Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование целостности содержания физического и биологического образования при изучении термодинамических систем 21
1.1. Интеграция физики и биологии в условиях профильного обучения в классах естественно-научного профиля 21
1.2. Методологические основы интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем 34
1.3. Возможности построения учебного модуля «Термодинамика биологических систем» в условиях профильного обучения 46
Глава 2. Методика осуществления интеграции физики и биологии при изучении открытых термодинамических систем 63
2.1. Модель методики осуществления интеграции физики и биологии на основе понятия «энергия» при изучении открытых термодинамических систем 63
2.2. Реализация интегративных форм учебных занятий при изучении открытых термодинамических систем 83
2.3. Приёмы, методы и средства развития естественно-научного мышления учащихся при изучении учебного модуля «Термодинамика биологических систем» 114
Глава 3. Педагогический эксперимент 132
3.1. Задачи и методика проведения педагогического эксперимента 132
3.2. Критерии оценки эффективности проведения педагогического эксперимента 136
3.3. Анализ результатов педагогического эксперимента 146
Заключение 162
Библиография 168
Приложение 187
- Интеграция физики и биологии в условиях профильного обучения в классах естественно-научного профиля
- Возможности построения учебного модуля «Термодинамика биологических систем» в условиях профильного обучения
- Реализация интегративных форм учебных занятий при изучении открытых термодинамических систем
- Критерии оценки эффективности проведения педагогического эксперимента
Введение к работе
Актуальность исследования. На современном этапе развития российского образования актуальной является проблема повышения качества образования, которое удовлетворяло бы познавательные потребности учащихся, обеспечивало высокий уровень их фундаментальной подготовки, развитие личности и ее адаптацию в быстро изменяющихся социально-экономических и технологических условиях. Содержание и направление образовательной политики России определены в Федеральном законе «Об образовании в Российской Федерации», «Национальной доктрине образования в Российской Федерации» до 2025 г., Национальной образовательной инициативе «Наша новая школа».
Ориентация современной российской системы образования на потребности личности, учет способностей и возможностей учащихся, профильную направленность содержания образования ставит задачи повышения качества профильного естественно-научного образования. Вопрос повышения качества образования неразрывно связан с требованиями к результатам освоения основной образовательной программы, установленными федеральным государственным образовательным стандартом среднего общего образования (далее – Стандарт) на личностном, метапредметном и предметном уровнях.
В рамках реализации государственных приоритетов модернизации образования перед педагогическим сообществом актуализировалась проблема выбора стратегии профильного обучения, которая наиболее полно отражала бы требования государства и общества к качеству образования в направлениях: 1) обеспечение высокого уровня фундаментальной подготовки учащихся; 2) развитие личности учащихся, повышение мотивации к обучению и целенаправленной познавательной деятельности; 3) подготовка учащихся к последующему профессиональному образованию и к дальнейшей профессиональной деятельности.
В работах В. А. Асеева, Б. М. Кедрова, В. Н. Кузнецова, А. Д. Суханова,
А. Д. Урсула, М. Г. Чепикова, Г. П. Щедровицкого указывается, что фундаментальность образования характеризуется принципами научности и систематичности, а системность обусловлена целостностью и взаимосвязанностью. Ведущим направлением в реализации этих принципов является интеграция естественно-научных представлений о материи, формах и способах ее существования, физические знания являются теоретической основой этих представлений. Одновременно с возрастающей ролью интеграции меняется соотношение между фундаментальными предметными знаниями и их практическим приложением, что приводит к смене ориентиров в профильном естественно-научном образовании в сторону построения целостного содержания естественно-научных знаний на основе фундаментальных физических законов, объясняющих изучаемые естественными науками явления природы.
В исследованиях по вопросу целостности содержания естественно-научного образова
ния в области дидактики (Ю. И. Дик, И. Д. Зверев, Л. Я. Зорина, В. И. Кузнецов, В. М. Си
монов, А. А. Панайотов, А. В. Усова, В. Н. Федорова и др.), методики преподавания естест
венно-научных предметов (Г. М. Анохина, А. И. Гурьев. М. Д. Даммер, Ц. Б. Кац,
О. А. Митина, Е. Б. Петрова, М. В. Потапова, Л. А. Прояненкова, Н. С. Пурышева,
С. А. Старченко, Н. Н. Тулькибаева, А. А. Фадеева, А. Г. Хрипкова, Н. В. Шаронова,
О. А. Яворук и др.), создания экспериментальных программ (И. Ю. Алексашина,
М. Г. Гапонцева, Ю. А. Коварский, Е. К. Страут, Н. С. Пурышева, З. А. Скрипко,
Л. С. Хижнякова, А. Ю. Хотунцев, Ю. Л. Хотунцев и др.) указывается, что интеграция знаний существенно повышает у учащихся интерес и мотивацию к обучению.
На современном этапе развития российского образования профильная направленность содержания физического образования должна также ориентироваться на переход в характере мышления учащихся от фрагментарного к целостному восприятию мира, что обуславливает развитие естественно-научного мышления. Проблема его развития исследовалась в работах Г. А. Берулава, А. И. Гурьева, Ю. И. Дика, Н. М. Зверева, М. И. Махмутова, Л. П. Свиткова, С. А. Старченко, З. А. Скрипко, И. Т. Суровегиной, Н. Ф. Талызиной, А. В. Усовой и других исследователей.
В решении проблем интеграции содержания естественно-научного образования, развития естественно-научного мышления, активизации познавательной деятельности и мотивации учащихся к получению профильного естественно-научного образования значительную роль играет изучение в курсе физики средней школы элементов пограничных наук, в частности вопросов биофизики.
Интеграция физики и биологии при обучении физике позволяет раскрыть обобщенную методологию познания. Поскольку физика изучает наиболее простые формы движения материи, а биология – наиболее сложные, то интеграция этих двух областей познания позволит учащимся в полной мере осознать восхождение от абстрактного к конкретному, научит анализировать живые системы и видеть, как появляются в них новые интегративные качества при объединении (синтезе) простых форм движения.
Курс физики средней школы объединяет основы целой системы наук (механика, термодинамика, оптика, электродинамика и т. д.), позволяющих интегрировать физические и биологические знания. Особое место занимает термодинамика, так как она изучает общие закономерности обмена и превращения энергии, применяемые к процессам, протекающим как в неживой природе, так и в живых системах (например, к метаболизму). Однако в школьном курсе физики применение законов термодинамики ограничивается тепловым двигателем, что значительно сужает мировоззренческий потенциал данного раздела. При изучении термодинамических систем интеграция физических и биологических знаний позволит выйти на новый уровень познания, раскроет новые возможности их описания на основе самоорганизации и аутостабилизации в живом организме.
В работах А. И. Гурьева, В. С. Елагиной, А. В. Зубова, Ц. Б. Кац, И. Е. Карнаух,
М. Т. Рахматуллина, В. А. Попкова, Л. А. Прояненковой, С. А. Старченко,
Г. Н. Степановой, Л. П. Свиткова, А. В. Усовой, А. А. Фадеевой, Л. С. Хижняковой, Ю. С. Царева, А. Т. Цветковой, В. П. Шумана и других рассматривались проблемы методики обучения физике в средней школе в условиях межпредметного взаимодействия с биологией, в частности термодинамики. Однако проблема развития естественнонаучных знаний и их практическое использование на основе интеграции учебных предметов физики и биологии в представленных работах отражена недостаточно. В них не выявлены теоретические основы интеграции физики и биологии применительно к профильному личностно-ориентированному обучению.
Проведенный в рамках исследования констатирующий педагогический эксперимент, направленный на выявление уровней сформированности естественно-научных знаний, развитие естественно-научного мышления и мотивации учащихся к получению профильного естественно-научного образования позволил сделать вывод: несмотря на необходимость формирования у учащихся современного научного мировоззрения, более глубоких физических и естественно-научных знаний в целом, развития естественно-научного мышления, наблюдается низкий уровень усвоения естественно-научных знаний, в частности при изучении термодинамических систем, а естественно-научное
мышление учащихся находится в основном на уровне эмпирически-научной стадии развития. Это обусловлено низким уровнем мотивации учащихся в получении естественно-научных знаний (по данным констатирующего эксперимента). Мотивация учащихся профильных естественно-научных классов в основном направлена не на успешное продолжение обучения в учреждениях профессионального образования и на дальнейшее использование естественно-научных знаний в профессиональной деятельности, а на сдачу единого государственного экзамена.
В работах Е. А. Вечкановой, Г. А. Ворониной, Е. Н. Жуковой, Д. Н. Климовой,
Н. С. Пурышевой, В. Г. Разумовского, М. Т. Рахматуллина, С. А. Старченко,
А. В. Хуторского, Т. Т. Федорова, А. Т. Цветковой и других рассматривались проблемы естественно-научного образования в условиях профильного обучения. В исследованиях перечисленных авторов пути решения проблем определялись до принятия Стандарта и были ориентированы либо на общекультурное и мировоззренческое развитие личности, либо на углубленное изучение естественно-научных предметов.
Согласно федеральному закону «Об образовании в Российской Федерации» (ст. 66), подготовка учащихся должна быть направлена на развитие интереса к познанию, формирование навыков самостоятельной учебной деятельности на основе индивидуализации и профессиональной ориентации содержания среднего общего образования. В качестве одного из путей решения обозначенных требований выступает разработка индивидуальной образовательной траектории учащегося. В этом случае единицей профильного обучения становится не класс, а набор подвижных групп, формирующихся при изучении учебных модулей различного содержания. Стандарт определяет возможности сочетания фундаментальной подготовки учащихся профильных классов с широким спектром учебных модулей (ФГОС С(П)ОО (п. 18.3.1)).
Таким образом, возникает необходимость осуществления интегративного подхода при изучении предметов предметной области «Естественные науки» и возможность его осуществления через набор учебных модулей. Содержание модулей основано как на интеграции естественно-научных знаний, так и на знаниях, полученных при изучении смежных предметных областей. Набор учебных модулей определяет структуру и содержание единого элективного курса метапредметного характера. Учебные модули позволят конструировать содержание естественно-научного образования в зависимости от потребностей и возможностей учащихся, развивая у них познавательный интерес и раскрывая актуальные направления их будущей профессиональной деятельности, позволят сконцентрировать усилия учащихся на действительно важных для них аспектах учения. Одним из таких модулей может быть интегративный учебный модуль «Термодинамика биологических систем», который, с одной стороны, будет учитывать индивидуальные потребности учащихся с определенным стилем мышления, проявляющих способности к естествознанию, с другой стороны, будет направлен на достижение метапредметных результатов, развитие естественно-научного мышления и профессионально значимых характеристик, необходимых учащимся для дальнейшего продолжения обучения и осознанного выбора жизненной стратегии.
Эффективность реализации модульной технологии при изучении курса физики в общеобразовательной школе доказана в работах Л. И. Васильевой, Е. А. Вечкановой, Т. С. Данильсона, О. Н. Королевой, В. Г. Разумовского, Е. А. Румбешта, П. И. Третьякова и др. Однако, в контексте требований Стандарта преподавание интегративного учебного модуля для учащихся естественно-научного профиля как педагогическая проблема не иссле-
довалась. Отсутствуют методические рекомендации по преподаванию интегративного учебного модуля как целостной системы знаний и надпредметных умений.
На основании вышеизложенного можно констатировать, что в педагогической науке накоплен опыт по построению целостной системы содержания естественно-научного образования. Однако естественно-научное образование в условиях профильного обучения на сегодняшний день не обладает таким дидактическим и методическим инструментарием, практическая реализация которого на уровне интеграции физических и биологических знаний, в частности применительно к термодинамическим системам, могла бы способствовать естественно-научной подготовке учащихся, соответствующей требованиям общества, потребностям и интересам учащихся.
Анализ современного состояния профильного естественно-научного образования в целом и физического образования в частности, методологической, психолого-педагогической, научно-методической литературы и нормативных документов, регламентирующих образовательный процесс, позволил выявить ряд противоречий:
– между требованиями государства и потребностями общества в выпускниках профильных естественно-научных классов, обладающих целостными естественнонаучными знаниями, развитым естественно-научным мышлением, и реальным состоянием подготовки выпускников профильных классов, обладающих предметно-ограниченными знаниями и находящихся на эмпирически-научной стадии развития естественно-научного мышления;
– между интенсивными темпами развития процессов интеграции физических и биологических знаний в современной науке и недостаточной разработанностью дидактических механизмов их отражения в содержании физического образования, в частности при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля;
– между потенциальными возможностями изучения термодинамических законов и закономерностей, обеспечивающих повышение качества естественно-научной подготовки, развития естественно-научного мышления учащихся и неудовлетворительным состоянием существующего учебно-методического обеспечения для классов естественно-научного профиля, которое не позволяет реализовать данные возможности.
Необходимость разрешения данных противоречий обуславливает актуальность темы исследования «Интеграция физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля» и определяет проблему исследования: какой должна быть методика осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля.
Интеграцию физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля будем рассматривать как информационно-образовательную среду, способную обеспечить фундаментальную подготовку учащихся через повышение уровня усвоения естественно-научных знаний и способов деятельности, развитие естественно-научного мышления и мотивацию учащихся к получению профильного естественно-научного образования.
Объект исследования: процесс обучения физике в классах естественно-научного профиля.
Предмет исследования: методика осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля.
Цель исследования: теоретическое обоснование и разработка методики осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля.
Гипотеза исследования представляет собой предположения о том, что есл и:
– методика осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем будет основана на системно-синергетическом и интегративно-модульном подходах;
– интеграция физики и биологии при изучении термодинамических систем будет рассматриваться в рамках учебного модуля «Термодинамика биологических систем», объединяющего физические знания по термодинамике и биологические знания по метаболизму;
– содержание модуля будет построено в соответствии с логикой развития содержания понятия «энергия» при изучении открытых термодинамических систем с позиций синергетики;
– в процессе обучения на основе учебного модуля использовать репродуктивный, продуктивно-практический, частично-поисковый, исследовательский методы, основанные на приемах межпредметного обобщения и систематизации, решении качественных, количественных, экспериментальных и исследовательских межпредметных задач, применять методы физического исследования при изучении биологических систем на различных формах учебных занятий,
то у учащихся естественно-научного профиля:
– повысится уровень усвоения естественно-научных знаний и способов деятельности;
– произойдет развитие естественно-научного мышления вследствие активизации познавательной деятельности;
– усилится мотивация к получению профильного естественно-научного образования.
Для проверки гипотезы и достижения цели исследования решались следующие задачи:
-
Выявить состояние проблемы интеграции физики и биологии в педагогической науке и общеобразовательной практике и обосновать необходимость интеграции знаний для повышения качества подготовки учащихся в классах естественно-научного профиля.
-
Обосновать интеграционное взаимодействие физических знаний по термодинамике и биологических знаний по метаболизму в учебном модуле «Термодинамика биологических систем», адекватно отражающих современную естественно-научную картину мира.
-
Выявить теоретические основы интеграции физики и биологии в учебном процессе применительно к открытым термодинамическим системам.
-
Теоретически обосновать и разработать модель методики осуществления интеграции физики и биологии на основе системно-синергетического и интегративно-модульного подходов.
-
Разработать содержание учебного модуля «Термодинамика биологических систем» для учащихся естественно-научного профиля, генерализованное вокруг содержания понятия «энергия».
-
Определить методы, приемы, средства и формы интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем, обеспечивающие межпредметное обобщение, систематизацию знаний и способов деятельности, развитие естественно-научного мышления учащихся.
-
Провести педагогический эксперимент с целью проверки гипотезы исследования.
Теоретико-методологическую основу исследования составили:
– теория единства и целостности образования (Б. М. Кедров, В. В. Краевский,
B. С. Леднев и др.);
– эволюционно-синергетический подход (Е. Н. Князева, С. П. Курдюмова,
И. Р. Пригожин, Г. Хакен и др.) и его реализация в образовании (В. Г. Буданов, О. Н. Голубева, А. Д. Суханов и др.);
– теория становления личности как субъекта самопознания (Л. С. Выготский,
C. Л. Рубинштейн и др.);
– теории личностно-деятельностного (В. В. Давыдов, М. И. Махмутов,
Д. Б. Эльконин, И. С. Якиманская и др.), интегрированного подходов к образованию (М. Н. Берулава, И. Д. Зверев, Л. Я. Зорина, С. А. Старченко, Н. К. Чапаев и др.);
– проблемы дифференциации и индивидуализации в обучении (Л. Я. Зорина, Н. С. Пурышева, И. Э. Унт и др.);
– принцип генерализации учебного материала вокруг физических идей и единиц
знаний (Г. М. Голин, В. В. Мултановский, Н. С. Пурышева, А. В. Усова,
Л. С. Хижнякова и др.)
– исследования, посвященные разработке и внедрению модульной технологии обучения (Л. И. Васильев, Е. И. Попов, П. И. Третьяков, В. В. Шоган, П. Юцявичене и др.);
– исследования в области теории и методики обучения физике в общеобразовательной школе (С. Е. Каменецкий, А. А. Пинский, Н. С. Пурышева, Н. Н. Тулькибаева, А. В. Усова, А. П. Усольцев, А. А. Фадеева, Л. С. Хижнякова, Н. В. Шаронова и др.).
Для решения поставленных задач применялись теоретические методы исследования (анализ философской, психолого-педагогической, методической литературы при определении понятийного аппарата и методологических основ исследования; историко-логический анализ оценки подходов к формированию целостного физического и биологического содержания естественно-научного образования; анализ нормативных документов, регламентирующих деятельность образовательного учреждения; моделирование) и эмпирические методы (наблюдение, анкетирование, опрос, тестирование, обобщение опыта работы учителей физики по осуществлению интеграции физики и биологии, педагогический эксперимент), а также методы математической статистики.
Исследование проводилось с 2007 по 2013 гг. в несколько этапов.
На первом этапе (2007–2008 гг.) проведено ознакомление с теорией педагогической интеграции, проанализировано состояние проблемы, выявлены противоречия. Сформулированы цель, объект, предмет, гипотеза, задачи, этапы и методы исследования. Определены теоретические и методологические основы интеграции физики и биологии в классах естественно-научного профиля. Проведен констатирующий педагогический эксперимент.
На втором этапе (2009–2011 гг.) теоретически обоснована и разработана модель методики осуществления интеграции физики и биологии на основе системно-синергетического и интегративно-модульного подходов. Разработано содержание учебного модуля «Термодинамика биологических систем». Проведен поисковый педагогический эксперимент.
На третьем этапе (2012–2013 гг.) проведена опытно-экспериментальная работа по проверке гипотезы, обобщены результаты исследовательской работы и оформлено диссертационное исследование, разработаны методические рекомендации, проведен обучающий педагогический эксперимент.
Экспериментальная база исследования. Опытно-экспериментальная работа проводилась с учащимися профильных естественно-научных классов общеобразовательных учре-8
ждений Челябинской области (МАОУ лицей № 102 г. Челябинска; МАОУ лицей № 77 г. Челябинска; ГБУОШИ «Челябинский областной лицей-интернат» г. Челябинска; МБОУ лицей № 23 г. Озерска; МБОУ лицей № 13 г. Троицка; МАОУ СОШ № 18 г. Златоуста; МАОУ СОШ № 25 г. Златоуста; МОУ СОШ № 1 г. Верхнеуральска; МКОУ Фершампенуазская СОШ, МКОУ Ново-Рассыпнянская СОШ, МКОУ Остроленская СОШ Нагайбакского муниципального района).
Научная новизна результатов исследования
1. Обоснована возможность и доказана эффективность использования интеграции
физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно
научного профиля. Интеграция знаний курса физики по термодинамике и курса биоло
гии по метаболизму осуществляется на уровне дидактического синтеза на основе со
держания понятия «энергия».
2. Теоретически обоснована и разработана модель методики осуществления интеграции
физики и биологии при изучении термодинамических систем на основе содержания поня
тия «энергия», направленная на повышение целостности содержания естественно-научного
образования и развитие теоретического естественно-научного мышления учащихся. Отли
чительной особенностью модели является ее концептуальное основание: системно-
синергетический и интегративно-модульный подходы, раскрывающие формирование и
реализацию содержания образования как системы знаний и способов деятельности, отра
жающих стратегию и тактику моделирования целостности содержания физических и био
логических знаний при изучении термодинамических систем. Системный подход форми
рует у учащихся единство взглядов на термодинамические системы через рассмотрение
энергетических процессов, протекающих в них. Синергетический подход ориентирует на
рассмотрение целостности элементов структуры, которые образуются в открытых системах
благодаря обмену энергией с окружающей средой. Интегративный подход обеспечивает
рациональное последовательное изложение учебного материала, при котором физические и
биологические знания, дополняя друг друга, показывают общность методов познания. Мо
дульный подход конкретизирует биофизическое содержание и определяет особенности ме
тодики преподавания интегративного учебного материала.
3. Разработана методика осуществления интеграции физики и биологии при изуче
нии термодинамических систем, включающая: а) содержание учебного модуля, по
строенного на основе фундаментальных законов термодинамики и генерализации зна
ний вокруг содержания понятия «энергия»; б) деятельность преподавателя, представ
ленную действиями по осуществлению ориентации, проектирования и реализации ин
теграции физики и биологии, а также оценки эффективности методики осуществления
интеграции физики и биологии в учебном процессе; в) методы преподавания (объясни
тельный, инструктивно-практический, объяснительно-побуждающий, побуждающий)
и методы учения (репродуктивный, продуктивно-практический, частично-поисковый,
исследовательский), основанные на общности целей; г) приемы и способы деятельности
учителя при проведении учебных занятий в различных формах, позволяющие осуществить
межпредметное обобщение и систематизацию знаний, решение качественных, количест
венных, экспериментальных и исследовательских межпредметных задач, обосновать влия
ние физических факторов на функциональность биологических систем, применять методы
физического исследования к живым организмам с помощью различных приборов и цифро
вых лабораторий, использовать физические законы и закономерности, объясняющие явле
ния, протекающие в биологических системах; д) деятельность учащихся (эксперименталь-
9
ная, исследовательская, проектная), обеспечивающая фундаментальность образования за счет интегративного характера содержания деятельности, развитие естественно-научного мышления при моделировании исследования в условиях учебной деятельности, мотивацию к получению профильного естественно-научного образования при решении комплексных задач, имеющих практическое значение.
-
В зависимости от уровней целостности содержания естественно-научного образования выделены предметные, межпредметные, интегративные виды учебных занятий. Содержание учебного модуля осуществляется в рамках интегративных учебных занятий, обеспечивающих интеграцию знаний и способов деятельности из двух предметных областей.
-
Разработаны методы, приемы, средства и формы интеграции физики и биологии, обеспечивающие развитие естественно-научного мышления учащихся при изучении учебного модуля «Термодинамика биологических систем» через: а) межпредметное обобщение, соединение физических и биологических знаний, применение физических методов исследования, законов и теорий к описанию биологических систем; б) комплексное рассмотрение проблем в теоретическом и практическом аспектах; в) обобщенные способы деятельности, адекватные деятельности естествоиспытателя (экспериментальная, исследовательская, проектная); г) формирование мыслительных операций (анализ, синтез, сравнение, абстрагирование, конкретизация, систематизация и обобщение).
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что ее результаты вносят вклад в развитие идей теории интеграции естественно-научного образования и выражены в следующем:
– уточнено понятие «учебный модуль в естественно-научном профильном обучении» как относительно самостоятельная, логически завершенная по отношению к установленным целям и результатам образования автономная структурная единица образовательного процесса, позволяющая построить интегративное естественно-научное содержание, обеспечивающее удовлетворение потребностей учащихся, определяющее вектор развития их профильного интереса, формирующее навыки самостоятельной деятельности на основе интеграции знаний и способов деятельности из различных областей естествознания;
– определены теоретические основания интеграции физики и биологии, раскрывающие тенденции, факторы, источники, направления, закономерности, принципы, типы, уровни и формы осуществления интеграции физики и биологии в классах естественно-научного профиля, которые могут быть использованы при отборе и структурировании содержания естественно-научного модуля;
– выявлены принципы обучения, которые необходимо учитывать при моделировании методики осуществления интеграции физики и биологии: качественная несводимость объектов физического и биологического познания; научная целесообразность представления содержания; учет истории развития биофизического знания; использование индуктивно-дедуктивного метода обучения, позволяющего организовать различные формы интегративных занятий.
Практическая значимость проведенного исследования определяется тем, что создано и внедрено в образовательную практику учебно-методическое обеспечение по осуществлению интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем, включающее:
1. Учебное пособие «Термодинамика биологических систем», которое предусматривает логически последовательное изложение содержания учебного материала, углубление и
расширение физических знаний о термодинамических системах и представление этих знаний во взаимосвязи со знаниями биологическими.
Учебное пособие опубликовано и внедрено в учебный процесс обучения физике в классах естественно-научного профиля.
2. Учебно-методическое обеспечение интеграции физики и биологии при изучении
термодинамических систем:
– для учителей физики созданы методические рекомендации, раскрывающие методику осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем; структуру и содержание учебного модуля; деятельность, ориентированную на освоение учащимися интегративного материала и получение навыков по его использованию на практике;
– для учащихся создана система качественных, количественных, экспериментальных и исследовательских задач, дидактические материалы, обеспечивающие формирование межпредметного обобщения, применение физических методов исследования, законов и закономерностей термодинамики для описания функциональных характеристик биологических систем.
Данное учебно-методическое обеспечение представлено в методических рекомендациях к учебному модулю, сборнике задач и упражнений, которые опубликованы и внедрены в учебный процесс обучения физике в классах естественно-научного профиля.
3. Карты контроля уровня усвоения естественно-научных знаний и полноты сфор-
мированности умений учащихся осуществлять учебно-исследовательскую деятель
ность, критериально-ориентированный тест по оценке развития естественно-научного
мышления учащихся при изучении открытых термодинамических систем, анкеты для
оценки познавательного, эмоционального и поведенческого отношения учащихся к
получению профильного естественно-научного образования.
Внедрение разработанной методики в педагогическую практику позволяет не только повысить познавательную активность учащихся, уровень усвоения естественно-научных знаний и способов деятельности при изучении термодинамических систем, но и способствует развитию естественно-научного мышления и повышению мотивации учащихся к получению профильного естественно-научного образования.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Для достижения качества профильного естественно-научного образования следует повышать целостность содержания физического и биологического образования. Представление этого содержания может быть реализовано на основе интеграции физических знаний по термодинамике и биологических знаний по метаболизму.
-
Теоретическими основами интеграции физики и биологии в профильных естественно-научных классах являются тенденции, факторы, источники, направления и закономерности интеграции физики и биологии, принципы формирования интегратив-ного содержания, приемы, способы и формы реализации интеграции физики и биологии в образовательном процессе.
-
Модель методики осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем спроектирована на основе системно-синергетического и интегра-тивно-модульного подходов. Модель включает пять взаимосвязанных блоков: мотивацион -ный – отражает комплекс потребностей, которые обеспечивают мотивацию к изучению термодинамических систем; целевой – представлен единством цели и системы задач, решение которых обеспечивает достижение результата; содержательно-деятельностный – включает содержательный (содержание учебного модуля «Термодинамика биологических
систем») и деятельностный (деятельность учителя по осуществлению интеграции и развитию естественно-научного мышления учащихся, деятельность учащихся по осуществлению экспериментальной, исследовательской и проектной деятельности) компоненты; технологический, описывающий основные методы, средства и формы организации образовательного процесса при изучении открытых термодинамических систем в профильных классах; результативный – отражает степень соответствия полученных результатов поставленной цели.
4. Методика осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем включает:
– определение источников, тенденций и направлений интеграции физического и биологического образования, выявление типа, вида и уровня интеграции содержания образования, реализацию основных форм ее осуществления в образовательном процессе;
– дидактическое соединение физических и биологических знаний в содержании учебного модуля «Термодинамика биологических систем» на основе понятия «энергия»;
– разработку интегративных форм учебных занятий (лекции, практические занятия по решению задач, лабораторные занятия, конференции, экскурсии), обеспечивающих интеграцию знаний и способов деятельности из двух предметных областей;
– реализацию методов преподавания и учения, приемов и способов деятельности преподавателя (межпредметное обобщение и систематизация знаний; решение качественных, количественных, экспериментальных и исследовательских межпредметных задач; применение методов физического исследования к живым организмам), средств и форм интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем;
– осуществление мониторинга уровня усвоения естественно-научных знаний и способов деятельности, развитие естественно-научного мышления учащихся с помощью карт контроля полноты усвоения естественно-научных знаний и полноты сформированности умений учащихся осуществлять учебно-исследовательскую деятельность, а также критериально-ориентированного теста по оценке развития естественно-научного мышления учащихся при изучении открытых термодинамических систем, анкеты для оценки познавательного, эмоционального и поведенческого отношения учащихся к получению профильного естественно-научного образования.
Апробация и внедрение результатов диссертационного исследования осуществлялись в ходе опытно-экспериментальной работы в общеобразовательных учреждениях Челябинской области (гг. Челябинск, Златоуст, Троицк, Верхнеуральск, Нагайбак-ский муниципальный район) посредством публикаций статей в печати и участия в работе международных (гг. София, Челябинск), всероссийских (гг. Челябинск, Казань) и региональных (гг. Челябинск, Екатеринбург, Тюмень, Курган) конференций, в ходе практики преподавания в Челябинском институте переподготовки и повышения квалификации работников образования, при обсуждении на заседаниях кафедры естественно-математических дисциплин ГБОУ ДПО «Челябинский институт переподготовки и повышения квалификации работников образования» и кафедрах физики, биофизики, математики и информатики, профессиональной педагогики, истории и философии ФГБОУ ВПО «Уральская государственная академия ветеринарной медицины».
Структура диссертации. Диссертационное исследование объемом 221 страницу (основной текст составляет 167 страниц) состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка, включающего 184 источника, и 8 приложений. Изложение материала проиллюстрировано 20 таблицами, 17 рисунками.
Интеграция физики и биологии в условиях профильного обучения в классах естественно-научного профиля
Ориентация современной российской системы образования на потребности личности, учёт способностей и возможностей учащихся, профильную направленность содержания образования ставит задачи повышения качества профильного естественно-научного образования.
Гегель понимает «качество» как логическую категорию, составляющую начальную ступень познания вещей и становления мира, как непосредственную характеристику бытия объекта [31]. Иначе говоря, качество – это присущие какому-либо объекту свойства и характеристики, которые определяют объект и отличают его от другого.
В статье 2 Федерального закона «Об образовании в Российской Федерации» определено понятие «качество образования» – это комплексная характеристика образования, выражающая степень его соответствия федеральным государственным образовательным стандартам и федеральным государственным требованиям (образовательным стандартам) и (или) потребностям заказчика образовательных услуг, в том числе степень достижения планируемых результатов образовательной программы [153].
Исследования Российской академии образования позволяют сформулировать характеристики качественного образования: образование призвано вооружить учащихся знаниями и навыками, которые не устареют в обозримом будущем, сформировать и развить такие личностные качества, которые максимально облегчат процесс адаптации к социальным реалиям, позволят реализовать себя в слож 22 ном, противоречивом обществе наиболее адекватными в личностном и социальном планах способами [150].
Обострение проблемы качества профильного естественно-научного образования приводит к необходимости обновления содержания естественно-научного образования путём пересмотра его содержания, изменения организации образовательного процесса, форм и методов обучения.
Повышение качества профильного естественно-научного образования, возможно, реализовать через повышение целостности содержания физического и биологического образования.
Понятие «целостность» в Философском словаре определяется как внутреннее единство объекта [159].
По мнению Г. Ф. Федорец, основой формирования целостного содержания естественно-научного образования в условиях предметного изучения является интеграция наук [154]. На это указывается в работах В. С. Безрукова, М. Н. Бе-рулавы, М. Г. Гапонцевой, Ю. И. Дика, И. Д. Зверева, Л. Я. Зориной, И. Е. Карнаух, Т. В. Кирилловой, В. С. Леднева, И. Я. Лернера, В. Н. Максимовой, С. А. Старченко, А. Д. Суханова, А. В. Усовой, В. Н. Федоровой, Т. Т. Федоровой, Н. К. Чапаева, М. Г. Чепикова, О. Я. Яворука и т. д. [10; 13; 29; 43; 49; 53; 59; 69; 75; 77; 78; 121; 129; 140; 155; 156; 167; 168; 179].
Несмотря на большое количество исследований, проводимых в области интеграции в образовательной сфере, до сих пор не существует единого определения понятия «интеграция». Б. М. Кедров считает, что «интеграция есть конкретное выражение синтеза наук как междисциплинарного процесса их слияния воедино; их взаимного связывания» [62, с. 35]. По мнению И. Д. Зверева, интеграция это процесс создания неразрывно связанного, цельного, осуществляемое путём слияния в одном курсе элементов разных учебных предметов [52]. В. П. Кохановский под интеграцией понимает «взаимопроникновение наук или научных дисциплин, стирание граней между ними, объединение их в единое целое» [69]. С точки зрения А. И. Гурьева интеграция это результат построения целостности, которая создаётся путём синтеза научных знаний на основе фундаментальных закономерностей природы [38, с. 86]. Более точно и объёмно дано определение интеграции в работе С. В. Куль-невич, Т. Т. Лакоцениной: «Интеграция – это глубокое взаимопроникновение, слияние, насколько это возможно, в одном учебном материале обобщённых знаний в той или иной области» [74].
При всём разнообразии подходов к определению понятия «интеграция» у учёных нет принципиальных понятийно-теоретических расхождений.
Обобщая вышеизложенное, можно отметить, что в педагогической науке интеграция рассматривается как система взаимосвязанных составляющих, обеспечивающая целостность образования.
Исследователями [119, 174] в области интеграции определены три модели направления интеграции естественно-научных знаний (рис. 1).
Модель 1. Интеграция физики, химии и биологии в целостное научное знание. Соединение, в данном случае, реализуется на основе целостной естественнонаучной картины мира.
Модель 2. Интеграция физики и биологии с включением химической формы познания окружающего мира. В данном случае рассмотрение естественнонаучного содержания осуществляется через раскрытие биофизических теорий, определяющих сущность функционирования живого организма. Модель 3. Интеграция физических и биологических знаний без учёта химических формы познания окружающего мира. В большей степени такая интеграция раскрывает прикладные вопросы наук (медицины, ветеринарии).
С учётом выделенных направлений и реализации их прикладного аспекта нами выбрано модель, в которой интеграция физических и биологических знаний осуществляется без акцента на химические знания.
Для настоящего исследования представляют интерес диссертационные исследования по реализации в образовательном процессе взаимосвязи физики и биологии: В. П. Шумана (определены направления, по которым необходимо осуществление взаимодействия физики и биологии) [175]; С. П. Злобиной (представлены различные формы организации учебных занятий на основе межпредметных связей в 7–8 классах основной школы) [52]; О. Нормурадова (освещены вопросы профильной подготовки учащихся на медицинские специальности за счёт внедрения вопросов биофизики в курс физики средней школы) [88]; В. В. Губина (определены формы реализации межпредметных связей физики и биологии в старших классах средней школы) [36]; М. Т. Рахматуллина (описаны возможности осуществления межпредметных связей физики, химии и биологии при изучении фундаментальных естественно-научных теорий) [103]. Ц. Б. Кац и Ю. С. Царев [61; 165] в своих работах отобрали и систематизировали материал естественно-научного содержания, показали влияние взаимосвязи преподавания физики с биологией на формирование интереса учащихся к изучаемым предметам.
На основании анализа диссертационных исследований можно констатировать, что в истории педагогики накопилось ценное наследие по теории и практике реализации межпредметных связей физики и биологии: выделены методологические основы, определены основные аспекты взаимосвязи физики и биологии, определены направления осуществления этих связей в общеобразовательном учреждении, определены дидактические функции, обоснована объективная необходимость отражать взаимосвязи в учебном процессе, выявлено их положительное влияние на формирование системы знаний, были разработаны методики скоординированного преподавания учебных предметов физики и биологии.
Возможности построения учебного модуля «Термодинамика биологических систем» в условиях профильного обучения
В стремлении представить содержание естественно-научного образования в условиях профильного обучения как целостное многими педагогами предпринимаются попытки создания различных интегрированных курсов [14; 29; 119; 162; 179].
В рамках данного исследования наиболее целесообразно использование именно учебного модуля, который ориентирован на приведение содержания учебных предметов физики и биологии в единую систему естественно-научных знаний и обеспечение формирование знаний и умений, необходимых учащимся для дальнейшего профессионального обучения. В отличие от «интегрированного курса», рассматриваемого в качестве взаимосвязанного единства традиционных школьных предметов, учебный модуль позволяет конструировать содержание естественно-научного образования на основе интегративных наук. Наша позиция находит точки соприкосновения с позицией А. В. Хуторского, в работе которого для решения данной проблемы вводится понятие «учебного метапредмета» – предметно оформленной образовательной структуры, содержание которой базируется на системе фундаментальных образовательных объектов [164, с. 207].
Соглашаясь с выводами, полученными в исследованиях [19; 22; 41; 58; 68; 122; 174; 173], мы считаем, что соединение отдельных элементов содержания на основе модульного принципа есть процесс формирования структуры естественнонаучного содержания, способ повышения целостности и направленности образовательного процесса в изучении свойств объектов живой природы и фундаментальных законов физики.
Идея модульного обучения берёт начало в трудах Б. Ф. Скинера [184] и получает дальнейшее развитие в трудах различных учёных. Одни использовали модульное обучение, чтобы обеспечить учащимся обучение в удобном для них темпе, избрать подходящий для них способ учения [183]; вторые – используя корректирующие модули дать возможность учащимся тренироваться самим [64]; третьи – интегрировали различные методы и формы обучения [30]; четвёртые – из единиц учебного материала строили гибкое содержание обучения [47].
Философию этого понятия раскрывает К. Я. Вазина, предлагая рассматривать модуль в качестве средства системного отражения мира. Она считает, что модуль – это «доза или способ саморазвития» [18].
П. Юцявичене определяет учебный модуль как блок информации, состоящий из логически завершенной единицы учебного материала, программу действий и методическое руководство по их осуществлению, обеспечивающее достижение поставленных дидактических целей [178]. Зарубежные авторы понимают под модулем формирование автономной единицы учебной деятельности, позво 48 ляющей самостоятельно достичь определённых целей [182], автономную порцию учебного материала [183].
На основе обзора существующих понятий и опираясь на исследования В. В. Краевского [71], под учебным модулем будем понимать относительно самостоятельную, логически завершенную по отношению к установленным целям и результатам образования автономную структурную единицу образовательного процесса, позволяющую построить интегративный естественно-научный модуль, обеспечивающий удовлетворение потребностей учащихся, определяющую вектор развития их профильного интереса, формирующую навыки самостоятельной деятельности на основе интеграции знаний и способов деятельности из различных областей естествознания.
Учебный модуль в условиях профильного обучения позволяет решить ряд задач. Во-первых, обеспечивает развитие единых естественно-научных понятий. Во-вторых, способствует повышению целостности содержания естественно-научного образования. В-третьих, позволяет осуществить профильную подготовку учащихся и преемственность при изучении естественно-научных дисциплин в высших учебных заведениях. Решение выше обозначенных задач позволит усилить мотивацию при изучении естественно-научных предметов (физики и биологии).
Основой для конструирования содержания учебного модуля могут выступать элементы естественно-научного знания, «…те элементы научного знания и функциональной грамотности, без освоения которых … уровень общего образования, достигнутый выпускником российской школы начала XXI столетия, не может быть признан достаточным для полноценного продолжения образования и последующего личностного развития» [152, с. 20]. К ним относятся естественнонаучные факты, понятия, законы, теории, концепции, идеи, методы познания.
Мы согласны с позицией исследователей [44; 59; 110; 116; 144], которые считают, что для формирования научной картины мира и способов практического приложения теоретических знаний особое значение имеют фундаментальные естественнонаучные понятия, без которых невозможно сформировать другие элементы системы научных знаний: законы и закономерности, теории. И. С. Якиманская отмечает [180], что фундаментальные научные понятия способствуют формированию единых методов познания, характерных не для одной, а для целой группы наук.
Среди фундаментальных естественно-научных понятий, изучаемых в школе и имеющих исключительно большое значение для повышения целостности содержания естественно-научного образования и развития естественно-научного мышления учащихся, в качестве основного объекта интеграции выделяем понятие «энергия», так как это «важнейшее понятие об обмене веществ, связанное с жизненными функциями и условиями жизни, требует особого внимания…» [21, с. 90]. Раскрывая значение этого понятия, А. В. Усова называет его ключевым понятием всего естествознания [144, с. 7], так как «энергия выступает как фундаментальная характеристика физических и биологических форм движения материи» [59].
В рамках проведённого исследования были проанализированы стандарт среднего общего образования (углубленный уровень), программы, учебники и учебные пособия по физике и биологии. Результатом анализа явилось обобщение следующего характера. Несмотря на большой интерес исследователей [38; 59; 97; 103; 144] к формированию и развитию понятия «энергия» при изучении предметов естественно-научного цикла, использование фундаментального естественнонаучного понятии для показа единства взглядов физики и биологии на объекты живой природы не всегда осуществляется в полном объёме.
Анализ содержания программ, учебников и учебно-методических пособий по физике [60; 76; 99; 124; 134; 152; 161], а также диссертационного исследования [108], позволил сделать вывод, заключающийся в том, что при изучении сущности закона термодинамического равновесия, способов изменения внутренней энергии, направленности тепловых процессов (второй закон термодинамики) в качестве примеров не используются живые организмы.
В ходе анализа было установлено, что в программах по биологии не предусмотрено использование фундаментального понятия «энергия», законов и теории термодинамики для изучения биологических систем. Целостное представление о понятии «энергия» носит случайный характер, а фрагментарный биофизический материал основывается только на межпредметных связях. В программах по био 50 логии не привлекается материал из курса физики для объяснения влияния физических факторов на процессы жизнедеятельности организма, не изучается теплопроводность в живом организме, поверхностно изучается энергетика обмена веществ, не устанавливается должной связи между обменом веществ и калорийностью пищи при изучении пластического и энергетического обменов веществ. Авторами программ при рассмотрении обмена веществ и превращения энергии не предлагается использовать физическое понятие «энтропия» для объяснения того, что же заставляет живые системы постоянно поглощать новые порции энергии (пищи), чтобы поддерживать своё структурное и функциональное состояние.
В аспекте современной интерпретации понятий и законов термодинамики был проведён анализ учебников и учебно-методической литературы по физике и биологии. Анализ показал, что используемый в курсах физики и биологии научный взгляд не всегда согласуется с современной трактовкой, «…процесс совершенствования методики формирования понятия и трактовка их содержания в школе намного отстаёт от развития этих понятия в науке» [144, с. 277]. Например, современные учебники физики и биологии не учитывают синергетиче-ского подхода к изучению термодинамических систем. Однако в современном естествознании термодинамические системы являются одним из объектов исследования науки синергетики, рассматриваемых с позиций: а) преимущественной диссипации или поглощения энергии; б) поступления исходных веществ и удаления продуктов; в) сохранения или расходования носителей информационных структур [107, с. 49].
Таким образом, анализируя содержание профильного естественно-научного образования, следует отметить: а) современное положение естественно-научных предметов (физики и биологии), их структура и содержание не обеспечивают целостности содержания естественно-научного образования, при этом профильное содержание естественно-научного образования базируются только на предметно-специализированных физических и биологических знаниях; б) необходимо пересмотреть содержание естественно-научного образования и отразить в нём синер-гетические принципы построения сложных развивающихся структур. Для решения выше обозначенных проблем предлагается объединить знания курса физики по термодинамики и курса биологии по метаболизму в единый учебный модуль «Термодинамика биологических систем», который позволит выйти за пределы обычного монопредметного профильного естественно-научного образования.
Реализация интегративных форм учебных занятий при изучении открытых термодинамических систем
В зависимости от уровня интеграции содержания выделяют интегратив ные, межпредметные и предметные формы учебных занятий, описанные в па раграфе 1.1. Считаем, что в рамках учебного модуля «Термодинамика биоло гических систем» рациональнее использовать синтезированные формы учеб ных занятий, так как они в большей степени обеспечивают «целостность взаимодействующих систем, возможность получения практико 84 ориентированного результата на удовлетворение индивидуальных запросов учащихся» [113, с. 65]. Учитывая рекомендации исследователей [14; 80; 120; 143; 145; 179], были отобраны основные компоненты интегративного учебного занятия (табл. 5).
В основу конструирования интегративных форм учебных занятий положены следующие требования к их содержанию: содержание должно соответствовать программам для профильного обучения физике и биологии и реализовывать принцип преемственности; способствовать обобщению, систематизации и расширению знаний по современным вопросам биофизики и термодинамики биологических систем; раскрывать прикладной характер изучения открытых термодинамических систем; содержать научно обоснованные факты, понятия, закономерности, теории на уровне современных достижений естествознания; соединять физические, биологические и профильные знания.
Методика проведения интегративных учебных занятий реализуется в настоящем исследовании как органическое единство содержания, обучающих средств, методов и форм, «так как единичная и изолированная форма организации имеет лишь частное обучающе-воспитательное значение» [114, с. 246]. Эта взаимосвязь носит объективный характер, так как и знания, и методы, и формы являются совокупностью элементов одной общей системы – содержание образования.
При организации и проведении интегративных форм учебных занятий учебного модуля «Термодинамика биологических систем» использовалась классификация методов, предложенная М. И. Махмутовым [79], который исходит из того, что в дидактике различаются понятия «метод преподавания» и «метод учения», которые в совокупности составляют «бинарные методы обучения», представленные в таблице 6.
Преподавание включает: деятельность учителя по созданию у учащегося мотивов обучения; деятельность учащегося по самостоятельной работе; изложение материала с помощью физического эксперимента и наглядных технических средств обучения. Учение – это деятельность учащихся, включающая умственные и физические операции.
Информационно-сообщающий метод преподавания и исполнительский метод учения в настоящем исследовании не рассматривается, так как суть данного метода преподавания заключается в сообщении информации без достаточ 87 ного объяснения, обобщения и систематизации знаний, а метода учения – в заучивании без критического анализа и осмысления [114, с. 229], что не позволит достичь цели нашего исследования.
Так как в основе методики проведения интегративных форм учебных занятий лежат «бинарные методы обучения», соответственно, целостность процесса обучения «кроется» в общности целей преподавания и учения. Цели преподавания отнесём к задачам учебного занятия, цели учения выражают степень достижения учащимися конечного результата, т. е. в основе принципа целепола-гания интегративных форм учебных занятий лежат: 1) взаимосвязь дидактических целей учебного занятии и содержания учебного материала, подлежащего усвоению; 2) поиск и выявление приёмов, которые обеспечат активную познавательную деятельность учащихся и обеспечат развитие естественно-научное мышление.
Критерии оценки эффективности проведения педагогического эксперимента
Результаты методики интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем в профильных естественно-научных классах общеобразовательных учреждений в настоящем исследовании оценивались по следующим по критериям.
1. Полнота усвоения структурных элементов естественно-научных знаний и способов деятельности – позволяет судить об усвоении учащимися содержания учебного модуля, отражает уровень конкретных достижений учащихся в процессе изучения открытых термодинамических систем.
Критерий характеризуется системой качественных и количественных показателей. Качественные показатели определяют наиболее устойчивые свойства объекта, а количественные задаются шкалами измерений.
Показателями результативности разработанной методики выступают коэффициент полноты усвоения структурных элементов знаний, определяемый методом поэлементного анализа, и коэффициент полноты усвоения способов деятельности учащихся – метод пооперационного анализа (А. В. Усова) [144].
2. Стадии сформированности естественно-научного мышления учащихся (Г. А. Берулава) [12]. Данный критерий позволяет оценить влияние интеграции физики и биологии при изучении открытых термодинамических систем на умственное развитие учащихся. При этом показателем результативности выступают переход от одной стадии сформированности естественно-научного мышления учащихся к другой стадии.
3. Мотивация учащихся к получению профильного естественно-научного образования (А. В. Усова) [138]. Показателями выступают коэффициенты познавательного, эмоционального и поведенческого отношения учащихся к содержанию профильного естественно-научного образования, а также коэффициент профильной направленности.
При оценке эффективности использования методики интеграции физики и биологии в ходе изучения термодинамических систем в классах естественно 137 научного профиля опирались на исследования А. В. Усовой [141], Г. А. Берулава [12], Н. А. Менчинской [81], С. А. Старченко [121], С. А. Суровикиной [138], С. В. Шаминой [169], Н. Р. Шталевой [174].
Коэффициент полноты усвоения структурных элементов знаний
Элементами естественно-научных знаний выступали: величина – энергия (К1), явление – теплопродукция (К2), метод – калориметрия (К3), теория – синергетика (К4). Коэффициенты рассчитывались по формулам: где «j - количество элементов знаний о величине, явлении, методе, теории, усвоенных 1 м количеством учащихся на определенном этапе обучения; щ - максимальное количество элементов знаний, предлагаемых в задании; Nb N2, N3, N4 - количество учащихся, участвующих в педагогическом эксперименте.
Для расчёта коэффициентов Кь К2, К3, Кд необходимо определить состав элементов знаний, входящих в содержание исследуемого знания, которое должно быть сформировано у учащихся. Например, для оценки полноты усвоения знаний о величине (энергия) учащимся предлагался обобщённый план изучения величины, включающий следующие вопросы: 1) какое явление или свойство тел характеризует данная величина; 2) дать определение величины и ее формулу; 3) специфические свойства величины. Какая это величина: основная или производная, векторная или скалярная; 4) единица величины в СИ; 5) способы измерения величины. Количество структурных элементов знания о величине равно пяти.
Знания учащихся о явлении (теплопродукция) выявлялись по следующим элементам: 1) внешние признаки явления (признаки по которым явление обнаруживается); 2) условия, при которых оно протекает; 3) количественные характеристики явления; 4) связь данного явления с другими; 5) примеры ис 138 пользования явления в практике. Количество структурных элементов знания равно пяти.
Оценка полноты усвоения знания о методе исследования (калориметрия) определялась по обобщённому плану, включающему: 1) назначение метода исследования; 2) явления и законы, положенные в основу метода; 3) измерительные приборы и установки, используемые при этом методе исследования; 4) методика проведения исследования; 5) измерения и анализ результатов измерения; 6) использование метода исследования для изучения живых организмов. Количество структурных элементов знания о физическом методе исследования равно шести.
Для оценки полноты усвоения естественно-научных знаний о теории (синергетика) учащимся предлагался обобщённый план изучения теории, который включал следующие элементы.
Основание теории:
1) научные факты, послужившие основой для разработки теории Ядро теории:
2) основные понятия теории
3) основные положения (принципы или законы) теории
4) математический аппарат теории, её основные уравнения Выводные данные:
5) круг явлений, объясняемых теорией
6) явления и свойства тел, предсказываемые теорией Следствие из теории:
7) опытные факты, подтверждающие основные положения теории
Количество структурных элементов равно семи. Эффективность данного критерия оценивалась при расчёте численных значений коэффициентов успешности усвоения естественно-научных знаний: где y1, y2, y3, y4 – коэффициент полноты усвоения естественно-научных знаний (понятий), определяемый методом поэлементного анализа (величин, явлений, методов исследования, теории), Кэ1, Кэ2,, Кэ3, Кэ4 – коэффициенты полноты усвоения естественно-научных знаний, рассчитанные для экспериментальных групп, Кх1, Кх2, Кх3, Кх4 – коэффициенты полноты усвоения естественно-научных знаний, рассчитанные для контрольных групп.
Для распределения учащихся по уровням усвоения (сформированности) естественно-научных знаний в контрольной и экспериментальной группе была использована уровневая шкала, разработанная Н. А. Менчинской [81] (табл. 16).
