Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПОНЯТИЙ МЕХАНИКИ 13
1.1. Дидактическая теория введения и формирования физических понятий 13
1.2. Проблема формирования фундаментальных физических понятий относительности движения и системы отсчета 25
1.3. Повышение эффективности процесса формирования фундаментальных понятий механики средствами учебной физики 46
Глава 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ВВЕДЕНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ПОНЯТИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ 64
2.1. Деятельность учителя по реализации современного стандарта при изучении механики 65
2.2. Формирование фундаментальных понятий механики в процессе индивидуальной учебной деятельности учащихся 117
2.3. Учебно-исследовательская деятельность учителя и ученика 127
Глава 3. ДИДАКТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ НОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УЧЕБНОЙ ФИЗИКИ 164
3.1. Диагностика уровня сформированности фундаментальных понятий механики 164
3.2. Оценка эффективности использования новых элементов учебной физики 175
3.3. Новые элементы учебной физики как объект исследовательской деятельности учителя и ученика 184
Заключение 194
- Дидактическая теория введения и формирования физических понятий
- Деятельность учителя по реализации современного стандарта при изучении механики
- Диагностика уровня сформированности фундаментальных понятий механики
Введение к работе
Актуальность исследования. Фундаментальной идеей относительности пронизана вся современная физика. Поэтому около полувека назад в дидактике физики была поставлена задача формирования соответствующих физических понятий в процессе изучения механики в школе. Решению этой задачи в значительной мере посвящена известная монография Э. Е. Эвенчик "Преподавание механики в курсе физики средней школы" [174]. В настоящее время Государственный стандарт среднего (полного) общего образования [ 126 ] требует освоения знаний о пространственно-временных закономерностях, ознакомления с основами классической механики и специальной теории относительности. Методика изучения механики в школе построена так, чтобы наряду с решением конкретных задач этой дисциплины, готовить учащихся к усвоению основ специальной теории относительности и последующему восприятию ими идей общей теории относительности.
Основы дидактической теории формирования физических понятий заложены исследованиями А. В. Усовой [ 143 ]. Значительный вклад в решение этой проблемы внесли Л.Я.Зорина [38], И.Г.Пустильник [109], В.Г.Разумовский [116], Т.Н.Шамало [170], В.Ф.Шилов [173] и другие ученые. В ряде работ определяющая роль в формировании физических понятий отводится учебному эксперименту, в других — значение эксперимента принижается и доказывается главенствующая функция теории. Наиболее обоснованным представляется положение концепции учебной физики (В. В.Майер [69]), согласно которому формирование понятий происходит в процессе познания учащимися целостного элемента учебной физики, включающего взаимосвязанные учебный физический эксперимент и учебную физическую теорию.
Фундаментальные понятия механики детально проанализи-
рованы в учебниках университетского уровня (Р.В.Поль [103], Д.В.Сивухин [130], С.П.Стрелков [136], С.Э.Хайкин [154] и др.); эти понятия вводятся в школьных учебниках (С.В.Громов [25]; В.А.Касьянов [52]; А.Н.Мансуров и Н.А.Мансуров [82]; Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев и Н. Н. Сотский [ 88 ]; А. В. Перышкин и Е. М. Гутник [99]; А. А. Пинский, В.Г.Разумовский, А.И.Бугаев и др. [145]; В.Г.Разумовский, В.А.Орлов, Ю.И.Дик, Г.Г.Никифоров и В.Ф.Шилов [115]; Н.М. Шахмаев [171]); они изучаются в углубленных и элективных курсах физики (М. М. Балашов, А. И. Гомонова, А. Б.Долицкий и др. [146]; Е. И. Бутиков и А.С.Кондратьев [10]; О.Ф.Кабардин, В.А.Орлов, Э.Е.Эвенчик и др. [147]; Г.А.Чижов и Н. К.Хананов [161]; Б.М.Яворский и А. А. Пинский [177]). Учебный эксперимент по формированию фундаментальных понятий механики рассматривается в исследованиях Л. И. Анциферова [2, 3], М.И.Гринбаума [23], П.В.Зуева [40], М.А.Кибардина и Е.Л.Талалая [53], Г.Г.Никифорова [90], Е. С. Объедкова [94], А.А.Покровского [102], А.П.Попова и А.Н.Кузибецкого [150], В.Г.Речкалова [117], С.А.Хорошавина [155, 157, 158], Т.Н.Шамало [ 170 ], Н. М. Шахмаева и В. Ф. Шилова [ 172 ], и других ученых. Отдельные вопросы методики, касающиеся темы настоящего исследования, разработаны В. А. Орловым и А. Т. Проказой [95], О. С. Орловым [96], Г. А. Розманом и В. М. Чиганашкиным [118], А.П.Рымкевичем [149], Б. В. Селюком и К. Г. Голубевой [ 129], Е. С. Соколовым [ 135] и др.
Таким образом, фундаментальному понятию относительности движения в школьном курсе физики, учебной, методической и научной литературе уделено значительное внимание. Однако дидактическое тестирование показывает, что указанное понятие у выпускников средних школ и студентов педагогических вузов сформировано недоста-
точно. Анализ результатов тестирования свидетельствует о том, что знания учащихся формальны, они не помнят теоретизированных определений, не в состоянии обосновать теоретические положения учебным экспериментом, не владеют техникой перехода из одной системы отсчета в другую. Отсюда следует необходимость совершенствования методики введения и формирования фундаментальных понятий механики. Поскольку потенциал традиционного учебного материала фактически исчерпан, требуемое совершенствование может быть достигнуто путем создания и использования новых элементов учебной физики.
Изложенное выше обосновывает актуальность проблемы исследования, которая может быть сформулирована следующим образом: какова должна быть совокупность новых элементов учебной физики, чтобы внедрение ее в существующий учебный процесс обеспечило эффективное формирование фундаментальных понятий механики?
Объект исследования — содержание и методы изучения механики в курсе физики средней общеобразовательной школы.
Предмет исследования — процесс введения и формирования фундаментальных понятий механики.
Цель исследования заключается в разработке новых элементов учебной физики, обеспечивающих формирование у учащихся фундаментального понятия относительности механического движения.
Гипотеза исследования: Если использовать доступные учителю и ученикам объекты современной ноосферы, то возможно создание элементов учебной физики, применение которых при изучении механики в школе обеспечит эффективную организацию учебной деятельности, направленную на формирование фундаментального понятия относительности движения, углубление знаний учащихся и повышение их интереса к физике.
Из цели и гипотезы вытекают следующие задачи исследования.
Изучить основные положения современной дидактической теории введения и формирования физических понятий. Провести анализ теоретического и экспериментального изучения фундаментальных понятий механики в современной системе физического образования. Рассмотреть способы повышения эффективности процесса формирования фундаментальных понятий механики, углубления знаний и повышение интереса учащихся к физике.
Разработать простые и доступные элементы учебной физики, обеспечивающие осознание учащимися понятий системы отсчета и относительности движения при изучении кинематики, усвоение этих понятий при изучении основных законов динамики и практическое применение их при изучении остальных тем школьного курса механики. Разработать натурный демонстрационный вариант мысленного эксперимента Эйнштейна с падающим лифтом, доказывающий существование локально-инерциальных систем отсчета.
Провести диагностику уровня сформированности фундаментальных понятий механики и умений перехода из одной системы отсчета в другую. Оценить учебность новых элементов учебной физики и эффективность методики использования их в реальном учебном процессе. Подтвердить возможность применения новых элементов учебной физики в качестве объекта совместной учебно-исследовательской деятельности учителя и ученика.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования. Теоретические: анализ научной, учебной и методической литературы по проблеме исследования; изучение и разработка модели формирования фундаментального понятия относительно-
сти механического движения; разработка понятийного аппарата; анализ результатов использования разработанного учебного эксперимента. Экспериментальные: опытно-конструкторская работа по созданию новых учебных приборов и экспериментальных установок; тестирование учащихся, учителей физики и студентов педагогического вуза; педагогический эксперимент
Методологическую основу исследования составляют положения теории формирования физических понятий (И. Г. Пусти льник [109], А.В.Усова [142, 143], Т.Н.Шамало [170]), концепция научного познания в дидактике физики (В.Г.Разумовский [111, 114, 116, 134]), концепция учебной физики (В. В.Майер [69]), концепции дея-тельностного подхода в обучении физике (Ю.А.Сауров [122, 123]) и целостного подхода к методике познавательной активности учащихся (В. С. Данюшенков [29]).
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечиваются соответствием полученных результатов теоретическим положениям дидактики физики и подтверждаются статистически значимыми результатами педагогического эксперимента. Результаты диссертационного исследования были представлены в докладах и материалах VIII, IX, X, XI Всероссийских научно-практических конференций "Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения" (Глазов 2003, 2004, 2005, 2006), Всероссийской научно-практической конференции "Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики в условиях модернизации российского образования" (Екатеринбург, 2003).
Научная новизна исследования состоит в следующем:
1. Предложена концепция совершенствования методики введения и формирования фундаментальных понятий механики, включающая:
1) дидактическую модель формирования физических понятий; 2) реализацию деятельностного подхода в обучении физике; 3) создание, освоение и использование новых элементов учебной физики в процессе совместной познавательной деятельности учителя и ученика.
Разработаны 20 новых элементов учебной физики, использующих объекты современной ноосферы, которые обеспечивают формирование понятия относительности движения при изучении всех тем школьного курса механики; эффективность применения этих элементов в учебном процессе подтверждена педагогическим экспериментом.
Предложен фундаментальный учебный эксперимент, реализующий условия мысленного эксперимента Эйнштейна с падающим в поле тяжести лифтом и подтверждающий существование локально-инерциальных систем отсчета. Разработана методика формирования умений перехода из одной системы отсчета в другую, эффективность которой обоснована педагогическим экспериментом.
Теоретическая значимость работы состоит:
в обосновании необходимости и возможности использования новых элементов учебной физики для повышения эффективности формирования фундаментальных понятий системы отсчета и относительности движения при изучении всех разделов механики;
в определении последовательности использования разработанных элементов учебной физики в соответствии с этапами и уровнями дидактической модели формирования физических понятий;
в подтверждении целесообразности выделения в целостном учебном процессе по формированию фундаментальных понятий механики относительно самостоятельных компонентов: деятельности учителя, деятельности учащихся и совместной учебно-исследовательской деятельности учителя и ученика.
Практическая значимость работы заключается в конкретных методических рекомендациях по использованию новых элементов учебной физики для организации деятельности учителя физики при подготовке и проведении уроков, самостоятельной познавательной деятельности учащихся при выполнении лабораторных работ и совместной учебно-исследовательской деятельности учителя и ученика, обеспечивающей первые два вида деятельности.
Исследование проводилось на протяжении 2002-2006 гг. и включало в себя следующие этапы:
Первый этап (2002-2003 гг.) характеризуется выбором проблемы исследования и ее обоснованием. Анализ научной, методической и учебной литературы позволил сделать вывод о том, что имеющихся в учебной и методической литературе экспериментов недостаточно для формирования понятия относительности движения в учебном процессе. Основное внимание уделено изучению теории физических явлений и разработке нового учебного эксперимента, базирующегося на общедоступном оборудовании. Проведена диагностика уровня сформи-рованности понятия относительности движения выпускников школы, ставших студентами педагогического вуза, и учителей физики. Разработаны установки по демонстрации относительности движения в поле тяжести Земли.
Второй этап (2003-2004 гг.) состоял в разработке системы учебного физического эксперимента по введению фундаментального понятия относительности движения как в школьном, так и в вузовском курсе физики. Изучены и воспроизведены известные школьные опыты, выявлены элементы учебного материала, не обеспеченные учебным экспериментом, разработаны новые учебные приборы, установки и эксперименты по введению, формированию и применению основных
понятий во всех темах школьного курса механики. Предложена методика организации учебной деятельности учителя и ученика в реальном учебном процессе.
Третий этап (2004-2006 гг.) посвящен проверке эффективности разработанной методики по формированию фундаментального понятия относительности движения у студентов вуза и учащихся средних учебных заведений. На этом этапе завершен педагогический эксперимент, проведена статистическая обработка результатов исследования, выполнено обобщение, осуществлено внедрение результатов исследования, сформулированы выводы и завершено оформление диссертации.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в Глазовском государственном педагогическом институте, Глазовском физико-математическом лицее, на семинаре учителей физики северного куста Удмуртской Республики на базе Республиканской очно-заочной школы при МОУ "Физико-математический лицей" г. Глазова. Полученные результаты обсуждались на заседаниях научного семинара физического факультета Глазовского пединститута (2002-2006 гг.), научно-практических конференциях (Екатеринбург, 2003 г., Глазов, 2003-2006 гг.). Результаты проведенного исследования изложены в 16 публикациях автора.
Положения, выносимые на защиту.
Разработанные в ходе выполнения диссертационного исследования элементы учебной физики позволяют более эффективно сформировать понятие относительности механического движения, углубить знания учащихся по механике и повысить их интерес к физике, что подтверждается результатами обучающего педагогического эксперимента.
Предлагаемые элементы учебной физики доступны для при-
менения в школьном курсе физики; они могут быть использованы для организации научно-исследовательской деятельности студентов педагогических вузов и учебно-исследовательской деятельности школьников; учебные приборы и экспериментальные установки доступны для изготовления учащимися; опыты соответствуют дидактическим требованиям к учебному эксперименту.
Дидактическая теория введения и формирования физических понятий
Современная дидактическая теория формирования физических понятий в сознании учащихся средней школы базируется на результатах психолого-педагогических исследований и создана трудами Л.Я.Зориной [38], В.В.Майера [116], Е.В.Оспенниковой [98], А.В.Петрова [101, 160], И.Г.Пустильника [109], В.Г.Разумовского [ 116], А. В. Усовой [ 143], Т. Н. Шамало [ 170] и других исследователей. Кратко рассмотрим основные идеи и модели этой теории.
Физическое понятие. Понятие как категория представляет собой одну из форм абстрактного мышления. Изучение общих закономерностей формирования понятий является предметом логики. Формирование физических понятий опирается на эти общие закономерности, но имеет и свои особенности.
Физическое понятие возникает в результате исследования окружающего мира с целью выявления существенных свойств (сторон) предметов и явлений, существенных связей и отношений между ними. Существенными являются такие свойства, связи и отношения, каждое из которых по отдельности необходимо, а их совокупность достаточна для того, чтобы отличить данный предмет или явление от других.
Физика имеет дело с реальным миром, поэтому в процессе формирования понятий решающее значение имеет физический эксперимент. Вместе с тем возникновение понятий невозможно вне рамок определенной теории. В этом процессе используются общенаучные методы анализа, синтеза, сравнения, абстрагирования, обобщения.
Физическое понятие будет сформировано, если учащиеся знают выявленные в научном исследовании существенные свойства предметов и явлений, связи и отношения между ними. Это знание, казалось бы, может быть получено учащимися из литературы или изложения учителя на уроке. Однако такого теоретического изучения материала недостаточно для формирования физического понятия. Необходим учебный эксперимент, анализ его результата, сравнение с другими экспериментами, выявление существенных свойств, связей и отношений, следовательно, абстрагирование от несущественных, синтез полученных в результате анализа и абстрагирования элементов в единое целое — физическое понятие.
Формирование физических понятий в процессе обучения. Всестороннее исследование процесса формирования физических понятий при обучении в школе осуществлено действительным членом РАО А. В. Усовой [ 141-143] и ее научной школой. Проанализировав исследования крупных отечественных психологов Л. С. Выготского, П.Я.Гальперина, В.В.Давыдова, А.Н.Леонтьева, Н. А. Менчинской, С. Л. Рубинштейна, Н. Ф. Талызиной, М. Н. Шар дакова, А. В. Усова приходит к выводу:
"Анализ рассмотренных точек зрения на способы формирования у школьников научных понятий в процессе обучения показывает, что каждый из авторов стремится доказать, что предлагаемый им способ является единственно правильным, а значит, универсальным, пригодным для формирования всех понятий, независимо от их содержания и уровня подготовленности детей к их усвоению. Мы считаем подобные утверждения в принципе неверными. Нельзя переносить методы формирования понятий, пригодные в учебном процессе с детьми младшего школьного возраста, в учебный процесс с детьми старшего школьного возраста" [143, с. 80].
Деятельность учителя по реализации современного стандарта при изучении механики
Теоретической основой современного учебно-воспитательного процесса является деятельностная концепция: учащийся получает и усваивает знания в самостоятельной и совместной с учителем учебной деятельности [122, 124]. В целостном процессе учебной деятельности при введении и формировании понятия относительности механического движения мы условно выделили три относительно самостоятельных компонента: деятельность учителя, деятельность учащихся и совместную учебно-исследовательскую деятельность учителя и ученика.
При деятельностном подходе учитель сам разрабатывает программу своей деятельности и деятельности учащихся в соответствии с поставленными целями.
"Суть деятельностного подхода в обучении физике состоит в том, что на любом занятии организуется деятельность самих учащихся по созданию и (или) применению отдельных элементов или системы физических знаний. Самостоятельное выполнение учащимися запланированных действий обеспечивается предварительно разработанной учителем программой деятельности на уроке и специально подобранными дидактическими средствами" [138, стр.287].
В первой главе показано, что трудами многих исследователей методика формирования фундаментальных понятий механики детально разработана, но не достаточно эффективна, следовательно, совершенствование ее должно идти, главным образом, по пути создания и внедрения в учебный процесс новых элементов учебной физики. Поэтому основной задачей настоящей главы является введение в процесс обучения этих элементов и встраивание их в существующую систему физического образования таким образом, чтобы, не нарушая ее целостности, устранить недостатки и повысить эффективность. Разработанные нами в процессе выполнения диссертационного исследования элементы учебной физики представлены в таблице 4, которая расположена в конце главы. Для каждого из 20 элементов учебной физики, входящих в эту таблицу, определена деятельность учителя, совершаемая им в процессе обучения, деятельность учащихся, осуществляемая ими на учебных занятиях и учебно-исследовательская деятельность, которая представляет собой совместную деятельность учителя и ученика.
Деятельность учителя относится к разряду творческих. Поэтому жесткая регламентация содержания, методов и приемов деятельности учителя на уроке физики нецелесообразна. Более приемлема информативная поддержка деятельности учителя, обеспечивающая систематическое освоение учителем субъективно новых элементов учебной физики с целью совершенствования процесса обучения.
Основное внимание в этом параграфе уделено описанию рекомендуемых элементов учебной физики, которые могут быть использованы учителем для организации учебной деятельности школьников на уроке. Эти элементы структурированы по темам школьного курса физики. Деятельность учителя заключается в освоении предлагаемых элементов учебной физики, определении целесообразности их использования на конкретных уроках, встраивании в существующую методику изучения школьного курса, а также в реальном использовании в процессе обучения.
Диагностика уровня сформированности фундаментальных понятий механики
Индивидуальная познавательная деятельность учащихся имеет место в процессе выполнения ими лабораторных экспериментов физического практикума. Индивидуальные эксперименты учащихся по механике помимо решения конкретных задач должны способствовать формированию фундаментальных понятий механики. В принципе, это может быть осуществлено при выполнении любых лабораторных работ. В этом параграфе мы рассматриваем содержание нескольких лабораторных экспериментов по разным разделам механики, в которых используются и углубляются фундаментальные понятия механики. Здесь мы даем лишь описание экспериментальных установок и некоторых опытов, на основе которых учитель сам может составить инструкции к конкретным лабораторным работам.
Изучение механического движения по стробоскопическим фотографиям. Механическое движение может быть исследовано с помощью стробоскопического метода. Этот метод позволяет пронаблюдать различные виды движения и ввести большинство понятий механики. С помощью стробоскопа можно провести, например, следующие демонстрации: прямолинейное равномерное движение, прямолинейное равноускоренное движение, движение тела под углом к горизонту, закон сохранения импульса и т.д.
Известный метод стробоскопического фотографирования движущихся тел прост по идее, но трудноосуществим на практике, поскольку требует громоздких экспериментальных установок и большого времени для обработки фотопленки и фотобумаги с изображениями траекторий. Использование цифровой техники существенно облегчает получение стробоскопических изображений. При этом принципиально возможны два способа получения стробоскопических фотографий: 1) движущееся тело само испускает прерывистый свет с постоянной частотой вспышек; 2) движущееся тело рассеивает прерывистый свет, частота вспышек которого постоянна.
Первый способ удобен, когда исследуются движения тел, имеющих сравнительно большие размеры. Тогда в каждое из них можно ввести малоинерционный источник света и запитать все источники посредством тонких гибких проводов от одного генератора. В принципе, возможно и размещение в каждом теле по самостоятельному генератору, если решить проблему их синхронизации. Однако этот способ наиболее приемлем при использовании в экспериментах одного движущегося тела.
Второй способ предпочтительнее в опытах с несколькими движущимися телами. При этом чем меньше размеры этих тел, тем доступнее экспериментальная установка и проще процесс фотографирования.
Демонстрации по подтверждению закона сохранения импульса можно выполнить на установке (рис. 38), состоящей из генератора импульсов 1 частотой 20-30 Гц к которому подключен яркий светоди-од 2 с цилиндрической линзой. На рабочее поле 3, изготовленное в виде коробочки с невысокими бортиками, помещают стальные шарики. Линейка 4 необходима для определения масштаба фотографируемой картины. Горка 5 используется в качестве направляющих для запуска шарика. Цифровой фотоаппарат 6 служит для фотографирования стробоскопической картины.
