Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 12
1.1. Модель и моделирование в организации учебно- познавательной деятельности учащихся при обучении физике 12
1.2. Исследовательская деятельность в науке и в обучении 25
1.3. Дидактические возможности использования компьютерного моделирования при изучении физики 43
1.4. Организация исследовательской деятельности школьников на основе схемотехнического моделирования 59
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧАЩИХСЯ В ПРОЦЕССЕ ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ» 72
2.1. Значение и место схемотехнического моделирования в структуре учебно-познавательной деятельности учащихся 72
2.2. Организация процесса обучения физике с использованием схемотехнического моделирования... 82
2.3. Методика использования схемотехнического моделирования в процессе обучения 104
ГЛАВА 3. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ И ЕГО РЕЗУЛЬТАТЫ... 132
3.1. Организация педагогического эксперимента 132
3.2. Методика проведения констатирующего и поискового этапов педагогического эксперимента 139
3.3. Методика проведения и анализ результатов формирующего этапа педагогического эксперимента.. 156
ЗАКЛЮЧЕНИЕ , 168
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 170
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 186
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 214
- Модель и моделирование в организации учебно- познавательной деятельности учащихся при обучении физике
- Значение и место схемотехнического моделирования в структуре учебно-познавательной деятельности учащихся
- Организация педагогического эксперимента
Введение к работе
Актуальность исследования. Обучение физике связано с обобщением знаний о явлениях реального мира. Способность познавать окружающий мир, действовать адекватно полученной информации, создавая благо для людей, является важной чертой образованного человека, ответственность которого за сохранение цивилизации за последнее время значительно возросла.
Соответственно этому социальное ожидание нашего общества состоит в становлении человека нового типа, имеющего адекватные социальные и методологические установки, владеющего познавательными методами и средствами, обладающего потребностью и готовностью находить решения проблем разного уровня сложности.
Результативность и действенность найденных и принятых решений во многом зависит от уровня сформированности познавательных умений специалиста, в том числе исследовательских умений. Важность проблемы формирования этих умений подтверждает проведенный нами анализ большого числа про-фессиограмм специалистов. В каждую из них включены в качестве обязательных умения: проводить исследования, формулировать и решать проблемы, нести ответственность за принятое решение. Эти умения являются инвариантными, они позволяют определять уровень профессиональной и социальной компетенции специалиста.
В связи с этим можно сделать вывод о том, что исследовательские умения в процессе подготовки человека как к профессиональной деятельности, так и к жизнедеятельности в целом должны стать предметом пристального внимания ученых-методистов.
Решению проблемы формирования исследовательских умений у учащихся школы были посвящены работы ученых Андреева В.И., Анциферова Л.И., Майера В.В., Орлова В.А., Пустильника И.Г., Разумовского В.Г., Усовой А.В. Однако анализ изменившихся условий становления личности в результате научно-технического прогресса и развития социально-экономической сферы за-
ставляет по-новому рассматривать вопрос о формировании исследовательских умений в процессе обучения физике.
Этот вывод, кроме того обусловлен и другими причинами.
В последние годы произошли кардинальные изменения в структуре, организации и непосредственном проведении научных физических исследований. Значительное влияние на темпы развития науки физики оказывает использование компьютерной техники, именно ее применение обусловило обновление методологической базы современной науки', выбор стратегии научного поиска, отбор методов и средств проведения исследования, анализ его результатов в настоящее время осуществляются на основе применения компьютерных технологий высокого уровня. Произошедшие изменения в структуре научно-исследовательской деятельности ученых-физиков существенным образом отражаются на требованиях, которые следует предъявить к организации учебно-исследовательской деятельности учащихся. Возникает настоятельная необходимость приведения в соответствие с новыми требованиями и методики развития учебно-исследовательской деятельности школьников, которая также должна осуществляться с использованием компьютерных технологий. Поэтому общеобразовательная школа должна обеспечить формирование умений школьников использовать компьютерные технологии для познания окружающего мира и проведения учебных исследований физических явлений.
В работах Бешенкова С.А., Немцова A.M., Лаптева В.В., Смирнова A.M. сформулированы дидактические основы использования компьютера при изучении основ наук. В них отмечается, что процессы, связанные с появлением в образовательных учреждениях современных средств познания, которыми являются новые информационные технологии, коренным образом изменили подходы, требования и условия организации исследовательской деятельности учащихся.
В работах Кокшарова В.Л., Оспенниковой Е.В., Сельдяева В.И., Ходано-вича А.И. раскрыты некоторые аспекты формирования исследовательских умений учащихся при использовании компьютера в процессе обучения физике, од-
нако в них не рассматривался вопрос использования схемотехнического моделирования в качестве средства развития исследовательских умений школьников. Между тем схемотехническое моделирование широко используется в профессиональной деятельности для конструирования электрических и цифровых устройств и является перспективным методом их исследования. Программное обеспечение схемотехнического моделирования, при соответствующей адаптации к школьным условиям, может быть с успехом использовано в учебных целях.
Анализ научно-методической литературы, изучение практики работы образовательных учреждений позволяют сделать вывод о наличии сложившихся противоречий в решении проблемы развития исследовательских умений школьников при использовании компьютеров в процессе обучения физике:
между возросшей ролью исследовательских умений в профессиональной деятельности современных специалистов и недостаточной ориентацией образовательных учреждений на формирование у выпускников этих умений;
между широким использованием компьютерных технологий в организации и проведении научных исследований в области физики и недостаточным их применением в процессе формирования исследовательских умений школьников при изучении физики.
Таким образом, актуальность данного исследования обусловлена:
возрастанием роли компьютерных технологий на современном информационном этапе развития общества и необходимостью создания условий для совершенствования соответствующих методов и средств обучения;
социальным заказом общества на разработку проблемы развития исследовательских умений в процессе обучения школьников.
В связи с этим возникает проблема: как следует использовать возможности компьютерной техники и новых информационных технологий для эффективного развития исследовательских умений учащихся в процессе обучения физике?
Объект исследования - процесс обучения физике в средней общеобразовательной школе.
Предмет исследования - развитие исследовательских умений учащихся в процессе обучения физике при использовании компьютерного моделирования.
Цель исследования - создание и теоретическое обоснование методики развития исследовательских умений учащихся на основе использования схемотехнического моделирования.
Гипотеза исследования: процесс развития исследовательских умений учащихся при обучении физике в общеобразовательной школе будет эффективным, если:
при изучении физических явлений значительное место будет отведено формированию у школьников методологических знаний о моделировании как методе научного познания;
в качестве объектов учебных исследований будут использованы физические явления и их компьютерные модели (в том числе и схемотехнические);
учебно-исследовательская деятельность учащихся будет проектироваться и реализовываться в соответствии со структурой научной деятельности при проведении исследований в области физики, в которых компьютерным технологиям в современных условиях отводится значительное место.
Исходя из цели и гипотезы исследования, были сформулированы следующие задачи:
Изучить современное состояние проблемы развития исследовательских умений у школьников в процессе обучения физике.
Обосновать возможность и целесообразность развития исследовательских умений учащихся на основе схемотехнического моделирования.
Разработать содержание виртуальных лабораторных работ и экспериментальных компьютерных заданий по изучению электромагнитных явлений.
Разработать методику развития исследовательских умений школьников на основе использования виртуальных лабораторных работ и компьютерных экспериментальных задач с использованием схемотехнического моделирования.
Провести педагогический эксперимент с целью подтверждения эффективности разработанной методики.
Для решения поставленных нами задач были выбраны следующие методы исследования:
анализ философской, психологической, дидактической и научно-методической литературы;
изучение и обобщение опыта учителей;
моделирование процесса формирования исследовательских умений;
педагогический эксперимент;
- статистический анализ результатов педагогического эксперимента.
Исследование включало следующие этапы:
На первом этапе (1995-1997 гг.) проводилось изучение философской, педагогической, психологической и методической литературы, относящейся к исследуемой проблеме, осуществлялось теоретическое обоснование темы, определялись задачи исследования. Практический аспект работы состоял в разработке и проведении констатирующего эксперимента, который заключался в определении оптимальных условий использования компьютерных моделей в процессе обучения физике.
На втором этапе (1997-2001 гг.) в теоретическом плане была разработана методика развития исследовательских умений учащихся на основе использования схемотехнического моделирования. Практический аспект работы включал экспериментальную проверку разработанной методики, ее анализ и составление методического пособия для учителей.
На третьем этапе (2001-2003 гг.) проводилась оценка и корректировка разработанной методики развития исследовательских умений учащихся в про-
цессе обучения физике по результатам педагогического эксперимента. Научная новизна:
обоснована возможность и целесообразность использования программно-дидактической среды схемотехнического моделирования для формирования исследовательских умений учащихся в процессе обучения физике;
разработан комплекс объектов учебных исследований на основе использования схемотехнического моделирования;
предложена методика формирования исследовательских умений учащихся в процессе обучения физике с использованием компьютерных схемотехнических моделей.
Теоретическая значимость исследования:
определены этапы формирования методологических знаний учащихся (введение понятий «модель» и «моделирование», знакомство с классификацией моделей, обоснование их роли в научном исследовании);
разработаны обобщенные планы компонентов учебно-исследовательской деятельности учащихся (формулирование гипотезы, создание модели, изучение модели, проверка ее адекватности, перенос полученных знаний на изучение реального объекта или процесса);
выделены уровни сформированности исследовательских умений учащихся (соответственно уровням самостоятельности осуществления учебно-исследовательской деятельности).
Практическая значимость исследования заключается в том, что результаты исследования доведены до уровня практического применения. Разработаны и использованы в практике работы образовательных учреждений методические рекомендации по выполнению компьютерных лабораторных работ в среде Micro-Cap. Предложены методические разработки по изучению электромагнитных колебаний учащимися общеобразовательных школ с использованием схемотехнического моделирования, обобщенные планы компонентов учебно-исследовательской деятельности, которые для учащихся служат ориентировоч-
ной основой в процессе формирования учебно-исследовательских умений.
Положения, выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертации, могут быть использованы в практике работы учителей и в подготовке студентов педагогических вузов.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования подтверждена:
анализом психолого-педагогической и методической литературы по физике в средней школе;
обобщением педагогического опыта учителей средней школы по теме исследования;
длительностью исследования (девять лет);
обобщением результатов анкетирования учителей физики и учащихся об использовании в учебном процессе схемотехнического моделирования;
результатами педагогического эксперимента со статистической обработкой данных опытно-экспериментальной работы.
Положения, выносимые на защиту:
Формирование исследовательских умений учащихся необходимо осуществлять в соответствии со структурой научно-исследовательской деятельности, которая включает в себя следующие компоненты: получение научных фактов; их обобщение, систематизация и анализ; выделение противоречивых данных и постановка проблемы; формулирование гипотезы; создание модели (в том числе и компьютерной); проверка ее адекватности; исследование модели; перенос результатов, полученных с помощью моделирования, на реальный объект; проведение эксперимента с реальным объектом; формулирование выводов и определение направлений дальнейших исследований.
Наличие глубоких методологических знаний является одним из факторов успешности развития у школьников учебно-исследовательских умений.
Развитие исследовательских умений учащихся в процессе обучения физике должно осуществляться при обязательном использовании компьютер-
ных технологий. При этом важное место должно отводиться компьютерному моделированию. В частности, при изучении постоянного тока и других явлений электродинамики в качестве объектов для организации учебно-исследовательской деятельности учащихся целесообразно использовать схемотехнические компьютерные модели.
4. При оценке сформированности учебно-исследовательских умений учащихся должны учитываться: уровень усвоения методологических знаний и степень самостоятельности учащихся при осуществлении исследовательской деятельности в соответствии с ее структурой.
Модель и моделирование в организации учебно- познавательной деятельности учащихся при обучении физике
Проект стандарта физического образования как основной, так и средней школы, предусматривает изучение методологии научного познания. Основными элементами этого блока содержания учебного материала по физике являются: функции и взаимосвязь эксперимента и теории в процессе познания природы, моделирование явлений и объектов природы, научные гипотезы, роль математики в физике. В разделе проекта Государственного образовательного стандарта по физике в разделе «Методы научного познания и физическая картина мира» моделированию отведено особое место.
Общие идеи моделирования как универсального подхода к изучению объектов используются практически во всех учебных курсах. Многими исследователями (Лаптевым В.В. [82, 91], Кондратьевым А.С. [82, 83], Пустельником И. Г. [134], Разумовским В.Г. [138, 139], Ходановичем А.И. [180, 181, 182], Захаровой И.Г. [59], Подкиным Ю.Г. [129], Самарским А.А. [148], Михайловым А.П. [148], Симоновичем СВ. [152], Филатовым O.K. [175]) моделирование рассматривается как общедидактическое средство и метод приобретения знаний, что позволяет подчеркнуть важность целенаправленного использования этого метода при организации исследовательской деятельности обучающихся в общеобразовательной и в высшей школе.
Познание можно рассматривать как моделирование особого рода, которое заключается в поиске модели как «посредника» между субъектом и познаваемым фрагментом природы. Это объясняется тем, что при моделировании создается объект-модель, работая с которым значительно проще исследовать свойства оригинала. «Благодаря моделированию объективный мир получает своего знаково-символического двойника, в отношении которого субъект свободен в большей степени, чем в оперировании реальными вещами», как отмечает Ски-бицкий Э.Г.
В данном параграфе мы рассмотрим вопросы соотношения аналогии и модели, проанализируем и уточним понятия «модель» и «моделирование» для изучения их учащимися школ, выделим этапы учебно-познавательной деятельности школьников при использовании различных видов моделирования, отметим их роль в процессе познания и обучения физике.
Усиление методологической составляющей школьного курса физики дает основание уделить особое внимание теоретическим методам познания, к которым относятся: мысленный эксперимент, аналогия, идеализация, моделирование [115]. Это обусловлено развитием процесса использования информационных технологий в обучении школьников. Использованию компьютера для решения этой проблемы посвящены работы Латышева В.Л. [92], Скибицкого Э.Г., [154], Роберт И.В. [141], Ракитиной Е.А. [97, 140], Яковлевой Т.А. [194], Теми-ной СЮ. [164], Соверткова П.И. [159], Радаева В.В. [136].
В настоящее время большие массивы информации многократно кодируются, систематизируются, организуются по законам программирования. С помощью знаковых систем строятся модели, создается образ окружающей действительности.
Успешность построения моделей во многом зависит от уровня сформированное образного мышления учащихся.
Изучение механизмов создания образов, оперирование их сложными системами, по мнению Шамало Т.Н. [186], имеет методологическое значение. Автор считает, что внедрение в обучение компьютерной техники предполагает широкое использование различных знаковых систем, что потребует особой сенсорной культуры, которая включает в себя создание умственных образов и оперирование ими как сложными интегральными системами, состоящими из разнообразных по структуре и назначению образов.
Освобождение знака от чувственного объекта начинается на стадии развития, которую немецкий философ Э. Кассирер [195] назвал «аналогией». Мышление по аналогии не предполагает в качестве условия наличия очевидного сходства между знаком и объектом, эта связь устанавливается за счет внутренней духовной деятельности субъекта.
Рассмотрим вопрос о замене оригинала аналогией. Возможно ли реальный объект, действующий по определенным физическим или биологическим законам, заменить на объект, реально несуществующий и действующий по законам, которые определяют ему составители аналогии и который может нести яркий личностный оттенок? Будут ли знания и результаты, полученные после анализа аналогии, достоверными, сможем ли мы переносить их на реально существующий объект? Анализ данной проблемы мы встречаем в работах Глинского Б.А. [39], Каменецкого СЕ. [72], Пустильника И.Г. [134], Селевко Г.К. [150], Гальперина П.Я. [35, 36], Батороева К.Б. [10], Солодухина Н.А. [72], Загашева И.О. [57], Москалева А.Н. [106].
По мнению Каменецкого СЕ. и Солодухина Н.А. [72, с.8] для составления физических представлений без принятия специальной теории необходимо освоиться с существованием физических аналогий. Под физической аналогией понимается частное сходство между объектами или их свойствами для двух каких-либо областей науки, благодаря которому одна является иллюстрацией другой.
На основании этого мы можем сказать, что аналогия является суждением о каком-либо частном сходстве двух объектов, причем такое сходство может быть существенным или несущественным. Необходимо отметить, что понятия существенности и несущественности, сходства или различия объектов условны и относительны. Существенность сходства (различия) зависит от уровня абстрагирования и в общем случае определяется конечной целью проводимого исследования.
Значение и место схемотехнического моделирования в структуре учебно-познавательной деятельности учащихся
Рассмотрим значение схемотехнического моделирования для организации познавательной деятельности учащихся в процессе обучения физике. Проанализируем каждый элемент учебно-познавательной деятельности (потребность, мотив к деятельности, цель, средство, действия (процесс преобразования), результат, оценка) с точки зрения возможности и целесообразности использования компьютерного схемотехнического моделирования, определим его место и значение при реализации этих элементов.
Потребность. Важным элементом любой деятельности, в том числе и исследовательской, является потребность. В соответствии с требованиями современного общества в период быстро изменяющихся социально-экономических условий актуальными целями обучения являются: формирование у школьников исследовательских умений на основе комплексного использования натурного эксперимента и разнообразных возможностей компьютерных программ. Опыт использования схемотехнического моделирования в процессе обучения физике в средней школе показывает, что формирование у школьников исследовательских умений наиболее успешно происходит при систематическом использовании компьютеров и специализированных программ. Именно такая организация обучения позволяет учителю наиболее полно формировать у школьников потребность в использовании для изучения свойств и связей системных объектов схемотехнического моделирования.
Анализ научно-методической литературы [1, 11, 16,30, 160, 167, 168, 171, 179, 197], педагогический эксперимент и собственный опыт преподавания дают возможность говорить о том, что при использовании компьютера у учащихся значительно повышается интерес к учебно-познавательной деятельности, возникает желание и стремление овладеть компьютерными технологиями для решения не только учебно-познавательных, но и возникающих жизненных задач. Универсальным средством для решения проблемы формирования познавательного интереса является адекватное (изучаемой теме и запросам учащихся) использование схемотехнического моделирования в учебном процессе и внеклассной деятельности. Например, в период подготовки к новогодним праздникам учащимся предлагается разработать (спроектировать) переключатель елочных гирлянд с использованием колебательного контура. При решении данной задачи учащиеся свои практические потребности реализуют с помощью средств вычислительной техники. Использование схемотехнического моделирования в данном случае позволяет не только создать модель установки, но и с ее помощью подобрать необходимые элементы из числа тех, которыми располагает учащийся.
Мотив к деятельности. Чтобы у учащегося сформировалась положительная мотивация к познавательной и исследовательской деятельности, у него необходимо сформировать некоторые основные навыки работы в схемотехническом пакете, дать представление о возможностях и методах исследования в нем.
Важным элементом в этом процессе является постановка задач или вопросов, которые можно разделить на две группы: «что будет, если...» и «как сделать, чтобы...».
Первую группу задач составляют такие, в которых требуется исследовать, как изменятся характеристики объекта при некотором воздействии на него. Например, как изменится частота колебаний контура при изменении параметров одного из его составляющих? Формулировка задачи может быть шире: что будет, если изменять исходные данные в заданном диапазоне с некоторым шагом? Использование последних версий пакетов схемотехнического моделирования позволяет в процессе исследования изменять более одного параметра в схеме в требуемом диапазоне.
Вторая группа задач имеет формулировку: как изменить схему или параметры ее компонентов, чтобы характеристики удовлетворяли некоторому заданному условию? Предположим, требуется получить гармонические колебания определенной частоты от кратковременного импульса и колебаний той же частоты, затухающих за четыре периода от момента возникновения.
Можно предлагать учащимся осуществлять комплексное моделирование. Сначала решается задача «что будет, если...», по полученным графикам характеристик проводится анализ зависимостей параметров модели от исходных данных, а на основе полученных выводов предлагается решение задачи «как сделать, чтобы...».
Организация педагогического эксперимента
Для определения эффективности предложенной методики был организован педагогический эксперимент. Цель педагогического эксперимента заключалась в решении следующих задач:
1. Выявить положительное влияние предложенной методики развития исследовательских умений учащихся в процессе изучения физике (темы «Электромагнитные колебания») с использованием схемотехнического моделирования на способность самостоятельного проведения учебных исследований.
2. Определить эффективность организации учебно-исследовательской деятельности школьников, основанной на структурных компонентах, соответствующих проведению научного исследования.
3. Выяснить зависимость динамики изменения сформированности исследовательских умений учащихся от использования в процессе обучения физике схемотехнических моделей и программ схемотехнического моделирования.
Нами применялись следующие методы педагогического исследования: беседы, наблюдения, анкетирование, опрос, тестирование.
Экспериментальная проверка эффективности предложенной методики осуществлялась сравнением данных, полученных при обучении учащихся путем:
- сопоставления динамики развития исследовательских умений;
- сравнения изменения познавательной активности учеников по результатам педагогического опроса;
- сравнения результатов тестирования учеников с целью выявления усвоения материала, развития исследовательских умений;
- проверки уровня самостоятельности при организации учебных исследований;
-оценки качества усвоения знаний по электромагнитным колебаниям.
При организации педагогического эксперимента мы столкнулись с рядом трудностей.
1. Первое затруднение заключалось в том, что на результаты педагогического эксперимента оказывают влияние различные факторы: особенности личности учителя, взаимоотношения учителя и учеников, отличия в общем развитии учеников, нравственная атмосфера в классном коллективе и т.д.
2. Второе затруднение заключалось в необходимости компьютерной грамотности учащихся и особенно учителя.
3. Третье затруднение касалось в отсутствии методической литературы по использованию компьютерных моделей при обучении физике.
Чтобы результаты нашего исследования получили распространение в школе, необходимо показать значимость решения проблемы развития исследовательских умений на основе компьютерного моделирования, сформировать потребность учителя в этом виде деятельности и предложить способ решения этой проблемы. Использование схемотехнического моделирования при изучении физики, возможность организации учебно-исследовательской деятельности на его основе и создание методики изучения темы «Электромагнитные колебания» решают обозначенную проблему (см. гл. 2).
Сущность предложенной методики состоит в том, что в процессе изучения предложенной темы по физике реализуются структурные компоненты учебно-исследовательской деятельности, а деятельность учителя осуществляется на основе требований:
- социальной значимости результата обучения;
- адаптации школьника к современным компьютерным технологиям проведения исследований;
- рационального использования возможностей компьютерных программ в процессе обучения.
Педагогический эксперимент состоял из трех этапов констатирующего, поискового и формирующего.
В процессе проведения констатирующего и поискового этапов эксперимента мы определили возможности и условия для использования схемотехнического моделирования как средства развития исследовательских умений школьников. Определили состояние организации учебно-исследовательской деятельности в практике школы, выявляли формы и методы его развития при изучении физики, определяли возможности его развития на основе компьютерного моделирования: наличие компьютерных и программных средств, умение работы с ними.
Результативность предложенной методики развития исследовательских умений определялась в ходе формирующего эксперимента, итоги которого можно объединить в три блока, согласно основным компонентам гипотезы исследования:
1. Доказано, что при использовании программ схемотехнического моделирования учебно-исследовательская деятельность школьников организуется в соответствии со структурой научной деятельности.
2. Обоснована практическая значимость использования предлагаемых схемотехнических моделей электрических устройств и явлений в процессе изучения темы «Электромагнитные колебания» для организации учебно-исследовательской деятельности школьников.
3. Подтверждено методом экспертной оценки, что при использовании схемотехнических моделей и результатов их анализа у учащихся формируются исследовательские умения, способность применять теоретические знания в практической деятельности.
