Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ПРОБЛЕМА УЧЕБНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ НООСФЕРЫ
1.1. Актуальность учебных исследований физических явлений ноосферы 12
1.2. Проблема учебных исследований в дидактике физики 23
1.3. Дидактическая модель учебных исследований физических явлений ноосферы 39
Глава 2. УЧЕБНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ 57
2.1. Капли жидкости как объект учебного исследования 57
2.2. Новый учебный эксперимент с каплями жидкости 83
2.3. Содержание и методика учебных исследований капель жидкости 125
Глава 3. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ 131
3.1. Диагностика исследовательских умений студентов педагогического института 1
3.2. Развитие исследовательских умений студентов 149
3.3. Формирование исследовательских умений учащихся 159
Заключение 177
Литература 180
Приложение 199
- Актуальность учебных исследований физических явлений ноосферы
- Капли жидкости как объект учебного исследования
- Диагностика исследовательских умений студентов педагогического института
Введение к работе
Актуальность исследования. Проблема развития творческих способностей учащихся занимает одно из центральных мест в дидактике физики. Если на первоначальном этапе решения этой проблемы основное внимание уделялось научно-техническому творчеству учащихся во внеурочной деятельности, то затем творческий подход был распространен на все виды учебных занятий и виды деятельности, включая теоретические и экспериментальные методы. Целостная теоретическая концепция творческой деятельности учащегося в процессе обучения физике предложена академиком В. Г. Разумовским. Основная идея этой концепции заключается в том, что познавательная деятельность ученика рассматривается аналогично деятельности ученого, причем результаты первой характеризуются субъективной новизной. В настоящее время развитие концепции происходит в направлении разработки такой методики учебного процесса, которая обеспечивает получение не только субъективно, но и объективно новых результатов в совместной деятельности учителя и ученика.
Современная дидактическая парадигма определяет организацию личностно-ориентированного обучения. Она, в частности, предполагает, что готовность к будущей деятельности является внутренней, индивидуальной потребностью личности, но учащемуся нужно помочь в приобретении знаний, их творческой переработке, умении применять полученные знания на практике (И. Я. Панина [100, 101]). Решение этих задач требует целостного подхода к активизации познавательной деятельности учащихся (В. С. Данюшенков [55, 56]). На практике особое значение приобретает организация учебной деятельности школьников по усвоению моделей науки и структуры познавательного процесса (Ю. А. Сауров [165-167]). При этом и происходит развитие творческих способностей учащихся, усвоение метода научного позна-
ния (В.Г.Разумовский [151-154]). Дидактические исследования убеждают в эффективности использования учебных моделей физической науки в образовании (А. С. Кондратьев [32, 93]).
Иначе говоря, на современном этапе развития общества наибольшую ценность приобретает становление личности, способной к творческому освоению имеющегося опыта, владеющей исследовательским подходом к познанию окружающего мира. Формирование у учащихся необходимых качеств такой личности может происходить при выполнении ими учебных физических исследований. Трудами ряда ученых, таких как Г. С. Альтшуллер [7], В. И. Андреев [ 10-12], Л. И. Анциферов [ 13-15], С. В. Бубликов [30], В. А. Буров [ 145], Ю. И.Дик [60, 140, 147], Н.М.Зверева [68], П.В.Зуев [70], О. Ф. Кабардин [83, 84], Р.И.Малафеев [124], В.А.Орлов [84, 127], Е. С. Объедков [138, 139], И. Г. Пустильник [150], А.В.Усова [126, 180-182], С. А. Хорошавин [192, 193], Т. Н. Шамало [196, 198], был внесен значительный вклад в развитие содержания и методики учебных исследований.
Вместе с тем, имеются противоречия, препятствующие решению указанных проблем:
между требованиями современного общества к высокому уровню развития его граждан и недостаточной разработкой эффективных средств и методов обучения, соответствующих этим требованиям;
между необходимостью адаптации личности к быстро изменяющимся социально-экономическим условиям и отсутствием ориентации образовательной системы на формирование и развитие обобщенных умений школьников анализировать и решать возникающие проблемы;
между возросшей ролью исследовательских умений в профессиональной деятельности граждан и отсутствием целостной методической системы по их формированию и развитию.
Недостаточная разработанность дидактических знаний о процессах формирования и развития исследовательских умений является причиной отсутствия методической системы подготовки педагогических кадров, способных эффективно организовывать исследовательскую деятельность учащихся. Это, в свою очередь, приводит к тому, что при обучении в школе не уделяется должного внимания решению исследовательских задач, и, как следствие, не достигается необходимый уровень исследовательских умений.
Таким образом, одной из актуальных проблем дидактики физики является разработка содержания и методики проведения учебных исследований, максимально приближенных к реальной научной деятельности. При этом должны быть обеспечены вариативность учебных исследований и получение результатов, отличающихся как субъективной, так и объективной новизной.
Решение указанной проблемы может быть найдено в рамках концепции, разработанной В. В. Майером [110, 116, 118, 120, 121], в соответствии с которой предлагается проведение широкого спектра учебных исследований и получение объективно новых результатов.
Поэтому актуальными являются отбор и обоснование содержания учебных исследований. В современных социальных условиях предпочтение, безусловно, необходимо отдать таким исследованиям, которые, являясь наукоемкими, оставались бы доступными для широкой категории обучающихся. К ним относятся, в частности, исследования явлений повседневной жизни. Предварительный анализ большой совокупности таких явлений позволяет сделать заключение, что использование капель жидкости в качестве объекта учебных исследований учащихся является перспективным. Действительно, капли жидкости встречаются на каждом шагу. Они изучаются в разных разделах физики, однако это изучение не систематизировано и не отличается целостностью.
Физическая теория капель сложна, методика их изучения разработана только для отдельных явлений. Учебный физический эксперимент с каплями жидкости разработан недостаточно. Компьютерное моделирование делает только первые шаги. В методике обучения физике не определен дидактический потенциал капель жидкости как объекта учебного познания.
Таким образом, можно утверждать, что проблема учебных исследований капель жидкости в системе обучения физике является актуальной.
Объектом исследования является процесс обучения физике в средней общеобразовательной школе.
Предмет исследования — развитие творческих способностей учащихся при выполнении ими учебных исследований.
Цель исследования заключается в разработке содержания и методики проведения учебных исследований физических явлений с каплями жидкости.
Гипотеза исследования: Формирование и развитие исследовательских умений в современной системе физического образования будут эффективными, если
самостоятельные исследования обучаемые будут осуществлять в соответствии с ориентировочной основой деятельности третьего типа по схеме условия —> результат —> анализ]
в качестве объектов учебных исследований будут использованы капли жидкости, что обеспечит доступность, широту тематики и получение субъективно и объективно новых результатов исследования.
Из цели и гипотезы вытекают следующие задачи исследования.
1. Изучить современное состояние проблемы развития исследовательских умений учащихся при обучении физике.
Доказать возможность и целесообразность учебных исследований физических явлений ноосферы на основе дидактической модели учебного физического эксперимента.
Обосновать возможность использования капель жидкости в качестве объекта учебных исследований; разработать новый учебный эксперимент; предложить содержание и методику учебных исследований капель жидкости.
Разработать методику формирования и развития исследовательских умений учащихся.
Провести педагогический эксперимент с целью подтверждения эффективности разработанной методики.
Методологическую основу исследования составляют общие принципы теории обучения, деятельностного подхода, основные положения теории и методики обучения физике, дидактические закономерности учебного познания.
Методы исследования, применяемые при решении поставленных задач: теоретический анализ научной, учебной и методической литературы по теме исследования; разработка и последующий анализ результатов использования нового учебного эксперимента; опытно-конструкторская работа по созданию новых учебных физических приборов и экспериментальных установок; анкетирование учащихся, учителей физики, студентов педагогического вуза; наблюдение и обобщение опыта работы учителей и преподавателей физики; педагогический эксперимент; статистические методы обработки результатов педагогического эксперимента.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечиваются соответствием полученных результатов теоретическим положениям дидактики физики и подтверждаются статистически значимыми результатами педагогического эксперимента. Эффективность
#
предлагаемой методики определяется высоким уровнем сформирован-ности исследовательских умений учащихся.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования состоит в следующем:
1. Доказана возможность и целесообразность развития исследо
вательских умений учащихся при организации самостоятельного по
знания различных физических свойств целостного объекта ноосферы;
обоснована эффективность применения схемы условия —> результат
—> анализ в качестве ориентировочной основы деятельности при орга-
І* низации самостоятельных исследований учащихся.
2. Теоретически и экспериментально обоснованы возможность и
целесообразность использования капель жидкости в качестве объекта
учебных исследований.
3. Разработана концепция создания системы учебных экспери-
Ф ментальных исследований с одним физическим объектом, включаю
щая:
дидактические цели учебных экспериментальных исследований объ
екта ноосферы;
дидактическую модель учебных экспериментальных исследований,
^ выполняемых с использованием ориентировочной основы деятельно
сти, построенной по схеме условия —У результат —> анализ;
принципы построения и использования системы учебных экспериментальных исследований в классных и домашних условиях;
комплекс исследовательских умений и уровень их сформированности.
в* 4. Разработана методика проведения учебных эксперименталь-
ных исследований с каплями жидкости, включающая:
содержание и методику постановки 26 новых учебных опытов с кап
лями жидкости;
т 8
систему, состоящую из 68 новых исследовательских эксперименталь
ных задач с каплями жидкости по всем разделам курса физики стар
шей школы, позволяющую организовать самостоятельные исследо-
^ вания школьников.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Результаты исследования доведены до уровня конкретных ме
тодических разработок, которые внедрены в практику работы обще
образовательных учебных заведений.
^ 2. Разработано и опубликовано учебное пособие для учащихся,
в котором представлены содержание и методика проведения учебных исследований капель жидкости.
Исследование проводилось на протяжении 1996-2001 гг. и включало в себя следующие этапы:
Первый этап (1996-1997 гг.) характеризуется выбором пробле
мы исследования и ее обоснованием. Анализ научной и методической
литературы позволил сделать вывод о перспективности использования
капель жидкости в учебном процессе. Основное внимание уделено изу
чению теории физических явлений, связанных с каплями, и разработке
нового учебного эксперимента, базирующегося на общедоступном обо-
(0 рудовании. Проведено экспериментальное исследование физического
механизма формирования капли при вытекании жидкости из капилляра. Полученные результаты позволили определить границы применимости простейшей модели явления отрыва капли от капилляра. Обнаружено и на качественном уровне исследовано явление неустойчивости жидкости при вытекании из тонких капилляров. Разработан демонстрационный вариант эксперимента по изучению явления внезапного перехода лежащей на несмачиваемой подложке капли в невесомое состояние.
Второй этап (1998-1999 гг.) состоял в разработке системы
» 9
учебного физического эксперимента с каплями жидкости, охватываю
щей все разделы школьного курса физики. Изучены и воспроизведены
известные школьные опыты, выявлены элементы учебного материала,
^ необеспеченные учебным экспериментом, разработаны новые учебные
эксперименты по исследованию физических свойств капель жидкости и
і применению их в учебной физике. Предложены новые варианты объяс-
| нения физических явлений, связанных с каплями. Разработаны дидак-
тическая модель учебных экспериментальных исследований и методика
организации учебных исследований капель жидкости. В практической
Ш деятельности учебных заведений изучен процесс формирования иссле-
довательских умений учащихся при выполнении ими учебных исследований.
Третий этап (1999-2001 гг.) посвящен диагностике уровня сфор-
мированности исследовательских умений выпускников школы, став-
^ ших студентами педагогического вуза, и учителей физики, а также
| проверке эффективности разработанной методики развития исследова-
; тельских умений студентов вуза и учащихся средних учебных заведе-
| ний. Создана специальная рабочая тетрадь для самостоятельных экс-
! периментальных исследований капель жидкости учащимися. На этом
этапе завершен педагогический эксперимент, выполнено обобщение и
^ осуществлено внедрение результатов исследования.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществля
лись в Глазовском государственном педагогическом институте, физико-
математическом лицее, средних школах №№2, 3, 8, 9, 13, 15 г. Глазова
и центре образования "Царицыно" №548 г.Москвы, а также на кур-
^ сах повышения квалификации учителей физики Удмуртии (2000 г.).
і Полученные результаты обсуждались на заседаниях научного семина-
ра физического факультета Глазовского пединститута (1998-2001 гг.), на научных и научно-практических конференциях (Москва, 2000 г.;
Глазов, 1999-2001 гг.; Киров, 2000 г.; Нижний Новгород, 2000 г.), а также на Международных конференциях "Проблемы учебного физического эксперимента" (Глазов, 1996 г.) и "Физика в системе современного образования" (Санкт-Петербург, 1999 г.). Основные результаты исследования представлены в 17 публикациях автора. Положения, выносимые на защиту:
Эффективное проведение самостоятельной исследовательской деятельности учащихся целесообразно осуществлять в соответствии с ориентировочной основой деятельности третьего типа по схеме условия —> результат — анализ.
Наукоемкость и многообразие физических явлений, связанных с каплями жидкости, наряду с их доступностью делает возможным использование капель в качестве объектов учебных исследований. Вариативность тематики исследований и возможность получения учащимися субъективно или объективно новых результатов создают необходимые условия для формирования и развития у них исследовательских умений.
Разработанная нами система учебных экспериментальных исследований капель жидкости является учебным материалом, позволяющим с достаточной полнотой осуществлять формирование и развитие исследовательских умений учащихся.
Актуальность учебных исследований физических явлений ноосферы
Актуальной в дидактике физики остается проблема встраивания в учебный процесс учебных исследований и творческой деятельности учащихся в целом.
В. Г. Разумовский [ 153] выделяет следующие требования к уровню подготовки учащихся, окончивших основную школу: планировать и проводить наблюдения, находить в явлениях закономерные связи, делать обобщения по результатам наблюдений; собирать установку для эксперимента по рисунку или схеме; пользоваться измерительными приборами; записывать результаты измерений физических величин с учетом инструментальной погрешности; представлять результаты эксперимента в виде схем, таблиц, графиков; объяснять, используя научную терминологию, результаты наблюдений и экспериментов; делать заключения и выводы по результатам экспериментов; и для учащихся окончивших среднюю (полную) школу: выдвигать гипотезы для объяснения явлений на основе имеющихся фактов, результатов наблюдений и экспериментальных исследований; уметь планировать и выполнять экспериментальные исследования для проверки выдвинутых гипотез. Добиться формирования этих умений без решения вопроса организации учебных исследований невозможно.
Особую остроту данная проблема приобретает в связи с переходом средней школы на 12-летнее обучение. Концепция естественнонаучного образования в 12-летней школе ставит одной из целей формирование представлений о научном методе исследований и его месте в системе общечеловеческих культурных ценностей [94]. Среди основных методов физического образования в концепции 12-летней школы выделяют учебный физический эксперимент: "Учебный физический эксперимент должен не только и не столько выполнять средства наглядности, сколько прежде всего служить одним из методов познания;
поэтому в большинстве случаев он должен приобрести характер самостоятельных исследований самими учащимися" [95]. Программа развития учебно-исследовательской деятельности учащихся [ 155 ] под черкивает значимость проблемы на государственном уровне.
Немаловажным является также вопрос готовности учителей физики к организации и проведению учебных исследований своих учеников. Для успешного развития исследовательских умений учащихся требуется организовать соответствующую деятельность, руководство которой в условиях школы призван осуществлять учитель. Однако при разработке содержания и методики учебных исследований учащихся необходимо учитывать реальный уровень готовности учителей школ к такой деятельности. Может оказаться так, что сам учитель не владе ет приемами исследовательской работы или не в полной мере осознает ее значимость для развития учащегося. В этом случае осуществить развитие исследовательских умений учащихся невозможно. В связи с этим интерес представляет выяснение отношения учителей к исследо вательской деятельности учащихся. С этой целью учителям физики ряда школ Удмуртской Респу ! блики и Кировской области было предложено ответить на вопросы специального теста (Приложение, табл.9), позволяющего оценить с разных сторон отношение учителей к проведению учебных экспери ментальных исследований [168]. Тест включал вопросы: 1) какие из
, приведенных ниже средств наиболее эффективно, на Ваш взгляд, обес печивают развитие учащегося; 2) как часто вы используете натурный физический эксперимент на занятиях; 3) как Вы оцениваете, какое ко личество ваших учеников способно выдвигать и отстаивать гипотезы
при решении поставленной проблемы; 4) в каком из приведенных ниже видов деятельности целесообразнее формировать исследовательские умения школьников; 5) есть ли у Вас возможность для организации
Капли жидкости как объект учебного исследования
Для формирования системы учебного эксперимента с каплями жидкости проведем краткий анализ научной и методической литературы, посвященной изучению капель.
В литературе отмечаются различные способы образования ка пель, связанные с этим явления и их теоретическое объяснение: образование капель при распаде кумулятивной струи [108, с. 36; 149; 209], распад струи на капли под действием звука [106, с. 15-18], описано образование капельного тумана вокруг струи [91], предложен способ наблюдения с помощью стробоскопа распада тонкой струи жидкости на капли [39], описан ультразвуковой генератор капель [212], изложены опыты по образованию капель при распаде жидкого цилиндра, проанализирована причина распада жидких струй на капли и дано теоретическое обоснование [25, 106, 161], рассмотрены характерные режимы образования капель при отрыве от капилляра в гравитационном и электрическом полях [205], приведены теоретические и экспериментальные результаты исследования механизмов образования капель тумана при конденсации [37], рассмотрены свойства аномальной капли, образующейся в растворе тензоактивных веществ вследствие фотоин-дуцированной концентрационно-капиллярной конвекции [20], проанализированы физические особенности образования капель при распылении [38], описан баллоэлектрический эффект, заключающийся в том, что при разбрызгивании воды мелкие капли приобретают преимущественно отрицательный заряд, крупные — положительный [ 163], приведена математическая модель явления отрыва капли от капилляра под действием силы тяжести [ 47 ], приведено описание опыта по демонстрации особенностей распада на капли вертикально фонтанирующей струи в электрическом поле [ 148], образование шарика Плато [ 16; 27; 41, с. 8-12; 208].
В работах [26, 43, 51, 61, 171] приведены краткая теория падающей капли, фотографии, показывающие форму падающей капли, описано получение дробинок из капель жидкого металла, рассмотрено падение капель азота, приведена краткая теория массо- и теплообмена испаряющейся падающей капли, перечислены технические применения капли с изменяющейся массой (визуализация обтекания летательных аппаратов, криогенные аэродинамические трубы, химическая чистка газов), описаны процессы, происходящие с падающей каплей расплавленного металла. Приведена краткая теория теплообмена капли с окружающей средой, определено влияние сил сопротивления на форму капли, изложена теория движения капель тумана в вязкой среде. В работе [ 173 ] рассмотрены вопросы исследования формы крупных дождевых капель и их дробление, определение скорости падения капель дождя, испарение капель воды.
С помощью капель можно определять коэффициент поверхност ного натяжения жидкости. Этой проблеме посвящен целый ряд работ: в работе [4] приведены физические основы методов измерения коэф фициента поверхностного натяжения с использованием капель (метод висящей капли, метод сидящей капли, метод отрыва капель), в работе [ 16 ] рассмотрен механизм отрыва капли; описан способ определения коэффициента поверхностного натяжения малых порций вещества ме тодом сдавливания капли [41, с. 40-42], в работе [27] отмечается, что Ш метод определения коэффициента поверхностного натяжения неточен в силу сложности механизма, и так как не учитывается влияние шарика Плато, в [160] рассмотрено влияние неустойчивости жидкости на результаты определения коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва капли. Способы измерения диаметров капилляров приведены в [187].
В работе [203] приводятся доступные эксперименты с каплями жидкости: наблюдение взвешенных над поверхностью горячего кофе относительно крупных капелек; доказательство, что ионы пламени спички являются центрами конденсации; образование цветных венцов вследствие дифракции на тумане; доказательство заряженности капелек путем исчезновения их в электрическом поле.
Диагностика исследовательских умений студентов педагогического института
Тщательное изучение схемы условия — результат — анализ дает основание считать ее обобщенной формулой не только физического, но и вообще любого эксперимента, поскольку в гносеологи-чеком плане она отражает процесс установления причинно-следственных связей, единый для всех наук. Для эксперимента в любой области науки его структура остается инвариантной. Однако содержание внутренней подструктуры может отличаться в зависимости от специфики самой науки, сохраняя при этом единую логику. С учетом этого рассмотрим, что включает в себя структурная формула педагогического эксперимента.
Условия педагогического эксперимента определяют однозначную воспроизводимость результатов эксперимента. Как отмечает Ю. К. Ба-банский, "экспериментатор должен достаточно полно всесторонне и объективно охарактеризовать систему, в которой проводится эксперимент. Конкретизация условий эксперимента, характеристика "поля эксперимента" позволяют научно более достоверно оценить его результат" [18]. Для этого необходимо четко обозначить, какие средства обучения применяются в эксперименте: кабинет, лаборатория, учебные пособия, приборы технические средства обучения и т. д, а также обозначить уровень знаний и умений учащихся, принимающих участие в эксперименте. Другим немаловажным условием педагогического эксперимента является элемент учебного материала [137], подлежащий усвоению. Это может быть целый курс, отдельная тема, урок, учебный эксперимент, учебная задача и т. д. Следует учитывать, что усвоение элемента учебного материала является единым процессом овладения учащимися знаниями и формирования у них умений. Последовательность выполнения педагогического эксперимента определяет деятельность учителя и учащегося в рамках определенной методики изучения нового материала.
В результате проведения педагогического эксперимента одновременно наблюдается большая совокупность различных педагогиче-ских явлений: проявление интереса учащихся, эмоции, затруднения, отношение к деятельности и т. д. О необходимости их фиксации также говорится в [18]. Основным явлением часто можно считать то изменение в структуре личности учащегося или уровне его образованности, которое исследователь планирует изучить в условиях эксперимента. С количественной стороны основное явление характеризуется глубиной полученных знаний, уровнем сформированных умений, количеством времени, затраченным на обучение, количеством учащихся, усвоивших данный элемент учебного материала и т. д.
Проводя анализ педагогического эксперимента, необходимо установить связь полученного результата с результатами других экспери-ментов [ 170 ]. Для этого требуется выяснить отношение обнаруженных в аналогичных экспериментах дидактических явлений и закономерностей, а также их количественных характеристик. Теоретическое объяснение основного результата строится на анализе соответствия полученных данных дидактическим принципам [59], закономерностям [167], педагогическим теориям и концепциям. Анализ полученного в педагогическом эксперименте результата позволяет также сделать прогноз относительно новых дидактических явлений, требующих изучения с целью разработки новых методик.
