Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИКИ ЖИДКОСТЕЙ
И ГАЗОВ 16
-
Статика жидкостей и газов 16
-
Ньютоновские и бингамовские жидкости 21
-
Гидродинамика 27
2. ПСИХОЛОГО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА «ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ» В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ
ФИЗИКИ 49
2.1. Значение раздела «Основы механики жидкостей
и газов» в школьном курсе физического образования 49
2.2. Анализ методики преподавания раздела «Основы
механики жидкостей и газов» 56
2.3. Психолого-педагогические особенности учащихся,
изучающих физику 71
2.4. Интеллектуальное и творческое развитие личности
как важная дидактическая проблема 82
3. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА «ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ 95
3.1. Реализация различных уровней обучения при изучении
раздела 95
-
Изучение теоретического материала с учетом разноуровневого подхода и современного содержания гидромеханики 106
-
Эксперимент при изучении раздела «Основы механики жидкостей и газов» 117
-
Использование циклов задач при изучении раздела «Гидромеханика» 129
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ 141
-
Организация педагогического эксперимента 141
-
Состояние проблемы в практике средней школы 145
-
Определение эффективности предлагаемой методики 154
*
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162
БИБЛИОГРАФИЯ 164
Введение к работе
В современных условиях существует противоречие между постоянно возрастающими требованиями к компетентности специалистов, занятых во всех областях человеческой деятельности и снижением уровня школьного образования, в течение которого закладываются основы необходимых в будущем знаний. Это снижение можно объяснить уменьшением количества часов на изучение определенных предметов. В этом плане особенно пострадали естественно-математические дисциплины и, в частности, физика.
Неадекватное толкование понятий гуманизации и гуманитаризации образования, связанное с недооценкой роли физики в развитии мышления, приводит к увеличению удельного веса гуманитарных дисциплин за счет урезания физики. При этом забывается то, что специфика современного этапа развития человечества требует постоянного решения сложных комплексных проблем, от экологических до финансовых, в максимально сжатый отрезок времени. Постоянно развивающиеся отрасли науки и производства подразумевают не только высокий, непрестанно совершенствуемый узкоспецифический уровень, но и умение самостоятельно поставить проблему, моделируя возможное течение и предсказывая результаты процесса. Отсутствие названных умений может привести к различного рода катастрофам: от краха небольшой фирмы до мирового финансового кризиса, от неудачи исследований в какой-либо узкой области до экологической катастрофы.
Очевидно, что необходимые навыки нужно развивать в школе, причем делать это целенаправленно. Именно в этом плане роль физики, как учебного предмета становится неоценимой. «Красивое и сложное интеллектуальное создание с интригующими связями между ее частями, являющееся частью общечеловеческой культуры», - так охарактеризовал физику выдающийся исследователь современности Л. Каданов [157]. Именно ей, а не математике, как считают многие, принадлежит лидирующее место в системе наук, она учит тому, что долж- но являться частью образования любого человека.
Физика является единственной наукой, которая учит разбираться в непонятных ситуациях, учит тому, как нужно формулировать задачи, чтобы получить ответы на вопросы в различных ситуациях. Вера в то, что проблемы могут быть изолированы и поняты, любопытство и важность успешных предсказаний - это основные моменты, которые должны быть усвоены при обучении физике. Естественно заключить, что чем раньше учащиеся не просто начнут изучать новый предмет, а почувствуют интерес к нему, вкус собственных открытий, тем больших успехов они смогут добиться на разнообразных поприщах.
Физику, как учебный предмет, начинают изучать в 7 классе. Для учащихся общеобразовательных школ она становится одной из самых сложных дисциплин, так как изучаемые до этого предметы естественного цикла - природоведение, ботаника, география - требовали от них в основном умения воспроизводить изученный материал и применять его, пользуясь алгоритмами. Физика кардинально отличается от них. При ее изучении необходимы навыки абстрактного мышления, умения анализа и прогноза, которые в силу психологических особенностей данного возраста являются весьма сложными. Поэтому именно в начале обучения важно не оттолкнуть учащихся, а привлечь их интересы [135]. Огромную роль на этом этапе изучения физики играет изучение раздела «Гидростатика», который таит в себе огромное количество нереализованных возможностей: простота эксперимента, связь с окружающей средой, возможность применения на практике методов науки. Все вышеперечисленное дает право говорить об особой роли данного раздела в школьном курсе физики.
К сожалению, несмотря на то, что раздел «Основы механики жидкостей и газов» занимает значительное место в классических фундаментальных учебниках, например, VI том теоретического курса физики Л. Д. Ландау и Е. М. Лившица, посвященный гидродинамике, является самым большим по объему во всем курсе, в школе ему отводится весьма скром- ное место. После изучения гидростатики в 7 классе к физике жидкостей возвращаются лишь мимоходом в 9 классе, ограничиваясь одним-двумя описательными параграфами по теме «Гидродинамика», что не приносит учащимся желаемых знаний, хотя многоплановые возможности данного раздела у ученых-физиков не вызывают сомнения. Рассмотрим, как реализуются основные возможности раздела при обучении.
Изолирование проблемы и предсказание результатов явления является необходимым умением для любой науки. В физике, даже на школьном уровне, может быть показано выделение проблемы в чистом виде, построение модели рассматриваемого процесса. Выводы из модели и обобщение результатов также являются методами физики. Генерализация знаний - это то, что может пригодиться в любой области человеческой деятельности. При изучении гидромеханики вывод законов движения жидкости, в частности закона Бернулли, невозможен без введения модели идеальной жидкости. Модель статической жидкости позволяет вывести закон Архимеда.
В результате изучения физики усваивается структура науки, которая состоит в понимании ее таким образом, который позволяет осмысленно связывать с ней многие другие вещи. Учить структуре знаний — это значит учить природе вещей [12]. Так при рассмотрении триады современной физики - экспериментальная - теоретическая - вычислительная - это можно проследить следующим образом; в теоретической физике задаются вопросы модели, интерпретацию ответа ищем в природе; в экспериментальной физике задаются вопросы природе, получаемые ответы интерпретируются и анализируются в рамках определенной модели; в вычислительной физике вопрос задается «виртуальной природе», то есть совокупности моделей сложных комплексных явлений различной физической природы. Возникновение и становление вычислительной физики стало возможным благодаря беспрецедентному темпу развития вычислительной техники, которое в свою очередь дало толчок развитию науки. Актуальность дальнейшего изучения раздела «Основы механики жидкостей и газов» с помощью современной техники подчеркивает, например, тот факт, что резервы улучшения качества летательных аппаратов за счет учета сил аэродинамического сопротивления до сих пор не исчерпаны [121], о чем свидетельствует появление пятого поколения МиГов.
Возможностям использования вычислительной техники при обучении физике посвящены ряд работ [53, 61, 69]. В частности, к положительным сторонам использования ЭВМ в процессе обучения физики относится возможность наблюдения за ходом сложных нелинейных явлений и определение влияния различных параметров на их ход. При использовании ЭВМ появляется возможность избежать громоздких математических расчетов и все внимание учащихся обратить на физический анализ явления, что позволяет избежать отторжения интересов учащихся со слабой математической подготовкой.
При изучении гидромеханики с помощью ЭВМ можно продемонстрировать расчет действия жидкости на движущееся в ней твердое тело, объясняя при этом невозможность применения формулы силы Архимеда. Переход безвихревого течения в вихревое при определенных числах Рей-нольдса, зависимость скорости и формы вытекающей струи от вида отверстия становится более наглядными. Применение ЭВМ в данной теме тем более эффективно, что в некоторых случаях существует возможность подтверждения сопоставления в ряде случаев объединения вычислительного и натурного эксперимента, например, при изучении движения жидкости по стеклянным трубам.
Одной из задач данного исследования является рассмотрение начального и одного из важнейших этапов процесса математического моделирования - построения модели физического явления на материале гидро- и аэромеханики, поскольку именно данный раздел в школьном курсе физики предоставляет максимальные возможности уже на начальном этапе обучения продемонстрировать создание и развитие моделей. Их конкретная реализация на ЭВМ является темой отдельного исследования.
Достижение высшей степени физического понимания — способности осуществлять успешные теоретические предсказания характера протекания процессов и явлений является следствием осознания модельности наших представлений об окружающем мире и умения найти границы применимости этих моделей. Уместно вспомнить и теоремы Геделя «о неполноте», из которых следует, что, развивая физическую теорию, мы не можем быть застрахованы от появления парадоксов в силу объективных свойств самого математического аппарата, описывающего модель. В практическом плане, как показало все развитие физики, более вероятно появление парадоксов в результате выхода за границы моделей рассматриваемых физических явлений. Следовательно, физика учит работать также и с парадоксальными ситуациями. Важность определения границ применимости физических моделей демонстрируется, например, на использовании закона Архимеда только к неподвижным жидкостям. Гидростатические парадоксы Паскаля и Д'Аламбера, занимают в истории физики почетное место.
Физика описывает фундаментальные явления природы, формулирует универсальные законы, которым подчиняются все явления, происходящие в природе. Обучение любой науке можно считать успешным только тогда, когда происходит овладение методологией науки, а не просто усваивается определенная сумма знаний. Сейчас наиболее гармоничной и стройной методологией, определяющей стиль научного мышления вообще, обладает именно физика, и ее изучение успешно повлияет на овладение другими науками [30, 45, 60]. В этой связи Л. Д. Ландау отмечал, что метод важнее открытия, ибо правильный метод исследования приведет к новым, еще более ценным открытиям [15].
Гидромеханика при изучении физики должна занимать особое место. Все, что нас окружает, двигается в воде или в воздухе. Воздушные потоки в атмосфере, определяющие погоду, морские течения и песчаные бураны, движение нефти по трубопроводам, обтекаемая форма современных ма- шин, петергофские фонтаны и полет самолетов, движение крови и полет птиц - основы всего этого заключены в законах гидромеханики.
Теория нелинейных явлений, которая возникла лишь на исходе первой половины XX века, заключающаяся в том, что не всегда мы получаем аддитивные отклики на аддитивные действия, реализуются почти во всех сложных процессах. То, что нелинейность не является частным случаем линейности, ее «испорченной» частью стало очевидным достаточно давно, как и то, что нелинейные проблемы различных областей человеческой жизни (а в большинстве случаев линейный подход к их рассмотрению не применим) оказываются похожими и требуют единого подхода и описания, будь то анализ финансового рынка, лечение заболевания или природное явление. Кажущаяся линейность возникает из-за всякого рода упрощений [42, 107]. Примером нелинейности в гидромеханике может служить поведение флага на ветру. Явление обратимости процессов гидромеханики демонстрируется при рассмотрении различных реакций втекающей и вытекающей струи. Нетривиальность данной задачи подчеркивается тем, что даже такие знаменитые физики, как Фейман и Виллер, не могли прийти к единому мнению. Спрашивая мнение различных ученых, они слышали ответ: «Это же очевидно». Но что очевидно - для каждого свой вариант решения. Поэтому для решения данного вопроса им пришлось прибегнуть к эксперименту [155].
Развитию творческих и интеллектуальных способностей при изучении физики посвящено много работ [112, 113, 130, 142, 143]. Традиционное развитие творческих способностей шло при изучении физики тремя основными путями: развитие технического творчества (главным образом, развитие конструкторских способностей); включение творческой деятельности учащихся в любой вид учебной работы; развитие творческих способностей за счет содержания курса физи-
Катализатором развития творческих способностей является использование межпредметных связей и наличие сферы применения своих способностей.
При изучении раздела «Основы механики жидкостей и газов» реализуются все три подхода - от определения необходимых размеров плота, выдерживающего груз определенной массы, до выбора характера представления изученного материала.
Наиболее эффективными являются те методы изучения физики, которые отражают методологию науки. В этом случае одним из наиболее успешных методов является решение физических задач, так как в процессе их рассмотрения учащийся моделирует все этапы научного исследования. Использование циклов, определенным образом подобранных задач, позволяет учащимся двигаться в своем темпе, постепенно усложняя исследования, что создает возможность для более успешного обучения и реализации творческого потенциала личности.
Несмотря на вышеперечисленные факты, свидетельствующие о важной роли раздела «Основы механики жидкостей и газов» в школьном курсе физики, методически эта тема почти не разрабатывалась. В 50-70-е годы этой теме было посвящено несколько научных исследований, в которых частично разработаны методики изложения теоретического материала, проведение эксперимента, использование технических средств обучения. Но в силу постоянного развития как физики, так и методики многое изложенное в них уже устарело, кроме того, методика подбора и решения задач подробно не рассматривалась. В силу интереса к физике в то время авторы стремились максимально расширять фактический материал, не определяя критериев его отбора. При этом не затрагивались вопросы о нелинейности явлений и неньютоновских эффектов в жидкости, что сейчас является особенно актуальным.
В условиях современного образования, когда развитие ребенка - раз- витие его творческих способностей ~ становится целью обучения и при повсеместном сокращении числа часов, отведенных на изучение физики в школе, возникает необходимость создания методической системы изучения раздела «Основы механики жидкостей и газов», которая одновременно отвечала бы современным требованиям как физики, так и дидактики, учитывая индивидуальные и возрастные особенности учащихся. Отсюда следует актуальность данного исследования.
Объектом исследования является процесс обучения физике в современной школе.
Предметом исследования является содержание и методика изучения темы «Основы механики жидкостей и газов».
Цель исследования - создание научно-обоснованной личностно-ориентированной методической системы изучения раздела «Основы механики жидкостей и газов», отвечающей современному состоянию гидромеханики и современным требованиям дидактики.
При формулировке гипотезы исследования исходные положения заключаются в следующем:
