Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современный стиль научного мышления и физика колебательных и волновых процессов: состояние проблемы 17
1.1. Научное мышление и стиль научного мышления в методологии науки, психологии и педагогике 17
1.2. Стиль научного мышления как частнометодическая проблема 43
1.3. Взаимосвязь стиля научного мышления и личностных, метапредметных и предметных результатов общего образования 49
1.4. Роль изучения колебаний и волн в развитии современного стиля научного мышления 55
1.5. Развитие стиля научного мышления на основе представлений о колебаниях и волнах: практика работы школы 64
Итоги главы I 69
Глава II. Теоретическое обоснование методики формирования представлений учащихся о колебаниях и волнах, направленной на развитие современного стиля научного мышления учащихся 72
II.1. Общенаучные, общедидактические и частнометодические подходы как основа методики формирования представлений учащихся о колебаниях и волнах 72
II.2. Единый подход к изучению колебаний и волн различной природы в общеобразовательной школе 83
II.3. Модель методики формирования представлений учащихся о колебаниях и волнах, направленной на развитие современного стиля научного мышления учащихся 91
Итоги главы II 102
Глава III. Методика формирования представлений учащихся о колебаниях и волнах, направленная на развитие современного стиля научного мышления 103
III.1. Этап основной школы в развитии современного стиля научного мышления учащихся 103
III.2. Этап средней (полной) школы в развитии современного стиля научного мышления 116
III.3. Система заданий о колебаниях и волнах 147
III.4. Учебный физический эксперимент и физические модели как средства развития современного стиля научного мышления при изучении колебаний и волн 163
III.5. Диагностика успешности работы по развитию современного стиля научного мышления учащихся 169
Итоги главы III 183
Глава IV. Педагогический эксперимент 184
IV.l. Общая характеристика педагогического эксперимента 184
IV.2. Поисковый этап педагогического эксперимента 187
IV.3. Обучающий этап педагогического эксперимента 193
Итоги главы IV 207
Заключение 208
Список литературы 210
Приложения 222
- Взаимосвязь стиля научного мышления и личностных, метапредметных и предметных результатов общего образования
- Развитие стиля научного мышления на основе представлений о колебаниях и волнах: практика работы школы
- Единый подход к изучению колебаний и волн различной природы в общеобразовательной школе
- Учебный физический эксперимент и физические модели как средства развития современного стиля научного мышления при изучении колебаний и волн
Взаимосвязь стиля научного мышления и личностных, метапредметных и предметных результатов общего образования
Как уже было отмечено выше, индивидуальный стиль мышления выступает как определенный тип мыслительной деятельности, характеризующийся сформированностью у учащегося обобщенных методов и приемов познания, которые в совокупности с миропониманием и определенной направленностью личности образуют методологическую основу постепенно формирующегося у школьника мировоззрения [32].
Особенности мыслительной деятельности, а тем более мировоззрение человека входят в структуру его личности. Рассмотрим подробнее связь стиля научного мышления с развитием личности учащегося и роль формирования современного научного мышления учащихся в достижении новых образовательных результатов.
В психологии личности существует большое количество подходов к определению самого понятия «личность». Рассматривать все эти подходы не целесообразно (это не отвечает задачам данного исследования), остановимся подробнее лишь на некоторых из них.
Личность может рассматриваться как субъект межличностных и социальных отношений и сознательной деятельности [27]. Главным при этом в характеристике личности является ее общественная сущность, личность является онтогенетическим приобретением человека, результатом сложного процесса его социального развития, которое происходит в тесной взаимосвязи с развитием общества. Поскольку формирование личности происходит в результате взаимодействия индивида с обществом как системой общественных отношений, то можно выделить четыре фактора, влияющих на развитие личности, сочетание которых определяет условия формирования личности (схема 1).
Под политическими отношениями понимается общественный строй, в котором живет индивид, и его место в этом строе (свобода или гнет, наличие прав и т.п.). Система идеологических отношений формирует отношение индивида к различным сторонам общественной жизни. В ходе межличностных отношений, проявляющихся в том числе и в процессе производства и потребления материальных благ, люди взаимно влияют друг на друга, вследствие чего формируется общность или противоположность во взглядах, социальных установках и других видах отношений к обществу, труду, людям, самому себе [27].
В структуре личности разные исследователи выделяют три основных компонента [27, 123]: направленность (объединяет отношения и моральные черты личности, характеризуется доминирующими потребностями, интересами, склонностями, убеждениями, мировоззрением), социальный опыт (знания, умения, навыки, привычки, приобретенные в личном опыте путем обучения), биологическая обусловленность (объединяет типологические свойства личности, половые и возрастные особенности и ее патологические изменения).
Таким образом, процесс формирования личности начинается с усвоения социального опыта, т.е. усвоения предметных и межпредметных знаний и умений, на основе которых формируются определенные (для каждого возраста свои) ключевые компетенции, а самое главное готовность к саморазвитию и самообразованию. Формирующийся при этом подход к процессу и результатам собственной деятельности определяет стиль мышления человека, на основе которого формируется определенная направленность личности, убежденность, гражданская позиция, происходит социальная адаптация. Наглядно представить процесс формирования личности можно в виде следующей схемы (схема 2).
Отдельного внимания заслуживает вопрос связи формирования мировоззрения (и, в частности, стиля научного мышления) и развития личности учащегося.
В.В. Давыдов выделяет в качестве одной из важнейших черт высокоразвитой личности ее способность «действовать по собственному убеждению в сложных ситуациях...принимая на себя все социальную ответственность за возможные последствия» [49, с. 103]. Другие психологи понятие развития личности связывают с процессом формирования у них научных убеждений и мировоззрения в целом. В работах Божович Л.И. утверждается, что за счет развития внутреннего плана возникает превращение ребенка «из существа, подчиненного внешним влияниям, в субъекта, способного действовать самостоятельно на основе сознательно поставленных целей» [13, с. 338]. В работе доказывается, что мировоззрение оказывает решающее влияние на все психическое развитие старшего школьника, является причиной главных возрастных новообразований, «основных психологических сдвигов в развитии».
Дело в том, что в процессе развития индивида формируется внутренняя связь его сознания, своеобразная логика, которая дает субъекту относительную независимость от непосредственного момента. Его поведение в той или иной ситуации определяется не только этой ситуацией, но также его представлениями о будущем, замыслами, целями, воспоминаниями, представлениями о принципах поведения, мировоззрением и т.д. Все это в целом образует «внутренний мир личности». Формирование мировоззрения школьника при этом влияет на его познавательную сферу, на самосознание и мироощущение, особенности морального сознания и структуру мотивационной сферы [13]. Таким образом, формирование мировоззрения сопровождает развитие всех структурных элементов личности. Стиль научного мышления, как уже указывалось ранее, является методологической основой формирующегося мировоззрения, а значит, вносит непосредственный вклад в развитие личности учащихся. В Федеральном государственном образовательном стандарте основного общего и среднего (полного) общего образования определены личностные, предметные и метапредметные результаты обучения [150]. Связь стиля научного мышления учащегося и результатов обучения представлена на схеме 3.
Развитие стиля научного мышления на основе представлений о колебаниях и волнах: практика работы школы
Образовательное, мировоззренческое и политехническое значение изучения колебаний и волн различной природы в школьном курсе физики трудно переоценить. Изучая свет и звук, механические и электромагнитные колебания и волны, мы встречаемся с поразительной общностью многих закономерностей. Изучение волновых явлений позволяет показать границы применимости физических теорий, неисчерпаемость и многообразие свойств материи, объективный характер изучаемых законов и причинно-следственных связей, значение эксперимента как критерия истинности теории. При введении и рассмотрении понятия электромагнитной волны совершенствуется в своем формировании понимание того, что на макроуровне материальные объекты бывают двух видов - вещественные и полевые, формируется понимание учащимися их материального единства. Важной в изучении волновых явлений представляется идея пространственно-временного существования материи, проявляющаяся в конкретном случае в изображении волнового процесса с помощью графиков двух видов: зависимость колеблющихся характеристик полей от времени и от координаты точки среды в данный момент времени. Кроме того, обсуждая с учащимися вопрос "Что такое волна - материальный объект, или физический процесс?" можно показать учащимся неразрывную связь материи и движения [157].
Для того чтобы ответить на вопрос, какую роль играет изучение колебаний и волн в развитии современного стиля научного мышления, рассмотрим роль теории колебаний и волн в развитии современной науки, их место и особенности изучения в школьном курсе физики.
Современная наука идет по пути объединения отдельно существующих научных направлений в единое межнаучное направление - синергетику. Ми кешина Л.А. утверждает, что синергетический подход - это вновь разработанные способы осмысления и интерпретации эмпирических фактов, методов и теорий, накопленных в самых разных областях научных и вненаучных знаний и форм деятельности. Специалисты в этой области настаивают на том, что синергетика не образ мира, но стиль, образ мышления о нем [81, с.388].
Объединение подходов к изучению разных проблем идет на уровне одной науки, научной области (внутри естествознания, гуманитарных дисциплин и т.п.) и между научными областями (между естественнонаучными, точными и гуманитарными науками).
Так для современной физики характерно объединение подходов изучения макрофизики, микрофизики и мегафизики. К основным направлениям развития современной макрофизики относятся физика низких температур, физика систем с пониженной размерностью, управляемый термоядерный синтез, нелинейная физика, физические явления в экстремальных условиях. Основными направлениями развития современной микрофизики выступают уровни строения материи, «Великое объединение», современные методы исследования микрочастиц. Современное состояние и динамика развития мегафизики характеризуют общая теория относительности, космологическая проблема, всеволновая астрономия, необычные мегафизические объекты и явления, современная планетология [28]. Для успешной работы по всем этим направлениям (или даже просто для получения элементарных представлений об этих направлениях развития науки) необходимы знания теории колебаний и волн, а также их практического применения [23]. Так в физике систем с пониженной размерностью используются методы лазерной и оптической спектроскопии, на основе линейного и нелинейного рассеяния света, люминесцентные методы анализа, оптическая микроскопия, оптические методы изучения динамики электронных возбуждений [6]. В наноструктурных технологиях широко применяются интерферометрические методы. Нелинейная физика строится на основе теории нелинейных волн [82]. Всеволновая астрономия объединяет методы наблюдения с помощью различных типов приемников излучения космических объектов во всех диапазонах спектра электромагнитных волн [29]. Бурное развитие физики в XX веке привело к постепенной трансформации представлений о колебательном и волновом движении: от наглядных механических волн до абстрактного понятия волн вероятности, используемого для описания поведения и свойств микрочастиц.
Нельзя забывать и о широком политехническом значении колебаний и волн. В современной технике колебания и волны являются самым распространенным видом движения. Постоянно совершенствуются акустические методы исследования в биологии, геологии и геодезии, медицине. Активно совершенствуются устройства для излучения, приема, воспроизведения звуковых и электромагнитных волн [5, 82, 20].
И это только содержательная сторона значения изучения колебаний и волн для формирования представлений учащихся о современном уровне развития физической науки.
Усвоение языка колебаний и волн важно и для освоения тенденций и перспективных направлений развития в других областях. Описание систем с периодически меняющимися параметрами можно встретить в химии (периодические химические реакции), в экологии (периодически меняющееся количество особей в двух соседствующих популяциях - традиционная модель хищник-жертва), в литературе (в описаниях фантастических рассказов встречаются ситуации, когда незначительные изменения в начальных условиях приводят к значительным изменениям в процессах за короткое время, выражая тем самым яркий пример неустойчивости процессов), в социальных явлениях (модели гонки вооружений), ритмы в моде и искусстве, в биологии, волны эпидемий и экологических нашествий, экономических роста и спада, экономических кризисов и др. Все эти понятия не имеют ничего общего с определением волны, даваемым в курсе физики, однако математические закономерности, применяемые для описания периодических процессов в разных сферах жизни и деятельности человека примерно одни и те же [82, 144].
Для теории колебаний и волн, в первую очередь, важны общие свойства колебательных и волновых процессов, а не детали поведения системы, связанные с проявлением ее конкретной физической, химической, биологической и другой природы. Эти общие свойства в реальных системах устанавливаются на основе анализа немногочисленных эталонных моделей.
Формированию представлений учащихся о колебаниях и волнах различной природы посвящено достаточно много исследований и методических работ [77, 96, 97, 117, 118, 168 и др.]. В пособии для учителей Н.Н.Малова рассматриваются основы колебательных процессов, подчеркивается физическая сущность колебательных явлений и общность математических методов, применяемых для описания разных по природе процессов [77]. Методических рекомендаций по изучению колебаний в школьном курсе физики автор не дает. Это пособие направлено скорее на то, чтобы восполнить недостатки в знаниях самих учителей.
Единый подход к изучению колебаний и волн различной природы в общеобразовательной школе
В основу подхода к изучению колебаний и волн различной природы может быть положен принцип генерализации знаний. Принцип генерализации может быть отнесен к дидактическим принципам наряду с принципами научности, доступности и др. Принцип генерализации предполагает такое структурирование учебного материала, при котором выделяется одна или нескольких стержневых идей и учебный материал объединяется вокруг них. Так в средней (полной) школе материал группируется вокруг фундаментальных физических теорий. Однако возможно нарушение такой структуры материала путем выделения частных физических теорий и структурирования материала вокруг них. Одной из таких частных теорий выступает учение о колебаниях и волнах [112].
Применительно к изучению колебаний и волн принцип генерализации предполагает рассмотрение в единстве основных свойств различных объектов и явлений с последующим применением выявленных закономерностей к изучению всего многообразия физических явлений.
Целесообразность единого подхода к изучению колебательных и волновых процессов разной природы обусловлена двумя обстоятельствами [96, 76]: в настоящее время нет такой области физики и техники, где не проявлялись бы колебательные процессы; законы колебательного движения имеют свою специфику - они обладают универсальностью, всеобщностью для колебаний различной физической природы. В поведении различных колебательных и волновых систем обнаруживаются одни и те же закономерности, а значит, они могут быть исследованы с помощью общих моделей и аналогичных дифференциальных уравнений. Усвоение универсальных закономерностей вырабатывает умение подходить к изучению этих явлений с общих позиций. А концепция единого подхода к изучению колебаний и волн различной природы представляет собой общий метод их анализа.
Элементы единого подхода к изучению колебательных и волновых процессов можно встретить в работах Х.Гюйгенса, М.В. Ломоносова, Р. Дэн Рэ-лея, А.Г. Столетова, П.Н. Лебедева, Г.С. Гирелика и других физиков. Однако лишь в работах Л.И. Мандельштама и его учеников единый подход к изучению колебаний и волн стал рабочим инструментом, который систематически применялся как в решении научных проблем, так и в преподавании [96].
Эффективность применения единого подхода к изучению колебаний и волн различной природы была неоднократно доказана как со стороны науки, так и со стороны практической деятельности. С его помощью разработаны теория нелинейных колебаний, теория комбинационного рассеяния света, об наружен параметрический резонанс и создана теория параметрических генераторов и усилителей [76].
Использование единого подхода к изучению колебаний и волн любой физической природы, а также усвоение языка учения о колебаниях отвечает тенденциям генерализации знаний, усиления роли теоретических обобщений в обучении и продолжает методическую линию анализа родственных по природе или аналогичных процессов и рассмотрения их с позиций общих физических идей.
Реализовать единый подход к изучению колебанию и волн можно в рамках объединения в одном разделе сведений о различных колебательных и волновых процессах. Это позволяет изучать их с единой точки зрения и тем самым сформировать у учащихся более глубокие, практически применимые (действенные) знания. Одновременно достигается экономия учебного времени, поскольку данный подход помогает осуществить внутрипредметные связи, прививает умение осуществлять перенос знаний из одной области явлений на другие, не загромождает память учащихся частностями, развивает их физическое мышление. Кроме того, в случае единого подхода удается значительно глубже изучить аналогичные явления, например, такие как отражение, преломление, интерференция, дифракция механических и электромагнитных волн в разных диапазонах [96, 118, 76].
Изучение колебаний и волн различной физической природы в одном разделе курса можно реализовать двумя путями [118, 96]. Первый путь заключается в том, что раздел «Колебания и волны» включает в себя ряд тем, каж-дая из которых посвящена изучению колебаний и волн какой-либо одной фи-зической природы: сначала изучаются механические колебания и волны, а затем электромагнитные. Второй путь состоит в том, что все колебания различной природы изучаются совместно. А затем рассматриваются волны - механические, электромагнитные и оптические (как частный случай электромагнитных волн). Выбор подхода к структурированию материала в рамках колебательно-волнового концентра должен основываться на целях обучения и зависеть от уровня обучения и профиля класса. Структурирование материала о колебаниях и волнах в средней (полной) школе в рамках колебательно-волнового концентра имеет ряд возражений, которые были описаны в 1.4. Как уже было сказано, сегодня в условиях обязательного 9-летнего образования курс физики основной школы включает в себя рассмотрение вопросов, связанных с возникновением и распространением механических и электромагнитных колебаний и волн, в том числе волн оптического диапазона. Поэтому изучение этих явлений в старшей школе может носить более углубленный характер, опираясь на знания, полученные в курсе основной школы.
Такое построение изучения колебаний и волн реализует принцип цикличности в обучении. Однако даже в рамках такого структурирования материала полноценное математическое описание колебательных и волновых процессов на основе решения дифференциальных уравнений остается неприемлемым для большинства учащихся средней школы. Всестороннее математическое описание доступно учащимся общеобразовательной школы лишь для гармонических колебаний в идеальных колебательных системах. Все остальные виды колебаний и волн могут изучаться лишь на качественном уровне и с применением экспериментального метода обучения. В таких условиях полноценной реализации единый подход к изучению колебаний и волн не получает.
В исследовании Лукина Ю.А. [76] предлагается решить такую проблему путем разработки энергетического способа реализации единого подхода, основанного на более подробном рассмотрении изменений энергии в колеба-тольных системах. На основе этого способа предлагаются общий метод аналіз за колебательных процессов любой физической природы, структурно-логические схемы энергетических превращений при колебательных процессах как дополнительные знаково-символические средства анализа колебаний, структурирование учебного материала о колебаниях в виде крупных блоков информации, изучаемых в соответствующих природе колебаний разделах школьного курса физики, последовательно с энергетической точки зрения по методу восхождения от абстрактного к конкретному.
Учебный физический эксперимент и физические модели как средства развития современного стиля научного мышления при изучении колебаний и волн
Важное значение имеют не только количество и последовательность уроков в теме, но и формы организации познавательной деятельности учащихся на уроке, последовательность изложения материала, уровень самостоятельности учащихся.
Рассмотрим особенности уроков на примере уроков по изучению интерференции и дифракции электромагнитных волн радиодиапазона и световых явлений. Так, урок изучения нового материала (табл. 12а урок№ 23, табл. 126 урок № 5, табл. 12в урок № 4) должен строиться на основе изученных на предыдущем уроке явлений отражения, преломления, поляризации, поглощения электромагнитных волн с особым вниманием к демонстрационному эксперименту. При этом необходимо тщательно продумать, что должно остаться в тетрадях учащихся, для того чтобы эксперимент носил обучающий характер. Учитель должен косвенно акцентировать внимание учащихся на определенных положениях (элементах знаний по данной теме). Характерные отличия данного урока в классах разных профилей должны состоять, прежде всего, в последовательности изложения материала, в использовании математических закономерностей для описания интерференционных картин, в использовании аналогий между механическими и электромагнитными волнами. В классах физико-математического профиля целесообразно сначала продемонстрировать явление интерференции, обсудить с учащимися увиденное, сравнить с интерференцией механических волн, вывести условия минимумов и максимумов интерференционной картины. Затем подобным же образом изучается явление дифракции. В классах же, где физика изучается на базовом уровне, необходимо сначала продемонстрировать оба явления, создать у учащихся целостное представление о явлениях интерференции и дифракции, доказывающих существование такого объекта, как волна, и только после этого переходить к анализу этих явлений. При использовании аналогий с механическими волнами рекомендуется еще раз напомнить учащимся либо саму демонстрацию интерференции и дифракции волн в волновой ванне, либо (что удобнее) компьютерную модель этих явлений. В классах биолого-химического профиля изучение волновых явлений разной природы оказывается разделено темой «Электромагнитные колебания». Поэтому на таком уроке изучение интерференции и дифракции электромагнитных волн необходимо сопровождать демонстрацией явлений для звуковых волн (в этом случае возможно применение видеозаписи демонстрации), модельным представлением этих явлений, наглядной демонстрацией единства закономерностей для волн различной природы. В этом случае урок вносит значительный вклад в развитие таких черт современного стиля научного мышления, как синтетичность, математизированность, успешность в работе с моделями.
В планировании для классов всех профилей присутствует урок - лабораторная работа «Определение длины волны света». Лабораторная работа по определению длины волны света с помощью дифракционной решетки проводится в завершении изучения волновой оптики.
Важно в классах всех профилей так организовать работу учащихся, чтобы была достигнута максимальная самостоятельность при проведении и обработке результатов исследования. При этом в классах физико-математического профиля целесообразно просто сформулировать задачу исследования и предложить учащимся избыточный набор экспериментального оборудования. Обязательным является расчет погрешности измерений. В классах базового уровня необходимо сформулировать проблему определения длины волны света, затем вместе с учащимися смоделировать экспериментальную установку (для этого можно использовать компьютерные модели или интерактивные лабораторные работы), сформулировать последовательность выполнения исследования, затем предоставить учащимся возможность самостоятельного выполнения работы. Особое внимание при выполнении лабораторной работы учащимися следует уделить этапу рефлексии. В классах физико-математического и биолого-химического профилей вопросы рефлексии целесообразно включить в задания к лабораторной работе, в классах, изучающих физику на базовом уровне, - провести устный анализ результатов исследования.
Во внеурочной деятельности интегрированный подход к процессу обучения должен проявляться, прежде всего, при определении тематики исследовательских работ. Так учащимся могут быть предложены такие темы, как: - Насколько вредно излучение мобильного телефона? - Основные источники электромагнитного излучения в моей квартире. - Прокладка судоходных путей на основе анализа статистики возникновения «одиночных» волн. - Экранирование электромагнитных излучений как основа информационной безопасности. - Экранирование звуковых волн как основа информационной безопасности. - Эффективность применения прослушивающих устройств в закрытых помещениях. К основным требованиям при формулировке тем исследовательских работ можно назвать следующие: 1) связь с изучаемыми темами в основном курсе физики; 2) практическая значимость исследования; 3) интегрированный характер исследования; 4) связь направления интеграции с профилем обучения.
Таким образом, изучение колебаний и волн в курсе физики средней (полной) школы может внести вклад в развитие современного стиля научного мышления, если будут учтены установленные в ходе исследования особенности данного этапа, а именно:
1. Целью изучения колебаний и волн на этапе средней (полной) школы с точки зрения развития стиля научного мышления учащихся будет выступать развитие определенных специфических черт этого стиля - синтетичность, системность, успешность в работе с моделями и др. Однако ведущая роль различных черт стиля научного мышления определяется спецификой профиля обучения. Для классов, изучающих физику на базовом уровне (гуманитарный, общеобразовательный профиль и др.), основное внимание должно быть уделено развитию синтетичности и рефлексивности мышления, в классах биолого-химического профиля в первую очередь следует развивать такие черты современного стиля научного мышления, как системность и синтетичность, а в классах физико-математического профиля - системность, математи-зированность, успешность работы с моделями, синтетичность.
2. Учебный материал о колебаниях и волнах целесообразно структурировать в виде различных вариантов колебательно-волнового концентра. В классах, изучающих физику на базовом уровне, колебания и волны должны объединяться в соответствии с единством математических закономерностей (сначала должны изучаться механические и электромагнитные колебания, а затем механические и электромагнитные волны), в классах биолого-химического профиля - в соответствии с единством природы рассматриваемых процессов (сначала механические колебаний и волны, затем - электромагнитные), в классах физико-математического профиля - по природе процессов, однако при этом целесообразно проводить обобщающие уроки в начале и в конце изучения колебаний и волн, отражающие единство математических закономерностей, описывающих разные по природе процессы.
