Delist.ru

Обучение учащихся средних общеобразовательных учреждений эмпирическим методам познания физических явлений (30.08.2007)

Автор: Крутова Ирина Александровна

Получить обобщенное знание о существовании устойчивых, повторяющихся связей и отношений между физическими величинами, описывающими свойства взаимодействующих объектов, воздействие и условия взаимодействия От каких величин, описывающих свойства взаимодействующих объектов и условий взаимодействия, зависит величина, описывающая интенсивность явления

4. Установлено, что физическая величина, характеризующей интенсивность явления зависит от других величин, описывающих свойства объектов и условия взаимодействия Получить обобщенное знание о виде зависимости между физическими величинами, описывающими свойства взаимодействующих объектов, воздействие и условия взаимодействия Каков вид этой зависимости?

5. Получена математическая запись закона Получить обобщенное знание о свойстве объектов, которое описывает коэффициент пропорциональности Каков физический смысл коэффициента пропорциональности в математической записи закона?

Для установления теоретической основы исследования проведен сравнительный анализ двух педагогических направлений – проблемного обучения и психолого-педагогической теории деятельности, предусматривающих возможность организации познавательной деятельности учащихся аналогично деятельности ученых. Сравнение возможностей этих направлений для организации обучения эмпирическому методу познания проведено по следующим признакам: 1) цель обучения; 2) применимость концепции к программному материалу по физике; 3) основные понятия; 4) возможность подготовки учителя к реализации концепции.

Приоритетная цель проблемного обучения состоит в активизации учебно-познавательной деятельности обучаемых, цель деятельностной теории – в передаче им способов деятельности в обобщенном виде. В соответствии с разными целями проблемное обучение предполагает создание множества проблемных задач с непохожими способами решения, в то время как деятельностная теория обучения – разработку системы характерных познавательных задач с одинаковыми способами решения. Целями концепции задается и область их применимости: реализация методики проблемного обучения возможна на ограниченном материале; область охвата концепции деятельностного обучения – все знания и умения, регламентируемые программой по физике.

Основными понятиями концепции проблемного обучения являются: «проблемная ситуация», «проблема», «проблемная задача»; ключевые понятия деятельностной теории обучения – «исходная ситуация», «познавательная потребность», «познавательная задача». При кажущейся похожести этих понятий, между ними есть существенное различие. Проблемная ситуация задается учителем извне. Анализируя проблемную ситуацию, учитель сообщает учащимся, на какой вопрос предстоит ответить, формулирует проблему. Проблема с указанием параметров и условий решения перерастает в проблемную задачу. Исходная ситуация возникает в собственной деятельности ученика; из неё вытекает познавательная потребность в формулировке цели познавательной деятельности, которая выражается в виде познавательной задачи. Логическая последовательность осуществления познавательной деятельности (исходная ситуация ? познавательная потребность ? познавательная задача) представлены в таблице 1.

Для организации проблемного обучения учитель реализует одну из его форм: проблемное изложение, эвристический или исследовательский способы. Так как эти формы не имеют конкретного обобщенного содержания, им нельзя обучить учителя физики: лишь некоторые наиболее опытные учителя в силу своих личностных качеств и эрудиции могут успешно использовать отдельные способы проблемного обучения на уроках. Реализация деятельностного подхода в обучении позволяет сформировать у школьников обобщенные способы познавательной деятельности. Поэтому учитель должен сам освоить методы познания физических явлений и научиться организовывать познавательную деятельность, позволяющую каждому ученику овладеть ими. Эти факторы обосновывают выбор деятельностного подхода для построения концепции обучения учащихся эмпирическому методу познания физических явлений.

Во второй главе «Содержание эмпирического метода познания физических явлений» описано содержание процесса научного познания; определено содержание терминов «методы научного познания» и «эмпирические методы познания физических явлений»; на основе идей С.В. Анофриковой раскрыто содержание обобщенных способов деятельности, позволяющих получить понятия о физическом объекте, явлении и величине, установить научный факт о существовании зависимости между физическими величинами, описывающими интенсивность явления, воздействия, условия взаимодействия объектов, открыть эмпирический закон; определена логическая связь между способами получения отдельных видов физических знаний, позволившая установит содержание эмпирического метода познания физических явлений; разработан и реализован механизм выявления обобщенных способов получения отдельных видов физических знаний; сформулированы принципы отбора и структурирования материала по физике для обучения эмпирическому методу познания.

Опишем содержание эмпирического метода познания физических явлений в соответствии с логической последовательностью осуществления познавательной деятельности, представленной в таблице 1.

Деятельность по получению новых физических знаний включает постановку познавательной задачи в результате анализа определенной исходной ситуации и разработку плана её решения. Поэтому необходимо сформулировать характерные познавательные задачи, в результате решения которых учащиеся должны получить определение понятия, научный факт или закон, подобрать типы ситуаций, побуждающих к постановке таких задач и их решению экспериментальным методом, и выявить обобщенные способы их решения.

Побудить школьника к изучению явления может лишь его обнаружение в конкретной ситуации. Поэтому именно в основной школе целесообразно изучать все чувственно воспринимаемые физические явления, которые наблюдаются в быту и природе. Познавательная потребность в исследовании явления выражается в виде познавательной задачи: «Что это за явление?» – если в исходной ситуации оба взаимодействующих объекта выступают в явном виде, или в виде познавательной задачи: «Какова причина наблюдаемого явления?» – если неясно, взаимодействие каких именно объектов приводит к определенному изменению их состояния. Для её решения выдвигается гипотеза о причине явления. Чтобы проверить выдвинутую гипотезу, проводится экспериментальное исследование, которое состоит из следующих операций: разработки идеи эксперимента; проектирование и конструирования экспериментальной установки; планирование действий с экспериментальной установкой; проведение эксперимента. Полученные экспериментальные данные позволяют сформулировать вывод об истинности или ложности гипотезы. Если выдвинутая гипотеза не подтвердилась, то высказывается другая, которая также проверяется в экспериментальном исследовании и т.д. до тех пор, пока не будет однозначно определено, взаимодействие каких именно объектов приводит к исследуемому изменению состояния одного из них. Это суждение, выраженное в устной или письменной форме, и будет являться ответом на познавательную задачу.

После того, как причина явления установлена, то есть, определено взаимодействие каких именно объектов вызывает заданное изменение в состоянии одного из них (назовем его материальным объектом 1 – МО-1), возникает потребность выяснить, а только ли с этим конкретным объектом может происходить изучаемое явление. Это побуждает сформулировать познавательную задачу №1: «С какими еще объектами происходит это явление?». Далее разрабатывается метод её решения, состоящий в том, чтобы менять МО-1 при прочих равных условиях, то есть взаимодействующий с МО-1 объект (назовем его второй материальный объект МО-2) и условия, при которых будут осуществляться эксперименты должны быть такими же, как в конкретной ситуации. После проведения серии экспериментов формулируется обобщенное знание о МО-1.

Далее формулируется познавательная задача №2: «При воздействии, каких еще объектов может происходить данное явление?». Метод решения этой познавательной задачи состоит в том, чтобы менять МО-2 , при этом МО-1 может быть любым из исследованных при решении познавательной задачи № 1, а условия, при которых будет осуществляться взаимодействие объектов должны быть прежними. После проведения экспериментов формулируется обобщенное знание о МО-2. Для полного изучения явления помимо причины его вызывающей, необходимо установить при каких условиях взаимодействие объектов приведет к заданному изменению в состоянии МО-1. Это вызывает потребность в формулировании познавательной задачи №3 типа: «Какие условия являются обязательными для протекания явления?». Метод её решения состоит в том, чтобы осуществлять взаимодействие МО-1 и МО-2 при разных условиях, когда то или иное из окружающих обстоятельств устраняется или изменяется. Эта серия экспериментов позволяет выявить специфические условия для протекания явления и сформулировать обобщенное знание о них. Обобщение результатов решения этих познавательных задач позволяет сформулировать физическое суждение, содержащее обобщенные знания об объектах и специфических условиях для протекания физического явления. Для обозначения явления подбирается термин – слово или словосочетание. В итоге создается понятие о физическом явлении.

При изучении явления, то есть при наблюдении за взаимодействием различных объектов в разных условиях, учащиеся обнаруживают, что интенсивность явления разная. В этой исходной ситуации возникают следующие познавательные задачи: «Как оценить интенсивность свойства (явления) числом?»; «От каких физических величин, описывающих свойства взаимодействующих объектов, воздействие и условия их взаимодействия, зависит физическая величина, описывающая интенсивность явления?». В результате решения первой из них создается понятие о физической величине; в результате решения второй – научный факт.

Суждение, выражающее научный факт о зависимости физической величины, характеризующей интенсивность явления от других величин, описывающих свойства объектов и условия взаимодействия, является исходной ситуацией, в которой возникает познавательная потребность установить «Каков вид этой зависимости?». Решение её, как правило, путем обработки экспериментальных данных через построение графиков зависимости одной величины от другой, приводит к открытию эмпирического закона.

После установления вида зависимости между физическими величинами, возникает необходимость записать закон математически, то есть решить познавательную задачу: «Каков физический смысл коэффициента пропорциональности в математической записи закона?». Решение её приводит к созданию понятия о физической величине, описывающей либо свойство одного из взаимодействующих объектов, либо условия взаимодействия.

Чтобы использовать обобщенные способы деятельности по получению отдельных видов физических знаний при разработке методики обучения учащихся обобщенным способам познания необходимо установить насколько соответствуют они логике познания; действительно ли, выполняя выделенные действия, составляющие эту деятельность, можно познать конкретное явление. Для решения поставленной задачи проведен анализ оригинальных работ, первичных публикаций и стенограмм докладов ученых (В. Гильберта, Г.-Хр. Эрстеда, В.К. Рентгена, А.Г. Столетова) по открытию и экспериментальному изучению явлений различной физической природы. Выбор такого пути обусловлен тем, что, несмотря на некоторые определенные различия учебного и научного познания, они имеют гносеологическую общность.

Методы познания, используемые учеными в научных исследованиях и учениками в процессе изучения физических явлений на уроках, одинаковы. Способы поисков решения и сами решения можно найти лишь в науке и ее методах. Поэтому разработан следующий механизм выявления обобщенных способов получения отдельных видов физических знаний: знания, составляющие основу для обучения эмпирическим методам познания физических явлений, следует объединить по видам, подобрать к ним характерные познавательные задачи и с опорой на историю физики найти обобщенные способы их решения. Реализация этого механизма позволила выделить закономерные этапы познания явлений различной физической природы.

В третьей главе «Методика реализации концепции обучения учащихся эмпирическим методам познания физических явлений» описана модель учебного процесса, которая включает в себя деятельность учителя и учащихся, методическое обеспечение этой деятельности, контроль результатов деятельности; разработана методика реализации модели учебного процесса, в котором эмпирические методы познания физических явлений являются предметом усвоения школьников.

Деятельность учителя и учащихся описана в форме следующих требований к организации обучения эмпирическому методу познания:

1. Обучение обобщенным способам получения отдельных видов физических знаний (понятий о физических явлениях, объектах, величинах, научных фактов, физических законов) следует организовать как решение учащимися характерных познавательных задач. Это требование следует из понимания процесса учения как усвоения системы определенных видов деятельности, выполнение которых проводит ученика к новым знаниям и умениям.

Организуя деятельность учащихся, следует провести их через этапы: 1) мотивационный; 2) формулирование познавательных задач; 3) разработка метода решения познавательных задач; 4) проведение серий экспериментальных исследований; 5) формулирование ответа на познавательные задачи в виде индуктивных умозаключений; 6) определение физического понятия; закона или научного факта.

Такая организация связана с тем, что процесс познания осуществляется в соответствии с поставленной целью (этап 2) и имеет в своем составе ориентировочную (этап 3) и исполнительную части (этапы 4,5,6). Кроме того, только цель, сформулированная человеком по его собственной потребности (сознательная цель) побуждает его к деятельности. Значит, необходим этап 1, в ходе которого учитель создает ситуацию, подталкивающую учащихся к формулированию познавательных задач и их решению с использованием эксперимента.

Организуя деятельности учащихся по решению познавательных задач, приводящих к получению отдельных видов физических знаний, необходимо чтобы каждый ученик попытался самостоятельно разрабатывать способ их решения. Если школьник испытывает затруднение, учитель может подсказать способ решения на основе обобщенного метода, а затем провести учащихся через этап рефлексии решения.

2. Обучение эмпирическим методам получения отдельных видов физических знаний (необходимо организовывать через решение нескольких познавательных задач, проводя учащихся через следующие этапы: 1) накопление материала для выделения обобщенного способа решения данного класса задач (подготовительный); 2) выделение обобщенного метода (методологический); 3) его конкретизация для решения новых познавательных задач данного класса.

3. Формирование у учащихся эмпирических методов познания следует организовать как решение учащимися цепочки познавательных задач по созданию системообразующих элементов: понятие о физическом явлении ? понятие о физическом объекте ? понятие о физической величине, характеризующей интенсивность свойства объекта ? научный факт о зависимости интенсивности явления от параметров взаимодействующих объектов и условий взаимодействия ? устойчивая связь и отношение между физическими величинами, описывающими данное явление (физический закон) ? понятие о физической величине, являющейся коэффициентом пропорциональности в математической записи закона. Такая логика введения системообразующих элементов возможна почти во всех темах школьного курса физики, и чтобы сделать её предметом усвоения, необходимо провести учащихся через следующие этапы: 1) накопление материала для выделения логики получения физических знаний; 2) выделение в обобщенном виде логической цепочки познавательных задач, проводящей к созданию знаний; 3) её конкретизация для составления и решения новых цепочек познавательных задач.

Методическое обеспечение реализации принципов обучения эмпирическим методам познания должно включать следующие дидактические материалы по теме школьного курса физики: логику получения знаний; систему познавательных задач; систему физического эксперимента.

В науке все знания, относящиеся к определенной области действительности, объединяются в системы. В школьном курсе физике такие системы знаний нашли свое отражение, и выстроить их можно при подготовке темы к преподаванию. Для выстраивания логики получения знаний по теме необходимо выполнить следующие действия:

Выделить виды физических знаний, являющихся предметом усвоения.

Установить уровень познания, на котором каждое знание может быть получено учениками, если руководствоваться содержанием учебного материала.

Выбрать уровень познавательной деятельности, на котором будет создаваться система знаний по теме. При этом необходимо опираться на следующий ориентир: если все (или большинство) отдельных элементов знаний получены на эмпирическом уровне познания, то и система знаний должна быть создана на этом уровне. В этом случае теоретический уровень применяется для объяснения эмпирического материала. При выборе уровня познавательной деятельности необходимо учитывать наличие у школьников знаний, объективно необходимых для выполнения познавательной деятельности на данном уроке.

Система познавательных задач представляет собой краткое описание логики получения знаний по теме. Её целесообразно выполнять в виде таблицы, состоящей из четырех граф: исходная ситуация, формулировка познавательной задачи, метод решения познавательной задачи, результаты выполнения каждого действия метода.

При разработке системы демонстрационного эксперимента по теме необходимо сформулировать физические суждения, для создания которых на уроке необходим эксперимент, изобразить принципиальную схему (рисунок) ЭУ, выделить структурные элементы экспериментальной установки, составить методические рекомендации по демонстрации каждого опыта.

Диагностировать достижение целей обучения эмпирическим методам познания можно путем анализа деятельности учащихся по выполнению заданий, отвечающих следующим требованиям. Задание должно включать в себя формулировку познавательной задачи, допускающее решение тем методом, овладение которым контролируется; содержать описание исходной ситуации, побуждающей к постановке познавательной задачи и её решению на эмпирическом уровне познания; быть сформулировано таким образом, чтобы побуждать учащихся привести подробное описание планируемых действий и результата их выполнения. Такие задания могут быть предложены учащимся при выполнении работ физического практикума, фронтальных лабораторных работ, домашних экспериментальных исследований.

Нами установлено, что фронтальные лабораторные работы и работы физического практикума, регламентированные программами по физике, фактически предполагают достижение учащимся одной из целей: 1) воспроизвести конкретное физические явлений; 2) установить зависит ли одна физическая величина от другой физической величины; 3) установить вид зависимости между величинами; 4) найти значение определенной физической величины. Для их выполнения ученику необходимо конкретизировать цель деятельности, т.е. сформулировать характерную познавательную задачу и с опорой на обобщенный способ решения задач данного типа, разработать метод решения и реализовать его. Анализ фронтальных работ показал, что лишь небольшая часть из них могут быть организована как самостоятельные исследования, а значит выполнять контрольную функцию для диагностики результатов обучения эмпирическим методам познания физических явлений. В других работах можно сформулировать познавательные задачи, которые целесообразно решать для получения физического знания, и они могут быть составной частью урока изучения нового материалы; часть работ являются задачами-упражнениями и их выполнение целесообразно организовать на этапе применения новых знаний. Такие работы являются учебными и не могут выполнять контрольную функцию.

В четвертой главе «Методическая система подготовки учителя к реализации концепции обучения школьников эмпирическим методам познания физических явлений» доказана необходимость специального обучения студентов – будущих учителей и переподготовки учителей физики.

Определены цели подготовки студентов и учителей, которые предполагают овладение следующими видами деятельности: во-первых, умений конкретизировать характерные познавательные задачи применительно к определенному физическому знанию, разработать методы их решения на основе обобщенных способов получения физических знания данного вида, выстроить логику получения физических знаний по теме и разработать систему познавательных задач, а также соответствующую ей систему эксперимента по теме школьного курса физики; во-вторых, умение разрабатывать методику обучения школьников эмпирическим методам познания физических явлений.

В диссертации предлагается программа специальной переподготовки учителей и программа дисциплины «Дополнительные главы методики преподавания физики», которая нацелена на получение студентов овладевших выше названными умениями и дополняет знаний и учения, формируемые в курсе «Теория и методика обучения физике».

В соответствии с целями определены содержание подготовки учителей и студентов, формы занятий. Тематический план занятий приведен в таблице 2.

Таблица 2.

загрузка...