CC BY
19
УДК 378.14.015.62
Tarhanova A.M., senior teacher, Department of Physics, Methods of Control and Diagnostics, Tyumen Industrial University (Tyumen, Russia),
E-mail: tarhanovaam@tyuiu.ru
Kazakov R.H., Doctor of Sciences (Pedagogy), Professor, Department of Physics, Methods of Control and Diagnostics, Tyumen Industrial University
(Tyumen, Russia), E-mail: kazakovrh@yandex.ru
LECTURE COURSE AND PRACTICAL COURSE ON PROBLEM SOLVING AS SOURCES AND FACTORS OF ORGANIZATION AND SELF-ORGANIZATION OF INDEPENDENT EDUCATIONAL AND COGNITIVE ACTIVITY IN THE COURSE OF GENERAL PHYSICS AT A TECHNICAL UNIVERSITY. The article considers a methodological issue of organizing of student's independent cognitive activity studying the contents of physical theories in the course of general physics at a technical university. The organization and assessment of the success of independent work are based on the methodological purposes of B. Bloom's cognitive field of taxonomy. Description of the state and cause-effect relations of the evolution of the physical system state is the ultimate goal of any physical theory. In this context, based on the organization of the content of independent work, the conceptual concept of the physical system state, the formation of knowledge of the epistemological structure and logical connections of the structural elements of the theory are adopted. The research also gives examples of the use of such approach in a lecture course and practical work on problem solving as system-forming sources and factors of organizing independent student work.
Key words: organization of independent work in course of general physics, B. Bloom's taxonomy, concept of physical system state, epistemological structure of physical theories.
А.М. Тарханова, ст. преп. каф. физики, методов контроля и диагностики, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень,
E-mail: tarhanovaam@tyuiu.ru
Р.Х. Казаков, д-р пед. наук, проф. каф. физики, методов контроля и диагностики, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень,
E-mail: kazakovrh@yandex.ru
ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС И ПРАКТИКУМ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ КАК ИСТОЧНИКИ И ФАКТОРЫ ОРГАНИЗАЦИИ И САМООРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ УЧЕБНО-ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В КУРСЕ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО ВУЗА
В статье рассматривается методическая проблема организации самостоятельной познавательной деятельности студента при изучении содержания физических теорий в курсе общей физики технического вуза. В основе организации и оценки успешности самостоятельной работы приняты методические цели когнитивной области таксономии Б. Блума. Описание состояния и причинно-следственных связей эволюции состояния физической системы и является конечной целью любой физической теории. В этой связи в основе организации содержания самостоятельной работы принято концептуальное понятие состояния физической системы, формирование знаний гносеологической структуры и логических связей структурных элементов теории. Приведены примеры реализации такого подхода в лекционном курсе и практикуме по решению задач как системообразующие источники и факторы организации самостоятельной работы студента.
Ключевые слова: организация самостоятельной работы в курсе общей физики, таксономия Б. Блума, понятие состояния физической системы, гносеологическая структура физических теорий.
Под источниками организации и самоорганизации самостоятельной познавательной деятельности студента здесь понимаются объекты, содержание которых становятся содержанием познавательной деятельности (в статье - это изучаемые в курсе общей физики физические теории), под факторами - объекты и обстоятельства, влияющие на содержание самостоятельной познавательной деятельности студента.
Примем в качестве методической основы организации самостоятельной работы студента методические цели когнитивной области таксономии Б. Блума. Эти цели можно рассматривать как своего рода скелет структурирования содержания самостоятельной работы и как методический инструмент оценки успешности учебно-познавательной деятельности студента по курсу общей физики вуза. Напомним категории когнитивного процесса, выделенные Б. Блумом в их последовательной реализации: запоминание информации; понимание информации; применение знаний; анализ содержания знаний; самооценка (самоэкспертиза) знаний; обобщение знаний [напр. 1]. Предлагаем в качестве конкретных исходных источников организации самостоятельной работы студента по курсу общей физики вуза выбрать: концептуальное понятие состояния описываемого в теории фрагмента природы; системные свойства и гносеологическую структуру физических теорий как концептуальных системных объектов. Мотивационным фактором, обусловливающим и стимулирующим эффективную самостоятельную познавательную деятельность студента, является профессиональная направленность физико-математического образования инженерного вуза.
1. Физическая теория является концептуальной системой (системой научного знания), следовательно и должна изучаться как системный объект со всеми присущими ей системными свойствами и структурой. Ранее нами рассмотрены гносеологическая структура изучаемых в курсе общей физики фундаментальных физических теорий, компонентами которых являются эмпирическое основание, теоретическое ядро и дедуктивные следствия ядра, а также логические связи (взаимодействие) компонентов структуры [2, с. 61 - 65]. Важнейшей функцией, определяющей прагматическую и познавательную ценность физических теорий, является предсказательная функция, выражаемая через концептуальное понятие состояния и изменения состояния описываемого и изучаемого фрагмента физического мира (конкретной физической системы). Именно описание состояния и внутренних, экспериментально не наблюдаемых причинно-следственных связей в физической системе, определяющих эволюцию состояния этой системы и выражаемых дифференциальными уравнениями, и является конечной целью
физической теории. Собственно, данное обстоятельство и формирует устойчивый глобальный мотивационный фактор содержательной самостоятельной познавательной деятельности студента по изучению курса общей физики технического вуза, ибо инженерные изыскания во многом аналогичны деятельности познания физического мира [3, с. 47 - 50].
Итак, проблематика и содержание физических теорий выражается через концептуальное понятие состояния изучаемого фрагмента природы - теория описывает состояние и изменение состояния физической системы. Следовательно, в целях организации самостоятельной работы студента в лекционном курсе внимание студена акцентируется на концептуальном понятии состояния изучаемой физической системы, гносеологической структуре физических теорий и прагматической ценности предсказательной функции физической теории как мотивационного фактора.
Во-первых, в контексте понятия состояния формируется знание о классификации физических величин, к которым относятся: а) параметры физической системы - величины, характеризующие собственные свойства объектов физической системы. Примерами параметров являются инертная масса т, электрический заряд д, разного рода феноменологические коэффициенты - коэффициент трения т, коэффициент теплопроводности с и т. п.; б) динамические переменные состояние физической системы, которые могут изменяться в процессе эволюции физической системы, например, координаты (х, у, г) объектов, скорость объектов V, энергия системы Ж, электрическая напряженность Е и магнитная индукция В электромагнитного поля и т. п. Различные динамические переменные связаны соотношениями связи, отражающими связи в физической системе. Например, кинетическая энергия определяется скоростью тела Ж = 1/2ту2, связь электрического и магнитного полей движущегося заряда определяется соотношением В = с"2 [V, Е] и т. п. Состояние физической системы известно, если известны все динамические переменные системы (параметры в теории считаются заданными). Однако, вследствие существования связей между динамическими переменными, состояние системы задается минимальным набором динамических переменных, которые обычно называют переменными состояния. Например: состояние механической системы в данный момент времени задано, если известны координаты (х., у г.) и скорости V. (импульсы р. = т. у.) объектов механической системы; состояние электромагнитной системы задано, если известны напряженность Е и индукция В электромагнитного поля. Заметим, что некоторые уравнения связи динамических переменных возводят в ранг уравнений состояния. Примером яв-
ляется уравнение состояния идеального газа - уравнение Менделеева-Клапейрона, в котором определяется связь температуры Т и давления Р газа, которые являются переменными состояния термодинамической системы (объем газа V в этом уравнении играет роль границы термодинамической системы). В статических теориях (равновесной термодинамике, равновесной статистической физике) описываются равновесные (не эволюционирующие) состояния физической системы.
Во-вторых, в динамических теориях (классической механике, электродинамике, квантовой механике) раскрываются причинно-следственные связи, определяющие эволюцию состояния физической системы. Здесь изменение состояния, выражаемое через изменение переменных состояния во времени от начального состояния до конечного, формализуется соответствующими динамическими дифференциальными уравнениями эволюции физической системы (вторым законом Ньютона, уравнениями Максвелла, уравнением Шредингера, законами сохранения).
В-третьих, важнейшим источником (а также и фактором) организации самостоятельной работы студента является знание гносеологической структуры физических теорий. Знание структуры теории: а) формирует целостное восприятие содержания изучаемой физической теории как системного объекта, а не как набора разрозненных понятий, законов и утверждений; б) позволяет осознанно различать генезис эмпирических, фундаментальных теоретических законов и дедуктивных следствий фундаментальных законов, ориентироваться в соответствующих методах познания; в) позволяет определять место и логические связи физических понятий и законов в структуре теории и, тем самым, выявлять логические и содержательные связи этих понятий и законов.
Таким образом, знания гносеологической структуры физических теорий и содержания концептуального понятия состояния физической системы можно рассматривать как синтез элементов познавательной деятельности как вначале этой деятельности (в качестве «путеводителя» в познавательном процессе), так и на ее завершающем этапе (собственно как синтез познавательной деятельности).
Методическую проблему формирования знаний о понятии состояния и гносеологической структуры физических теорий (с целью содержательной организации самостоятельной работы студента) следует начинать решать уже на начальной стадии изучения курса общей физики, т.е. при изучении классической механики, которая рассматривается на первом курсе обучения. Дело в том, что, во-первых, классическая механика - предельно наглядная физическая теория. Во-вторых, в лекционном курсе классической механики последовательно обсуждаются эмпирические законы, фундаментальные законы механики и ряд дедуктивных следствий фундаментальных законов (элементы теории колебаний и волн, механика твердого тела, элементы гидродинамики и т. п. В-третьих, относительно просто выявляются логические связи понятий и законов механики. В дополнение заметим: при изучении классической механики предельно наглядно иллюстрируется вся гносеологическая цепочка познания от чувственно-конкретного (данные эксперимента) к эмпирически абстрактному (эмпирические закономерности), от них к теоретически-абстрактному (фундаментальные законы механики), далее - к теоретически-конкретному (дедуктивные следствия) и к практике. Таким образом, при изучении классической механики формируется содержательный алгоритм самостоятельной познавательной деятельности учащихся. Этот алгоритм следует использовать при изучении и других физических теорий, рассматриваемых в курсе общей физики.
Впрочем, следует обратить внимание студентов-первокурсников на один важный методический фактор. Механические явления коварны именно своей предельной наглядностью. При изучении классической механики у студента могут возникнуть (часто и возникает!) ложное представление о самоочевидности законов механики. На самом деле эти законы обладают сложной смысловой структурой и генезисом. В частности, например: 1) утверждения теории содержат в себе, часто в неявном виде, более элементарные утверждения. Раскрытие содержания законов и означает выявление этих элементарных утверждений, тем самым определяет связь и иерархия понятий; 2) следует акцентировать внимание на генетическом различии эмпирических законов как научных экспериментальных фактов и теоретических законов как теоретических гипотез, описывающих эмпирически не наблюдаемые внутренние причинно-следственные связи в физической системе.
Рассмотрим более частные смысловые аспекты лекционного курса, организующие самостоятельную познавательную деятельность студента. Важным обстоятельством является акцентирование внимания на содержании понятий, которыми оперирует физическая теория. Опыт работы показывает, что в этом отношении весьма методически эффективным является анализ понятий, сформулированных не полно или не точно, или же усечённо. Например, в определении равномерного прямолинейного движения как движения, при котором материальная точка совершает одинаковые перемещения за равные промежутки времени, пропущено слово «любые» - ...за любые равные промежутки времени. Часто в физике используются выражения, которое вроде бы понятны и не вызывают сомнений. Примером является выражение: на тело Л действует сила Р. На самом деле это устоявшееся выражение является усеченным, которое в буквальном прочтении просто бессодержательно, ибо на тело не может действовать физическая величина, называемая силой Р. На данное тело действует другое тело как
источник взаимодействия, а не физическая величина. Полное выражение гласит: на тело А действует другое тело В с силой Р. Весьма важно обращать внимание студента на модельный характер физических теорий, ибо все эти теории оперируют модельными объектами - материальной точкой, абсолютно твердым телом, идеальным газом, черным телом, монохроматическим излучением и т. п. Умение оценивать модельные объекты и уравнений движения при анализе соответствующих эмпирических фактов является существенным условием понимания содержания физической теории.
Следует акцентировать внимание студента на необходимости при самостоятельном (домашнем) изучении содержания законов физики тщательно анализировать генезис и связь понятий, присутствующих в формулировках физических законов, выявлять содержательные аналогии в различных законах физики. Приведем примеры: 1) утверждение первого закона Ньютона о существовании инерциальных систем отсчета (ИСО) оперирует понятиями об изолированных и инерциальных системах отсчета, причём анализ экспериментальных оснований закона сопровождается мысленной аппроксимацией реальных систем отсчета на идеально изолированные системы. В этой связи законы Ньютона (как и другие фундаментальные законы физических теорий) являются теоретическими гипотезами, проверка которых осуществляется всей совокупностью практической деятельности (практикой) человека. В частности, в практике выявляются границы применимости утверждений теории; 2) первое начало термодинамики оперирует одним из функций состояния термодинамической системы (здесь - внутренняя энергия и) и способами изменения этой функции состояния (здесь - работа А и теплота Q) и выражается уравнением 82 = dU + ЗА. Студенту необходимо уяснить различие в содержании операторов 8 (порция) и d (дифференциал, т.е. приращение). Теплота и работа - функции процессов в термодинамической системе и не являются полными дифференциалами; внутренняя энергия - функция (характеристика) состояния и является полным дифференциалом; 3) весьма полезны в познавательной практике акцентирование внимания студента на аналогиях в различных законах. Например, законы Кулона и Био-Савара-Лапласа являются законами обратного квадрата. Различия этих законов отражается, например, в теоремах Гаусса для электростатического и магнитного полей.
По завершении чтения относительно самостоятельных разделов курса полезно (в целях организации домашней работы) выписать ключевые понятия и набор элементарных вопросов по теме. Приведем примеры вопросов из разных тем курса общей физики: «В чем различие в понятиях путь и перемещение?»; «В чем выражается аналогия в формулах для фазовой скорости звука в газах, твердом теле и скорости распространения колебаний в струне?»; «Как на экране будет изменяться дифракционная картина при разных постоянных дифракционной решетки и почему?», «К какой категории физических законов - эмпирических или теоретических - относится закон смещения Вина и почему?» и т. п.
Запоминание, понимание, применение и анализ содержания физических понятий и законов как категорий когнитивного процесса таксономии Б. Блума функционируют в учебно-познавательном процессе в диалектическом единстве и взаимосвязи - без понимания, анализа и применения нет знаний. С позиции методической цели развития теоретического мышления здесь приоритетным являются понимание, применение и анализ содержания теории, что и формируют содержательные знания теории. Разумеется, информационно-рецептурный аспект лекционного курса не должен, да и не может быть исключен в содержании лекции по курсу общей физики. Однако понятийный аппарат курса, логические связи утверждений теории, особенности методов познания эмпирических и теоретических законов требует тщательного анализа как в лекционном курсе, так и в самостоятельной учебно-познавательной деятельности студента, на что и следует ориентировать учащихся. Анализ и оценку учебных заданий по самостоятельной работе над лекционным курсом удобнее выносить на семинарские занятия после прочтения тех или иных разделов курса. Отметим, если в учебном плане курса отсутствуют семинарские занятия, то на семинары в семестре можно выделить один-два занятия из часов на практикум по решению задач. В завершение семинара необходимо провести анализ ошибок, доброжелательную критику убедительности аргументации при раскрытии содержания темы семинара, обратить внимание на проблемы грамотности (если таковые есть) речи студента. Приведем примеры тем семинарских занятий из разных разделов курса общей физики: «Законы Ньютона и законы сохранения как основа теории механических колебаний и волн», «Производство и поток энтропии в термодинамической системе», «Волновая оптика в контроле и диагностике качества изделий», «Принцип неопределенности Гейзенберга как средство оценки результата квантовых процессов» и т. п. В целях эффективности содержания задание к семинару необходимо снабжать ориентирующими вопросами и оценочными задачами. Поиск литературного материала к семинару полезно предложить студентам произвести самостоятельно. Методически важным компонентом семинара является оценка и ценность приобретенных знаний: 1) о месте рассматриваемого темы семинара в структуре физической теории (теорий); 2) содержании физики рассмотренной темы; 3) экспериментальных оснований теории вопроса семинара и особенностей экспериментальной установки (установок); 4) используемых эмпирических и теоретических модельных объектов и др. В частности, например, в вопросе о месте приведенных выше тем семинара в гносеологической структуре физической теории (теорий) имеем: теория механических колебаний и волн являются дедуктивными следствиями фундаментальных законов классической механики; вол-
новая оптика - дедуктивные следствия электродинамики; принцип неопределенности Гейзенберга - следствие корпускулярно-волновых свойств микрочастиц и вероятностного характера измеряемых сопряженных динамических переменных. Впрочем следует подчеркнуть, что вряд ли в курсе общей физики методически целесообразно чрезмерное теоретизирование, ибо информационно-рецептурный аспект лекционного курса и семинарских занятиях имеет самостоятельную профессиональную направленность и ценность для будущего инженера.
2. Практикум по решению задач и лекционный курс содержательно взаимосвязаны. В определенном смысле лекция также представляет собой решение задачи - задачи по выявлению сущностного содержания описываемого явления. Чтобы научиться решать задачи - надо их решать, и это правильно, ибо опыт познания формируется только в деятельности. Проблема профессиональной направленности задач как дедуктивных следствий физических теорий нами рассмотрены в [3, с. 47 - 50]. Общая физика читается на младших курсах технического вуза и, в этой связи, в целях организации самостоятельной работы целесообразно довести до учащихся общий алгоритм решения задач. Этот алгоритм детерминирован тем обстоятельством, что результат решения задачи является примером дедуктивного следствия фундаментальных законов физических теорий. Решение задачи содержит следующую последовательность этапов своей реализации: 1) анализ причинно-следственных связей в рассматриваемой физической системе; 2) составление соответствующей замкнутой системы фундаментальных уравнений физической теории (теорий), описывающих состояние и изменение состояния физической системы с учетом конкретных особенностей физической системы и внешних условий (в оценочных задачах предварительно выбираются разумные оценочные данные рассматриваемой физической системы); 3) математический этап (собственно формальная дедукция) - решение системы уравнений; 4) анализ и обобщение полученных результатов решения. Простой пример: динамика движения тела по наклонной плоскости в инерциаль-ной системе отсчета описывается 2-ым и 3-им законами Ньютона, законом независимости взаимодействий и законом силы трения скольжения. Решение этих уравнений определяет ускорение тела на наклонной плоскости. В решении задачи непосредственно отражается часть гносеологической цепочки познания от теоретически-абстрактного (здесь фундаментальные законы динамики) к теоретически-конкретному (результат решения). Заметим, в лабораторном практикуме используются практически все методы познания и отражается (и иллюстрируется!) вся гносеологическая цепочка от чувственно-конкретного к эмпирически-абстрактному, от них к теоретически-абстрактному, далее - к теоретически-конкретному и к практике.
Попутно отметим, что одним из эффективных способов организации самостоятельной работы по решению задач (следовательно, и лекционного курса) является доведение до учащихся в начале семестра дополнительного набора из 40-50 задач, которые должны быть решены к концу семестра. Успешная работа над этими задачами являются элементом получения студентом зачета по практикуму; аналогичные задачи можно внести и в курсовой экзаменационный билет.
Выводы.
1. Методическая эффективность организации и самоорганизации самостоятельной познавательной деятельности студента предполагает учет методических условий (требований), определяемых содержанием и профессиональной направленностью физико-математического образования будущего инженера. К важнейшим условиям относится уровень сформированности в сознании обучаемого глобального мотивационного фактора необходимости содержательной физико-математической подготовки в его будущей профессиональной деятельности.
2. Лекционный курс общей физики и практикум по решению задач этого курса следует рассматривать как системообразующие факторы организации самостоятельной познавательной деятельности учащихся по усвоению сущностного содержания изучаемых физических теорий. В целях организации самостоятельной работы по усвоению содержания физических теорий в лекционном курсе необходимо анализировать и иллюстрировать гипотетико-дедуктивную гносеологическую структуру теорий, анализировать логические связи и иерархию физических понятий в структуре физической теории, обращать внимание на аналогии в содержании законов, описывающих различные фрагменты физического мира (известным ярким примером является описание механических и электромагнитных колебаний). Заметим, методически весьма ценно, что гносеологическая структура всех физических теорий физических систем одинакова, а процесс и результат решения задачи является иллюстрацией вывода конкретного дедуктивного следствия фундаментальных законов теории (теорий).
3. Знание гносеологической структуры теории и знание содержания концептуального понятия состояния физической системы позволяет целостно и в логической последовательности воспринимать изучаемую физическую теорию, а не как набор разрозненных научных фактов и теоретических утверждений. В свою очередь, данное обстоятельство позволяет студенту планировать и эффективно осуществлять учебно-познавательную деятельность по раскрытию содержательной сущности изучаемых теорий при работе с учебной литературой и решением физических задач
Библиографический список
1. Available at: https://4brain.ru /blog
2. Казаков РХ. Концепция состояния физической системы как фактор формирования системного курса общей физики. Мир науки, культуры и образования. 2015; 2 (51).
3. Казаков РХ., Муратов К.Р Профессиональная направленность физических задач как дедуктивных следствий фундаментальных физических теорий. Мир науки, культуры и образования. 2017; 6 (67).
References
1. Available at: https://4brain.ru /blog
2. Kazakov R.H. Koncepciya sostoyaniya fizicheskoj sistemy kak faktor formirovaniya sistemnogo kursa obschej fiziki. Mir nauki, kul'tury i obrazovaniya. 2015; 2 (51).
3. Kazakov R.H., Muratov K.R. Professional'naya napravlennost' fizicheskih zadach kak deduktivnyh sledstvij fundamental'nyh fizicheskih teorij. Mir nauki, kul'tury i obrazovaniya. 2017; 6 (67).
Статья поступила в редакцию 24.01.19
УДК 371
Tetina S.V., senior lecturer, Chelyabinsk Institute of Retraining and Improvement of Professional Skill of Educators (Chelyabinsk, Russia),
E-mail: svtetina@mail.ru
THE POSSIBILITY OF SUBJECT OLYMPIAD OF SCHOOLCHILDREN IN THE DEVELOPMENT OF DIVERGENT THINKING. The relevance of the article is due to the insufficient knowledge of the problem of the development of divergent thinking of students by means of the subject Olympiad. The aim of the article is to reveal the possibilities of the subject Olympiad of schoolchildren in the development of divergent thinking. The various directions in the understanding and interpretation of the concept of "subject Olympiad" by domestic scientists are considered. The functions of the subject Olympiad of schoolchildren are identified and classified. The author clarifies the definition of the concept of "subject Olympiad". The article reveals the basics of the "possibilities of the subject Olympiad of schoolchildren", which consists in solving "incorrect" tasks that promote the development of divergent thinking. Criteria for tracking the development of divergent thinking are proposed. A brief analysis of empirical experience is presented.
Key words: subject Olympiad of schoolchildren, functions of Olympiad, development of divergent thinking, criteria for development of divergent thinking.
С.В. Тетина, ст. преп. каф. языкового и литературного образования, ГБУДПО «Челябинский институт переподготовки и повышения
квалификации работников образования», г. Челябинск, Е-mail: svtetina@mail.ru
ВОЗМОЖНОСТИ ПРЕДМЕТНОЙ ОЛИМПИАДЫ ШКОЛЬНИКОВ В РАЗВИТИИ ДИВЕРГЕНТНОГО МЫШЛЕНИЯ
Актуальность статьи обусловлена недостаточной изученностью проблемы развития дивергентного мышления учащихся средствами предметной олимпиады. Целью статьи является раскрытие возможностей предметной олимпиады школьников в развитии дивергентного мышления. Рассмотрены различные направления в понимании и интерпретации понятия «предметная олимпиада» отечественными учёными. Выявлены и классифицированы функции
