Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 ДИДАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБУЧЕНИЯ РЕШЕНИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
1.1. Технология обучения решению учебных физических задач, основанная на понятии информационной модели 8
1.2. Применение информационного моделирования и методов
$ научного познания при решении физических задач 17
1.3. К методике решения нестандартных физических задач 28
ГЛАВА 2 О РЕАЛИЗАЦИИ ПРИНЦИПОВ НАУЧНОСТИ И ПРОЧНОСТИ ЗНАНИЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ НЕКОТОРЫХ РАЗДЕЛОВ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
2.1. Алгоритмизация метода симметрии в электростатике и магнитостатике 37
2.2. Понятие "Система отсчета" в физике и в астрономии 52
2.3.0 принципе особой прочности фундаментальных знаний 65
ГЛАВА 3 РАЗВИТИЕ ПРИНЦИПА ПРОБЛЕМНОСТИ В ОБУЧЕНИИ
3.1. Использование ошибок как пропедевтика проблемного обучения 72
3.2. Противоречие - движущая сила обучения 85
3.3. Принцип развития учебной задачи как метод обучения физике 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
ЛИТЕРАТУРА 104
- Технология обучения решению учебных физических задач, основанная на понятии информационной модели
- Алгоритмизация метода симметрии в электростатике и магнитостатике
- Использование ошибок как пропедевтика проблемного обучения
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в ходе социально-экономических преобразований в России предпринимается попытка провести реформу образования. Возрождение отечественной промышленности невозможно без создания новых наукоемких технологий. Это ставит задачу подготовки высокообразованных специалистов в области естественных и точных наук и прежде всего физики. Следовательно, школа (средняя и высшая) должна обеспечить выпуск необходимого числа таких специалистов. В то же время отмечается потеря познавательных интересов, именно в области физики, многими школьниками и студентами. В связи с этим возникла острая необходимость изменения привычных способов деятельности школьных учителей и в еще большей степени преподавателей высшей школы. В обучении специалистов требуется перенести акцент с обучающей деятельности преподавателя на познавательную деятельность студентов. Сейчас все более актуальной становится задача повышения квалификации преподавателей в области культуры умственного труда, умений научить студентов учиться [ 1 ].
Наиболее развитой и в наибольшей мере отвечающей потребностям перестройки образовательных процессов является теория деятельности, разработанная в отечественной психолого-педагогической науке (Л.С. Выгодский, С.Л. Рубинштейн, А.Н. Леонтьев, П.Я. Гальперин, В.В. Давыдов, Н.Ф. Талызина и др.). В соответствии с деятельностным подходом усвоение содержания исторического опыта людей осуществляется не путем передачи информации о нем человеку, а в процессе его собственной активности, направленной на предметы и явления окружающего мира, которые созданы развитием человеческой культуры. Однако, этот деятельностный подход пока не внедрился в должной степени в практику вузовского обучения физике. Продолжает существовать давно ш$» никшее противоречие между необходимостью создания психолого-дидактических условий развития творческой индивидуальности будущего учителя и значительной инертностью преподавательского корпуса, предрасположенного к традиционным репродуктивным методам обучения. В данном исследовании рассмотрен один из вариантов разрешения этого противоречия, главным образом, в рамках практических занятий по решению физических задач. Предлагаем опыт активного обучения вписать в сложившуюся педагогическую систему.
Соответственно ставим цель исследования: из современной дидактики выделить основные принципы обучения решению физических задач и усовершенствовать технологию их использования применительно к студентам педагогических вузов.
Объект исследования: процесс обучения общей физике студентов педагогических вузов.
Предмет исследования: процесс обучения решению физических задач.
Гипотеза, положенная в основу исследования: для конструирования системы рекомендаций и обобщенного подхода к решению задач по общей физике необходимым (и в какой-то мере достаточным) является выделение ограниченного количества дидактических принципов во взаимосвязи между собой, а также с принципами физической науки. Предположение основано на соответствии учебного предмета физики и принципов дидактики Я.А. Коменского (в современном понимании). Дело в том, что физика (как часть человеческого знания) и дидактическая система Коменского "списаны" у природы и отражают ее объективные закономерности. Также и закономерности познания человеком природных явлений заложены в физике как учебном предмете. Простейшей иллюстрацией здесь является изложение курса механики в соответствии с принципом "от простого к сложному: материальная точка-твердое тело-упруго® тело-вдши» ная жидкость и т.д.
Считаем, что основным рабочим звеном указанного обобщенного алгоритма,
V.
позволяющего обучаемому выйти на исследовательский уровень познания, может служить понятие информационной модели, как образа физической реальности, выраженного в простейших физических моделях. Понятие информационной модели может быть эффективно применено также и при изучении теоретических основ физической науки.
Цель и гипотеза обусловили следующие задачи исследования:
1. На основании минимального количества принципов дидактики сконструировать обобщенный алгоритм решения задач по общей физике в соответствии с современными методами научного познания.
2. Разработать методику решения содержательных задач классической физики, основанную на понятии информационной модели. Задачу считаем содержательной, если в ней представлены реальные объекты, как правило, участвующие в реальных физических процессах.
3. Выделить наиболее оптимальные методы изучения теоретических положений в плане подготовки обучаемого к решению физических задач.
4. Сравнить предлагаемую методику с существующими методиками, показать на примерах возможности ее применения.
Для решения этих задач использовались следующие методы исследования:
- сопоставительный анализ существующих методик обучения решению задач по общей физике;
- наблюдение, собеседование, контрольные и проверочные работы в практике собственного преподавания и других преподавателей школ и вузов;
- интроспективный анализ процесса нахождения решения физической задачи с последующей проверкой результатов этого анализа на практических занятиях со студентами и школьниками.
Научная новизна и теоретическая значимость.
- Предложено использовать в дидактике понятие информационной модели, с помощью которого наиболее полно и точно отражается процесс анализа физической ситуации задачи.
- Предлагается ввести в методику обучения физике принцип развития задачи, позволяющий вывести обучаемого на уровень учебного, а в некоторых случаях, и научного исследования.
Практическая значимость исследования:
1. Сконструирована и опробована система методов, стимулирующих мыслительную деятельность студентов при решении физических задач и изучении физики вообще.
2. На достаточном числе примеров проиллюстрирована технология применения теоретических положений автора, что может служить практическим руководством для начинающих преподавателей.
3. Разработаны практические рекомендации по отдельным вопросам курса физики и астрономии.
На защиту выносятся:
1. Общий подход к решению произвольной задачи по общей физике с центральным звеном; информационная модель.
2. Трансформация некоторых принципов дидактики ЯЛ. Коменского применительно к современным условиям.
3. Введение в методику преподавания общей физики принципа развития задачи.
4. Алгоритмы рассуждений, основанных на соображениях симметрии.
5. Корректировка понятия "Система отсчета" (по ышщтшш учебной лш @р«1$&--ры) в физике и астрономии.
Апробация полученных результатов. Основные результаты докладывагась автором и обсуждались на зональных совещаниях-семинарах по физике педвузов Поволжья и Северного Кавказа (1979,1981,1983гг), на Всесоюзных научно-методических конференциях по проблемному обучению физике (Душанбе 1978г., Донецк 1990, 1991, 1993гг., Нижний Новгород 1997г., Нальчик 1998г.). Результаты исследования в виде методических разработок по курсам общей физики и астрономии внедрены в практику работы физического факультета Адыгейского госуниверситета.
Технология обучения решению учебных физических задач, основанная на понятии информационной модели
Учебными считаем специально сформулированные задачи, которые преподаватель берет из задачников для высшей и средней школы или составляет сам и которые предназначены для решения их учащимися (об учебно-исследовательских задачах будет сказано ниже). Исследованию процессов решения физических задач и обучения решать задачи посвящено большое количество работ, например, [2-5]. В этих, а также во многих других исследованиях, отмечается важность и сложность педагогической проблемы: научить шкодьника или студента решать физические задачи. Также и практика преподавания физики в педагогических вузах показывает, что самостоятельное решение задач представляет для студентов наибольшую трудность и, как правило, требует наибольшей помощи со стороны преподавателя. Таким образом, большинство студентов, приступающих к изучению общей физики, нуждается в четкой программе действий по решению физических задач. И хотя подобная программа имеется во многих пособиях [6-Ю], мы сочли целесообразным разработать программу, применительную к нашему контингенту студентов и обладающую, на наш взгляд, большей выразительностью, большим эмоциональным воздействием на обучаемого, чем обычные "методические указания". Эта программа доводится до студентов в начале семестр» в шде трех: ушяяйфтвбяе&юмое:. достаточных для решения любой учебной физической задачи:
1. Уверенное владение языком, на котором ведется прешдавюте ж соответст-. вующим уровню сложности физических задач математическим аппаратом.
2. Прочное знание и понимание основных физических законов и формул, а также наиболее важных алгоритмов решения типичных задач.
3. Умение построить информационную модель, (образ, упрощенное изображение объектов задачи и процессов, с ними происходящих), соответствующую условию решаемой задачи.
Выполнение первого условия достигается всем предшествующим и сопутствующим обучением студента: роль преподавателя физики здесь заключается в "редактировании" высказываний студентов, напоминании различных способов решения систем уравнений и т.д. Основным же содержанием деятельности студента в системе практических занятий является работа по выполнению второго и третьего условий. Кратко эти условия формулируем в виде девиза: "ЗНАТЬ -ПОНИМАТЬ - УМЕТЬ".
Первая часть девиза - ЗНАТЬ - заключается в прочном знании (наизусть!) основных формул и законов курса общей физики. Мы считаем, что нетвердое знание основ теории, даже при умении найти "нужную" формулу в учебнике или в справочнике, не может обеспечить успех в решении задач. К тому же студентам, как будущим учителям, вообще требуется особая прочность знаний по общей физике.
Вторая часть - ПОНИМАТЬ - предполагает понимание применяемых формул, выражающееся не только в знании определений и физического смысла всех величин, входящих в формулу, но и в умении представить образ, модель, соответствующую данной формуле, т. е., в умении раскрыть формулу.
В третьей части девиза - УМЕТЬ - подразумевается, превде ег#, уатт. построить по условию задачи соответствующую информационную модель, что в совокупности с выполнением первого и второго условий (см. выше) является достаточным для решения любой учебной задачи. Понятие "информационная модель" в кибернетике и психологии трактуется как некоторая внутренняя реальность (внутренняя модель внешнего мира), формируемая в мозгу или в автомате [11]. Мы предлагаем использовать это понятие при решении задач, несколько видоизменив его определение: "Информационная модель есть образ, упрощенное изображение объектов задачи и процессов, происходящих с этими объектами". Это упрощенное изображение формируется в мозгу и, как правило, может быть реализовано в виде чертежа или рисунка по условию задачи. Модель называется информационной потому, что строится на основе информации, содержащейся в условии задачи. Понять условие задачи означает: на основе текста задачи (вербальная модель) уметь построить соответствующую информационную модель. Поэтому начинать решение задачи следует с построения информационной модели. Элементами информационной модели являются простейшие физические идеализированные модели: материальная точка, твердое тело, идеальный газ и т.д. Как правило, вначале изображается чертеж или рисунок по условию задачи. Он является базисом, основой информационной модели. В дальнейшем, осмысливая элементы основы отдельно и во взаимосвязях между ними, выясняем закономерности и количественные связи в строящейся модели. При твердом знании теории (второе необходимое условие) это естественным образом приводит к соответствующей системе уравнений, т.е., информационная модель сводится к математической и остальное является "делом техники".
Алгоритмизация метода симметрии в электростатике и магнитостатике
При решении задач на нахождение напряженности электростатического поля весьма часто применяется теорема Гаусса - Остроградского о потоке напряженности через замкнутую поверхность [31]. Следует отметить, что изучение теоремы Гаусса - Остроградского традиционно занимает видное место в системе подготовки студентов физико-математических факультетов по разделу "Электростатика . В настоящее время значение изучения этой теоремы особенно возросло. Это связано с применением в средней школе учебников для углубленного изучения физики, например [32], в которых приведено доказательство теоремы и показано ее использование при решении задач. Это позволяет утверждать, что теорему Гаусса - Остроградского современному учителю физики средней школы следует иметь "на вооружении" не только в научно-теоретическом, но и в учебно-методическом "арсенале".
Здесь рассмотрим некоторые частные проблемы обучения методу теоремы Гаусса - Остроградского студентов педагогического вуза при решении задач на нахождение напряженности электростатического поля. В предварительном эксперименте нами было установлено, что весьма значительная часть студентов испытывает серьезные затруднения в выборе замкнутых поверхностей и, как следствие, в записи формул потоков напряженности через эти поверхности.
Аналогичные затруднения возникают у етудевдш трт предавший направления магнитного поля (векторов В и Н) систем, состоящих из элементов тока {Idi, jdV, JdS). Часто эти затруднения не позволяют студенту уверенно применить закон полного тока при решении соответствующих задач. Одной из причин всех таких затруднений, на наш взгляд, является недостаточно четкое и полное описание в существующей учебной и методической литературе некоторых логических операций, применяемых в указанных случаях. Так, направление векторов Е, В (и Я) для всех изучаемых в курсе электричества расположений зарядов и токов предполагается находить "из условий симметрии", но подробно эти условия не рассматриваются [17-19, 32]. На недостаточность одних соображений симметрии для определения направления магнитного поля соленоида указывает Д. В. Сивухин [33, с.236]. Приведенное им объяснение является частным случаем применения одной из предложенных нами теорем. Из известных нам источников лишь в учебном пособии Г. Я. Глебашева [34] делается попытка расшифровать общие соображения симметрии во всех случаях, когда они применяются для определения направления магнитного и электрического полей. Предлагаемые нами теоремы дают более четкое и развернутое обоснование метода нахождения направления электрического и магнитного полей. (Логическое обоснование метода нахождения направления электростатического поля изложено в [35], магнитного - в [36,37]).
Теорема 1. Если однородно заряженная фигура обладает центром симметрии, то в этом центре напряженность электростатического поля данной фигуры равна нулю.
Примечания. 1. Заряженную фигуру, состоящую из линейных, поверхностных или объемных элементов, считаем однородно заряженной, если плотность заряда (линейная, поверхностная или объемная) этой фигуры всюду одинакова.
Понятия ійшр симметрии (центральная симметрия), врвденне, фигура вращения заимствуем из соответствующих разделов курса геометрии средней школы. Теорема 2. Если однородно заряженная фигура обладает поворотной симметрией (т.е., Hj» повороте на некоторый угол, отличный от 360, вокруг какой-либо оси переходит сама в себя), то напряженность поля данной фигуры в любой точке этой оси направлена вдоль оси.
Доказательство. Допустим противное, т.е., пусть напряженность поля в точке М (рис. $) составляет с осью угол, отличный от нуля. Повернем фигуру на угол ф так, чтобы точка А совместилась с точкой С, точка В - с точкой Д и т.д. Тогда и электрическое поле повернется с фигурой на угол ф, т. е. напряженность Ех
займет положение Е2. Но при данном повороте все элементы фигуры заняли место других таких же точно элементов данной фигуры, так как фигура однородно заряжена и равные элементы ее неразличимы. Отсюда следует, что напряженность поля фигуры должна остаться равной Ег. Но напряженность поля одной и той же фигуры не может быть одновременно равной Ё1 я Е2. Таким образом, допущение о том, что напряженность не направлена вдоль оси, приводит к противоречию. Значит, напряженность направлена вдоль оси, что и требовалось доказать.
Использование ошибок как пропедевтика проблемного обучения
Одним из средств подготовки студентов к проблемному обучению является сознательное введение преподавателем ошибок в традиционное объяснительно-иллюстративное изложение. Например, в [1] рассмотрен следующий прием. В содержание лекции закладывается определенное количество ошибок содержательного, методического и поведенческого характера. Студентам ставится задача по ходу лекции отмечать в конспекте замеченные ошибки и назвать из в конце лекции. Затем следует обсуждение ошибок. Мы предлагаем использовать этот метод в другой редакции [55]. Ограничиваемся только содержательными ошибками. О наличии введенной ошибки студентам не сообщается. Если студенты ее не замечают, то преподаватель заканчивает мысль и обращается к аудитории с вопросом: "Все ли здесь ясно?";. Как правило, следует утвердительный ответ. Тогда предлагается найти ошибку в "понятном" фрагменте лекции. Практика показывает, что таким образом заметно активизируется внимание студентов, и в дальнейшем "этот номер не проходит": студенты молниеносно реагируют на ошибку. Считаем такую методику более радикальным средством привития студентам иммунитета к ложным высказываниям, так как ошибку будущий учитель должен замечать всегда, а не только тогда, когда его заранее предупреждают. Таким образом побуждаем слушателей к активному восприятию материала даже в условиях репродуктивных методов обучения.
В дальнейшем такие "спрятанные" задания постепенно усложняются. Заранее планируется Ъшибка, представляющая собой софизм или парадокс. Сфера применения подготовленных софизмов охватывает любые формы занятий, включая и контрольные. Материал для первоначального применения этого метода имеется, например, в [156-58]. Заготовками для софизмов могут служить и ошибки студентов (чаще в письменных ответах). Вот пример одной такой обработанной ошибки. При повторении элементарной кинематики предлагаем студентам прокомментировать решение задачи. Пример 20. Материальная точка движется по окружности радиуса R со скоростью и. Написать уравнение траектории в осях х, у, если в начальный момент времени материальная точка занимала положение А (рис. 27).
Таким образом, траекторией (по мнению воображаемого ученика) является парабола. Явно неверный результат подготовил проблемную ситуацию.
Обычно первокурсники ищут ошибки в математических выкладках и, если "находят" их, то с помощью преподавателя убеждаются, что ошибаются сами. При рассмотрении решения воображаемого ученика достигается одна из дидактических целей использования данного софизма: повторение координатного метода из школьного курса физики. Студенты обязательно должны убедиться, что математические преобразования выполнены верно. Проблемная ситуация теперь полностью создана - "все сделано правильно, а результат неправильный". Практически все вовлекаются в поиск. Ошибка (в неправомерности применения формулы координаты для движения с постоянным ускорением) находится иногда не сразу, но время потрачено не впустую. Разрешение проблемной ситуации является своеобразной эмоциональной встряской и хорошим уроком на будущее: каждая формула (а также правило или закон) имеет свою область применения. После разрешения проблемы естественным образом возникает другая; как исправить ошибку? При нахождении верного решения выходим на понятие геометрических связей и его применение при решении кинематических задач. Или вообще выходим за рамки кинематики: как найти уравнение траектории, если известен закон силы, действующей на материальную точку. В любом случае у студентов развиваются способности видеть проблемы и, разрешая их, двигаться вперед в процессе познания.
Имеются довольно резкие возражения к применению метода введенных ошибок. Говорится, например, о возникновении недоверия у студентов (если их не предупредить заранее о готовящейся "провокации") ко всем утверждениям преподавателя. На практике, однако, нами это не замечалось, но можно и пожертвовать частью своего авторитета, чтобы привить будущим учителям хоть некоторый иммунитет к ложным суждениям. В плане профессиональной подготовки студентов это совершенно необходимо - учитель должен оперативно и точно исправлять ошибки учеников, воспитывая у них такой же иммунитет.
