CC BY
183
Инновации в образовании Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2009, № 6 (1), с. 31-36
УДК 373; 372.8
МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ КУЛЬТУРА УЧАЩИХСЯ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕЁ РАЗВИТИЯ ПРИ ОБУЧЕНИИ РЕШЕНИЮ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАЧ
НА УРОКАХ ФИЗИКИ
© 2009 г. С.В. Бубликов 1, ИА. Баширова 2, А.Е. Бойкова 1, М.С. Красин 3
1 Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена, С.-Петербург 2 Вологодский государственный педагогический университет 3 Калужский государственный педагогический университет им. К.Э. Циолковского
Поступила о родаоцию 15.10.2009
Предложен вариант содержания понятия «методологическая культура учащихся» и описан методический подход к наиболее интенсивному овладению учащимися элементами методологической культуры при систематическом обучении решению экспериментальных задач на уроках физики.
Ключооыо слооа: поисковое обучение физике, познавательная деятельность учащихся, методология физики, методологическая культура учащихся, учебная физическая экспериментальная задача.
Постановка школьного образования как поискового сопряжена с такой организацией познавательной деятельности учащихся, при которой их активность одновременно направлена на усвоение конкретных программных знаний и основ методологии науки. Сложность возникает в организации реального процесса обучения школьным дисциплинам, опирающегося как на психолого-педагогические закономерности процесса обучения, так и на содержание и методологию соответствующих базисных наук. Педагогически обоснованные выходы из данной проблемной ситуации возможны разнообразные. Анализ передовой практики учителей школьных учебных предметов и теоретических работ соответствующих методистов дает основания предложить сосредоточить усилия методистов и практиков школьного образования на становлении методологической культуры учащихся.
Методологическая культура как научное понятие, несмотря на неоднозначность содержания [1-4], все чаще и чаще используется в методических и педагогических исследованиях. Сопоставление и анализ различных определений и трактовок может составить предмет самостоятельного исследования. На уровне общего образования важно заложить ориентир научного познания окружающей действительности. Краткой и практически действенной в обучении физике оказалась следующая трактовка.
Не предлагая строгих определений, опишем проявления методологической культуры учащихся по аналогии с [5, 6]. В названных рабо-
тах подвергнуты анализу особенности обучения студентов - физиков-исследователей и физиков-преподавателей. Применение исследовательского подхода [5, 6] к изучению материала курса физики на уровне общего образования дает возможность описать проявления методологической культуры учащихся. Мотодологичосоая оультура учащихся отчетливо проявляется в практических умениях:
- подмечать проблемную физическую ситуацию в окружающей действительности, в учебной и научно-популярной литературе;
- анализировать любую субъективно новую и непонятную физическую ситуацию реального мира или проблемную ситуацию, поставленную учителем на учебном материале физики;
- относить подмеченную проблемную физическую ситуацию к отраслям научных знаний и конкретным их разделам и подбирать понятийный аппарат («язык») описания, принятый в соответствующей учебной литературе;
- выявлять фундаментальные количественные характеристики и качественные аспекты проблемной ситуации;
- вводить для разрешения проблемы модельные представления о проблеме в целом или об отдельных ее элементах на основе выполненных предыдущих действий;
- доводить уровень понимания проблемной ситуации до возможности теоретического предсказания характера и результатов ее развития во времени, т.е. руководствоваться в практической деятельности научным прогнозированием;
- использовать результаты анализа разобранной проблемной ситуации для анализа сходных проблем и применять их на практике (в быту, технике и т.д).
Пункты приведенного описания могут быть детализированы с различной степенью на различных уроках физики - от уроков изучения нового материала до уроков применения и контроля знаний. И. Ньютон считал, что «при изучении наук примеры полезнее правил», поэтому ниже проиллюстрируем сказанное на примерах обучения решению физических экспериментальных задач.
Становление методологической культуры учащихся при обучении физике представляет собой методическую систему с характерными как надпредметными, так и конкретно предметными ключевыми понятиями и элементами.
К характерным ключевым понятиям можно отнести: коммуникативную и деятельностную основы обучения; физическую, математическую, компьютерную модели реального явления; структурную триаду физики: физика экспериментальная - физика теоретическая - физика вычислительная; уровневую триаду методологии физики: уровень методологических принципов физики - уровень фундаментальных физических законов - уровень конкретных законов физических теорий [7-10]; цикл научного познания [11], расширенный возможностями вычислительного эксперимента и математического моделирования реальных явлений [12, 13].
Характерными элементами выступают:
- на этапе изучения нового материала - деятельность учителя, организующего работу учащихся по разрешению проблемной ситуации, имевшей место в науке, при изучении экспериментальных фактов, фундаментальных теорий, основных законов и соотношений программного материала на основе использования модельного характера научных знаний, цикла научного познания и возможностей вариативного построения изучения материала средствами структурной и уровневой триад методологии физики;
- на этапе применения знаний - коммуникативный характер обучения, в котором прослеживается: совместное творчество учителя и учащихся по нахождению (созданию) проблемной ситуации или подбору интересной задачи по изучаемой теме - анализ найденной проблемной ситуации (задачи) - четкое формулирование физической части проблемы (задачи) -выдвижение гипотез - разработка моделей (физических, математических, компьютерных) -проверка и корректировка гипотез - нахождение решений - проверка (экспериментальная,
основанная на возможностях школьного кабинета физики) и анализ решений - предложения по использованию полученных результатов для постановки и решения других проблем (задач) по изучаемой теме, по ранее изученным темам курса физики, а также по другим предметам естествознания, мотивация полученного результата для жизненных ситуаций и развития научного мировоззрения [8, 14].
В методологической культуре, как и в культуре в целом, к которой необходимо приобщать учащихся, можно выделить объоотионыо и субъ-оотионыо состаоляющио. Приведенная классификация обусловлена общественным характером школьного физического образования и необходимостью простой и понятной учителю градации составляющих методологической культуры.
Объоотионыо состаоляющио можно сгруппировать в соответствии со структурой современной физики и уровнями ее методологии. Объективные составляющие включают арсенал знаний и методов познания, основанных на триадах структуры физики и уровней методологии физики, упомянутых выше [7-10, 15, 16].
Субъоотионыо состаоляющио характеризуют индивидуальность учащегося как объективную реальность [8, 17], уровень развития его познавательных возможностей, уровни развития общих и специальных способностей, включая творческие и критические. Состав развиваемых субъективных составляющих методологической культуры обусловлен не только содержанием познавательной деятельности на уроках физики, но и возрастом учащихся.
Условием интенсивного усвоения объективных и развития субъективных составляющих методологической культуры выступает активная деятельность по разрешению различных проблемных ситуаций, сконструированных на материале физики как при изучении нового материала, так и при использовании усвоенных знаний. В традиционном представлении (в узком смысле) это собственно деятельность по решению физических задач.
Решение физической задачи выступает моделью научного исследования с присущими ему атрибутами - построением физической и математических моделей рассматриваемого явления, исследованием частных и предельных случаев найденного решения, поиском и разбором аналогий с другими задачами и явлениями, а также сравнением методов их анализа. При этом построение физической и математических моделей изучаемого явления должно основываться на использовании методологического принципа простоты.
В становлении методологической культуры учащихся, как и в других вопросах педагогической проблематики, нет и, по-видимому, не может быть единственно правильного пути [10]. Добиться ускоренного усвоения учащимися объективных и развития субъективных составляющих методологической культуры возможно путем систематического применения на уроках физики огрубленных физических моделей рассматриваемых объектов и оценочных методов их анализа [1]. Вместе с этим опыт преподавания показывает, что наиболее глубокого и разностороннего овладения учащимися элементами методологической культуры при изучении физики возможно добиться посредством систематического обучения решению экспериментальных задач [18]. Систематическое решение экспериментальных задач служит усилению практической направленности обучения физике и преодолению формализма в знаниях учащихся.
Интересной и практически важной методической находкой представляется использование отдельного ученического стола (экспериментального исследовательского стола), на котором практически на каждом уроке выставлена та или иная экспериментальная задача тематического комплекса задач. Подборка задач для тематического комплекса экспериментальных задач осуществляется исходя из необходимости отражения в обучении измерений и опытов, с одной стороны, наиболее характерных для изучаемого раздела и, с другой стороны, допускающих их постановку в условиях школьного кабинета физики. Через решение задач комплекса в индивидуальном (или небольшими группами) режиме проходят все учащиеся класса. Группы учитель формирует исходя из изучения индивидуальных особенностей учащихся и целей обучения физике в данном классе.
Для постановки экспериментальных задач, как правило, достаточным является лабораторное и демонстрационное оборудование, которым укомплектован типовой кабинет физики согласно нормативным требованиям к оснащенности учебного процесса. Кроме этого, для постановки ряда задач можно эффективно использовать самодельные приборы и подручные материалы, которые легко подготовить вместе с учащимися, используя набор инструментов лаборатории кабинета физики.
Педагогическая ценность обучения решению экспериментальных физических задач в развитии учащихся многогранна и в условиях порой чрезмерного увлечения пассивным восприятием компьютерных демонстраций «виртуальной реальности» требует дальнейших психолого-
педагогических и методических исследований. Отметим лишь принципиально важный момент, связанный с тем, что обучение решению экспериментальных задач на уроках физики выступает наиболее естественным методом, обусловленным изучением реальных природных и технических систем при непосредственном контакте с ними. Учащимся предоставляется возможность первоначального сбора, обработки и анализа информации о реальном объекте; обоснования и проведения необходимых измерений и вычислений, а также определения их достоверности; поиска недостающих справочных данных; разработки эмпирической модели, ее оснащения и экспериментальной проверки ее репрезентативности; синтеза сведений об элементах реального объекта и о параметрах модельного его представления; применения знаний, полученных в ходе решения задачи, в новых ситуациях к сходным объектам реального мира. Тем самым приведенное выше общее описание методологической культуры реализуется в конкретных познавательных действиях учащихся.
Неслучайно в методике обучения физике традиционно присутствовали [19, 20] и присутствуют экспериментальные задачи [18]. В современных условиях такие задачи при комплексном использовании традиционного оборудования и элементов новых технологий (компьютеров, цифровых видеокамер, фотоаппаратов и т.д.) интенсивно способствуют разноплановому развитию учащихся. Кроме этого, на физических олимпиадах городского, регионального, всероссийского и международного уровней отдельно выделен экспериментальный тур, по итогам которого окончательно и определяются победители. Таким образом, можно с достаточной степенью обоснованности утверждать, что именно обучение решению натурных экспериментальных физических задач как методологически комплексных внутрипредметных проблем интенсивно и глубоко способствует развитию методологической культуры учащихся.
Не вдаваясь в схоластическую дискуссию о том, какую задачу можно классифицировать как экспериментальную, поясним сказанное примером, который может быть с успехом использован фронтально при организации работы учащихся в парах в практике обучения физике в основной школе после выполнения лабораторной работы «Определение коэффициента трения скольжения».
Оборудооанио: доа дорооянных брусоа различных масс с различной стопонью обработан-ности пооорхностой, набор гирь, нить, дина-момотр.
Найдите коэффициент трения скольжения различных поверхностей брусков друг о друга.
Методами теоретической и вычислительной физики на основе знаний о строении и степени обработки соприкасающихся поверхностей не удается рассчитать коэффициент трения, поэтому прибегают к его экспериментальному определению.
Удерживая на столе в покое нижний брусок, добьемся равномерного скольжения верхнего бруска по нижнему, прикладывая к верхнему при помощи динамометра горизонтальную силу. Динамометр покажет силу, равную силе трения скольжения F. Найдем вес Р верхнего бруска (и грузов, если они были использованы для установления равномерного скольжения). Тем самым найдем силу давления верхнего бруска на нижний, равную, согласно третьему закону Ньютона, силе нормальной реакции опоры. Коэффициент трения скольжения найдем как отношение ц = = F/P. Погрешность измерений оценим тем способом, который применяли в проведении названной выше лабораторной работы [21].
Варьируя набор брусков с различными массами и различной степенью обработки поверхностей, для разных групп учащихся исключаем возможность списывания результатов, добиваемся осознанного усвоения одного из экспериментальных методов определения коэффициента трения скольжения. При этом инициируется неформальное общение учащихся между собой, предметом которого является предлагаемая физическая задача.
Примерами экспериментальных задач, решаемых учащимися индивидуально или в группах с использованием описанного выше экспериментального исследовательского стола, служат следующие задачи.
Оборудование: «черный ящик» с двумя выводами, содержащий один элемент, батарейка от карманного фонарика на 4.5 В, источник переменного регулируемого напряжения, электрическая лампочка от карманного фонарика, ползун-ковый реостат, соединительные провода, ключ.
Что находится в «черном ящике»?
Убедимся в исправности лампочки, реостата, батарейки и источника переменного напряжения. Для этого соберем цепь, включив в цепь последовательно батарейку, ключ, реостат, выведенный на максимальное сопротивление, и лампочку. Повторим опыт с источником регулируемого переменного напряжения, установив соответствующее действующее значение напряжения.
Включим «черный ящик» в цепь постоянного тока последовательно с лампочкой через реостат,
выведенный на максимальное сопротивление. Уменьшая сопротивление реостата, пронаблюдаем за поведением лампочки. Поменяем полярность подключения источника в первой цепи и также проследим за лампочкой. Если лампочка в обеих цепях не горит, то в «черном ящике» большое сопротивление, не зависящее от направления тока. Включим «черный ящик» в аналогичную цепь переменного тока. Пусть, например, после замыкания ключа лампочка мгновенно загорится и по мере уменьшения сопротивления реостата ее свечение будет усиливаться. Малым сопротивлением переменному току обладает конденсатор, который, по-видимому, и находится внутри «черного ящика».
Проделайте и объясните следующий опыт. На полированном столе установите вдоль линейки пять одинаковых монет, например, достоинством в одну копейку (рис.). Затем отклоните линейку в плоскости стола вокруг ее конца на угол около (30-40)° и ударьте линейкой по монетам так, чтобы она резко остановилась при ударе о стопор. Повторите опыт несколько раз и найдите отношение перемещений, проходимых монетами до остановки.
Линейка
5г
4г
3г
2г _____ г
Стопор
Монеты
X
Ось вращения Рис.
Линейка вращается вокруг неподвижной оси и при ударе сообщает каждой монете начальную скорость, пропорциональную расстоянию от оси вращения до монеты. В момент удара все точки линейки как твердого тела движутся с одинаковой угловой скоростью. После удара монеты двигаются прямолинейно до остановки под действием силы трения скольжения. При этом, согласно теореме о кинетической энергии, изменение кинетической энергии монеты равно работе равнодействующей внешних сил, которая равна работе силы трения. Из теоремы о кинетической энергии остается найти перемещение каждой монеты и сравнить эти перемещения.
В процессе систематического решения экспериментальных физических задач у учащихся формируются и развиваются необходимые начальные технические интеллектуальные умения исследовательской творческой деятельности: группировать и систематизировать данные опытов и результаты наблюдений; определять достоверность измерений; выполнять расчеты и оценивать их точность; находить необходимые справочные данные и др. На этой основе возможен переход к освоению наиболее высокого уровня интеллектуальной творческой деятельности, который характеризуется умением выдвигать гипотезу и придавать ей лаконичную словесную формулировку; сравнивать между собой различные данные; выделять главное; вводить идеализацию; используя разные уровни методологии физики, разрабатывать эмпирические модели, на основе которых можно не только объяснить, но и предсказать дальнейшее поведение изучаемых систем. Это выводит работу учителя по формированию методологической культуры учащихся в сферу развития их личностей.
Список литературы
1. Бубликов С.В., Молеваник С.П. Возможности развития методологической культуры учащихся на уроках физики // Физическое образование в вузах. 2004. Т. 10. № 3. С. 103-112.
2. Извозчиков В.А., Потемкин М.Н. Научные школы и стиль научного мышления. СПб.: Образование, 1997. 141 с.
3. Кабанов П.Г. Вопросы совершенствования методологической культуры педагога / Под ред.
B.А. Дмитриенко. Томск: Изд-во ТГУ, 1999. 140 с.
4. Сауров Ю.А. О проблеме формирования методологической культуры // Высокие технологии в педагогическом процессе. Н. Новогород, 2004.
C. 112-114.
5. Кондратьев А.С., Лаптев В.В., Трофимова С.Ю. Физические задачи и индивидуальные пути образования: научно-методическая разработка. СПб.: Образование, 1996. 87 с.
6. Kadanoff L.P. Greats // Physics Today. 1994. № 4. Р. 9-11.
7. Вигнер Е. Этюды о симметрии: Пер. с англ. М.: Мир, 1971. 318 с.
8. Бубликов С.В. Методологические основы вариативного построения содержания обучения физике в средней школе: Дис. ... д.п.н. 13.00.02. СПб., 2000. 407 с.
9. Бубликов С.В. Роль методологии физики в повышении профессионального мастерства учителя // Проблемы повышения профессионализма и продуктивности педагогической деятельности: Тез. Все-союз. науч.-практич. конф. / Под ред. Н.В. Кузьминой. Усть-Каменгорск - Ленинград, 1989. С. 129.
10. Бубликов С.В., Кондратьев А.С. Методологические основы решения задач по физике в средней школе: Учеб. пособ. СПб.: Образование, 1996. 80 с.
11. Разумовский В.Г., Майер В.В. Физика в школе. Научный метод познания и обучение. М.: Гуманитар. изд. центр «ВЛАДОС», 2004. 463 с.
12. Бордовский Г.А., Кондратьев А.С., Чоуде-ри А.Д.Р. Физические основы математического моделирования: Учеб. пособ. М.: ИЦ «Академия», 2005. 320 с.
13. Ляпцев А.В. Методы математического моделирования в гуманитарных науках: Материалы к учебному курсу «Концепции современного естествознания». СПб.: АППО, 2004. 77 с.
14. Гребенев И.В. Дидактика физики как основа конструирования учебного процесса: Монография / Науч. ред. Е.В. Чупрунов. Н. Новгород: Изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2005. 247 с.
15. Бубликов С.В. Методика изучения колебаний пружинных маятников (с пакетом прикладных программ компьютерной поддержки): Пособие для учителей. СПб.: Изд-во ЛОИРО, 1998. 56 с.
16. Кондратьев А.С., Лаптев В.В. Физика и компьютер. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. 328 с.
17. Каган М.С., Эткинд А.М. Индивидуальность как объективная реальность // Вопросы психологии. № 4. 1989. С. 5-15.
18. Бубликов С.В., Регель А.А., Чернышов Р.Б. Обучение решению экспериментальных задач по физике как средство интеллектуального развития учащихся: Учеб.пособ. / Под ред. В.А. Бордовского. СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2007. 84 с.
19. Ланге В.Н. Экспериментальные физические задачи на смекалку. М.: Наука,1974. 95 с.
20. Мошков С.С. Экспериментальные задачи по физике в средней школе: Пособие для учителей. Л.: Учпедгиз, 1955. 204 с.
21. Красин М.С., Мильман О.О. Оценка погрешности измерения при обработке результатов школьного физического эксперимента: Учеб. пос. Калуга: Изд-во КГПУ им. К.Э. Циолковского, 2006. 88 с.
STUDENTS’ METHODOLOGICAL CULTURE AND SOME POSSIBILITIES FOR ITS DEVELOPMENT IN THE COURSE OF INSTRUCTION IN SOLVING EXPERIMENTAL PROBLEMS AT PHYSICS LESSONS
S. V. Bublikov, I.A. Bashirova, A.E. Boikova, M.S. Krasin
A variant of substance is proposed for the concept of «students’ methodological culture» and a methodical approach is described to most intensive learning by the students of some methodological culture elements in the course of systematic instruction in solving experimental problems at physics lessons.
Keywords: search methods in the teaching of physics, students’ cognitive activity, physics methodology, students’ methodological culture, instructional experimental problem in physics.
