы исследования: «Разработка и теоретическое обоснование лабораторных работ комплексного характера для интегрированных естественнонаучных курсов» и ее практическую направленность.
Целью настоящей работы является научно-теоретическое обоснование необходимости разработки лабораторных работ комплексного характера, показывающих изучаемое явление или процесс с различных сторон — физической, химической, биологической, а также создание цикла таких работ.
Объект исследования: процесс преподавания физики и естественнонаучных интегрированных курсов в средней школе в старших классах.
Предмет исследования: исследование эффективности интегрированных лабораторных работ в изучении естественнонаучных предметов в средней школе.
Гипотеза исследования: использование лабораторных работ комплексного характера в процессе обучения физике или в процессе преподавания естественнонаучных интегрированных курсов, базирующихся на физическом знании, позволит эффективно осуществить формирование современного научного мировоззрения учащихся.
В процессе достижения обозначенной выше цели и проверки достоверности гипотезы исследования нами были поставлены следующие задачи:
показать роль наглядности при формировании представлений, идей и убеждений в процессе преподавания естественнонаучных дисциплин;
обосновать необходимость лабораторных работ комплексного характера, обусловленную интеграционными процессами в науке и образовании;
показать гуманитарный потенциал лабораторных работ комплексного характера;
разработать лабораторные работы комплексного характера для естественнонаучных интегрированных курсов, базирующихся на физическом знании, с целью их использования на различных этапах урока в старших классах (10-11 классы);
разработать методические рекомендации по организации и проведению данных лабораторных работ в помощь учителям физики и других дисциплин естественнонаучного цикла;
экспериментально проверить влияние интегрированных лабораторных работ комплексного характера на формирование наиболее полных
8 представлений у учащихся об окружающем мире и на степень усвоения ими программного материала данного курса, основывающегося на физическом знании.
Поставленные задачи и выдвинутая гипотеза определили следующие методы исследования:
методы теоретического анализа философской, психолого-педагогической, научно-методической литературы по проблеме исследования; анализ и обобщение передового педагогического опыта и методических разработок;
диагностические методы: анкетирование и беседы с учениками, тестирование; анализ письменных работ; педагогический эксперимент (формирующий и констатирующий); экспериментальная проверка эффективности предложенных лабораторных работ комплексного характера;
математические методы: статистический и графический методы для анализа и оценки результатов эксперимента.
Базой исследования явился Технико-экономический профессиональный лицей г. Томска.
Научная новизна и теоретическая значимость:
обоснована важность и необходимость лабораторных работ комплексного характера для формирования научного мировоззрения в процессе преподавания физики и естественнонаучных интегрированных курсов;
предложена технология комплексных лабораторных работ (сущность, методика отбора заданий, методы, возможности), представляющая собой вклад в методику преподавания физики;
разработаны теоретические основы реализации индивидуального подхода с опорой на ФАМ при выполнении лабораторных работ комплексного характера;
9 4. рассмотрены функции домашнего лабораторного эксперимента как вида самостоятельной работы и предложены критерии их оценивания. Практическая значимость исследования состоит в том, что:
создан цикл лабораторных работ комплексного типа, применение которых позволит сформировать полные представления об окружающем мире;
разработаны методические рекомендации по составлению и применению данных лабораторных работ;
разработаны домашние лабораторные работы и творческие задания для интегрированного курса «Естествознание» (10-11 классы).
Разработанный методический комплекс лабораторных работ может быть полезен учителям физики для реализации межпредметных связей, а также учителям, ведущих естественнонаучные интегрированные курсы. Каждая работа содержит вопросы, ответы на которые следует искать в различных областях естественных наук.
Обоснованность и достоверность полученных в диссертации результатов и выводов обеспечена:
опорой на теоретические разработки в области педагогики, психологии, математической статистики, методики преподавания физики и предметов естественнонаучного цикла в старших классах;
соответствием методов исследования поставленным задачам;
целостным подходом к решению проблемы.
Положения, выносимые на защиту:
конструирование лабораторных работ комплексного характера должно осуществляться на основе принципа интеграции знаний о природе, основного при создании естественнонаучной картины мира (ЕНКМ) — «интегрального образа природы»;
применение комплексных лабораторных работ в контексте преподавания естественнонаучных интегрированных курсов формирует целостные
10 представления о мире (способствует гуманитаризации естественнонаучного образования);
структура и содержание комплексных лабораторных работ позволяет учесть деление учащихся на «гуманитариев» и «естественников» на основе ФАМ и реализовать индивидуальный подход в процессе выполнения работ;
- домашний эксперимент, дополняющий реальный лабораторный
эксперимент, в силу своих функциональных особенностей является одним из
средств формирования научного мировоззрения.
Апробация и внедрение промежуточных и заключительных результатов работы осуществлялось через публикации (статьи, тезисы, методические пособия), выступления на ежегодных молодежных конференциях студентов, аспирантов, молодых ученых Томского государственного педагогического университета, отправление материалов на региональные, всероссийские, международные конференции:
III Межвузовская научно-практическая конференция студентов, аспирантов, молодых ученых «Молодежь и наука: Проблемы и перспективы», 13-24 апреля, ТІ НУ, Томск, 1999;
Международный конгресс «Наука, образование, культура на рубеже тысячелетий», 20-22 декабря, Ті'11 У, Томск, 1999;
Международная научно-практическая конференция «Естественнонаучное образование - фундамент устойчивого развития общества», июнь, ТПУ, Томск, 2000;
Y региональная конференция студентов, аспирантов, молодых ученых «III Сибирская школа молодого ученого», 22-23 декабря, Томск, Ті НУ, 2000;
Y научно-практическая конференция «Научное творчество молодежи», 14 апреля, Анжеро-Судженск, 2001;
YI региональная научно-практическая конференция студентов, аспирантов, молодых ученых «Молодежь и наука: Проблемы и перспективы», апрель, 'II НУ, Томск, 2001;
Конференция «Проблемы интеграции естественнонаучных дисциплин в высшем педагогическом образовании», апрель, НГПУ, Нижний Новгород, 2001;
Шестая международная конференция «Физика в системе современного образования», 27-31 мая, Ярославль, ЯГПУ, 2001;
Международная юбилейная научно-практическая конференция «Народное образование в 21 веке», 6-7 июня, МПУ, Москва, 2001;
Зональная конференция преподавателей вузов Урала, Сибири, Дальнего Востока «Методологические аспекты в профессиональной подготовке учителя физики», 18-19 сентября, НГПИ, Нижний Тагил, 2001;
Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов, молодых ученых «IY Сибирская школа молодого ученого», 17-19 декабря, Томск, ТГПУ, 2001;
III Международная научно-методическая конференция «Новые технологии в преподавании физики: школа и ВУЗ», 11-14 марта, Москва, МПУ, 2002;
Общероссийская конференция «Наука и образование», 15-20 апреля, Томск, ТГПУ, 2002.
Структура диссертации определяется целью работы,
последовательностью решения задач и состоит из введения, четырех глав, приложения, заключения, списка литературы.
Роль наглядности в учебном процессе
С термином «наглядность» всегда связывалось непосредственное наблюдение изучаемых предметов и явлений. Так как на современном этапе обучения возрос удельный вес теоретических знаний, содержание которых принципиально недостаточно непосредственному восприятию, то проблема наглядности стала остро обсуждаться в научной литературе, в частности встал вопрос о месте наглядности в обучении, поскольку она раньше связывалась с определенной - эмпирической - областью знания [104].
Различают понятия "наглядность", "средства наглядности", "приемы наглядности". Под наглядностью понимают «систему способов и средств, способствующих созданию в сознании образов предметов и явлений разной степени обобщенности (от конкретных до знаковых), отражающих реальный мир» [140, с. 74].
Средства наглядности - это конкретные предметы и знаково-символические средства, которые используются для выделения существенного в плане восприятия. Приемы наглядности — это способы выделения существенного в чувственно представленном материале (прием варьирования несущественных признаков в конкретном материале, прием сочетания наглядности со словом учителя и т.д.).
Вопрос о роли наглядности, о критериях подхода к наглядному материалу с психологических позиций был поставлен А.Н. Леонтьевым [78], который подчеркивал, что при использовании средств наглядности нужно исходить из психологической роли, которую они должны выполнить в усвоении материала. Согласно А.Н. Леонтьеву, центральным в проблеме наглядности, с психологической точки зрения, является вопрос о том, что должно осознаваться ребенком в представляемом ему наглядном материале.
Современные психологические исследования показали, что недостаточно представить учащимся предмет, чтобы они осознали все, что в нем объективно содержится. Для осознания необходимо организовать соответствующим образом деятельность учащихся. Все исследования условий выделения в объекте необходимого содержания можно поделить на несколько направлений:
1. доказательство необходимости слова учителя (исследования Л.В. Занкова);
2. варьирование несущественных признаков в предметах и явлениях (исследования Н.А. Менчинской, Д.Н. Богоявленского, Е.Н. Кабановой — Меллер);
3. необходимость организации мыслительной деятельности, а не пассивного восприятия материала (исследования М.А. Данилова, Б.П. Есипова).
Решение проблемы наглядности связано с вопросом о том, происходит ли усвоение в процессе наблюдения, восприятия. С самого начала введения наглядного обучения считалось, что наглядность является источником всех знаний, что в созерцании происходит усвоение знаний. Коренное изменение в подходе к проблеме наглядности обусловлено принятием положения, говорящего о том, что восприятие - это только исходное звено усвоения. Само усвоение происходит в деятельности [104].
Познание как процесс отражения, как способность сознания познающего субъекта воспроизводить в определенной форме и до определенной полноты и точности существующий вне его объект составной частью имеет отражение действительности в форме чувственного образа.
Чувственно-наглядные образы, возникающие в процессе познавательной деятельности как форма взаимодействия субъекта и объекта, могут быть вызваны реальной действительностью и "различными моделями" этой действительности следующими способами [139]:
а) путем непосредственного восприятия (объект непосредственно ощущаем);
б) путем чувственного опосредствования (если объект невозможно воспринять непосредственно, то между органом чувств и объектом помещается другой предмет, на который объект оказывает влияние, позволяющее осуществить восприятие органом чувств);
в) путем воспроизведения чувственного образа, созданного прежде.
Говоря об использовании наглядности в учебном процессе, необходимо остановиться на применении в качестве ее реальной действительности (объектов окружающего мира). Наглядность, основанная на использовании реальной действительности, называют предметно-реальной. К этому виду наглядности относятся, например, астрономические наблюдения учащихся (изучение звездного неба, наблюдение созвездий и т.д.) Наглядность, основанная на использовании наглядных средств обучения, созданных человеком, объединяет в себе предметно-образную наглядность и знаковую наглядность. Наглядность, основанная на использовании представлений познающего субъекта, может быть связана с любым из названных видов наглядности.
Основная цель специально организованного обучения — овладение системой знаний. Наглядность, с одной стороны, входит составной частью познания в учебный процесс, с другой стороны, она отражает результаты этого познания, то есть является составной частью знания. Сущность наглядности в процессе обучения можно показать с помощью схемы [139, с. 21], где итоговым результатом обучения является знание. На схеме можно проследить основные элементы познания в процессе обучения и их взаимосвязь: 1) познающий субъект - обучающийся; 2) объект познания -реальная действительность; 3) учебно-познавательная деятельность и ее составной элемент - отражение действительности в форме чувственного образа; 4) средства познания — "представители" реальной действительности, обеспечивающие предметно-образную и знаковую наглядности; 5) знания -результат познания.
Воздействие различных видов наглядности на познавательный процесс проявляется во влиянии на основные процессы усвоения знаний: 1) непосредственное ознакомление с материалом — ощущения и восприятия; 2) осмысливание, обеспечивающее глубокое понимание материала путем активного участия мышления; 3) запоминание, позволяющее на основе памяти осуществить запечатление и сохранение поступающей в мозг информации [74]. Классик русской педагогики К.Д. Ушинский, глубоко и всесторонне занимавшийся проблемой наглядности, писал: «Наглядность, в силу образующихся ассоциаций, придает эмоциональный, глубоко личный характер тем мыслям, которые мы стремимся передать ребенку даже в тех случаях, когда они абстрактны» [по кн. Василевской В., с. 168].
Наглядность позволяет более полно использовать возможности зрительных и слуховых анализаторов обучаемых. Это оказывает влияние на начальный этап процесса усвоения знаний — ощущения и восприятия. Все сигналы, воспринимаемые органами чувств, подвергаются логической обработке, тем самым чувственные образы включаются в суждения и умозаключения. Значит, более полное использование зрительных и слуховых анализаторов создает в этом случае основу для успешного протекания следующего этапа - осмысливания. Влияние наглядности на запоминание проявляется в том, что она позволяет закрепить полученные знания в образах, выделить главное и путем создания ярких опорных моментов запечатлеть логику материала.
При использовании наглядности управление познавательной деятельностью учащихся осуществляется за счет применения разнообразных управляющих воздействий. Определенная последовательность, отбор наглядного материала, логика его подачи влияют на восприятие, осмысливание, запоминание. Управляющее воздействие на процесс познания может быть осуществлено через слово (постановка проблемы и включение человека в активную познавательную деятельность), через обращение внимания на отдельную сторону или деталь изучаемого объекта, через воспроизведение запечатленных ранее образов, то есть создания опоры на представления, которые необходимы в какой-то момент познания. В качестве управляющих воздействий используются разнообразные указатели (знаки, символы) и приемы, позволяющие выделить, сравнить, подчеркнуть в определенные моменты нужные стороны объекта изучения. Указанные управляющие воздействия могут быть применены на различных этапах обучения как отдельно, так и в комплексе друг с другом.
Влияние наглядности не ограничивается только умственной сферой, важно также ее влияние на такие стороны психики, как стимулы, внимание, интерес. Это и переход непроизвольного внимания в произвольное, то есть наглядность позволяет управлять вниманием, концентрировать его, перераспределять, быстро переключать с одного объекта на другой, поддерживать его устойчивость.
Важную роль в процессе усвоения играет познавательный интерес, который представляет собой избирательную направленность личности, обращенную к области познания, к ее предметной стороне и самому процессу овладения знаниями [75]. Так как познавательный интерес многозначен, то он может влиять на процесс усвоения различными сторонами: выступая как внешний стимул процесса усвоения, как средство активизации этого процесса; как мотив познания, существенно влияя на усвоение, взаимодействуя при этом с другими мотивами. Возникновение и поддерживание познавательного интереса обеспечивается при помощи содержания изучаемого материала, организацией и характером протекания познавательной деятельности. В первом направлении стимуляции познавательного интереса с помощью наглядных средств вносится новизна содержания, обновляются уже усвоенные знания, происходит усиление чувственного аспекта знаний, демонстрируется практическая значимость знаний. Во втором направлении стимуляции познавательного интереса наглядность позволяет увеличить многообразие форм самостоятельных и практических работ, дает возможность внести проблемность в познавательный процесс и т.д. Таким образом, применение наглядности оказывает существенное влияние также и на компоненты усвоения, не относящиеся к умственной сфере, но являющиеся важной составной частью этого процесса, во многом определяя сознательное отношение к нему [74]. Воспитательная функция наглядности выражается в эмоциональном воздействии на учащихся, в развитии мышления, выработке самоконтроля, организованности, в участии в процессе формирования мировоззрения ученика.
Реализация принципа интеграции в лабораторных работах по естествознанию
В настоящее время имеются многочисленные разработки программ курса естествознания и ряд учебных пособий по этому направлению [43-45, 49]. Остается второй аспект этой проблемы - разработка практических заданий, в частности, интегрированных лабораторных работ, отвечающих идее самого курса. Нами за основу при создании интегрированных лабораторных работ взят основный принцип формирования естественнонаучной картины мира (ЕНКМ) - принцип интеграции и обоснования знаний о природе [55]. Мы, при разработке лабораторных работ, исходили из того, что любой объект природы исследуется разными науками, но знания эти разрознены, не представляют собой систему.
Многократные исследования показывают [24, 55], что содержание ответов учащихся на вопросы об основных законах природы, состоянии и свойствах вещества, атомно-молекулярных представлениях, общих явлениях живой и неживой природы существенно меняются в зависимости от того, на каком именно уроке (физики, химии, биологии) они заданы.
Целью интегрированных лабораторных работ является изучение объекта как некоторого целого в его отношениях с реальным миром. В качестве объекта выступают явления, процессы, одушевленные и неодушевленные предметы.
При изучении явления обращают внимание на следующие стороны: на условия, при которых наблюдается явление; сущность явления (механизм протекания явления); объяснение причин возникновения явления на основе современных научных теорий; количественная характеристика явления и возможности измерений; учет и использование явления на практике.
По возможности раскрывается не только физико-химическая сущность изучаемого объекта, но и показывается роль явления в живой природе.
Чем органичнее мы представим объект в комплексе его физических, химических, биологических свойств в лабораторной работе, тем полнее и многостороннее будут знания учащихся о данном объекте.
Рассмотрим в качестве примера лабораторную работу "Растворение"
Общая цель заданий, составляющих работу, - изучение процесса растворения и явлений, связанных с ним. Понятие «растворение» уже известно школьникам из курсов природоведения, ботаники, физики, физической географии. При выполнении данной лабораторной работы понятие «растворение» конкретизируется, углубляется его сущность.
При выполнении задания «Приготовление растворов солей с заданной массовой долей растворенного вещества» формируется умение готовить растворы с определенной массовой долей растворенного вещества, а также закрепляются умения: отмеривание определенного объема жидкости, взвешивание твердого вещества, растворение.
При изучении понятия о процентной концентрации растворов важно опереться на физическое понятие плотности веществ, конкретизировать его применительно к растворам. Этому способствует выполнение задания, цель которого - доказать изменение плотности воды при растворении в ней соли.
При добавлении соли изменяется не только плотность, но и температура кипения. Учащиеся экспериментально проверяют, изменяется ли температура кипения воды при изменении ее плотности. Используя полученные данные, строят график зависимости температуры кипения от концентрации раствора. Учащиеся убеждаются, что изменение температуры кипения раствора при увеличении массовой доли растворенного вещества выражается в ее увеличении на несколько градусов.
Вода как растворитель очень важна для растений. Поступая в растение, она несет с собой минеральные вещества, без которых оно не может быть крепким. Показать, что корни поглощают растворенные в воде вещества, и они проходят в сосуды корня, можно как на модели корневого волоска, так и на растениях (7-10 - дневных проростках фасоли, с корнем не менее 2 см, выращенных в пробирках с водой).
После этого проводят работу над растением, выращенным в воде. Воду в пробирках заменяют, не вынимая растение, раствором метиленовой сини или разбавленными чернилами. Через 2-3 дня вынимают растение из раствора, проводят обследование корней. Для этого делают поперечные разрезы корня толщиной примерно 1/2 - 1/3 мм и рассматривают через лупу, поместив их на белой бумаге или в каплю воды на предметном стекле. Соотнеся результаты опыта со схемой строения корня растения, делают вывод, что окрасилась проводящая часть корня, представленная трахеями и трахеидами. Знания о строении корня растения учащиеся получают на уроках биологии в 7 классе.
Рассматривая в следующем задании готовый препарат корневища орляка, учащиеся знакомятся со строением трахей и трахеидов, проводя параллель между их строением и выполняемыми функциями. 3.2. Методика отбора заданий для лабораторных работ интегрированного типа
При разработке лабораторных работ мы исходили из содержания программы базового интегрированного курса "Естествознание" [49].
Вместе с тем учитывались такие задачи, как развитие естественнонаучных понятий, развитие способностей учащихся.
В подготовленном нами методическом пособии (см. приложение) приводятся лабораторные работы по разделам курса "Естествознание", изучающим астрономические и молекулярные явления. Они, вместе с работами по изучению электростатических явлений, представлены в приложении к диссертации.
Сперва нами был осуществлен системно-структурный анализ содержания учебного материала соответствующих тем курса. В результате такого анализа в каждой теме были выделены основные структурные элементы: явления, научные факты, понятия (величины), зависимости, законы, теории.
Кратко изложим особенности раздела «МКТ и термодинамика» в курсе естествознания средней школы.
В этом разделе учащиеся изучают поведение качественно нового материального объекта - системы, состоящей из большого количества частиц (молекул и атомов), новую, присущую именно этому объекту форму движения (тепловую) и соответствующий ей вид энергии (внутреннюю). Формирование статистических представлений позволяет понять смысл необратимости тепловых процессов. Особое внимание уделяется опытному обоснованию МКТ: рассматривают броуновское движение, детально изучают характеристики молекул, методы их теоретического и экспериментального исследования. Т.к. необратимость является отличительным свойством тепловых процессов, это позволяет говорить о тепловом равновесии, порядке и беспорядке в структуре материи, позволяет ввести понятие об открытых системах, далеких от равновесия, рассмотреть явление самоорганизации в физических, химических и биологических формах.
Некоторые вопросы данного раздела учащиеся проходили раньше (по программе физики — в 7 классе), они изучали молекулярно-кинетическую теорию строения вещества, научились объяснять целый ряд физических явлений, свойств веществ (свойства жидкостей и газов, давление, тепловые явления) с точки зрения внутренней структуры вещества. Однако понятия, составляющие содержание этих тем, изучались на уровне представлений, а все явления описывали качественно, что вполне соответствует возрастным особенностям развития мышления учащихся. При изучении «Молекулярной физики» в курсе естествознания в 10 классе рассматриваемые понятия возводятся на более высокую степень обобщения. Это касается таких вопросов как свойства газов, жидкостей и твердых тел. Так изучение твердых тел включает в себя виды и свойства твердых, кристаллических и аморфных тел: анизотропия кристаллов, механические свойства, упругие и пластические деформации.
Что касается жидкостей, то спектр поднимаемых здесь вопросов велик -это свойства жидкостей, природа явления поверхностного натяжения, смачивание, роль поверхностных явлений в живой природе, испарение и конденсация, влажность.
С понятием модели идеального газа учащиеся знакомятся в курсе естествознания 10-ого класса. Вначале им объясняют назначение идеализации физических явлений, затем выводят основное уравнение состояния идеального газа. Газовые законы рассматривают как следствия уравнения состояния идеального газа и подтверждают экспериментально. Далее рассматривается понятие «температура», которое является фундаментальным для естествознания. Оно весьма сложно, так как температура представляет собой макроскопический параметр состояния системы, смысл которого может быть раскрыт только на основе молекулярно-кинетических представлений. Научное содержание понятия температуры опирается на постулат о тепловом равновесии, то есть температура - физическая величина, характеризующая состояние теплового равновесия системы и с точки зрения молекулярно-кинетической теории является мерой средней кинетической энергии хаотического движения молекул. После этого становится возможным говорить об абсолютной шкале температур и шкале Цельсия как способах измерения температуры.
Анализ результатов тестирования по разделу «Молекулярная физика»
Использовались вопросы открытого типа на свободное изложение (свободные ответы испытуемых по сути задания). Вопросы были поставлены таким образом, чтобы учащиеся не только воспроизвели знания, но применили в новой ситуации, привлекая материал различных разделов естествознания (биология, физика, химия).
Вопросы для тестирования по разделу «Молекулярная физика»:
1. Чем обусловлены различные агрегатные состояния вещества?
2. Почему мыльные пузыри и капельки воды при падении имеют форму шара?
3. Отчего, на ваш взгляд, разные жидкости имеют разные свойства?
4. Какое влияние оказывает сброс различных жидкостей в моря и реки?
5. Объясните результаты следующего опыта: «с березы срезали ветку, обмакнули ее срезанной частью в воду. На срезанном конце получили большую каплю воды. Наблюдая за этой каплей, увидели, что она быстро исчезла. Опыт повторяли несколько раз. Итог был тот же самый». Что это за явление и как его можно объяснить через свойства жидкости (в данном случае воды)?
На ответы учащихся никакие ограничения не накладывались. Формулировки заданий предполагали наличие только одного правильного ответа. Первое тестирование проводилось до изучения данного раздела. Повторно тест проводился после изучения материала. В промежутке между ними были проделаны лабораторные работы, в частности, работа по обнаружению поверхностного натяжения, выявлению зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры и различных жидкостей (сахара, мыла). Полученные результаты первичного и повторного тестирования мы представили в табличной и графической формах (в виде линейчатой диаграммы с накоплением, где категории расположены по горизонтали, а значения по вертикали). Данная форма графического представления позволяет уделить большее внимание сопоставлению значений.
Если вычислить средние показатели количества правильных и неправильных ответов, приходящихся на каждый вопрос в первом и во втором тестировании, и сопоставить их, то окажется, что количество неправильных ответов с 47% снизилось до 13 %, количество правильных возросло с 13 % до 40%.
Проведем анализ первого (4.1) и второго (4.2) графика по вопросам.
Большое затруднение вызвал вопрос № 2, в котором надо было объяснить явление через актуализацию знаний о поверхностном натяжении (91,3 % неправильных ответов и 0% правильных ответов, 0,7 % неполных ответов). Это объясняется тем, что ранее в учебном процессе на уроках физики и других предметов естественнонаучного цикла данное свойство жидкостей ученики не изучали. При повторном тестировании только 5,7% учеников дали неправильные ответы, правильные ответы составили 48, 6 % (вместо 0% в первом тестировании).
Приведем характерные ответы на второй вопрос (почему мыльные пузыри и капельки воды имеют шарообразную форму?) при первом тестировании:
потому что капли падают с определенной скоростью;
вода обтекаема, поэтому капли форму квадрата или другой фигуры с углами принять не могут;
чтобы воздух меньше тормозил их при падении;
на внешнюю сторону капли действует сила давления, а изнутри сила отталкивания молекул;
при падении воздух эту каплю сжимает.
При повторном тестировании учащиеся уже объясняли шарообразную форму капель через состояние невесомости и действие силы поверхностного натяжения.
С агрегатными состояниями вещества учащиеся знакомы из физики 7 класса, поэтому процент неправильных ответов (43,5 %) ниже по сравнению со вторым вопросом. Но т.к. требовалось объяснить, чем обусловлены различные агрегатные состояния вещества, то ученики дали 43,5% неправильных ответов и 47,8 % неполных. После прохождения курса мы отметили, что 54,3 % (вместо 8,7 %) с легкостью справились с данным вопросом. 11,4 % затруднились с ответом на него.
Количество неправильных ответов на третий вопрос - почему различные жидкости имеют разные свойства — хотя и снизилось вдвое с 52,2 % до 28,6 %, но процент неверных ответов остался большим. Не все учащиеся смогли обосновать (вывести) разные свойства различных жидкостей (разную плотность, температуры кипения, поверхностное натяжение и др.) через их химический состав, межмолекулярные связи. Однако 45,7 % (вместо 19,6 %) раскрыли достаточно научно и полно данную причину.
На четвертый вопрос показатели неправильных ответов низкие (при первом и втором тестировании соответственно 17,4 % и 2,9%), но лишь 22,9 % указали влияние сброса различных жидкостей на изменение свойств воды, например, на изменение коэффициента поверхностного натяжения воды при попадании в нее нефтепродуктов, CMC (синтетических моющих средств). Большинство ответов (соответственно 82, 6% и 74, 2 %) признали за неполные, так как в них показаны лишь экологические последствия. Например,
- жидкость влияет на окружающую среду;
- многое жидкости смешиваются с водой, вода загрязняется;
- гибнет фауна морей и рек;
- происходит отравление воды;
- с точки зрения экологии негативное.
Рассматриваем ответы учащихся на пятый вопрос. 69,6 % учащихся, на наш взгляд, интуитивно объяснили рассматриваемое явление через впитывание воды веткой. Данный вариант ответа мы приняли за неполный.
Позднее процент как неправильных, так и неполных ответов снизился. 28,6 % учащихся указали причиной данного процесса капиллярные явления и смачиваемость. Показатели правильных и неправильных ответов по пятому вопросу говорят о том, что учащиеся не смогли осознанно применить свои знания к объяснению подобных явлений в природе. Возможно, это связано с тем, что с ними не была проделана лабораторная работа на капиллярные явления.
Опираясь на проведенный анализ показателей ответов на каждый вопрос, мы отмечаем значительный рост знаний учеников по данной теме. Учащиеся не просто воспроизводят знания, полученные ими в ходе изучения темы, а применяют в новой ситуации, оперируя существенными связями познавательных объектов и явлений. Полученные нами результаты коррелируют с результатами исследований, посвященных проблеме формирования естественнонаучного миропонимания [24, 65]. 136 4.2. Анализ результатов тестирования по разделу «Астрономия»
Вопросы устройства мироздания, выяснение места человека во Вселенной являются наиболее значимыми при формировании научного мировоззрения. В основном, эти вопросы изучаются в разделе «Астрономия».
Как и в случае изучения молекулярной физики, тестирование проводилось дважды - до и после изучения разделов астрономии в курсе естествознания и выполнения лабораторных работ комплексного характера.
Вопросы тестирования:
1. Что собой представляет Галактика?
2. Является ли Солнце уникальной звездой нашей Галактики? Ответ обосновать.
3. Может ли Земля упасть на Солнце? Ответ объяснить.
4. Масса Солнца больше массы Земли в сотни тысяч раз, почему с поверхности Земли ничего не притягивается Солнцем?
5. Как образовалась Солнечная система?
6. Почему происходит изменение вида звездного неба на определенной широте в различное время суток и года?
7. Как вы объясните различную яркость звезд?
8. Умеете ли вы находить созвездия? Какие созвездия вы знаете?
9. Знания каких наук, по-вашему, используются для изучения космоса?
10. Как вы схематично изобразите положение и связь между человеком, природой (Землей) и космосом? Ответ пояснить словами.
Тестирование по представленным вопросам проводилось в экспериментальных и контрольных классах. В контрольных классах ни естествознание, ни астрономия как самостоятельный учебный предмет не изучались. В экспериментальных классах вопросы астрономии органично включены в курс естествознания в виде отдельного раздела. Следовательно, проводя тестирование - до и после прохождения данного раздела - мы могли
График 4.6 - Результаты второго тестирования (контрольные классы)
Из анализа результатов тестирования в экспериментальных классах (графики 4.3 и 4.4) видно, что по всем вопросам количество правильных ответов возросло.
Анализ графиков контрольного класса (графики 4.5 и 4.6) показывает низкий процент правильных ответов, высокие показатели неправильных и неполных ответов. Из сравнения графиков 3-4 для контрольного класса (результаты первого и второго тестирования) видим, что показатели неправильных, правильных и неполных ответов по каждому вопросу хотя и имеют некоторые численные колебания, но небольшие. Их мы объясняем тем, что у учащихся возникло много вопросов к учителю, проводившему тестирование. Возможно, это подтолкнуло их к дальнейшему выяснению ответов на те вопросы, которые вызвали у них затруднения.
Сопоставляя графики первого тестирования для экспериментальных и контрольных классов, можно сделать интересный вывод - процент неправильных ответов по вопросам в экспериментальных классах несколько выше, например, эксперим.классы контрол. классы
Данная закономерность прослеживается и в случае остальных вопросов. Причину мы видим в том, что контрольные классы состоят по преимуществу из мальчиков, в то время как экспериментальные классы - только из девочек. Мальчики, в силу особенностей своего мышления (функциональное доминирование левого полушария и соответственно теоретического мышления), с большей легкостью улавливают связи и отношения в области естественнонаучного знания, тем самым систематизируя их.
Как в экспериментальном, так и в контрольном классах самыми трудными по результатам первого тестирования оказались второй и пятый вопросы - является ли Солнце уникальной звездой нашей Галактики, как образовалась Солнечная система (эксперим. классы: неправ, ответы соответственно - 100% и 97,7 %; контр, классы - 74,3 % и 94,3 %). Действительно, исходя из имеющихся у учащихся знаний и обыденных представлений на момент первого тестирования, трудно было ответить на данные вопросы. Это, в первую очередь, касается образования Солнечной системы. Для ответа на этот вопрос нужно представлять себе место Солнечной системы в нашей Галактике и структуру Галактики. Таким образом, по ответам на второй и пятый вопросы можно судить о низком уровне понимания устройства Вселенной.
