Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методология физической науки в школе 13
1.1. Методология науки в школьном физическом образовании 13
1.1.1 Образовательные функции методологии науки в школьном обучении 13
1.1.2. Система методологических знаний и умений в школьном курсе физики 16
1.1.3. Учебное и научное познание 21
1.2. Экспериментальные метод познания в процессе обучения физике 25
1.2.1 Экспериментальный метод познания в формировании мотивации учащихся 25
1.2.2 Роль эксперимента в процесс обучения физике 27
Глава 2. Теоретические и методические основы моделирования системы учебного физического экспериментас использованием современного оборудования 31
2.1 Учебный физический эксперимент в практике школьного физического образования 31
2.2 Ретроспектива учебного физического эксперимента в советском и российском образовании 40
2.3 Учебный физический эксперимент в учебном познании 45
2.4 Информатизация учебного физического эксперимента на основе современного цифрового оборудования 50
2.4.1. Информатизация преподавания физики 50
2.4.2. Анализ школьного учебного оборудования по физике 56
Глава 3. Методика проведения учебного физического эксперимента в школе с использованием современного (в том числе цифрового) оборудования
3.1 Учебный физический эксперимент в школьном образовании 59
3.1.1 Структура учебного физического эксперимента 59
3.1.2 Учебный физический эксперимент в основной школе 61
3.1.3 Учебный физический эксперимент в среднем (полном) образовании 65
3.2 Систематизация демонстрационного эксперимента 70
3.2.1 Демонстрационный эксперимент как основная часть учебного физического эксперимента 70
3.2.2 Демонстрационный эксперимент в основной школе 74
3.2.3 Демонстрационный эксперимент в средней школе 80
3.3 Фронтальный лабораторный эксперимент 83
3.3.1 Место и роль фронтального лабораторного эксперимента в УФЭ 83
3.3.2 Фронтальные лабораторные работы в УФЭ основной школы 90
3.3.3 Фронтальные лабораторные работы в УФЭ средней школы 98
Глава 4. Педагогический эксперимент 105
4.1 Общая характеристика экспериментального аспекта исследования 105
4.2 Констатирующий эксперимент 108
4.3 Поисковый эксперимент 118
4.4 Обучающий этап 121
Заключение 133
Список сокращений и условных обозначений 135
Список литературы 136
Список иллюстративного материала 156
- Система методологических знаний и умений в школьном курсе физики
- Информатизация учебного физического эксперимента на основе современного цифрового оборудования
- Систематизация демонстрационного эксперимента
- Поисковый эксперимент
Система методологических знаний и умений в школьном курсе физики
Метод научного познания обладает четкой выверенностью фактов. Ученый-физик уверен в своем открытии, в своих выводах и умозаключениях именно потому, что научный метод доказателен. Ошибки возникают именно тогда, когда ошибаются в методе исследования. Ученый ничего не принимает на веру и понимает, что любая теоретическая модель имеет границы применимости. Если школа будет способна научить ребенка пользоваться научным методом познания действительности, то ее выпускник будет иметь способность адекватного восприятия мира, не имея таких отрицательно влияющих на личность качеств, как внушаемость, неуверенность в себе и своих знаниях.
Научное познание имеет сравнительно простую структуру, четкую логику и конечную гносеологическую цель. Процесс учебно-познавательной деятельности является аналогом процесса научного познания и разделяется на два уровня: эмпирический (на котором происходит накопление фактов, информации об изучаемых объектах) и теоретический (на котором осуществляется переход от конкретного к абстрактному, формируются знания основ теории) [136].
Многие ученые-педагоги, философы, психологи представляют учение как специфическую форму научного познания и обосновывают единство обоих процессов. Однако единство научного и учебного познания не означает их тождественности. Наличие целого ряда отличий между учебным и научным познанием не позволяет механически переносить методы науки в учебный процесс. Выделим наиболее существенные отличия научного и учебного познания [48, с.27].
Во-первых, открытие, сделанное в ходе научного исследования, получает общественно-историческую значимость и является объективно новым в науке; «открытие», сделанное учеником в процессе обучения, является субъективно новым, т.е. новым по сравнению с тем, что ученику было известно до того, и представляет собой скачок в его собственном интеллектуальном развитии.
Во-вторых, перед ученым стоит настоящая наука со всеми ее сложностями, перед учеником – только «основы науки»: методически адаптированный курс, учитывающий цели и задачи образования, поставленные обществом в данный период времени.
В-третьих, ученый в ходе исследования добывает истину без руководства и подсказки, совершенно самостоятельно. В учебном процессе учащийся приобретает знания под руководством учителя.
В-четвертых, для ученого добытые знания становятся средством дальнейших поисков, для учащегося в большей степени усваивание результатов научного познания является самоцелью.
В-пятых, ученый имеет дело с одной наукой, стремясь за счет сужения объема добиться большего проникновения вглубь проблемы. Учащийся имеет дело с большим количеством наук, содержание учебного процесса неизбежно носит энциклопедический характер, охватывая все области научного знания, накопленного в процессе развития человечества. В-шестых, научное познание закономерно, оно не зависит, в конечном итоге, от индивидуальных черт исследователя, обучение же необходимым образом учитывает возрастные и познавательные возможности учащегося.
Таким образом, хотя оба процесса познания имеют общую гносеологическую основу, они, вместе с тем, отличаются в логическом, психологическом и дидактическом планах. Учитывая эти различия, необходимо так строить обучение, чтобы усвоение учащимися содержания школьного курса физики осуществлялось путем самостоятельного учения в сокращенной учебно-исследовательской форме, воспроизводящей действительную научную ситуацию. В результате такого обучения можно сформировать у школьников умения, характерные для человека, мыслящего творчески: подвергать критическому анализу существующие знания; видеть границы определенных теорий и законов; не бояться выходить из рамок общепринятого; не фетишизировать авторитеты науки; соблюдать осторожность и быть самокритичным в оценке результатов собственной деятельности; не подгонять факты под готовые представления о них [48].
Для развития научного познания важное значение имеет систематизация знаний в виде единой научной картины природы. Однако научная картина мира не представляет собой окончательную, абсолютную истину или систему фундаментальных законов бытия, объясняющих весь мир и позволяющих на основе опыта и индуктивных выводов выявлять сущность каждого отдельного явления. С этой точки зрения картина мира относительна, всегда существует возможность ее развития вплоть до полного отрицания. Постоянное противоречие процесса познания проявляется в том, что с одной стороны, исследователи стремятся получить абсолютное знание, а с другой — наблюдается постоянная неполнота знаний, недостижимость абсолютной истины. Данное противоречие временно преодолевается с помощью формирования научной картины мира [201]. Физическая картина мира наряду с методами научного познания является объектом изучения в школе.
Исследованиям методологии учебного и научного знания, проблемам формирования физической картины мира учащихся средней школы посвящены работы таких ученых как Ю.А. Сауров [193, 195], Е.В. Оспенникова [145, 146], В.Н. Мощанский [130].
Ю.А. Сауров отмечает, что особое выделение методологических знаний является характерной чертой времени. Методологические знания необходимы объективно – для интерпретации знаний, и субъективно – для сознательного их усвоения. В конечном итоге, человек стремится построить свою собственную картину мира. В школьном курсе физики Ю.А. Сауров выделяет следующие компоненты методологического знания [193]:
Е.В. Оспенникова подразделяет научное знание на знания первого рода (о свойствах и отношениях объектов материального мира) и знания второго рода (о способах деятельности). В знаниях первого рода она выделяет эмпирический уровень научного познания (научные факты, эмпирические понятия, эмпирические законы) и теоретический уровень научного познания (теории, включающие общенаучный и эмпирический базисы, модель явления, теоретические понятия, принципы и постулаты, уравнения, следствия и гипотезы). Знания второго рода — это знания о методах эмпирического и теоретического познания [146].
Информатизация учебного физического эксперимента на основе современного цифрового оборудования
В информационном обществе компьютер, являясь качественно новым техническим средством обучения, способен совместить в себе все достоинства ТСО за счет средств мультимедиа [185].
И в оснащении физических кабинетов школ техническими средствами обучения, и в методике применения ТСО за последние 15-20 лет произошли существенные изменения. На основании этого можно выделить в методике преподавания отдельно использование традиционных технических средств, которыми достаточно полно оснащены кабинеты физики школ, и современные комплекты ТСО. Однако тенденции таковы, что современные ТСО все время будут вытеснять морально устаревающие традиционные ТСО.
Бурный рост информационных технологий в последние десятилетия необходимо привел общество к изменению парадигмы образования.
Психолого-педагогические и методические аспекты использования средств новых информационных технологий в образовании обсуждались такими зарубежными и отечественными исследователями как А. Борк [14], С. Пайперт [147], А.С. Кондратьев [103], В.А. Извозчиков [87] и др. [5, 11, 78, 198].
Селевко А.Г. отмечает, что «главная особенность фактологической стороны содержания компьютерного образования заключается в многократном увеличении «поддерживающей информации», наличии компьютерной информационной среды, включающей на современном уровне базы информации, гипертекст и мультимедиа, микромиры, имитационное обучение, электронные коммуникации (сети), экспертные системы» [198].
Результаты анкетирования, проведенного среди учащихся 7-11 классов в 2012 году, показывают, что 100% учащихся имеют дома компьютер с выходом в Интернет, сотовый телефон, цифровой фотоаппарат и (или) видеокамеру. Школы приобретают мультимедийные проекторы, электронные доски, проводят локальную сеть и подключаются к сети Интернет. Компьютеры пришли в школу около двадцати лет назад, однако до сих пор воспринимаются школьным сообществом не совсем правильно (а часто и совсем неправильно). Чаще всего учителя понимают компьютер очень узкофункционально: как печатную машинку, как демонстрационное мультимедийное устройство (аналог киноаппарата), как игровую приставку.
В практике школьного преподавания компьютер для многих не просто олицетворяет современные технологии, он стал синонимом этих технологий. Очевидно, такое восприятие существенно уменьшает потенциал компьютера, который должен, в первую очередь, выступать в преподавании как универсальный обработчик цифровой информации.
По мнению А.И. Ходановича, с появлением компьютеров процесс изучения физики и сама физика заметно изменились. Компьютер предоставляет качественно новые возможности при решении физических задач и позволяет иначе построить сам процесс изучения физики [219]. «Со временем функциональное назначение средств вычислительной техники и программного обеспечения (ПО) в сфере образования начинает рассматриваться в более широком диапазоне: – для учебно-исследовательских работ на основе информационных и коммуникационных технологий и мультимедиа; – для автоматизации обработки результатов учебного эксперимента; – для управления учебным демонстрационным оборудованием; – для оснащения школьного телевидения и т.п.» [219, с.7].
Проблема современных подходов к реализации УФЭ решается путем совершенствования методики использования ИТ в УФЭ рядом таких ученых, как Акатов Р.В. [2], Гороховатский Ю.А. [55, 56], Канаева А.Ю. [99], Клевицкий В.В. [101], Первышина Н.В. [149], Пичугин Д.В. [151] и др. Ю.А. Гороховатский обращает внимание на возможность развития технологии организации исследовательской поисковой деятельности учащихся с использованием компьютера [56]. Говоря о тесной связи преподавания физики в школе с научным процессом познания, В.В. Лаптев делает акцент на том, что «…основанием для формирования инструментальных программных средств школьного курса физики является естественная применимость компьютера в физике как науке: для вычислений и математического моделирования и для обработки результатов физических экспериментов на линии связи с экспериментальной установкой, когда ЭВМ становится ее частью» [116, с.6]. Исследованием информационно-коммуникационных проблем обу 55 чения физике в школе и новых сетевых возможностей занимались Гомулина Н.Н. [51, 52, 52], Хуторской А.В.[226].
Клевицкий В.В. посвятил кандидатскую диссертацию компьютеризированному учебному эксперименту с использованием оборудования L-micro (1999 г.) [101]. Целью его исследовательской работы являлась модель выстраивания методики компьютеризированного учебного эксперимента на основе индивидуализации обучения. В.В. Клевиц-кий пишет: «… в последнее время стало появляться ориентированное на использование в школе оборудование для компьютеризации реального «живого» физического эксперимента. При этом компьютер выполняет функции регистрации результатов измерения, хранения этих результатов, их обработки и наглядного представления на экране. Такой эксперимент … называется компьютеризированным физическим экспериментом и является чрезвычайно важным в плане развития роли физического эксперимента в школьном образовании» [101, с.6]. По мнению В.В. Клевицкого, «эксперименты по роли компьютера разделены на три типа: – эксперимент и обработка результатов разнесены во времени и в пространстве: эта система «вне линии» (off-line); – эксперимент и его обработка проводятся в режиме реального времени, в момент эксперимента. Это вариант «на линии» (on-line); – исследователь работает только с компьютером, управляющим автоматизированным экспериментом в режиме «в линии» (in-line)» [101, с.81]. В 1999 г. В.И. Сельдяев разрабатывает методику выполнения лабораторных работ с использованием компьютера и предлагает использовать компьютер в ученических исследованиях в одном из трех вариантов: «1. Использование вычислительного эксперимента в лабораторных работах в сочетании с натурным экспериментом; 2. Использование только вычислительного эксперимента; 3. Использование компьютера в составе комплекта измерительного или демонстрационного оборудования» [199, с.76]. В.И. Сельдяев отмечает, что «…важным направлением использования компьютера в исследовании учащихся является его применение как управляющей части экспериментальной установки» [199, с.8]. При этом все методические разработки В.И. Сельдяе-ва касаются использования цифровых лабораторий фирмы PhillipHarris.
Систематизация демонстрационного эксперимента
Требования ФГОС по физике для средней школы предполагают учебную деятельность по формированию у учащихся экспериментальных УУД II и III уровня [21].
При изучении физики на базовом уровне выпускник средней школы должен приобрести следующие умения: - проведение опытов: иллюстрирующих проявление принципа относительности, законов классической механики, сохранения импульса и механической энергии. по изучению свойств газов, жидкостей и твердых тел, тепловых процессов и агрегатных превращений вещества. по исследованию явления электромагнитной индукции, электромагнитных волн, волновых свойств света. проведение исследований: процессов излучения и поглощения света, явления фотоэффекта и устройств, работающих на его основе, радиоактивного распада, работы лазера, дози метров. При изучении физики на профильном уровне выпускник средней школы должен приобрести следующие умения: проведение измерений: давления газа, влажности воздуха, удельной теплоемкости вещества, удельной теплоты плавления льда; параметров электрических цепей при последовательном и параллельном соединениях элементов цепи, ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока, электроемкости конденсатора, индуктивности катушки, показателя преломления вещества, длины световой волны; - проведение экспериментальных исследований: равноускоренного движения тел, свободного падения, движения тел по окружности, колебательного движения тел, взаимодействия тел. изопроцессов в газах, превращений вещества из одного агрегатного состояния в другое. законов электрических цепей постоянного и переменного тока, явлений отражения, преломления, интерференции, дифракции, дисперсии света. явления фотоэффекта, линейчатых спектров.
Авторы программ по физике для средней школы [191] предлагают примерно одинаковый перечень фронтальных лабораторных работ, согласующийся с примерной Программой по физике для среднего (полного) образования (см. Приложение 17).
Выполнение фронтального лабораторного эксперимента в средней школе может быть организовано одним из методов: репродуктивным, частично-поисковым или исследовательским.
Репродуктивный метод выполнения лабораторной работы предусматривает проведение актуализации знаний учеников, повторение способа измерения необходимых физических величин, выяснения принципиальной схемы установки. После этого ученикам предлагается собрать схему установки, провести измерение, обработать результаты опыта и сделать соответствующие выводы.
Выполнение лабораторных работ репродуктивным методом заключается в том, что в данном случае не предполагается самостоятельное получение учащимися новых знаний, а лишь подтверждаются уже известные факты и истины или иллюстрируются теоретически установленные утверждения.
Частично-поисковый метод заключается в том, что последовательные указания, которые получают учащиеся, активизируют их умственную деятельность на анализ полученных из опытов результатов и на формулировку нового, раньше неизвестного им закона или факта. Этот метод позволяет органически включать в изложение нового материала лабораторный эксперимент как источник новых знаний, полученных учащимися в результате своих наблюдений на самостоятельно собранной установке.
Частично-поисковым методом целесообразно пользоваться в тех случаях, когда все действия, которые должны выполнить ученики, уже усвоенные или выполняются легко. Данный метод может использоваться в работах, посвященных либо наблюдению явлений, либо установлению функциональных зависимостей между определенными физическими величинами.
При исследовательском методе выполнения ученики получают только задание, а пути его выполнения они отыскивают сами и самостоятельно проводят все этапы исследования – собирают установку, проводят измерение, обрабатывают результаты и т.д.
Исследовательский метод в чистом виде может быть использован лишь в индивидуальной работе с сильными учениками. Но элементам этого метода необходимо учить всех учеников. Поэтому наряду с выполнением работ по описанию необходимо организовать и такое проведение, при котором перед учащимися формулируются только цель работы, способы ее выполнения учащимися необходимо определить самостоятельно.
Количественное соотношение между методами выполнения лабораторных работ нельзя определить нормативно, поскольку на их выбор влияет много факторов: соответствие избранного метода цели урока, подготовленность учеников к восприятию материала на определенном уровне, содержание эксперимента. Выбирая метод выполнения лабораторного эксперимента, учитель должен руководствоваться тем, что каждая работа должна обеспечивать выполнение программных требований к экспериментальной подготовке учащихся средней школы.
Репродуктивный метод выполнения фронтального эксперимента в средней школе оправдан при изучении физики на базовом уровне при проведении опытов по иллюстрации тех или иных явлений. Однако при организации лабораторных работ по исследова 101 нию тех или иных явлений и зависимостей характерен переход от репродуктивного к частично-поисковому и исследовательскому методам выполнения эксперимента.
В результате выполнения фронтальных экспериментов учащиеся должны хорошо уяснить, что всякое измерение является приближенным, что объясняется качеством измерительной аппаратуры, методом наблюдения, установкой приборов, способом отсчета, собственными экспериментальными навыками, вычислением искомой величины.
Поисковый эксперимент
По завершении каждого промежуточного этапа учащиеся экспериментальных групп дают большее количество правильных ответов, в некоторых случаях это различие превышает 15 %. Сравнение результатов тестирования по группам вопросов позволило сделать вывод о наиболее значимом увеличении правильных ответов, связанных с развитием умений планировать эксперимент, выбирать методику эксперимента, интерпретировать результаты эксперимента.
Результаты проведенных исследований свидетельствует о том, что последовательное применение системы лабораторных работ на современном цифровом оборудовании приводит к существенному повышению эффективности учебного процесса по физике, которое фиксируется по повышению уровня сформированности экспериментальных умений учащихся.
При этом динамика изменений результатов тестирования показывает, что за два года обучения по экспериментальной методике прирост в развитии сопоставим с каждым последующим годом обучения.
Параллельно с проведением обучающего эксперимента в образовательных учреждениях, была создана и внедрена в практику программа повышения квалификации учителей физики в плане совершенствования методики УФЭ в школе. Оборудование, поставляемое в ОУ в рамках национального проекта «Образование», на сегодняшний день имеет недостаточное методическое обеспечение. В связи с этим возникла необходимость в методической поддержке специалистов, внедряющих данное оборудование в образовательный процесс. Одним из возможных путей решения данной проблемы явилась профессиональная переподготовка учителей физики основной и средней школы. Кафедрой методики обучения физике РГПУ им.А.И.Герцена создана дополнительная профессиональная образовательная программа повышения квалификации учителей физики «Лабораторный и демонстрационный эксперимент по физике на оборудовании L-micro». Цель данной программы заключалась в повышении компетенций учителей в области демонстрационного и лабораторного эксперимента при преподавании физики.
Программа, нацеленная на совершенствование знаний и умений учителей с учетом современных требований, рассчитана на 72 часа. К преподаванию по данной программе был привлечен учитель физики Порохов Д.А. (кандидат педагогических наук, учитель физики высшей квалификационной категории). Обучающимися по данной программе были учителя физики образовательных учреждений Санкт-Петербурга с владением ПК на уровне пользователя.
Задачи программы заключались в следующем: 1. Ознакомление с комплектом оборудования L-micro и типовыми возможностями. 2. Овладение методикой организации и проведения лабораторного практикума на оборудовании L-micro. 3. Овладение методикой демонстрационного эксперимента на оборудовании L-micro.
Идеи системно-деятельностного подхода нашли свое отражение в организации занятий на курсах. Обучение внутри каждого модуля имеет свои особенности. Например, занятия в модуле «Организация фронтального лабораторного эксперимента» были смоделированы как учебные лабораторные работы в парной и групповой форме. В общей сложности слушателями курсов было проделано около 70 лабораторных работ по механике, тепловой физике и МКТ, электродинамике, оптике. При организации занятий в модуле «Демонстрационный эксперимент на оборудовании L-micro» учителям была предоставлена возможность самостоятельного выполнения всего спектра демонстраций по школьному курсу физики. На каждом занятии аудитория разбивалась на зоны, и слушатели, работая в группах переменного состава, выполняли некоторое количество экспериментов по определенной теме школьной программы.
В рамках модуля «Использование оборудования L-micro в исследовательской деятельности» обсуждались вопросы возможности и необходимости совмещения элементов различных современных комплектов оборудования, среди которых: приборы для изучения и наблюдения физических явлений; измерительные приборы демонстрационного типа; лабораторные измерительные приборы; комплект датчиков и ПО, выполняющие функции измерительных приборов любого типа.
Результаты обучения представлялись слушателями курса на двух методических семинарах (по лабораторному и демонстрационному эксперименту). В своих выступлениях учителя не только рассказывали о методике проведения того или иного эксперимента, но и определяли место данного эксперимента в уроке и в изучаемой теме. По результатам курсовых занятий и выступлений (по лабораторному эксперименту) был выпущен сборник методических разработок слушателей курсов, где представлены описания демонстрационных и лабораторных экспериментов, рекомендации по их подготовке, отмечены особенности проведения[29].
Слушателями курсов повышения квалификации учителей физики «Лабораторный и демонстрационный эксперимент по физике на оборудовании L-micro» были отмечены следующие положительные моменты использования современных комплектов оборудования:
1. Оптимизация времени, которое затрачивается непосредственно на сам эксперимент (например, за счет возможности фиксации данных от быстро протекающих процессов), значительно увеличивает время на обсуждение полученного в эксперименте результата и его осмысление, т.е. на «физическую» составляющую эксперимента.
2. Цифровая обработка результатов, полученных в ходе эксперимента, расширяет возможности анализа экспериментальных данных в режиме реального времени.
3. Уменьшение времени, необходимого на сборку и отладку лабораторной установки, ведет к возможности увеличения времени на обсуждение с учащимися плана проведения лабораторного исследования, гипотезы исследования, результатов, полученных в ходе работы, формулировки выводов и перспектив дальнейших действий. Практически каждая лабораторная работы может быть методически оформлена как учебная исследовательская работа.
Благодаря приобретенным в ходе обучения по данной программе профессиональным компетенциям, учителя имеют возможность активно использовать знания на прак 132 тике, способствуя тем самым повышению качества преподавания физики в образовательном учреждении в целом и росту мотивации школьников к изучаемому предмету в частности.
