Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Психолого-педагогическое обоснование проблемы 13
1.1. Исследовательски ориентированное обучение в современном физическом образовании 13
1.2. Моделирование в методологии физики 20
1.3. Физическое моделирование как средство развивающего исследовательского обучения 30
1.4. Модельные представления теории твердого тела в обучении физике 41
Глава 2. Методика изучения моделей электронной теории конденсированного состояния 52
2.1. Общие принципы методики формирования культуры физического моделирования 52
2.2. Изучение базовых моделей явлений электронного переноса в твердых телах 58
2.3. Качественные задачи в обучении физическому моделированию 81
2.4. Задачи физического моделирования в исследовании кинетических свойств твердых тел 112
2.5. Физическое моделирование в обучении решению задач прикладного материаловедения 132
Глава 3. Экспериментальная проверка методики 142
3.1. Организация и проведение педагогического эксперимента 142
3.2. Состояние проблемы в практике работы преподавателей физики вузов 148
3.3. Формирующий эксперимент 160
Заключение 168
Библиография 170
- Исследовательски ориентированное обучение в современном физическом образовании
- Общие принципы методики формирования культуры физического моделирования
- Организация и проведение педагогического эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы. Современной концепции физического образования отвечает метод обучения, при котором основные элементы преподавания соответствуют основным элементам научного исследования. Значительное место в исследовательски ориентированном обучении должно занимать формирование культуры моделирования. Это обусловлено рядом принципиальных причин: модельным характером знаний об окружающем мире; важнейшей ролью моделирования в методологии научного познания; возможностями, которые открывает анализ адекватных изучаемым явлениям моделей.
Кульминационным моментом в процессе научного поиска было и остается выдвижение центральной идеи, построение качественной картины — физической модели явления, позволяющей объяснить полученные и прогнозировать новые экспериментальные результаты и открывающей возможности последующего математического описания.
Физическое моделирование — процесс творческий, и стандартных путей построения физической модели не существует. Вместе с тем, анализ содержания и структуры деятельности по физическому моделированию в науке позволяет выделить ряд необходимых для построения физической модели явления исследовательских умений, в том числе, сущностный анализ условий и результатов эксперимента, формулирование эмпирических обобщений, использование фундаментальных закономерностей, базисных моделей теории, введение разумных допущений с учетом особенностей объекта исследования, нахождения соответствующего математического аппарата для количественного описания явления (построения его математической модели), формулирование следствий, вытекающих из модельных представлений, и их экспериментальной проверки.
Поскольку указанные умения принципиально важны для исследовательской работы в целом, их освоение в полной мере отвечает задаче формирования методологической компетентности учащихся, являющейся одной из основных на современном этапе развития отечественной школы.
Путь к формированию умений построения физической модели явления лежит через разработку методики исследовательски ориентированного преподавания конкретных разделов и вопросов физики. Одним из таких разделов является электронная теория конденсированного состояния вещества. Будучи основанной на фундаментальных моделях физики, и вместе с тем, являющейся источником новых модельных представлений; разработанной и консервативной в части базисных модельных представлений, непрерывно развивающейся в плане частных модельных представлений и непрерывно развивающейся в плане частных модельных представлений; позволяющей осмыслить ценность и цену идеализации, границы применимости теории и роль парадоксов в ее развитии; допускающей возможность практической постановки ряда принципиально важных экспериментов в условиях вузовской лаборатории и имеющей обширные практические приложения, электронная теория конденсированного состояния содержит в себе обширный фактический материал и стимулы для развития основных исследовательских умений построения физической модели явления.
Исследовательски ориентированное обучение электронной теории конденсированного состояния в рамках общего физического образования может в определенной степени способствовать преодолению известного противоречия между лидирующей по объему исследований и практической значимости результатов ролью физики конденсированного состояния во всем комплексе физических наук и тем скромным местом, которое она занимает в учебном процессе. В этом отношении разработка соответствующей методики обучения может способствовать повышению не только методологической, но и профессиональной компетентности выпускников вузов.
Объектом исследования является процесс обучения студентов факультетов физики вузов.
Предметом исследования является содержание и технология организации учебного процесса обучения электронной теории конденсированного состояния, направленные на развитие исследовательских умений построения физической модели явления.
Цель исследования - разработка методических основ формирования исследовательских умений построения физической модели явления как важного компонента методологической компетентности студентов факультетов физики вузов на основе обучения электронной теории конденсированного состояния.
Гипотеза исследования - изучение электронной теории конденсированного состояния станет важным средством формирования умений построения физической модели явления, если будет осуществлен системный подход к проектированию и реализации учебного процесса в плане:
отбора содержания, его единства на занятиях различного типа, анализа модельных представлений теории в их развитии;
взаимосвязи развиваемой физической модели с экспериментальными результатами и математической моделью явления;
разработки технологии организации учебной деятельности, соответствующей, с одной стороны, - целям исследовательски ориентированного обучения, а с другой стороны, - уровню теоретических знаний и сформированности познавательных возможностей студентов.
Исходя из цели и гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи:
1. Определить роль физического моделирования в развивающем, исследовательски ориентированном обучении.
2. Проанализировать возможности, которые предоставляет обучение электронной теории конденсированного состояния для развития необходимых исследовательских умений физического моделирования.
3. Сформулировать принципы проектирования и реализации учебного процесса по обучению электронной теории конденсированного состояния, отвечающие целям формирования культуры физического моделирования.
4. Разработать методические подходы к анализу содержания и путей построения и применения моделей электронной теории конденсированного состояния на лекционных и практических занятиях.
5. Разработать учебно-исследовательские задания, выполнение которых требует и способствует развитию умений построения физической модели явления.
6. Проверить эффективность методики обучения электронной теории конденсированного состояния в плане формирования культуры физического моделирования.
Методологическую основу исследования составляют:
философские, психологические и педагогические концепции познавательной деятельности (В.В.Давыдов, И.Я.Ланина, А.Н.Леонтьев, Ю.Н.Кулюткин, Я.А.Пономарев, В.Г.Разумовский, С.Л.Рубинштейн, А.П.Тряпицына, Г.И.Щукина и др.);
- достижения и тенденции развития теории и методики обучения физике (В.А.Извозчиков, А.С.Кондратьев, И.Я.Ланина и др.);
- методические подходы к формированию представлений о моделировании в методологии научного познания (С.Е.Каменецкий, А.С.Кондратьев, А.А.Никитин, В.В.Попкович, В.Г.Разумовский, Н.А.Солодухин);
- исследовательские образовательные технологии как инновационные подходы к содержанию и технологии организации учебного процесса (М.В.Кларин, В.В.Лаптев, В.Г.Разумовский, В.А.Сластенин и др.).
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:
- теоретический анализ проблемы на основе достижений современной физики конденсированного состояния, результатов психолого-педагогических и методических исследований, в том числе концепции постановки учебного процесса как реализации учебной модели науки;
- анализ содержания электронной теории твердого тела в вузовских программах, учебниках и учебных пособий и опыта ее преподавания в педагогических и других вузах на предмет востребованности и развития исследовательских умений физического моделирования;
- проведение педагогического эксперимента с целью определения эффективности предлагаемой методики.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечиваются:
- опорой на современные достижения физики конденсированного состояния, психолого-педагогических и методических исследований по инновационной деятельности в системе образования, развитию исследовательского подхода с целью формирования методологической компетентности учащихся;
использованием различных методов исследования, адекватных поставленным задачам;
- рациональным выбором критериев эффективности разработанной методики формирования исследовательских умений физического моделирования;
- апробацией разработанной методики в РГПУ им. A. PL Герцена и ряде других вузов и положительными результатами проведенного педагогического эксперимента.
Научная новизна работы заключается в следующем.
В отличие от традиционного подхода к обучению электронной теории конденсированного состояния, когда она преподается как оформленный ограниченный объем авторитетной информации, развитая в настоящей работе методика, предполагает освоение модельных представлений теории в их развитии: взаимосвязи с экспериментом, построении качественной картины изучаемого явления, его математического описания.
Показано, что обучение данной теории, при этом, может быть эффективным средством формирования исследовательских умений построения физической модели явления, как важного компонента развивающего, исследовательски ориентированного обучения.
Предложен системный подход к построению учебного курса: от базисных моделей теории на лекционных занятиях к формированию частных моделей явлений на практических занятиях, с опорой на фундаментальные закономерности и принципы физики, экспериментальные результаты, учетом особенностей атомного и электронного строения конденсированных веществ и выходом на математическое моделирование.
Разработана и обоснована технология организации учебной деятельности студентов-физиков по овладению определенными необходимыми умениями построения физической модели явления, предполагающая поэтапное возрастание объема и уровня сложности заданий и степени самостоятельности студентов при их выполнении: от лекционного исследования к решению качественных задач, и далее, к полномасштабному учебному исследованию, представляющему собой конкретную реализацию учебной модели научного исследования.
Определены принципы проектирования и содержание учебных исследовательских заданий, в которых построение физической модели изучаемого явления по своему месту, структуре деятельности и функциональным возможностям отвечает методологии реального научного исследования. Обоснована целесообразность постановки, в ряду других, заданий, направленных на установление механизмов процессов, определяющих функциональные свойства материалов и приборных систем электроники и определение принципов создания твердотельных элементов с заданными свойствами.
Практическое значение и использование работы состоит в том, что результаты исследования в части предлагаемых циклов учебных исследовательских заданий доведены до уровня конкретных методических разработок и рекомендаций по обучению физике конденсированного состояния на факультетах физики вузов.
Предлагаемые в работе содержание и технология организации учебного процесса использованы при составлении и реализации учебных программ для студентов, обучающихся в магистратуре факультета физики Российского Государственного Педагогического Университета им. А. И. Герцена по направлению «Физика конденсированного состояния».
Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты работы докладывались на Международных конференциях «Физика в системе современного образования» ФССО-99 (Санкт-Петербург, 1999 г.), ФССО-2001 (Ярославль, 2001 г.); Н-ой Международной Научно-методической конференции «Новые технологии в преподавании физики: школа и ВУЗ» (Москва, 2000 г.); Съезде Российских физиков-преподавателей «Физическое образование в XXI веке» (Москва, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики в современных условиях» (Екатеринбург, 2002 г.), Международных конференциях «Физика диэлектриков» (Санкт-Петербург, 2000 г.), «Физика полупроводников и полуметаллов» (Санкт-Петербург, 2002 г.); Герценовских чтениях (Санкт-Петербург).
На защиту выносятся следующие положения:
1. Необходимость развития у студентов вузов умений построения физической модели явления в плане формирования их методологической компетентности делает целесообразной, а предлагаемая методика - возможной постановку исследовательски ориентированного обучения электронной теории конденсированного состояния.
2. Содержание спецкурса по физике конденсированного состояния при соответствующих выборе материала и формах организации учебной деятельности может строиться как развивающаяся система моделей, освоение которой дает понимание модельного характера теоретических представлений, характерных проблем физического моделирования, присущей ему структуры деятельности и открываемых возможностей в фундаментальных и прикладных исследованиях.
3. Изучение электронной теории конденсированного состояния способствует развитию культуры физического моделирования при следующих условиях:
проведения занятий в форме циклов учебных исследований, при выполнении которых построение и использование физической модели явления занимают место и имеют характер, соответствующие реальному научному исследованию;
изучения модельных представлений теории в их становлении во взаимосвязи с экспериментом - столкновении с экспериментальными результатами, требующими объяснения, формулирования гипотезы, экспериментальной проверки ее следствий, включая прогнозирование новых явлений;
включения в учебную исследовательскую деятельность качественных задач, при решении которых востребованы и развиваются основные умения построения модели;
- единства физического и математического моделирования при взвешенном сочетании качественного и количественного подходов к анализу изучаемых явлений;
- соответствия содержания курса и технологии организации процесса выполнения заданий уровню сформированное познавательных возможностей студентов.
Содержание основных положений диссертации раскрыто в следующих публикациях.
Первое положение: 1. Физическое моделирование в решении задач электроники конденсированных сред. В кн. Физика конденсированного состояния и электроника. Проблемы науки и образования. СПб., РГПУ им. А.И. Герцена, 2000, с. 174-185 (в соавторстве).
2. Исследовательские умения построения физической модели явления в подготовке учителей физики. Материалы международной научно-практической конференции «Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики в современных условиях», Екатеринбург, 2002, УГЛУ, часть I, с. 57-59 (в соавторстве).
3. Развитие умений разработки физической модели при обучении электронной теории конденсированного состояния. Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов» (ФПП-2002) СПб., 2002, с. 233-234.
Второе положение:
4. Физические модели явлений электронного переноса в изучении основ теории твердого тела. Физическое образование в ВУЗах, 1999, том 5 №4, с. 30-36 (в соавторстве).
5. Модели электроники твердого тела в физике диэлектриков. Тезисы докладов Международной конференции «Физика диэлектриков» (диэлектрики-2000). СПб., Россия, 2000, том 2, с. 192
6. Технология исследовательского обучения физике конденсированного состояния в Педагогическом Университете: физическое и математическое моделирование. Материалы съезда российских физиков-преподавателей «Физическое образование в XXI веке». Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2000, с. 72 (в соавторстве).
Третье положение:
7. Физическое моделирование и проблема единства эксперимента и теории в обучении физике твердого тела. В сб. «Методика обучения физике в школе и ВУЗе». СПб., РГПУ им. А.И. Герцена, 2000, с. 189-191 (в соавторстве).
8. Учебные исследования проблем прикладного материаловедения как средство развития умений физического моделирования. В сб. Современные проблемы обучения физике в школе и вузе. СПб., Изд-во РГПУ им. А.И.Герцена, 2002, с. 276-278.
9. Эксперимент, теория, практика в обучении физике конденсированного состояния. Тезисы докладов конференции «ФССО-2001». Ярославль, 2001, том 1, с.50-52 (в соавторстве).
10. Качественные задачи в исследовательском обучении физике. Тезисы докладов конференции «ФССО-2001». Ярославль, 2000, том 1, с.52-53 (в соавторстве).
11. Цикл научно-исследовательских заданий по физике твердого тела как средство формирования культуры физического моделирования. Материалы П Международной научно-методической конференции «Новые технологии в преподавании физики: школа и ВУЗ». Москва, Ml 1 ГУ, 2000, с. 53-54 (в соавторстве).
12. Модели переноса заряда в металлооксидных диэлектриках и проблема поиска новых конденсаторных материалов. Тезисы докладов Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики-2000). СПб., Россия, 2000, том 1, с. 21.
13. Инжекционно-стимулированные явления в аморфных оксидах переходных металлов. Тезисы докладов Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики-2000). СПб., Россия, 2000, том 1, с.20.
Личный вклад автора. Работы 3, 5, 8, 12, 13 выполнены и написаны лично автором. В работах 1, 2, 4, 6, 7, 9-11 научный руководитель СД.Ханин принимал участие в постановке задачи и анализе результатов, выполнение работы принадлежит автору.
Исследовательски ориентированное обучение в современном физическом образовании
Методика обучения физике на современном этапе в значительной степени основывается на концепции исследовательского обучения. Суть этого подхода состоит в построении учебного процесса таким образом, что он позволяет моделировать основные элементы научного исследования в последовательности и пропорциях, отвечающих реальному положению дел в науке. Согласно концепции, впервые сформулированной А.А.Самарским [54, 55, 109, 110] и развитой, применительно к физическому образованию А.С.Кондратьевым [58, 59, 60, 62, 64, 66], образование выступает как учебная модель науки.
Распространенным в педагогике в настоящее время является следующее понимание исследовательского обучения [72]. Это обучение, в котором учащийся ставится в ситуацию, когда он сам овладевает понятиями и подходом к решению проблем в процессе познания, в большей или меньшей степени организованного (направляемого) преподавателем. Результатом такого обучения является не только усвоение знаний, но и, что самое главное, методологическая компетентность учащихся.
Важнейшая цель исследовательски ориентированного обучения состоит в развитии у студентов физического мышления, освоение ими самого стиля научного мышления, лежащего в основе физических исследований. Постановка такого обучения требует, в первую очередь, ясного понимания задач физики и вытекающих из них содержания и структуры научного исследования.
Следуя галилеевскому подходу, составляющего основу подхода к исследованию и в современной физике, задачи физики - придумать эксперимент, повторить его несколько раз, исключив или уменьшив влияние возмущающих факторов, уловить в неточных экспериментальных данных математические законы, связывающие величины, характеризующие явления, предусмотреть новые эксперименты для подтверждения - в пределах экспериментальных возможностей - сформулированных законов, а, найдя подтверждения, идти дальше с помощью дедуктивного метода и найти новые следствия из этих законов, в свою очередь подлежащие проверке [132].
Человек, которым подобная схема действий органически усвоена, с определенностью обладает физическим мышлением. На достижение этой цели и должно быть направлено физическое образование, если оно претендует быть не только информационным, но и методологическим.
В наиболее общем виде исследовательское обучение предполагает, что учащийся выполняет следующие действия:
- выделяет и ставит проблему, которую необходимо разрешить;
- предлагает возможные решения;
- проверяет эти возможные решения;
- делает выводы в соответствии с результатами проверки;
- применяет выводы к новым данным;
- делает обобщения.
Исследовательски ориентированное обучение — это ответ на вызов времени. Существует целый ряд факторов, диктующих его необходимость. Во-первых, физика к настоящему времени столь развита и продолжает столь быстро развиваться, что содержание учебных курсов принципиально не способно поспевать за наукой. Господствовавший в физическом образовании принцип, согласно которому будущий специалист в процессе обучения должен в определенной мере повторить весь путь развития физики, оказывается недостижимым. Разрыв между содержанием науки и учебной дисциплины все более возрастает. Совершенно ясно, что в настоящее время, когда объем знаний, накопленных в физике, многократно возрос, а реальная продолжительность обучения физике сокращается, необходим качественно иной подход к организации учебной деятельности. Основной ее целью становится овладение учащимися универсальными исследовательскими умениями и навыками. Речь идет о таком образовании, важнейшим показателем качества которого являются не сумма усвоенных конкретных знаний, а сформированность у учащихся умений и навыков самостоятельно приобретать знания в новой, незнакомой для них области.
Общие принципы методики формирования культуры физического моделирования
Предлагаемая в настоящей работе методика обучения основывается на ряде принципов, проистекающих из ее целевого назначения и специфики физического моделирования как метода научных исследований.
Важнейшей целью изучения электронной теории конденсированного состояния, в плане развивающего, исследовательски ориентированного обучения, представляется приобретение студентами опыта физического понимания явлений.
Для того, чтобы понять явление, необходимо прежде всего составить качественное представление о его природе. В приобретении этого навыка, по-видимому, состоит основная трудность формирования культуры физического моделирования. Важно отметить, что качественное представление, адекватное изучаемому явлению, в действительности невозможно без количественного описания. В учебном процессе качественный и количественный подходы должны быть в максимальной степени сбалансированы.
При этом следует избегать двух крайностей: излишне формализованного подхода, с одной стороны, и стремления ограничиться наводящими соображениями, с другой стороны. Как отмечал Э.Ферми: «Уродливо выглядит изложение материала, перегруженное математическими выкладками, за которыми надежно «похоронен» физический смысл рассматриваемого явления. Не менее нелепым представляется изложение, полностью игнорирующее возможность выразить или проиллюстрировать основные положения с помощью формул, отсутствие которых вынуждает проводить надуманные искусственные рассуждения, которые только затемняют суть вопроса, зачастую использовать неудачные сравнения и аналогии и так далее» [96].
Руководящей здесь может стать идея Бора о дополнительности физической картины явления и его математического описания, выражающаяся в дополнительности понятий «истинность» и «ясность» [78]. При построении ясной физической картины явления неизбежно приходится жертвовать деталями, что делает такое описание приближенным. Точное же математическое описание явления затрудняет ясное его понимание.
Из этого следует, что освоение каждой модели должено осуществляться поэтапно. На первом этапе изучаемое явление описывается вербально, отмечаются его особенности и характеристики. На втором этапе выделяются первостепенные, с точки зрения поставленной задачи, черты явления и абстрагируются от второстепенных. На третьем этапе на качественном уровне формулируется основополагающая гипотеза о механизме явления, что основывается в значительной степени на интуиции. Наконец, на четвертом этапе формулируются предпосылки модели и, основываясь на них, производится описание явления. Последнее может осуществляться на различных уровнях, начиная с феноменологического анализа, и кончая достаточно строгими, доступными по математическому уровню студентам расчетами с использованием как аналитических, так и численных методов решения соответствующих дифференциальных уравнений, а также, при необходимости, компьютерного моделирования. Это позволяет студенту, в зависимости от степени его заинтересованности в проблеме и наличия определенных навыков, выбрать необходимый ему уровень полноты и точности приобретаемых знаний и способы их получения.
Содержание физического моделирования как метода научного познания может стать ясным студентам только при условии, если в учебном процессе оно будет занимать соответствующее реальному исследованию место. В этой связи физическое моделирование при изучении курса должно быть неизменно сопряжено с экспериментом.
Моделирование при этом выступает как посредник между экспериментом и теорией. Действительно, с одной стороны, экспериментальные исследования невозможны без модельных представлений: модели необходимы уже на этапе постановки эксперимента, при определении его условий, разработке (выборе) информативных методик, объяснении полученных результатов и соотнесении их с соответствующими теоретическими представлениями, восстановлении из экспериментальных данных необходимых параметров, прогнозировании новых явлений. С другой стороны, формирование модели невозможно без эксперимента: результаты последнего обнаруживают саму необходимость модели, учитываются при формулировании ее предпосылок, основной идеи, служат критерием адекватности изучаемому явлению, выявляют границы применимости.
Следует понимать, что обучение физическому моделированию — это не только обучение теории, когда, говоря словами Дж. Займана «гораздо проще считать, что предмет можно изучить априорным путем, выводя логические следствия из разумных предпосылок, чем метаться вперед и назад, из стороны в сторону, от эксперимента к феноменологическим соотношениям и снова к эксперименту, пока не будет получено фундаментальное объяснение» [36], а формирование культуры физического исследования в целом, с упором на развитие той специфической формы сообразительности, которую принято называть физическим мышлением.
Организация и проведение педагогического эксперимента
Задачей педагогического эксперимента в настоящей работе являлась проверка эффективности предлагаемой методики в части освоения студентами исследовательских умений физического моделирования.
Постановка этой задачи предполагает, в первую очередь, проверку правильности представленной гипотезы исследования (введение).
В качестве главного критерия эффективности разработанной методики было выбрано умение студентов построить (выбрать) физическую модель явления и сформулировать вытекающие из нее следствия, допускающие экспериментальную проверку.
Выбор этого критерия соответствует самой логике физики конденсированного состояния, успехи которой в значительной степени основаны на радикальном упрощении сложных реальных систем, изучении возникающих при этом моделей с последующим поэтапным введением в рассмотрение отброшенных ранее осложняющих элементов (взаимодействий), пока не будет достигнута требуемая степень приближения к реальной ситуации.
Еще одним важным критерием эффективности предложенной методики стала степень самостоятельности студентов при выборе физической модели и проверке ее адекватности.
Поскольку в разработанных учебно-исследовательских заданиях построение физической модели явления находится в связи с другими важными исследовательскими навыками и умениями, в общем плане проверялась готовность студентов к самостоятельной исследовательской деятельности, уровень развития у них творческих способностей. Для оценки развития творческих способностей студентов, обучаемых по изложенной методике, в качестве критерия мы приняли:
-частоту и регулярность проявлений творческой активности студентов на всех видах занятий;
-качество написания ими творческих работ: рефератов, курсовых работ, дипломов;
-участие в студенческих научных конференциях.
Такие критерии традиционны в педагогических экспериментах для оценки развития мышления учащихся [24, 67, 112].
Педагогический эксперимент включал в себя следующие три этапа: поисковый, констатирующий и формирующий. Задачей первых двух этапов являлось выяснение целесообразности и объективной возможности использования предлагаемой методики для овладения студентами исследовательским методом моделирования и определение состояния проблемы в практике работы на факультетах физики вузов.
В ходе формирующего этапа эксперимента, проводилась проверка эффективности разработанной методики.
В таблице 3.1 указаны вузы, в которых проводилась проверка результатов исследования.
