Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Психолого-педагогический анализ проблемы инновационного подхода к решению задач и лабораторному практикуму 12
1.1. Современная физика и уровни ее методологии, как содержательная основа обучения физике в средней школе 12
1.2. Содержание понятия «задача» в методике и практике обучения физике. Инновационный подход к обучению решению задач и лабораторному практикуму 23
1.3. Состояние проблемы обучения решению физических задач в средней школе 30
1.4. Натурный эксперимент в школьном курсе физики 33
1.5. Вычислительный эксперимент в школьном курсе физики 40
1.6. Психолого-педагогические аспекты обучения решению задач учащихся средней школы 45
Выводы к главе 1 49
ГЛАВА 2. Основы инновационной методики решения задач и лабораторного практикума в курсе физики средней школы 50
2.1 Развитие творческих способностей учащихся при инновационном подходе к решению задач и лабораторному практикуму 50
2.2. Методологические основы реализации инновационного подхода к решению задач и лабораторному практикуму 57
2.3. Конструирование циклов задач для реализации инновационного подхода к обучению учащихся 66
2.3.1. Механика 74
2.3.2. Молекулярная физика 91
2.3.3. Электричество 100
2.4. Модель организации обучения физике при интеграции решения задач и лабораторного практикума 108
Выводы к главе 2 114
ГЛАВА 3. Экспериментальное обоснование методики инновационного подхода к решению задач и лабораторному практикуму 115
3.1. Организация и структура педагогического эксперимента 115
3.2. Итоги педагогического эксперимента 133
Выводы к главе 3 146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 147
БИБЛИОГРАФИЯ 149
- Современная физика и уровни ее методологии, как содержательная основа обучения физике в средней школе
- Развитие творческих способностей учащихся при инновационном подходе к решению задач и лабораторному практикуму
- Организация и структура педагогического эксперимента
Введение к работе
Актуальность исследования.
Современная физика - часть общечеловеческой культуры, характеризующая интеллектуальный уровень общества, степень понимания основ мироздания. Физика по-прежнему сохраняет роль лидера естествознания, определяя стиль и уровень научного мышления. Именно физика наиболее полно демонстрирует способность человеческого разума к анализу любой сложной ситуации, введению языка для описания этой ситуации, выявлению ее фундаментальных качественных и количественных аспектов и доведению уровня понимания до возможности теоретического предсказания характера и результатов ее развития во времени.
В процессе изучения физики происходит формирование научного типа мышления, которое является универсальным, обеспечивает объективность результата в любой деятельности и связано с творчеством.
Творческие способности человека можно развивать в различных областях знаний и на разных стадиях процесса обучения. В этом отношении возможности физики чрезвычайно велики. Творческая деятельность в физике связана с решением нестандартных проблемных задач, представляющих собой модель научных проблем.
Для физического образования, как на уровне средней школы, так и на уровне высшей школы, характерна определенная разобщенность таких компонентов обучения как лабораторные работы и решение физических задач. Занятия по этим компонентам курса, часто слабо связаны друг с другом, проводятся в разное время, а иногда лабораторные работы как компонент просто выпадает из курса общего физического образования. Темы лабораторных работ часто не совпадают с изученным материалом, отставая или опережая изучение теоретического материала. В результате проблема организации измерений при выполнении лабораторных работ оказывается изолированной от всего остального обучения физике. Отсюда берет свое начало практически полное непонимание в проведении физических измерений и неспособность самостоятельно предложить схему измерений, позволяющую адекватно контролировать изучаемые физические процессы. Добиться прогресса в указанной области можно путем разработки и использования при обучении физике в средней школе, а именно на ранней стадии становления физического понимания учащимися окружающего мира, цикла физических задач, посвященных анализу возможностей проведения тех или иных измерений в конкретных условиях.
Важно на ранних стадиях физического образования закладывать у учащихся развитие универсальных навыков исследовательской деятельности к проведению комплексных теоретико-экспериментальных исследований по разработке физических и математических моделей явлений природы с анализом полученных результатов на предмет адекватного объяснения явлений и теоретического предсказания изменения характера явления при изменении значений определяющих его параметров. Именно такие комплексные исследования характерны для современного состояния естественных наук, в том числе и физики.
Таким образом, актуальность исследования обусловлена необходимостью создания методических теоретико-экспериментальных комплексов, направленных на формирование у учащихся представлений о физике в системе адекватной науке и способствующей развитию физического понимания учащихся - от классов с гуманитарной направленностью и вплоть до классов с углубленным изучением физико-математических дисциплин.
Объектом исследования является процесс обучения физике в условиях перехода средней школы к профильному образованию.
Предмет исследования - содержание и методика согласованного проведения уроков по решению задач и лабораторному практикуму и выявление влияния указанной согласованности на качество общего физического образования.
Целью исследования является разработка теоретических основ и содержания согласованного решения задач и лабораторных работ на уроках физики, реализующих возможности развития физического понимания учащихся.
Гипотеза исследования. Согласование решения задач и лабораторного практикума на уроках физики позволяет добиться большего соответствия модели физического образования комплексному теоретико-экспериментальному характеру базовой науки - физики. Согласование решения задач и лабораторных работ интенсифицирует процесс развития физического понимания учащихся, что должно привести к позитивным изменениям в характеристике познавательной деятельности учащихся.
В соответствии с гипотезой исследования были поставлены и решены следующие задачи:
1. Обоснование необходимости инновационного подхода к проведению уроков решения задач и лабораторного практикума по физике в средней школе на основе анализа учебно-методической литературы.
2. Разработка методики инновационного подхода к проведению уроков по решению задач и лабораторному практикуму по физике на основе циклов задач по механике.
3. Разработка методики инновационного подхода к проведению уроков по решению задач и лабораторному практикуму по физике на основе циклов задач по молекулярной физике и электричеству.
4. Анализ влияния инновационного подхода к проведению уроков по решению задач и лабораторному практикуму по физике на качество знаний, умений и навыков у учащихся.
5. Провести сравнительный анализ качества умений и навыков учащихся решать задачи и выполнять лабораторный практикум при традиционном и инновационном подходах к обучению.
Методы исследования подбирались по требованию адекватности задачам исследования. На разных этапах исследования использованы: теоре тический анализ литературы по проблеме исследования; изучение и обобщение передового педагогического опыта; анализ содержания и организации процесса обучения физике в школе; педагогические наблюдения и срезы; педагогический эксперимент со статистической обработкой его результатов.
Теоретическую основу исследования составили:
- работы, раскрывающие различные аспекты физического образования: организации уроков, исследовательской направленности образования, развития методологической культуры учащихся в процессе обучения;
- работы физиков-исследователей, имеющих принципиально важные методические результаты в области становления содержания обучения физике в средней школе;
- работы философов, историков и методологов по мировоззренческой и методологической интерпретации ключевых достижений физики;
- исследования в области психологии развития интеллекта и становления человека как субъекта деятельности;
- работы, в которых обсуждаются различные аспекты теории обучения решению физических задач и организации лабораторных работ.
Этапы исследования.
На первом этапе исследования (2001-2002) проводилось изучение литературы по проблемам обучения с целью определения методологических основ исследования. На этом этапе осуществлялся теоретический анализ философских, психологических, педагогических и методических работ по проблемам обучения физике в школе.
На втором этапе (2002-2003) проводилось исследование состояния проблемы проведения согласованных уроков по решению задач и проведению лабораторного практикума в различных школах (обзор учебных программ на наличие такой координации, наблюдение, анкетирование учителей и учащихся). На этом этапе выяснилась необходимость в инновацион ном подходе к решению задач и лабораторному практикуму, разрабатывалась методика согласованного проведения уроков.
На третьем этапе (2003-2004) проводилось применение разработанной методики инновационного подхода в учебном процессе в контрольных и экспериментальных группах учащихся. Проводилась проверка экспериментальных данных, сравнение, корректировка разработанной методики, формулировались общие выводы. Здесь применялись методы наблюдения, анкетирования, статистической обработки экспериментальных данных, сопоставление экспериментальных данных с гипотезой исследования.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования обеспечивается разносторонним анализом проблемы; внутренней непротиворечивостью полученных результатов и их соответствием возрастной психологии и педагогики становления учащегося как субъекта процесса обучения; использованием разнообразных методов исследования, адекватных поставленным задачам; репрезентативностью и положительными результатами педагогического эксперимента, проводившегося в течение 2002-2004 учебных годов с участием 372 учащихся и 26 учителей, из которых 5 принимали участие в экспериментальном преподавании.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что в отличие от ранее выполненных работ, в которых исследовалась взаимосвязь лабораторных работ с физическими задачами в рамках вузовской программы, в настоящей работе доказана необходимость в согласовании решения физических задач с лабораторным практикумом в средней школе в соответствие с концепцией «образование как учебная модель науки». Таким образом, интеграция уроков решения задач и лабораторного практикума отвечает взаимосвязи экспериментальных и теоретических методов исследования в науке. Для осуществления указанной интеграции были предложены циклы задач по механике, молекулярной физике и электричеству, выполнение которых включает в себя как аналитическое решение задач, так и практическое проведение лабораторных работ.
Теоретическая значимость результатов исследования.
В диссертационном исследовании разработана идея инновационного подхода к обучению физике в средней школе, основанная на комплексе циклов задач по некоторым разделам физики, заключающаяся в согласовании уроков решения задач и лабораторного практикума. Как показывают результаты данного исследования подобное согласование способствует освоению знаний о методах научного познания природы, овладению умениями выполнять теоретические и экспериментальные исследования, выдвигать гипотезы и строить модели реальных явлений. В рамках данной работы предложена модель организации обучения физике при интеграции решения задач и лабораторного практикума.
Практическая значимость работы заключается в разработке содержания методики согласованных уроков решения задач и лабораторного практикума на основе циклов задач по разделам механика, молекулярная физика и электричество. Содержание доведено до методических разработок циклов задач, которые могут быть применены учителями в школах различного профиля.
Критерии эффективности предложенной методики инновационного подхода к проведению уроков решения задач и лабораторного практикума по физике в средней школе:
- сформированность физического понимания, проявляющегося в характеристике познавательной деятельности учащихся при сочетании решения задач и лабораторных работ;
- повышение качества умений и навыков решения задач, определенных стандартом физического образования;
- повышение качества умений и навыков выполнения лабораторного практикума, определенных стандартом физического образования;
- положительная динамика познавательных интересов учащихся при проведении педагогического эксперимента.
Апробация результатов исследования
Практические результаты исследования - содержание методики инновационного подхода применительно к практическим методам обучения физике учащихся апробировано в процессе проведения педагогического эксперимента, а также при прохождении ассистентской и доцентской практики в РГПУ им. А.И. Герцена.
Теоретические результаты проверены в ходе обсуждений публикаций автора по теме исследования на аспирантских семинарах кафедры методики обучения физике РГПУ им. А.И. Герцена, а также при выступлениях на следующих научно-практических конференциях: «Герценовские чтения» (СПб., 2002, 2003, 2004); «Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики в современных условиях» (Екатеринбург, 2004).
Результаты исследования внедрены в практику:
- работы по повышению квалификации учителей физики Санкт-Петербургской академии постдипломного педагогического образования;
- обучения физике слушателей института довузовской подготовки, а также учащихся малого физического факультета РГПУ им. А.И. Герцена;
- обучения физике учащихся классов с углубленным изучением физики и математики школ №№ 239, 344 г.С.-Петербурга, гимназии № 406 г. Пушкина, а также муниципальных школ №№ 181, 287 г. С.-Петербурга.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Повышение степени соответствия физического образования как учебной модели науки - физике как базовой науке, возможно, если на уроках систематически сочетать решение задач и элементы лабораторного практикума.
2. Согласование на уроках физики решения задач и лабораторного практикума способствует интенсивному развитию физического понимания учащихся. При этом теоретические знания, полученные в результате реше ния задач, используются для проведения лабораторного практикума, реализуя более глубокое усвоение, прогнозирующей функции науки.
3. Предлагаемая методика проведения согласованных уроков по физике усиливает исследовательскую направленность обучения, вырабатывает у учащихся внутреннюю потребность в творческой деятельности, которая проявляется в разработке физических моделей изучаемых объектов и их практической апробации на материале циклов задач по механике, молекулярной физике и электричеству.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, заключения, списка использованной литературы (из 157 наименований, из которых 4 - на иностранном языке). Диссертация содержит 162 страницы, включая 20 таблиц, 24 рисунка, 1 схему и 8 диаграмм.
Современная физика и уровни ее методологии, как содержательная основа обучения физике в средней школе
Изучение и разработка междисциплинарных методов, знания о которых входит в общенаучный уровень методологии, осуществляется, главным образом, в частных науках, где происходит приспособление общих методов к нуждам данной науки. Вопросы правомерности переноса методов из одной науки в другую, значимости этих результатов, полученных с помощью этих методов, не могут решаться в рамках частных наук, а получают осмысление в рамках философии.
Чтобы оценить роль, которую знания по данному уровню методологии могут играть в условиях преподавании физики, необходимо выяснить, в чем состоит значение этих знаний для физики. Из анализа работ современных философов [36, 88, 140, 148, 149], а также физиков [52, 64, 123, 124] вытекают два взаимосвязанных аспекта этого вопроса.
1. Философские знания имеют фундаментальное значение для интерпретации наиболее общих результатов исследования в области физики.
2. Диалектический метод в физике имеет эвристическую функцию. Однако при использовании диалектического метода в частных науках имеется своя специфика. Диалектический метод не может решать конкретных вопросов в области физики.
Оба рассмотренных аспекта тесно взаимосвязаны. Направляющую функцию философские знания могут осуществить только на основании обобщения важнейших результатов естествознания. Эти знания являются одним из источников возникновения и развития диалектического метода.
В этой связи необходимо раскрыть исходные понятия: методология, метод, методика, так как в научной и методической литературе [1, 17, 30, 43, 80, 99] приняты различные трактовки этих понятий.
Методология - это учение о методах, структуре, логической организации науки и средствах деятельности в ней; совокупность наиболее существенных элементов теории, конструктивных для развития самой науки — концепция самой науки; совокупность общих методологических принципов и методов, используемых в научном исследовании с учетом специфики решаемых задач; совокупность приемов исследования, применяемых в науке; учение о принципах построения, формах и способах научного познания.
Метод - это путь исследования; способ достижения какой-либо цели, решения конкретной задачи, совокупность приемов или операций, практического или теоретического познания, общий способ подхода к решению достаточно широкого класса задач, а также общее направление в ходе их решения; определенным образом упорядоченная деятельность по решению задач определенного класса.
Методика - это совокупность технических приемов и организованных форм для получения результата исследования; система методов последовательного и эффективного проведения исследования, решения задачи, достижения цели.
Таким образом, владение методикой означает и усвоение системы методов, и уверенную ориентацию в методологии. В этом смысле характерен афоризм академика Д.С.Лихачева: «Ошибка в выводах указывает на ошибочность работы исследователя; ошибочность примененного метода - на порок самого исследователя. Самый позорный провал в науке - применить порочный метод, а не просто прийти к неверному выводу» [89].
Можно заключить, что метод обучения предполагает цель учителя и его деятельность имеющимися у него средствами. Под влиянием этой деятельности возникает и осуществляется процесс усвоения учеником изучаемого содержания, достигается намеченная цель, или результат обучения. Другими словами, метод обучения предполагает непременное взаимодействие учителя и ученика над объектом изучения.
Для построения метода обучения необходимо знать свойства объекта. В нашем случае объектом является ученик, а его свойства проявляются в том, как он усваивает изучаемое содержание, как относится к учению и как он изменяется под влиянием усвоенного содержания. Таким образом, в методе обучения ведущими элементами являются содержание образования и способы его усвоения.
Многочисленные исследования психологов [25, 87, 116] и опыт обучения в школе [18, 21, 49, 55, 93] свидетельствуют о том, что каждому виду содержания соответствует определенный способ его усвоения.
Рассмотрим несколько основных методов обучения физике.
1. Объяснительно - иллюстративный метод.
Метод состоит в том, что учитель сообщает готовую информацию разными средствами (устное слово, печатное слово, наглядные средства), а учащиеся воспринимают, осознают и фиксируют в памяти эту информацию. Учащиеся выполняют ту деятельность, которая необходима для первого уровня усвоения знаний - слушают, смотрят, ощупывают, соотносят новую информацию с ранее усвоенной и запоминают ее.
2. Репродуктивный метод.
Этот метод сводится к воспроизведению и повторению способа деятельности по заданиям учителя. Он может приобретать разные формы и осуществляться разными средствами. Это упражнения над натуральными предметами, над материалом учебника и учебных пособий, умственные упражнения (сравнение, умозаключение, классификация и т.д.).
Развитие творческих способностей учащихся при инновационном подходе к решению задач и лабораторному практикуму
Подход к образованию как к учебной модели науки предполагает реализацию определенной последовательности учебных моделей научных исследований. Это предъявляет определенные требования к методике изучения отдельных вопросов по физики в средней школе. Такой подход строго научно обоснован в работах [71] и [72]. При переходе научной системы знаний в учебную необходимо использовать методологию физики в наибольшем объеме. Именно на этом пути может быть обеспечен фундаментальный характер образования, обусловленный как внутренней логикой развития системы научного знания, так и конкретными социальными потребностями на современном этапе развития общества. Многое в этом направлении делается в свете развития инновационных технологий обучения, внедрения компьютерной техники в процесс образования, создание специализированных школ и классов по интересам обучаемых и т.д., однако сами эти факторы не в состоянии решить задачу развития творческих способностей, умений и навыков исследовательской деятельности.
Проблеме развития творческих способностей учащихся всегда уделялось пристальное внимание в школьном образовании [60, 141], хотя в различные периоды в этом вопросе расставлялись различные акценты. Можно выделить три основных этапа в разработке развития творческих способностей учащихся в процессе обучения физике. Первый этап связан с развитием технического творчества, когда учащийся развивает главным образом конструкторские способности в определенной области знания. Второй этап характеризуется разработкой методики включения творческой деятельности учащихся во все виды учебной деятельности: решение задач, лабораторные работы, физический практикум. На третьем этапе была попытка найти основной принцип разработки содержания курса физики, изучение которого лучше способствовало бы развитию творческих способностей. В результате была сформулирована общая теоретическая концепция о «механизме» творческого процесса, являющегося органической частью учебной деятельностью ученика, изучающего физику [111].
Наиболее высокий, результативный уровень творческой деятельности характеризуется: умением формулировать гипотезу, сравнивать между собой различные данные, абстрагироваться и выделять существенное, стимулировать творческую фантазию. Наряду с этим существует группа умений более низкого уровня, которую условно можно назвать группой технических умений творческой, исследовательской деятельности. Примером таких умений являются: умение правильно группировать и систематизировать данные наблюдений, определять достоверность измерений, выполнять расчеты и оценивать их точность, находить необходимые справочные данные, работать с литературой. Только в совокупности эти группы умений характеризуют определенный уровень развития творческой личности. Следует отметить, что предложенная классификация творческих умений не является общепринятой, так как проблема критериев творческой деятельности и путей формирования творческих умений еще далека от окончательного решения [21, 100, 141].
Творческие способности человека можно развивать в различных областях знания и на разных стадиях процесса обучения. В этом отношении возможности предметов естественнонаучного цикла, прежде всего физики, чрезвычайно велики. Творческая деятельность в физике связана с решением нестандартных проблемных задач, представляющих собой модель научных проблем. Здесь, конечно, возникает ряд вопросов, главным из которых является необходимость обеспечения, как адекватного научного уровня рассмотрения, так и доступности соответствующей деятельности для школьников.
Необходимым этапом развития навыков исследовательской деятельности является развитие научного мышления учащихся. Последнее, применительно к физике, всегда ассоциировалось с решением физических задач. В последние годы развит подход, который предлагает использовать методологический инструментарий обучения решению задач, который открывает возможности систематической подготовки учащихся к развитию исследовательских навыков. При этом эффективность обучения решению задач по физике значительно возрастает при широком и систематическом использовании на уроках задач разных уровней методологии физики [15, 51, 80].
Роль задач особенно велика в развитии физического мышления и творческих способностей. Именно в процессе решения задач у учащихся постепенно вырабатывается умение не только объяснять исследуемые явления на основе приобретенных теоретических знаний, но и в некоторых случаях предсказывать физические явления, что является высшей степенью понимания сути явления и описывающих их законов природы [80].
Необходимым этапом решения любой нетривиальной задачи является построение физической модели изучаемого явления. Это делает решение физических задач наиболее естественным и эффективным средством для выработки умений осуществлять математическое моделирование реальных процессов, причём не только физической природы. Создание адекватной картины физической модели изучаемого явления в ряде случаев представляет собой наиболее трудную часть исследовательского процесса, требующую наиболее высокой квалификации исполнителей.
Организация и структура педагогического эксперимента
Оценка эффективности предложенной методики инновационного подхода к решению задач и лабораторному практикуму в средней школе осуществлялась путем сравнения результатов обучения учащихся в экспериментальных и контрольных классах по одноименным показателям. Этими показателями явились следующие элементы знаний, умений и навыков (ЗУН) учащихся, а также наблюдаемые изменения в характеристике познавательной деятельности (ХПД) учащихся, которые можно было однозначно зафиксировать в ходе экспериментального преподавания. В качестве элементов ЗУН были выделены:
1. Знания основных теоретических сведений по разделам «Механика», «Молекулярная физика» и «Электричество».
2. Понимания логики получения основных теоретических сведений по указанным выше разделам.
3. Умения применять теоретические знания к анализу содержания лабораторных работ и циклов задач.
4. Умения разбивать проблему конкретной лабораторной работы или задачи на ряд подпроблем - вопросов, совокупность ответов на которые приводит к решению проблемы в целом.
5. Навыки решения типовых задач по разделам «Механика», «Молекулярная физика» и «Электричество» из действующих школьных сборников задач.
6. Навыки работы с типовым учебным оборудованием (предусмотренные учебными программами), применяющемся при постановке лабораторных работ и работ физического практикума по разделам «Механика», «Молекулярная физика» и «Электричество».
Кроме указанных выше элементов ЗУН оценка эффективности методики инновационного подхода осуществлялась по критериям успеваемости (У, %) и качества знаний (К, %) учащихся по темам.
В качестве элементов, по которым можно было проследить изменения в характеристике познавательной деятельности (ХПД) учащихся, были выделены:
1. Умение комплексного использования теоретических и экспериментальных методов сформированное при обучении решению предложенных в диссертационном исследовании циклов задач и перенос этого умения на субъективно новые познавательные ситуации.
2. Умение использовать различные уровни методологии физики при разработке физических моделей изучаемых объектов.
3. Уменьшение формализма в теоретических знаниях учащихся путем предсказания результатов лабораторных работ и осуществление контроля и коррекции результатов при выполнении натурного эксперимента.
Структура и основное содержание педагогического эксперимента были организованы в соответствие с организационными и нормативными требованиями, предъявляемыми к педагогическим исследованиям, а также к оценке качества подготовки выпускников по физике согласно [96, 104, 145].
