Введение к работе
Одна из современных задач модернизации физического образования связана с индивидуализацией и дифференциацией процесса обучения на основе идей генерализации и вариативности, персонализации, информатизации. Осуществить эти идеи можно в условиях обновлённых целей, содержания и технологий обучения физике. Учитель, реализующий их, должен владеть приёмами и способами обучения, понимать закономерности образовательного процесса, уметь соединять традиционное с инновационным, алгоритмические предписания с творческими методами и средствами обучения, иными словами - быть компетентным специалистом.
Успешно решать задачи модернизации физического образования может лишь учитель, владеющий методами учебного познания, в том числе экспериментальными. Формирование экспериментальных знаний и умений у учащихся средней школы осуществляется в процессе обучения физике в двух основных направлениях: организация и проведение учебного эксперимента; ознакомление с историческими опытами, сыгравшими значительную роль, как в развитии физической науки, так и в становлении фундаментальных физических теорий.
Историческими можно назвать научные эксперименты,
зафиксированные в истории науки, среди них особое место занимают
фундаментальные опыты. Л.И. Резников, выделив фундаментальные опыты,
впервые разработал методические основы их изучения в школьном курсе
физики. В дальнейшем эти идеи получили развитие в работах других
исследователей (С.Л. Волыптейна, Г.М. Голина, В.М. Дукова,
О.Ф. Кабардина, СЕ. Каменецкого, И.С. Карасовой, В.В. Лаптева,
В.В. Майера, Е.С. Объедкова, Е.В. Оспенниковой, А.А. Покровского,
Н.С. Пурышевой, Д.А. Исаева, Н.В. Шароновой, В.Ф. Синенко,
А.А. Смирнова, Л.М. Свирской, Б.И. Спасского, М.И. Старовикова, А.В. Усовой и А.А. Боброва, Н.П. Форостянной, М.А. Червонного, Т.Н. Шамало, Д. Шодиева и др.). В работах вышеназванных исследователей можно встретить термины, определяющие характер эксперимента: «фундаментальный», «исторический», «решающий», «ключевой», «классический», «великий», «основополагающий». Изученная литература позволяет заключить, что в настоящее время остаётся нерешённым вопрос о статусе физических опытов, поскольку не определены критерии для их классификации. Не все изучаемые в школе исторические опыты являются одинаково значимыми, среди них особое место занимают фундаментальные, потому что именно на их основе формируется представление о роли физического эксперимента в становлении современных идей и теорий.
В структуре и содержании фундаментальной физической теории
исторические опыты выполняют разные функции. Они требуют
разнообразных средств для демонстрации, поэтому их изучение требует
вариативного подхода. Проблеме вариативного обучения посвящены
исследования психологов (А.Г. Асмолова, В.В. Давыдова, А.А. Леонтьева и
др.); педагогов (А.И. Маркушевича, Ю.Н. Кулюткина, В.М. Монахова,
В.В. Фирсова, A.M. Кондакова, В.А. Левина, Ю.В. Громыко,
Е.В. Клеймёновой и др.); дидактов (И.Л. Беленок, А.П. Усольцева, Г.Г. Гранатова, М.Д. Даммер, Ю.И. Дика, А.В. Хуторского, Ю.П. Дубенского и И.П. Попович, В.И. Земцовой, Б.М. Игошева, А.Н. Мансурова, А.Е. Марона, А.В. Петрова, В.Г. Разумовского, Н.Н. Тулькибаевой, А.В. Усовой, А.А. Шаповалова и др.).
Признаками вариативного обучения являются наличие одинаково привлекательных и доступных для учащихся вариантов реализации программы, заданий; возможности выбора школьниками одного из вариантов, соответствующего их возможностям, интересам, предпочтениям; быстрое и гибкое реагирование на изменения в выборе цели и задач обучения. Ведущим методом при изучении исторических опытов является экспериментальный (Л.И. Резников, О.Ф. Кабардин), от планирования различных видов эксперимента, средств для его постановки, способов реализации вариативного подхода для демонстрации исторических опытов зависит успешность использования данного метода в обучении физике.
В настоящее время проблеме использования всех видов физического эксперимента уделяется достаточное внимание, потому что её решение связано с повышением качества обучения физике. Основные направления совершенствования школьного физического эксперимента во многом зависят от использования компьютера в обучении. Современными видами учебного эксперимента являются виртуальный, в котором компьютер является виртуальной средой для моделирования, и компьютеризированный, в котором компьютер выступает частью реальной экспериментальной установки. Использование этих видов эксперимента в обучении физике имеет как положительные, так и отрицательные стороны, поэтому традиционный эксперимент (в котором компьютер не используется) остаётся основным в обучении физике. Поскольку компьютеризированный и традиционный эксперименты проводятся на реальном оборудовании, их можно отнести в одну группу натурного эксперимента, который является альтернативным виртуальному. Решить актуальную проблему повышения качества знаний школьников по физике можно в обоснованном сочетании различных видов физического эксперимента. В известных нам работах не рассматривается методика обучения учащихся старшей профильной школы моделированию исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий в условиях вариативного использования натурного (традиционного, компьютеризированного) и виртуального экспериментов, поэтому эта проблема требует дополнительного исследования и решения.
Изложенное позволяет выявить противоречия в теории и практике вариативного обучения учащихся старшей профильной школы историческим опытам, составляющим базис фундаментальных физических теорий. Эти противоречия проявляются:
на социально-педагогическом уровне: между социальной потребностью, связанной с использованием альтернативных средств обучения и недостаточной разработкой путей и средств комплексного использования материальных и виртуальных моделей;
на общенаучном уровне: между необходимостью использования методологических знаний об исторических опытах, внёсших определённый вклад в развитие и становление теоретических знаний и недостаточностью дидактического обоснования роли опыта в построении фундаментальной физической теории;
на методическом уровне: между необходимостью включения в образовательный процесс по физике современной вычислительной техники, готовностью учащихся старшей школы к использованию новых информационных технологий как средства учебного познания и недостаточной подготовкой учителя физики к их эффективному применению; между необходимостью вариативного использования натурного (традиционного и компьютеризированного) и виртуального экспериментов в процессе изучения исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий, и недостаточным обеспечением технологическими способами их взаимосвязанного применения.
Необходимость разрешения вышеназванных противоречий определила актуальность настоящего исследования, проблему которого мы видим в поиске ответа на вопрос: какой должна быть методика обучения учащихся старших классов историческим опытам, составляющим базис фундаментальных физических теорий, в условиях использования вариативных методов и средств учебного познания. Решение данной проблемы обусловило выбор темы исследования: «Исторические опыты как базовая составляющая фундаментальных физических теорий в вариативном обучении учащихся старших классов».
Объект исследования: процесс обучения физике учащихся старших классов.
Предмет исследования: изучение учащимися старших классов исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий, на основе вариативных средств и способов обучения.
Цель исследования: теоретическое обоснование и разработка методики вариативного изучения учащимися старших классов исторических опытов в соответствии со структурой и содержанием фундаментальной физической теории.
Гипотеза исследования: изучение учащимися старших классов исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий, может быть эффективным, если:
определить статус исторических опытов в соответствии со структурой фундаментальных физических теорий, систематизировать их, включив в инвариантную и вариативную составляющие учебной программы по физике для старшей профильной школы;
выбрать вариативные средства и способы для изучения фундаментальных, основополагающих и опорных опытов в условиях школьного кабинета физики и «домашней лаборатории» ученика;
осуществить моделирование физических опытов, раскрывающих суть явлений и закономерностей, на основе проектной деятельности учащихся в
процессе использования альтернативных экспериментальных средств обучения (натурных, виртуальных), способствующих развитию исследовательских умений, мотивации учения школьников;
осуществить целенаправленную подготовку студентов (будущих
учителей) вариативному использованию взаимодополняющих
экспериментальных средств и методов обучения историческим опытам.
Задачи исследования:
Проанализировать состояние проблемы в области изучения исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий.
Определить условия и требования вариативного изучения учащимися старших классов исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий.
Разработать методику изучения учащимися старшей профильной школы физических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий, на основе использования современного оборудования L-микро.
Определить структуру и содержание проектной деятельности учащихся в работе с материальными и виртуальными моделями в классе и дома.
Разработать программу элективного курса для учащихся старшей профильной школы «Экспериментальные факты фундаментальных физических теорий» на основе вариативных экспериментальных средств обучения (натурных, виртуальных).
Разработать программу и содержание лабораторного практикума для студентов V курса по дисциплине «Методика обучения физике в профильных классах», обеспечивающего профессиональную подготовку будущих учителей физики к деятельности по вариативному использованию взаимодополняющих экспериментальных средств и методов обучения учащихся старших классов.
Провести педагогический эксперимент, в ходе которого проверить гипотезу исследования.
Теоретико-методологическую основу исследования составили: методология научного познания, теоретико-методологические основы формирования фундаментальных физических теорий, теория формирования обобщённых умений и навыков, моделирование как метод научного познания, информационно-коммуникационные технологии обучения, вариативный подход в использовании экспериментальных методов научного познания, концепция дифференциации и индивидуализации обучения, концепция конструирования и проектирования образовательного процесса, основы методики и техники школьного физического эксперимента, современные концепции развития самостоятельности личности в учении.
Для решения поставленных задач применялись теоретические и экспериментальные методы научного исследования: 1) теоретический анализ научных трудов в области общей и предметной педагогики, методики обучения физике, психологии, философии, инновационных методов
обучения; 2) анализ нормативных документов для разных образовательных уровней обучения учащихся и содержания физического образования в виде ГОСов, различных программ курсов, в том числе элективных, а также способов организации процесса обучения физике учащихся старших классов;
количественное описание процессов, механизмов использования моделей;
педагогический эксперимент (наблюдение, анкетирование, беседа, метод экспертных оценок, контрольные срезы знаний учащихся, тестирование, контроль остаточных знаний); 5) методы математической статистики для обработки результатов эксперимента.
Научная новизна исследования:
Осуществлена классификация исторических опытов с целью включения их в инвариантную и вариативную части учебных программ для классов разного профиля по двум основаниям. В соответствии с предложенной классификацией выделены: фундаментальные, основополагающие и опорные опыты, определяющие базис фундаментальных физических теорий; совокупность фундаментальных опытов, позволивших определить константы фундаментальных взаимодействий.
Разработана методика вариативного изучения учащимися старших классов исторических опытов в соответствии со структурой и содержанием фундаментальной физической теории, отражающая целевой, содержательный и процессуальный компоненты познавательной деятельности школьников. Целевой компонент определяется потребностями общества, учащегося, его мотивами и интересами; содержательный - экспериментальными фактами, входящими в основание, ядро и следствие теории; процессуальный -технологическим инструментарием, включающим взаимодополняющие экспериментальные средства (натурные, виртуальные).
Обоснован выбор условий вариативного изучения учащимися старших классов исторических опытов, включающих три основных составляющих: 1) определение статуса исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий; 2) осуществление систематизации исторических опытов в соответствии с их классификацией; 3) определение компонентов процессуальной стороны вариативного обучения.
Определены дидактические требования к организации и проведению исследовательской деятельности учащихся с натурными объектами (на оборудовании L-микро) и виртуальными моделями в процессе изучения исторических опытов, к ним отнесены: 1) обоснованность выбора моделей эксперимента (натурных, виртуальных) для организации проектной деятельности учащихся; 2) сформированность экспериментальных умений у учащихся для осуществления учебно-познавательной деятельности; 3) сформированность профессиональных умений учителя физики для организации экспериментальной деятельности учащихся в работе с аналого-цифровым оборудованием.
Теоретическая значимость исследования состоит:
В развитии методологических оснований для обучения одному из структурных элементов фундаментальной физической теории -экспериментальному факту, в процессе организации учебно-познавательной деятельности учащихся старших классов на занятии в школе и самостоятельной работе дома по выполнению физического эксперимента (натурного, виртуального).
В разработке модели методики вариативного изучения учениками старших классов исторических опытов по физике, включающей потребностно-мотивационный, целевой, содержательный и информационно-образовательный компоненты учебно-познавательной деятельности школьников.
В уточнении понятий «фундаментальный опыт», «основополагающий опыт», «опорный опыт» в соответствии со структурой и содержанием фундаментальной физической теории.
Практическая значимость исследования заключается:
В разработке программы элективного курса для учащихся старшей профильной школы по предмету «Физика» («Экспериментальные факты фундаментальных физических теорий») и лабораторного практикума для студентов (будущих учителей физики) по дисциплине «Методика обучения физике в профильных классах» («Исторические опыты в структуре фундаментальной физической теории»).
В подготовке методического и учебного материала для проведения учебных занятий по изучению исторических опытов в старших классах разного профиля.
В подготовке методических рекомендаций для преподавателей педвуза по обучению будущих учителей физики организации в школе физического эксперимента с аналого-цифровым оборудованием.
В подборе и систематизации самостоятельных индивидуальных и разноуровневых экспериментальных заданий для выполнения их в классе и дома.
Достоверность результатов исследования обеспечена: всесторонним анализом проблемы исследования, применением современной научной методологии исследования; выбором методов исследования, адекватных его предмету; разнообразием методов опытно-экспериментальной работы и корректностью их применения; критической оценкой полученных результатов, их воспроизводимостью на основе сопоставления с результатами, полученными ранее по исследованию данной проблемы; применение методов математической статистики с целью выявления надёжности и достоверности выводов по результатам экспериментального обучения.
Апробация и внедрение результатов исследования. Результаты исследования докладывались и обсуждались на региональных, всероссийских и международных семинарах и конференциях, посвященных актуальным проблемам активизации учебно-познавательной деятельности учащихся в
процессе обучения физике: «Физическое образование: проблемы и перспективы развития», (Москва, 2010); «Фундаментальные науки и образование», Бийск, 2010; «Физическое образование: проблемы и перспективы развития», (Рязань, 2010); «Развивающие технологии в образовании: использование учебных материалов нового поколения в образовательном процессе», (Томск, 2010); «Проблемы и перспективы развития образования в России», (Новосибирск, 2010); «Физика и ее преподавание в школе и в вузе. VIII Емельяновские чтения», (Йошкар-Ола, 2010); «Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов педвуза», (Челябинск, 2008, 2009, 2010); «Интеграция методической (научно-методической) работы и системы повышения квалификации кадров», (Челябинск, 2010).
Апробация методики вариативного изучения учащимися старшей школы исторических опытов осуществлялась в образовательных учреждениях (лицеях, гимназии, общеобразовательной школе). Общий объём опубликованных работ составил 9,8 п.л.
Положения, выносимые на защиту:
Содержательная и процессуальная стороны вариативного обучения учащихся старших классов зависят от профиля школы (класса). Фундаментальные опыты, определяющие базис любой фундаментальной физической теории, должны изучаться в полном объёме в классах любого профиля, поэтому они составляют инвариантную часть образовательной программы. Основополагающие и опорные (в большей степени) опыты могут быть частично включены в инвариантную или вариативную составляющую программы по физике в зависимости от профиля класса.
Методика вариативного изучения исторических опытов в структуре и содержании фундаментальной физической теории, включающая целевой, содержательный и процессуальный компоненты учебно-познавательной деятельности учащихся, предполагает реализацию потребностей и мотивов учения школьников в процессе их проектной деятельности по выполнению опытов с аналого-цифровым оборудованием.
Вариативность в обучении учащихся старшей профильной школы историческим опытам зависит от:
условий её организации, которая определяется: а) статусом исторических опытов в соответствии со структурой и содержанием фундаментальных физических теорий; б) классификацией исторических опытов и их систематизацией; в) разнообразием экспериментальных средств и дидактических способов предъявления содержания обучения историческим опытам по физике;
дидактических требований к организации и проведению исследовательской деятельности учащихся с натурными объектами и виртуальными моделями, предполагающих: а) обоснованность выбора моделей эксперимента для организации проектной деятельности учащихся; б) сформированность экспериментальных умений у учащихся для осуществления учебно-познавательной деятельности; в) наличие профессиональных умений учителя физики, организаующего
экспериментальную деятельность учащихся в работе с аналого-цифровым оборудованием.
Элективный курс, программа которого апробирована в классах разного профиля, позволяет приобщить учащихся к проектной исследовательской деятельности на основе измерительного комплекса L-микро, осуществить вариативное обучение историческим опытам, составляющим базис фундаментальной физической теории.
Методика вариативного обучения историческим опытам, составляющим базис фундаментальных физических теорий, обеспечивается профессиональной компетентностью учителя физики, владеющего современными информационными технологиями, обучать которым целесообразно в вузе студентов старших курсов (будущих учителей) на лабораторном практикуме по методике обучения физике в профильных классах.
Изучение исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий, на основе разноуровневых индивидуальных заданий способствует глубокому пониманию методологической природы физического знания, развитию исследовательского и деятельностного компонентов в работе с моделями разного вида - материальными и виртуальными, мотивации учения школьников и студентов.
Структура диссертации. Диссертационное исследование общим объёмом 258 страниц, в том числе 222 страницы основного текста, состоит из введения, трёх глав и заключения, библиографического списка (210 наименований), и 18 приложений. Диссертация содержит 31 рисунок, 30 таблиц.
