Экспериментальный практикум по физике как средство обучения старшеклассников решению задач (углублённый уровень) Тищенко Людмила Викторовна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Психолого-педагогический анализ особенностей преподавания физики в средней (полной) школе 18

1.1. Процесс обучения в современной старшей школе (углублнный уровень) 18

1.2. Системно-деятельностный подход в обучении 26

1.3. Научный метод познания в обучении физике 30

1.4. Современные модели обучения 35

1.5. Теоретические основы методики обучения решению задач 43

1.6. Теоретические основы методики проведения лабораторного практикума Выводы по главе 1 55

Глава 2. Методика обучения физике на старшей ступени средней (полной) школы (углублнный уровень) 57

2.1. Модель обучения физике на старшей ступени средней (полной) школы (углублнный уровень) 57

2.2. Методика проведения экспериментального практикума 67

2.2.1. Методика проведения лабораторного практикума 67

2.2.2. Методика проведения учебных исследований физических процессов на основе компьютерного моделирования 77

2.3. Методика проведения уроков решения задач различного уровня сложности 85

Выводы по главе 2 91

Глава 3. Педагогический эксперимент и его результаты 93

3.1. Цели, задачи и этапы педагогического эксперимента 93

3.2. Констатирующий эксперимент и его результаты 95

3.3. Обучающий эксперимент и его результаты 100

3.4. Контрольный эксперимент и его результаты 107

Выводы по главе 3 117

Заключение 119

Библиографический список использованной литературы 123

Приложения 142

• Научный метод познания в обучении физике
• Модель обучения физике на старшей ступени средней (полной) школы (углублнный уровень)
• Методика проведения уроков решения задач различного уровня сложности
• Контрольный эксперимент и его результаты

Введение к работе

Актуальность исследования. Во всех сферах общественной и производственной деятельности сегодня востребованы специалисты, проявляющие самостоятельность мышления, творческую активность, готовность к непрерывному образованию и самообразованию. Согласно результатам международных исследований TIMSS, PISA, выпускники Российских школ затрудняются эффективно и грамотно применять предметные знания для решения практических задач.

Поэтому, согласно требованиям Федерального государственного образовательного стандарта среднего общего (полного) образования (ФГОС СОО), главным результатом современного образования является способность обучающихся к эффективной и продуктивной деятельности в различных жизненных ситуациях с применением своих знаний и умений, а критерием усвоения знаний считается доведение их до уровня практического применения. Одним из путей достижения такого результата является обучение старшеклассников решению задач по физике посредством экспериментального практикума.

Основой ФГОС СОО является системно-деятельностный подход в обучении, основная идея которого связана с деятельностью как средством становления и развития субъекта учения, что наиболее полно реализуется на старшей ступени школы при углублнном изучении курса, например, физики.

ФГОС СОО уделяет большое внимание предметным результатам обучения. В перечне требований к предметным результатам среднего (полного) общего образования по физике (углублнный уровень) зафиксированы позиции: владение обучающимися умениями исследовать и анализировать физические явления; выдвигать гипотезы, проверять их экспериментальными средствами, формулируя цель исследования; самостоятельно планировать и проводить физический эксперимент с описанием и анализом полученной измерительной информации (в том числе с использованием компьютерно-математических моделей реальных процессов); формирование умений решать физические задачи.

Эти позиции направлены на решение актуальной задачи, стоящей перед современной школой: подготовка кадров для науки и инновационного развития промышленности, что отмечено в послании Президента РФ В. В. Путина Федеральному собранию в 2016 г.: «Важно сохранить глубину и фундаментальность отечественного образования. В школе нужно активно развивать творческое начало, школьники должны учиться самостоятельно мыслить, работать индивидуально и в команде, решать нестандартные задачи, важно воспитывать культуру исследовательской работы». В связи с требованиями ФГОС СОО и реалиями жизни общества в школьной физике актуален экспе-

риментально-теоретический характер изучения физических систем при непосредственном контакте с ними обучающихся.

В нашем исследовании организуем изучение физики в старших классах (углублнный уровень) посредством практикума по физике, составляющими которого являются экспериментальный практикум и решение задач, осуществляемых при помощи уроков, перестроенных в соответствии с системно-деятельностным подходом. Экспериментальный практикум, предшествующий и обязательно согласованный с решением задач, включает лабораторный практикум и исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования. Несмотря на различие с точки зрения методических целей, задач, теоретических и практических предметных знаний и умений старшеклассников, экспериментальный практикум и решение задач объединяет научный метод познания.

По мнению Ю. А. Саурова, научный метод познания является ядром содержания современного физического образования. В современной методике преподавания физики актуален научный метод познания, применение которого в обучении развивалось В. Г. Разумовским, который обосновал важность овладения школьниками научным методом познания на уровне способности использования в качестве инструмента для самостоятельных суждений в обучении и жизни, практического руководства к творческому овладению учебными предметами, прежде всего, физики.

Построение методики обучения физике в последовательности: лабораторный практикум, исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования, решение задач, выстраивает систему знаний и умений обучающихся по схеме научного метода познания¹. Отдельные компоненты этой методической структуры достаточно фундаментально разработаны в трудах ряда учных.

Методика решения задач опирается на теорию обучения решению задач В. А. Балаша, Б. С. Беликова, С. Е. Каменецкого, В. П. Орехова и др.; на метод ключевых ситуаций в решении задач, предложенный В. В. Давыдовым, реализованный в курсе физики Л. Э. Гендейнштейном. Н. Н. Тулькибаевой,

A. Н. Усовой обоснована структура учебной деятельности школьников по
решению физических задач.

Проблемы обучения решению физических задач рассмотрены

Е. А. Вишняковой, А. В. Грачвым, В. А. Грибовым, Л. Э. Гельфгатом,

B. С. Данюшенковым, М. Ю. Демидовой, О. Ф. Кабардиным, Л. А. Кириком,
Н. В. Кочергиной, М. С. Красиным, И. М. Ларченковой, А. А. Машиньяном,

¹ Работа выполнена в ФГБНУ «Институт стратегии развития образования Российской академии образования» в рамках проекта №27.6122.2017/БЧ ”Обновление содержания общего образования и методов обучения в условиях современной образовательной среды”.

Г. Г. Никифоровым, В. А. Орловым, В. Г. Петросяном, Н. С. Пурышевой, Ю. А. Сауровым, А. А. Тишковой, Л. А. Шаповаловым, А. А. Шияном и др.

В работах этих авторов и авторов ряда других исследований по методике преподавания физики в учреждениях общего образования представлены многие теоретические и прикладные вопросы. В частности, рассмотрены общие методы и примы решения задач; предложен метод обучения решению задач, основанный на использовании образовательного потенциала задач; выявлены способы выделения протекающего в задаче явления и построения физической модели ситуации задачи; приведена система эвристических примов решения задач; изложены этапы моделирования при решении учебных физических задач; предложена методика обучения старшеклассников решению задач с помощью компьютера; разработана методика обучения решению задач высокого уровня сложности; сформулированы рекомендации по подготовке школьников к ЕГЭ и к участию в олимпиадах по физике.

Однако за рамками внимания этих учных–педагогов и методистов в области естественнонаучного образования осталась проблема согласования теоретических и практических процессов познания в образовании, их взаимодействие, взаимовлияние и взаимообусловленность; решение задач и лабораторный физический практикум не связаны и не согласованы друг с другом.

Лабораторный физический практикум, как ни одна другая форма организации учебного процесса по физике в старших классах (углублнный уровень), способствует овладению обучающимися научным методом познания.

Методика организации лабораторного физического практикума разрабо
тана Л. И. Анциферовым, В. А. Буровым, А. А. Покровским, Ю. И. Диком и
др. Идеи современного лабораторного практикума подробно освещены в ра
ботах А. В. Иванова, О. В. Инишевой, И. В. Гребенева, Е. П. Деевой,
О. А. Дмитриевой, О. В. Лебедевой, Г. Г. Никифорова, Н. В. Первышиной,
Е. Б. Петровой, О. А. Поваляева, И. А. Поповой, Н. С. Пурышевой,
А. Е. Тарчевского, В. П. Фролова, Н. К. Ханнанова, И. С. Царькова и др.

В научно-методических работах обоснована методика проведения лабораторного практикума в классах с углублнным изучением физики как отдельного предмета; предложены критерии отбора содержания физического практикума в системе до вузовской подготовки, в ходе которой обучающиеся выполняют исследовательские работы; аргументирована методика проведения уроков, объединяющих решение задач и лабораторный практикум, экспериментально проверяющий решнные задачи; предложена организация экспериментальных работ по физике с использованием моделирования графиков функций и кривых сложной формы; рассмотрены работы для самостоятельного исследования с использованием ФГОС–лаборатории; разработан самостоятельный эксперимент на базе цифровых лабораторий для проведения

фронтальных и учебно-исследовательских работ; описан лабораторный физический практикум с ноутбуком на каждом рабочем месте.

Практически не разработаны методика обучения старшеклассников исследованию физических процессов на основе компьютерного моделирования; проблема использования лабораторного практикума по физике как основы методики обучения решению задач; влияние лабораторного практикума на процесс решения физических задач. Осталась не исследованной проблема интеграции экспериментального физического практикума и решения задач в единый образовательный процесс в соответствии со структурой научного метода познания.

Анализ психолого-педагогической и научно-методической литературы, теоретических и экспериментальных данных, практики организации учебного процесса в старших классах учреждений среднего (полного) общего образования позволили выявить следующие противоречия:

между фундаментальной разработанностью методик обучения проведению физических экспериментов, а также, методик обучения решению задач, и дидактической рассогласованностью в познавательных процессах обучающихся в теоретической и практической деятельности при решении задач и экспериментальной работе;

между необходимостью интегральной оценки уровня достижений обучающихся физике и раздельно представленных соответствующих критериев и показателей для решения задач и физического практикума.

Выявленные противоречия позволили определить тему исследования

«Экспериментальный практикум по физике как средство обучения старшеклассников решению задач (углублнный уровень)».

Проблема исследования состоит в согласовании организации и методики проведения экспериментального практикума по физике с методикой обучения решению физических задач.

Цель исследования: разработать, теоретически обосновать и экспериментально проверить методику обучения решению задач по физике в старших классах (углублнный уровень) на основе экспериментального практикума.

Объект исследования: процесс обучения физике в старших классах общеобразовательной школы.

Предмет исследования: методика обучения решению задач по физике (углублнный уровень) на основе экспериментального практикума.

Гипотеза исследования. Экспериментальный практикум, предваряющий решение задач в процессе углублнного изучения физики, способствует эффективному обучению старшеклассников решению задач и овладению ими научным методом познания, если:

смоделировать практикум по физике, сочетающий экспериментальный практикум (лабораторный практикум и исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования) и решение физических задач;

разработать методики согласования и комплексного проведения экспериментального практикума и решения задач по физике.

В соответствии с целью, предметом и гипотезой, в работе были поставлены и решены следующие задачи исследования:

1. Теоретически обосновать необходимость экспериментального практи
кума для овладения обучающимися научным методом познания.

2. Разработать методику проведения экспериментального практикума
(лабораторный практикум и исследование физических процессов на основе
компьютерного моделирования), предшествующего решению задач по физи
ке.

1. На основе разработанной методики проведения экспериментального практикума выявить возможности и определить подходы к обучению старшеклассников решению задач по физике (углублнный уровень).

2. Обосновать модель методики обучения решению задач по физике в старших классах (углублнный уровень) на основе экспериментального практикума, предшествующего и согласованного с решением задач.

3. Провести педагогический эксперимент по проверке эффективности разработанной методики обучения решению задач по физике (углублнный уровень) на основе экспериментального практикума.

Нормативную, теоретическую и методологическую основу диссертационного исследования составили:

Федеральный закон «Об образовании в Российской Федерации»;

Федеральный государственный образовательный стандарт среднего (полного) общего образования по физике;

системно-деятельностный подход в обучении (А. Г Асмолов и др.)

концепция деятельностного подхода в обучении (Л. С. Выготский, В. В. Давыдов и др.);

теория развивающего обучения (Л. С. Выготский, В. В. Давыдов, Л. В. Занков, В. В. Лернер, В. В. Репкин, Д. Б. Эльконин, И. С. Якиманская и др.);

теория личностно ориентированного обучения (Б. М. Бим-Бад,
Л. И. Божович, Е. В. Бондаревская, А. В. Петровский, В. В. Сериков,

И. С. Якиманская и др.);

научный метод познания в обучении (В. Г. Разумовский, В. В. Майер, Г. Г. Никифоров, В. А. Орлов, Ю. А. Сауров и др.);

методика организации физического практикума (Л. И. Анциферов, В. А. Буров, Ю. И. Дик, А. А. Покровский и др.);

методика обучения решению задач по физике (Б. С. Беликов, С. Е. Каменецкий, Н. В. Кочергина, А. А. Машиньян, В. П. Орехов и др.).

Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования.

Теоретические методы включили в себя: изучение и анализ педагогической, психологической, учебно-методической литературы и диссертационных исследований, нормативных документов по вопросам образования; изучение и анализ примерных программ и учебников для средней (полной) школы.

Экспериментальные методы включили в себя: изучение и анализ отечественного и зарубежного педагогического опыта; анкетирование, тестирование, мониторинг результатов деятельности обучающихся; констатирующий, обучающий и контрольный эксперименты по проверке эффективности разработанной методики обучения решению задач по физике (углублнный уровень) на основе экспериментального практикума; обработку результатов педагогического эксперимента с помощью методов математической статистики.

Экспериментальная база: муниципальное бюджетное образовательное учреждение «Лицей №5» города Зарайска Московской области. Исследование, в соответствии со сформулированной целью и поставленными задачами, поводилось с 2003 по 2017 годы в три этапа.

Первый этап (2003-2005 гг.) - констатирующий эксперимент: изучение состояния теоретических, методологических, практических аспектов исследуемой проблемы; разработка методики обучения старшеклассников решению задач по физике (углублнный уровень) на основе экспериментального практикума; обоснование системы оценки предметных достижений обучающихся; определение актуальности исследования; формулирование темы и рабочей гипотезы.

Второй этап (2006-2010 гг.) – обучающий эксперимент: апробация в школьной практике методики обучения физике на старшей ступени школы (углублнный уровень) на основе научного метода познания; корректировка и уточнение методики согласования и проведения экспериментального практикума (лабораторного практикум и исследования физических процессов на основе компьютерного моделирования) и решения задач; экспериментальная проверка эффективности предложенной методики посредством оценивания учебных достижений обучающихся.

Третий этап (2011–2017 гг.) – контрольный эксперимент: внедрение в преподавание физики в старших классах (углублнный уровень) методики обучения, согласующей лабораторный практикум, исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования и решение задач по физике, позволяющей старшеклассникам результативно решать задачи и овладевать научным методом познания; анализ результатов педагогического ис-

следования; обработка и оформление результатов эксперимента с использованием методов математической статистики; внедрение в учебный процесс образовательных учреждений Московской области разработанной методики на примере темы «Электромагнитные колебания».

Обоснованность и достоверность научных результатов обеспечивается внутренней непротиворечивостью полученных выводов исследования; соответствием психолого-педагогическим и методическим положениям, лежащим в основе исследования; выбором методов изучения, соответствующих целям и задачам; статистической значимостью данных, полученных в результате педагогического эксперимента; воспроизводимостью результатов обучения.

Личный вклад состоит в теоретической разработке и практической реализации методики обучения физике в старших классах (углублнный уровень), сочетающей экспериментальный практикум (лабораторный практикум и исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования) и решение физических задач, создающей условия для овладения обучающимися научным методом познания.

Научная новизна исследования:

1. Разработана модель методики обучения физике в старших классах (уг-
лублнный уровень), сочетающая экспериментальный практикум (лаборатор
ный практикум и исследование физических процессов на основе компьютер
ного моделирования) и решение физических задач.

2. Обоснованы подходы к построению методики согласования и ком
плексного проведения экспериментального практикума и решения задач с по
зиции перехода обучающихся от эксперимента к его теоретической интерпре
тации – задаче, ориентированной на овладение старшеклассниками научным
методом познания.

Теоретическая значимость результатов исследования заключается в том, что полученные выводы являются вкладом в развитие теории и методики обучения физики. В диссертационном исследовании:

1. Расширено представление о дидактических возможностях физического практикума за счт согласования решения задач и экспериментального практикума; посредством включения в экспериментальный практикум исследования физических процессов на основе компьютерного моделирования.

2. Предложена модель структуры согласования и комплексного проведения экспериментального практикума и решения задач с позиции перехода обучающихся от эксперимента к его теоретической интерпретации – задаче при изучении курса физики (углублнный уровень).

Практическая значимость результатов исследования:

1. Разработана структура экспериментального практикума, включающего
лабораторный практикум и исследование физических процессов на основе
компьютерного моделирования, как средства обучения решению задач.

2. Предложены пути согласования деятельности старшеклассников при выполнении лабораторного и компьютерного экспериментов в процессе изучения физики (углублнный уровень).

3. Обоснована и разработана модель методики обучения решению задач по физике (углублнный уровень), посредством экспериментального практикума, способствующего овладению старшеклассниками научным методом познания.

4. Разработаны методические рекомендации учителю физики по реализации методики обучения решению задач по физике (углублнный уровень) посредством экспериментального практикума.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Построенный процесс обучения физике в старших классах (углублн-ный уровень), согласующий лабораторный практикум, исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования и решение задач по физике, способствует эффективному обучению старшеклассников решению задач, позволяет обучающимся овладеть научным методом познания.

2. Структура методики обучения физике в старших классах (углублн-ный уровень) на основе научного метода познания может быть представлена в виде знаково-семантической модели, отражающей компоненты развития личности, методическую структуру учебного процесса и его целевое предназначение.

Апробация результатов исследования.

Основные теоретические положения и результаты исследования заслушивались и обсуждались: г. Дубна (2013, 2016); г. Коломна (2009, 2013, 2017), г. Москва (2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2013, 2016).

Результаты работы отмечены Почетной грамотой Министерства образования Российской Федерации (2002 г.), дважды Почетными грамотами победителя конкурса лучших учителей Российской Федерации Приоритетного национального проекта «Образование» (2006 г. и 2013 г.), медалью «Почтный работник общего образования Российской Федерации», именным свидетельством учного совета физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, удостоверяющим высокий уровень преподавания физики (2017 г.).

Основные положения, результаты диссертационного исследования освещены в публикациях 16 статей общим объмом 6,6 п.л., в том числе – в журналах, входящих в международную базу цитирования WoS – 1, реестр ВАК РФ – 4 статьи объмом 3,9 п.л.

Внедрение результатов исследования проводилось:

- в рамках образовательного процесса преподавания физики в старших классах (углублнный уровень) муниципального бюджетного образовательного учреждения «Лицей №5 » города Зарайска Московской области;

-в рамках мастер–классов на Педагогической ассамблее Московской области, г. Ступино (2011 г.); на Международной научной школе для учителей физики и Всероссийской школе–конференции учителей физики, г. Дубна (2013, 2016 гг.); на зональных и региональных семинарах, г. Зарайск (2012-2017 гг.).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трх глав, заключения, библиографического списка, включающего 202 наименований; содержит 1 схему, 12 таблиц, 8 диаграмм, 13 рисунков, 4 приложения. Общий объм диссертации составляет 174 с., литература – 19 с.

Научный метод познания в обучении физике

В. Г. Разумовский обосновал важность и актуальность овладения школьниками научным методом познания на уровне способности использования в качестве инструмента для самостоятельных суждений в обучении и жизни. Построение процесса познания учебного предмета обучающимся на основе научного метода познания обеспечивает переход от пассивного к активному методу, от репродуктивного к творческому. Это актуально для системно-деятельностного подхода в обучении. Творческий метод означает, что в процессе учения школьник должен «переоткрыть уже сделанное в истории науки открытие» [146, С. 6]. Научный метод познания природы не «довесок» к предметам, а прежде всего «практическое руководство к творческому овладению предметами», например, физикой [146, С. 8].

В. Г. Разумовский предложил и применил в школьном курсе схему изучения законов физики методом научного познания по циклической схеме. Цикл научного познания имеет следующую структуру: от исследования явления к выдвижению гипотезы в виде модели, формулы или принципа, от гипотезы – к вытекающим из не логическим выводам, и далее к экспериментальной проверке этих выводов. Схема цикла представлена на Рисунке 1 [148, С. 109].

«Схема цикла научного познания – это схема субъективного «переоткрытия» школьником того, что открыто в историческом развитии науки» [148, С. 129]. Поэтому В. Г. Разумовский предлагает использовать схему цикла научного познания: факты–проблема гипотеза–модель следствия–выводы эксперимент–применение, как «ориентировочную основу познавательных действий школьника» в изучении физики. Цикл научного метода познания полезен при изучении законов и принципов наук, при обобщении изученного материала [148, С. 129]. Выводы об изучении физических явлений и законов в соответствии с научным методом познания, об организации учебной деятельности по схеме цикла научного познания очень важны для нашего исследования.

Включение в параграфы современных учебников физики углублнного уровня знаний о научном методе познания природы не поможет школьникам освоить метод познания на уровне практического применения, убедиться в возможности получения нового знания при помощи этого метода [185; 186]. Овладеть методом обучающиеся смогут при постоянном внимании учителя к научному методу познания в процессе учения, построенного на этом методе [146]. Действен 32 ность метода старшеклассники оценят лишь тогда, когда достигнут реальных результатов, отличающихся новизной.

Для реализации на уроках рекомендует регулярно давать школьникам упражнения типа: какие факты являются основой физического закона, понятия; какая гипотеза лежит в основе определения данного понятия; на какой модели основана данная физическая теория; следствием какого закона, теоретической модели является данный вывод; как интерпретировать данные задачи для е решения; интерпретируйте график к какому-либо известному физическому явлению; придумайте задачу, которую можно решить при помощи изученного вами закона [146]. Процесс учения, согласно научному методу познания, должен строиться по следующему алгоритму. Чтобы изучить явление, школьник должен накопить и систематизировать эмпирические факты о физическом явлении и осознать законы, которым оно подчиняется. Например, обучающийся наблюдает отклонение движущихся протонов в магнитном поле, ставит познавательную проблему: как связаны между собой направления силы, действующей на частицы, направление скорости частицы и вектора магнитной индукции? Анализ фактов позволяет обучающемуся выдвинуть гипотезу, о том, что сила, действующая со стороны магнитного поля на движущиеся положительные заряженные частицы, подчиняется правилу левой руки. Далее школьник строит модель явления. Модель позволяет объяснить не только связь накопленных фактов, но предсказать новые, сделав теоретическое предвидение. Старшеклассник предполагает, что проводник с током, который представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц, в магнитном поле тоже должен двигаться. Причем направление движения проводника должно подчиняться правилу левой руки. Затем школьнику необходимо экспериментально проверить теоретическое предвидение, на опыте доказать правильность теоретического предположения.

Остановимся на методиках, направленных на овладение старшеклассниками научным методом познания, развивающими способности самостоятельно приходить к новому знанию, расширять сферу знания самостоятельными исследованиями. С. В. Анофриковой разработан способ реализации деятельностного подхода в обучении физике, основной тезис которой следующий: «человека нельзя научить, развить, воспитать; он может только научить себя сам, т.е. научиться, развиться, воспитаться» [13, С. 39]. Главная особенность способа – направленность на воспитание обучающегося, способного самостоятельно решать проблемы, опираясь на научные знания. Школьники в учебном процессе – «учные», открывающие новые знания, а учитель – «организатор деятельности старшеклассников» [13, С. 39]. Знания, умения и качества личности обучающийся приобретает через свою собственную деятельность посредством применения научного метода познания природы [11; 12; 13].

Н. И. Одинцовой предложены и применяются на практике примы освоения научного метода познания на урокахтеоретических исследованиях посредством дедуктивных схем, системы познавательных задач, листовориентиров для школьников [126; 127; 128].

С введением ФГОС произошло существенное углубление представлений о содержании физического образования, связанное с включением в его структуру научного метода познания. В настоящее время в процесс обучения физике введены не только теоретические знания о методе. Ведутся исследования по внедрению научного метода познания в содержания физического образования с ориентированием учебного процесса по физике на освоение обучающимися научного метода познания.

В. Г. Разумовский, В. А. Орлов, Г. Г. Никифоров, В. В. Майер, Ю. А. Сауров, Е. К. Страут разработали и внедрили в курс средней школы учебно-методический комплекс «Физика в самостоятельных исследованиях». Основная идея курса направлена на изменение методики обучения физике в сторону преподавания именно физической науки, а не сообщений «системы готовых знаний», на изменение приоритетов в учебной деятельности обучающихся на экспериментирование и моделирование, на развитие учителя и познавательного интереса школьников на основе освоения научного метода познания. Авторский коллектив включил научный метод познания в содержание физического образования в шко 34 ле с целью интеллектуального развития школьников в процессе обучения, формирования основ научных знаний и научного мировоззрения, для развития познавательных интересов [149].

В учебно-методическом комплексе под редакцией В. Г. Разумовского и В. А. Орлова «Физика в самостоятельных исследованиях» изменена практика представления учебных текстов. Прежде всего, выделена инвариантная структура изложения содержания по схеме цикла научного познания «факты – модель – следствия – эксперимент». Исследования включены в содержание как основные элементы текста вопроса, имеются специальные обращения через содержание и упражнения к вопросам методологии и др. Кроме того, существенным является ориентирование самого учебного процесса на освоение школьниками научного метода познания, элементов методологии познания [83, С. 5].

Вышеуказанные исследования важны для нашей работы, потому что их объединяет опора на научный метод познания в самостоятельной деятельности школьников и отсутствие преподавания знаний «в готовом виде», а, значит, согласно В. В. Давыдову, реализация деятельностного подхода в обучении физике. Кроме того, авторский коллектив В. Г. Разумовского в основу обучения ставит учебный эксперимент, способствующий овладению обучающимися методами исследования, экспериментальными и теоретическими, использующий цикл научного метода познания как ориентировочную основу действий школьника, что так же актуально для нашего исследования.

Основу системно-деятельностного подхода составляет самообучение школьника под руководством учителя, становление позиции субъекта учения. Научный метод познания является «естественным результатом обучения в самостоятельной познавательной деятельности» [146, С. 26]. Овладение научным методом познания в школьном возрасте очень важно, потому что возраст старшего школьника открывает большие возможности для развития способностей к «абстрактному научному мышлению». Эти способности, в свою очередь, открывают путь к дальнейшему образованию и творческой деятельности» [81, С. 27].

Модель обучения физике на старшей ступени средней (полной) школы (углублнный уровень)

На основе анализа психолого-педагогической, методической литературы, практической работы нами разработана модель методики обучения физике (углуб-лнный уровень) на основе научного метода познания, на которой отображена структура образовательного процесса обучения решению физических задач посредством экспериментального практикума. Модель представлена на разработанной автором Схеме 1.

Модель содержит три взаимосвязанные составляющие: организационную, методическую и результативную.

Основой организационной составляющей является личностно ориентированное развивающее обучение. Для изучения физики на углублнном уровне актуально развитие мышления обучающихся: эмпирического и теоретического. Теоретическому мышлению присущи: сравнение, анализ, планирование, абстрагирование, обобщение, рефлексия. Этому способствует обучение на высоком уровне сложности, когда старшеклассникам постоянно проходится преодолевать препятствия, самостоятельно получая знания, понимая явления, а, не просто заучивая информацию. Такой процесс учения необходимо строить на изучении учебного материала силами самих школьников, на их самообучении, что реализуем при выполнении экспериментального практикума. В процессе учебной деятельности, обучающиеся не только получают знания, формируют умения, но и развивают компетенции: мыслительные, речевые, информационные, практические, коммуникативные [28; 88]. Вс вышеперечисленное характерно для личностно ориентированного развивающего обучения.

Личностно ориентированное развивающее обучение – модель образования, построенная на развитии и саморазвитии каждого конкретного школьника. Это обучение является основой организационной составляющей модели обучения физике на старшей ступени средней (полной) школы (углублнный уровень).

Первым компонентом личностно ориентированного развивающего обучения является обращение к личному опыту школьника, учт его интересов и способностей. Это возможно реализовать при помощи изучения сформированности позиции субъекта учения. Методика выявления составляющих позиции субъекта учения приведена в приложении Г на С.156–174 нашего исследования. Учт психологических аспектов личности старшеклассников способствует повышению качества знаний, позволяет избегать негативных явлений в успеваемости старшеклассников и во взаимоотношениях с ними, помогает работать индивидуально с каждым обучающимся класса.

Вторым компонентом личностно ориентированного развивающего обучения является самостоятельная познавательная деятельность старшеклассников. Эту деятельность реализуем при выполнении обучающимися работ экспериментального практикума и на уроках решения физических задач. Учебный материал этих занятий нацелен не только на получение знаний, но и на развитие обучающихся, их творческих способностей. Усвоение теоретических знаний на основе научного метода познания при выполнении экспериментального практикума позволяет старшеклассникам самостоятельно добывать знания, а не просто заучивать информацию, сообщаемую учителем, что способствует осознанному решению физических задач старшеклассниками. Методика проведения экспериментального практикума и уроков решения физических задач подробно описана далее в главе.

В личностно ориентированном развивающем обучении важен тип управления процессом обучения со стороны учителя – третий компонент личностно– развивающего обучения. Различают жсткое и гибкое, прямое и косвенное управление [141]. При жстком управлении организация и содержание обучения соответствуют только той или иной дидактической модели. Тенденция к жсткому управлению наиболее отчетливо выражена в концепции учебной деятельности В. В. Давыдова, Д. Б. Эльконина [53; 197] и в концепции поэтапного формирования умственных действий и понятий П. Я. Гальперина, Н. Ф. Талызиной [41; 42; 163]. В концепциях предусмотрено формирование у школьников познавательной деятельности, подчиннное одной логике, которая «в идеале» исключает индивидуальный разброс. Жсткое управление направлено на приведение всех обучающихся единым путм к единому результату.

Гибкое управление процессом обучения предполагает сохранение всего позитивного в учебной работе школьников, независимо от диапазона индивидуальных вариаций. Осуществляется это управление косвенным путм – созданием условий, в которых старшеклассник сам или в диалоге с учителем, одноклассниками строит, контролирует, совершенствует свои способы учебной работы. При системно-деятельностном подходе в обучении предполагается обязательное взаимодействие учителя и обучающегося. Если школьника не только учат, но и он учится, то в способе его учебной деятельности есть те компоненты, которые реализует учитель, и компоненты, которые являются достоянием обучающегося и реализуются им самим. Последние компоненты Е. Д. Божович названы «внутренними компонентами» метода обучения [141, С. 15]. К ним относятся применяемые школьником примы понимания и запоминания материала, самоконтроля, способы работы с наглядными средствами, способы поиска выполнения нестандартных заданий. Внутренние компоненты учитываются личностно ориентированным обучением, определяя развитие обучающегося как субъекта обучения [113; 119; 141; 142].

Часто в реальной педагогической практике школьники, зная прим, не пользуются им без специального требования со стороны учителя, т.е. внутренние компоненты метода обучения реально не становятся достоянием обучающегося, и он не является субъектом учения. Д. Б. Эльконин писал, что «можно много знать, но при этом не проявлять никаких творческих способностей, т.е. не уметь самостоятельно разобраться в новом явлении» [197, С. 55].

В личностно развивающем обучении учитель физики, используя гибкое управление классом, первоначально организует коллективную учебную деятель 61 ность обучающихся. Затем переводит е в индивидуальную самостоятельную познавательную деятельность старшеклассников, руководствуясь знаниями индивидуальных особенностей школьников и стандартами образования.

Важнейшим компонентом модели обучения физике на старшей ступени школы (углублнный уровень) является методическая составляющая. Метод обучения – важный фактор, влияющий на развитие школьника. Методы обучения – «способы совместной деятельности учителя и обучающихся, направленной на решение задач обучения» [158, С. 206]. Основой методической составляющей является научный метод познания, освоенный и осознанный старшеклассниками на уровне способности использования в качестве инструмента для самостоятельных суждений в обучении и жизни, практического руководства к творческому овладению физикой. Процесс познания индивидуален, понимание материала субъективно, опирается на личный опыт обучающегося. Кроме того, обучение идет на высоком уровне сложности, что актуально для личностно ориентированного развивающего обучения. Поэтому важной задачей современной методики преподавания является создание и внедрение технологий, позволяющих эффективно решить задачи обучения класса, получить высокие результаты обучения.

Одной из активных форм организации обучения, способствующей политехническому образованию обучающихся, является физический практикум. Практикумы в старших классах, по сравнению с обычными лабораторными работами, характеризуются большей самостоятельностью старшеклассников и творческим отношением к выполнению заданий [18].

Многие учителя физики считают, что есть виды уроков, которые по своей форме без всяких усилий со стороны преподавателя, автоматически реализуют деятельностный подход. К ним, как кажется на первый взгляд, относятся лабораторный практикум и уроки решения задач. На самом деле вышеназванные виды уроков автоматически не осуществляют деятельностный подход в обучении. Согласно В. В. Давыдову, если знания даются «в готовом виде», если на практикуме школьники работают по жстким пошаговым инструкциям, выполняют учебные действия по указанию учителя, то «дети учебной деятельности не выполняют», деятельностный подход в обучении отсутствует [47, С. 249].

Эффективным способом реализации системно-деятельностного подхода в школьной практике, воплощающим в классы углублнного изучения физики требования ФГОС по практическому освоению школьниками научного метода познания, является организованный особым образом практикум по физике.

Нами расширено представление о дидактических возможностях физического практикума за счт согласования решения задач и экспериментального практикума и посредством включения в экспериментальный практикум исследования физических процессов на основе компьютерного моделирования. Объединяющий фактор этой системы – метод – научный метод познания природы.

Компоненты практикума (уроки) существуют в обычном школьном курсе физики независимо друг от друга, не давая по отдельности столь сильного дея-тельностного эффекта. Интеграция уроков в систему привела к усилению их положительных моментов, к появлению новых возможностей каждого из уроков, вошедших в систему.

В нашем исследовании рассмотрена организация учебного процесса обучения физике в старших классах (углублнный уровень), сочетающая экспериментальный практикум (лабораторный практикум и исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования) и решение физических задач. Экспериментальный практикум (лабораторный практикум и исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования) и решение физических задач перестроены в соответствии с системно-деятельностным подходом и направлены на овладение старшеклассниками научного метода познания.

Методика проведения уроков решения задач различного уровня сложности

Решение задач по физике наряду с общей идеей системно-деятельностного подхода реализует важнейшую функцию обучения физике: применить знания на практике, опираясь на активную мыслительную деятельность старшеклассников. Одной из основных целей решению задач является постановка и достижение учениками цели учения путем самостоятельного выбора уровня сложности задач и их решения. Для организации уроков по решению задач применяем систему задач разных уровней сложности. На уроках по решению задач старшеклассник сам выбирает уровень сложности заданий, в процессе работы обучающийся может переходить с одного уровня сложности на другой [124; 166].

На уроках решения задач используем тематические подборки задач повышенного и высокого уровней сложности, решению которых способствует проделанный школьниками экспериментальный практикум, в процессе которого старшеклассники смогли «переоткрыть уже сделанное в истории науки открытие» [139, С. 6], используя научный метода познания как «практическое руководство к творческому овладению» физикой [139, С. 8]. Самостоятельное исследование физических явлений на экспериментальном практикуме позволяет старшеклассникам отрабатывать и усваивать учебный материал не формально, а осознанно, что существенно повышает предметные результаты обучающихся, позволяет им успешно решать задачи повышенного и высокого уровня сложности по разным темам. Активное применение знаний на практике, решение физических задач «учит мыслить, т.е. развивает в человеке самое существенное, что дала ему природа, – умение мысленно связывать явления, мысленно преобразовывать мир» [130, С. 3]. Мысленно связать явления природы помогает старшеклассниками выполненный ими экспериментальный практикум.

Особенности уроков решения физических задач.

1) Основной целью уроков, наряду с постановкой цели деятельности старшеклассниками, является знакомство обучающихся с моделированием как методом познания на примере задач – моделей реальных физических явлений.

2) Важной особенностью является развитие творческих умений школьников видеть и связывать друг с другом эти явления и, исходя из этого, находить нужные методы решения задач, понимать границы и алгоритмы применения физических законов.

3) Ядром для решения большого класса задач, в том числе, задач ЕГЭ, являются лабораторный практикум и уроки исследования физических процессов на основе компьютерного моделирования, которые способствуют осознанию школьниками ситуаций физических задач, пониманию и мысленному соединению природных явлений, описанных в задачах. 4) Применение тематических подборок задач, согласованных с экспериментальным практикумом, самостоятельный выбор школьниками уровня сложности задач и их решение, способствует активизации мыслительной деятельности обучающихся в процессе решения задач.

Решение задач – важная процедура получения информации об учебной деятельности школьников, о е результатах. Это обратная связь обучающийся – учитель. Любой класс представляет собой группу старшеклассников с очень неоднородным уровнем способностей, мотивов обучения, возможностей, жизненных целей. Причм именно в старших классах уровень неоднородности класса достаточно высокий. Поэтому система решения задач должна быть разноуровневая, дифференцированная. Для организации уроков решения задач по физике в старших классах (углублнный уровень), используем систему задач базового, повышенного и высокого уровней сложности в четырх вариантах. Под сложностью задачи подразумевается наличие в задаче разного количества явлений (процессов, объектов), задание параметров в явном и неявном видах и различными способами. Варианты равноценны. Внутри любого варианта содержатся все три уровня. Варианты распечатаны на листах формата А-4 или внесены в базу ноутбуков физического кабинета. На уроках по решению задач старшеклассник сам выбирает уровень заданий, учитель сообщает только номер варианта. В процессе работы обучающийся может переходить с одного уровня сложности на другой.

Решению задач представляет собой не единичный урок, а систему уроков: разбор задач учителем или обучающимися; самостоятельное решение задач школьниками с помощью учителя, учебника; самостоятельное решение задач старшеклассниками и контрольная работа.

После прохождения определенной темы, например, «Электромагнитные колебания», один урок отводится на фронтальный разбор одного варианта всех уровней сложности задач в классе на доске, обсуждение применяемых законов, формул, общих способов решения. Проводится поиск различных вариантов решений, продумываются и обсуждаются частные случаи каждой задачи. При поведении таких уроков применяются разработанные автором собственные пособия для интерактивной доски [124; 166]. Использование пособий активизирует учебную

деятельность школьников, делает е разнообразной и насыщенной, экономит время на уроке.

На следующем уроке старшеклассники решают задачи самостоятельно. Процесс решение задач выстроен в соответствии со структурой уроков практикума по физике (углублнный уровень), представленной в Таблице 6 на С. 65 диссертационного исследования. Учитель консультирует обучающихся при наличии у старшеклассников конкретных вопросов. Обучающиеся могут пользоваться учебниками. В ходе урока учитель отмечает количество и качество задач, правильно решенных каждым школьником. За 10 минут до конца урока производится краткая поверка решения задач разных уровней сложности по очереди при помощи доски и интерактивной доски. Школьники выполняют самопроверку, задают любые вопросы, обсуждают решения. Решения задач заранее учителем внесены в компьютер или проектируются на доску из тетрадей обучающихся, получивших наиболее удачные решения. Отметки учитель выставляет на основании своих записей, сделанных в процессе урока.

На третьем уроке старшеклассники решают задачи самостоятельно без использования учебника, в проблемных ситуациях индивидуально с конкретным вопросом обращаются к учителю. Работы выполняются в специальных тетрадях для самостоятельных работ. В конце урока учитель собирает тетради. Анализ решений, разбор характерных ошибок проводится на следующем уроке.

Анализ проведения уроков решения задач показал следующее.

1) При первом выполнении работ некоторые старшеклассники имеют завышенную оценку своих знаний, выбирают высокий уровень сложности задач, не справляясь с ним. Систематически работая в системе, обучающиеся начинают более адекватно оценивать свои возможности.

2) В течение года наблюдается увеличение числа обучающихся, справляющихся с решением задач высокого уровня сложности.

3) В процессе решения задач обучающиеся вырабатывают свою тактику деятельности, используя внутренние факторы успеха своей учебной работы:

а) выполнение заданий базового или повышенного уровней, обеспечив себе отметку «3» или «4»;

б) выполнение заданий базового или повышенного уровней, далее, решение наиболее доступной, по мнению школьника, задачи высокого уровня сложности;

в) решение задач высокого уровня. Решение таких задач становится возможным тогда, когда старшеклассники начинают видеть в задачах реальные физические явления, связывать их друг с другом эти явления, подбирать для решения нужные методы. Такое умение обучающихся складывается при регулярном выполнении ими экспериментального практикума по физике, построенного по схеме научного метода познания и направленного на освоение этого метода.

4) Старшеклассники, выбирающие задания высокого уровня (15-23% обучающихся класса), критически подходят к заданным примам умственной деятельности и нередко предлагают свои способы работы над задачами, часто, оригинальные, например, графические решения. Применению графических способов решений способствуют многочисленные графические зависимости, построенные обучающимися при выполнении работ экспериментального практикума.

Контрольный эксперимент и его результаты

Задачи контрольного эксперимента.

1. Проверить достоверность гипотезы об эффективности разработанной модели методики обучения решению физике в старших классах (углублнный уровень) на основе экспериментального практикума в практическом овладении обучающимися научным методом познания и в повышении образовательных результатов старшеклассников.

2. Обработать, проанализировать, оформить результаты педагогического исследования с использованием методов математической статистики.

3. Внедрить в учебный процесс образовательных учреждений Московской области разработанную методику обучения физике на основе научного метода познания, основу которой составляет обучение решению задач по физике в старших классах средней школы (углублнный уровень) посредством экспериментального практикума на примере темы «Электромагнитные колебания».

Контрольный эксперимент проводился 2013-2017 учебных годах. В нм приняли участие 52 обучающихся классов с углублнным изучением физики. В контрольном эксперименте предметные результаты старшеклассников выявляли при помощи анализа контрольной работы по физике, которую провели в начале 10 класса. Работа состояла из 5 блоков и содержала 30 заданий по теме «Механика». Структура работы отражена в Таблице 7 С.97-99.

К началу контрольного эксперимента старшеклассники контрольного и экспериментального 10 классов (углублнный уровень изучения физики) показали одинаковый уровень знаний, что подтверждается результатами диагностической контрольной работы. Для каждого школьника фиксировались число и номера правильно решенных задач до начала эксперимента. Для оценки начальных состояний экспериментального и контрольного класса применялся метод математической статистики анализа совпадений и различий характеристик экспериментальной и контрольной групп на основании измерений, проведенных в шкале отношений. Использовался уровень значимости 0,05. Для проверки гипотезы о совпадении характеристик двух классов рассчитывался критерий Вилкоксо-на-Манна-Уитни W. На Диаграмме 3 представлены проценты выполнения обучающимися экспериментального и контрольного класса каждого из заданий диагностической контрольной работы.

На начало эксперимента W = 0,53 1,96. Следовательно, уровни исходных знаний по физике экспериментального и контрольного класса совпадают с уровнем значимости 0,05 по статистическому критерию ВилкоксонаМаннаУитни.

Обучение физике в контрольном классе велось по традиционной методике, в экспериментальном классе по предложенной методике обучения физике в старших классах (углублнный уровень), сочетающей экспериментальный практикум (лабораторный практикум и исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования) и решение физических задач. За нулевую гипотезу выдвигалось предположение, что использование разработанной методики не способствует повышению качества знаний обучающихся, их предметных результатов. Альтернативная гипотеза: применение разработанной методики обучения физике в старших классах (углублнный уровень), сочетающую экспериментальный практикум (лабораторный практикум и исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования) и решение физических задач улучшает предметные результаты старшеклассников в сфере решения задач по физике. К концу контрольного эксперимента в 2017 году старшеклассники контрольного и экспериментального классов показали уровень знаний, подтвержденный результатами итоговой контрольной работы. В контрольной работе «Электромагнитные колебания» проверялись уровни успешности выполнения старшеклассниками 30 заданий. Структура работы отражена в Таблице 9 данной работы. Результаты выполнения итоговой работы отражены на Диаграмме 4.

Для проверки гипотезы о совпадении или различии уровней знаний классов рассчитывался критерий ВилкоксонаМаннаУитни W. По окончании эксперимента получили W = 2,408 1,96. Следовательно, достоверность различий в количестве правильно решенных задач экспериментального и контрольного класса по статистическому критерию ВилкоксонаМаннаУитни равна 95%.

Значит, нулевая гипотеза отвергается. Предметные результаты экспериментального физико-математического класса по окончании эксперимента отличаются от контрольного с достоверностью различия 95%.

Таким образом, нами была принята альтернативная гипотеза: применение разработанной методики обучения физике в старших классах (углублнный уровень), сочетающей экспериментальный практикум (лабораторный практикум и исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования) и решение физических задач способствует повышению предметных результатов старшеклассников по физике с статистически значимыми (на уровне 95% по критерию ВилкоксонаМаннаУитни) отличиями результатов при доверительном интервале 7%.

Проанализировав результаты обучающего и контрольного эксперимента, был сделан вывод об эффективности внедрения методику обучения физике в старших классах (углублнный уровень), сочетающую экспериментальный практикум (лабораторный практикум и исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования) и решение физических задач в процесс преподавания физики в классах с углублнным изучением физики. Итоговые работы говорят о высоком качестве усвоения старшеклассниками материала, что отражено в Диаграмме 4.

Сравнение результатов итоговых контрольных работ экспериментальных классов контрольного и обучающего экспериментов, демонстрирует стабильно высокое качества усвоения материала по физике в области задач разного уровня сложности. Данные экспериментов иллюстрирует Таблица 12 и Диаграмма 5.

Итак, контрольный эксперимент подтвердил гипотезу исследования: обучающиеся могут овладеть научным методом познания, развить свои способности строить познавательную деятельность на основе перехода от эксперимента к его интерпретации при решении задач в обучении физике на углублнном уровне посредством практикума, сочетающего экспериментальный практикум (лабораторный практикум и исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования) и решение физических задач. Основополагающую функцию в этом учебном процессе выполняет лабораторный практикум. Его функция в учебном процессе схожа с экспериментом в науке.