CC BY
47
168
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия: Социальные науки, 2020, № 4 (60), с. 168-172
УДК 372.853
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ УЧАЩИХСЯ ПО ФИЗИКЕ
© 2020 г. М.А. Фаддеев, О.В. Лебедева
Фаддеев Михаил Андреевич, к.ф.-м.н.; доц.; доцент кафедры кристаллографии и экспериментальной физики Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского
faddeev@yandex.ru Лебедева Ольга Васильевна, к.п.н.; доц.; доцент кафедры кристаллографии и экспериментальной физики Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского
lebedeva@phys.unn.ru
Статья поступила в редакцию 19.08.2020 Статья принята к публикации 19.10.2020
ФГОС общего образования включают формирование у школьников опыта учебно-исследовательской деятельности. Организация учебно-исследовательской деятельности может быть как в системе уроков, так и во внеурочных формах обучения. Наиболее высокий уровень представляет собой учебно-исследовательская работа (УИР), являющаяся эффективным методом подготовки школьников к обучению в университете и начальным этапом формирования специалиста высокой квалификации при соблюдении основных принципов ее организации. В статье сформулированы основные принципы организации УИР школьников по физике на основе обобщения многолетнего опыта организации научного общества учащихся на физическом факультете ННГУ. Приведены примеры реализации выделенных принципов при выполнении УИР, проведен анализ основных ошибок и нарушений основных принципов организации УИР в работах, представленных на городскую конференцию научного общества учащихся «Эврика».
Ключевые слова: научное общество учащихся, довузовская физико-математическая подготовка, учебно-исследовательская работа школьников по физике.
Введение
Развитие современных технологий требует высокой компетентности молодых специалистов, в том числе в области теоретической и экспериментальной физики. Общеобразовательной средней школе по ряду известных причин трудно поддерживать соответствующий уровень физико-математического образования. Следовательно, насущной необходимостью является дополнительная внешкольная интенсивная подготовка мотивированных учащихся по физике и математике. Одной из возможных форм такой подготовки является выполнение учебно-исследовательской работы (УИР) под руководством опытного руководителя.
Проблема организации исследовательской деятельности учащихся в настоящее время привлекает внимание педагогов в связи с введением в практику школ новых стандартов общего образования. Одним из требований вводимых стандартов является «формирование у обучающихся системных представлений и опыта применения методов, технологий и форм организации проектной и учебно-исследовательской деятельности» [1]. Практика показывает, что учителя школ нуждаются в дополнительной подготовке к выполнению этих новых требований, разработке дополнительных методических ма-
териалов по организации учебно-исследовательской деятельности школьников и руководству ею [2]. Учителя испытывают большие затруднения в проектировании отдельных этапов учебного исследования, выборе и формулировании исследовательских задач. Как следствие, наблюдается замена настоящей учебно-исследовательской деятельности школьников подготовкой рефератов, представляющих собой компиляцию информации из сети Интернет. Существует и другая распространенная ошибка: поставленная перед школьником исследовательская задача оказывается недоступна для решения, поскольку требует применения знаний физики и математики вузовского уровня. Проблема организации учебно-исследовательской деятельности учащихся поднимается в ряде педагогических исследований, однако основные принципы организации индивидуальной УИР школьника не выделены [3-5]. В связи с этим становится актуальной задача выделения основных принципов организации УИР учащихся по физике, что и является целью данной работы.
Методология и методы исследования
Для выделения системы принципов организации УИР школьников мы опирались на методологические основания научного исследования
(П.В. Копнин, И.В. Кузнецов, А.М. Новиков, В.А. Штофф и др.) и деятельностный подход в обучении (А.Н. Леонтьев, Л.С. Выготский, В.В. Давыдов и др.). Был проведен анализ УИР школьников по физике, представленных на городскую конференцию НОУ учащихся в течение 5 лет. Обобщен опыт организации научного общества учащихся на физическом факультете ННГУ [6; 7].
Результаты и их обсуждение
Определим основное понятие - учебно-исследовательская работа школьника, чтобы выделить основные принципы ее организации. В настоящее время существует много подходов к определению этого понятия, в частности, М.С. Галишева и П.В. Зуев в работе [8] провели анализ 32 определений этого понятия, предложенных девятнадцатью авторами. В нашей работе мы опираемся на определение, предложенное М.И. Старовиковым, поскольку, на наш взгляд, оно отражает сущность учебно-исследовательской деятельности: «Учебно-исследовательской деятельностью школьника назовем его учебную деятельность, нацеленную на овладение субъективно новым знанием наиболее характерными и продуктивными для данной предметной области методами его получения, осуществляемую в соответствии с логико-методологическими нормами научного познания» [9, с. 44-45]. Учебно-исследовательская деятельность учащихся при обучении физике может быть организована в системе уроков и во внеурочных формах обучения [10; 11]. УИР школьника мы рассматриваем как самый высокий уровень учебно-исследовательской деятельности, к ее выполнению привлекаются наиболее мотивированные учащиеся, проявляющие интерес к физическим исследованиям. Согласно выделенным в понятии сущностным чертам УИР школьника, выделим основные принципы ее организации.
Принцип научности предписывает при выполнении УИР следовать логике науки, при изучении физических явлений использовать теоретические и эмпирические методы исследования, свойственные физике как науке, осуществлять учебное исследование через последовательность этапов, принятых в научных исследованиях. При выполнении УИР учащийся должен последовательно пройти ряд этапов, которые проходит в своей работе ученый: сбор фактов, постановка проблемы, определение цели исследования, построение модели исследуемого явления, планирование решения исследовательской задачи, реализация разработанного
плана, обработка, анализ и оценка полученных результатов, формулировка выводов, презентация полученных результатов. Каждый этап должен быть реализован в соответствии с теми нормами, которые приняты в физике как науке.
Принцип доступности и посильной трудности. Нужно отметить важное отличие учебно-исследовательской работы школьника от научно-исследовательской работы: результатом научного исследования должно быть объективно новое знание, а в результате учебного исследования ученик получает субъективно новое знание, т.е. «переоткрывает» для себя то, что в науке уже известно. Нельзя требовать от учащегося научной новизны его исследования, он должен освоить метод, чтобы в дальнейшем применить его в профессиональной научной деятельности. Поставленная руководителем исследовательская задача должна быть посильной учащемуся для решения на всех этапах. Для выполнения исследования у школьника должна быть сформирована основа, состоящая из трех компонентов: содержательного, инструментального и мотивационного.
Содержательную основу составляют знания (физики, математики и других предметных областей), которые позволяют учащемуся принять исследовательскую задачу. Как правило, УИР базируется на содержании, изучаемом в школьном курсе физики и математики. Возможно, расширение понятийной базы за пределы школьного курса, но в этом случае руководитель работы должен убедиться, что школьник действительно освоил необходимый материал и может использовать его как базу для решения исследовательской задачи.
Инструментальную основу составляют умения в области соответствующих каждому этапу исследования видов деятельности (например, проводить измерения, обрабатывать результаты и т.д. ). При выполнении УИР школьнику приходится осваивать новые умения, например, использовать различные компьютерные приложения для расчетов от электронной таблицы Excеl до пакета Wolfram Mathematica.
Очень важна мотивационная основа выполнения УИР, а для этого поставленная исследовательская задача должна быть интересна школьнику. У старшеклассников поставленная задача должна быть частью актуальной проблемы физики или технологии, доступной для понимания. Учащимся основной школы (7-9 класс) можно ставить задачи, связанные с явлениями, наблюдаемыми в природе, процессами, используемыми в технике и т.д.
Принцип активности и самостоятельности учащегося при проведении исследования. Принципиально важно, чтобы школьник выполнил
исследование самостоятельно на всех его этапах. Только в этом случае можно говорить о том, что учебно-исследовательская деятельность школьника состоялась, в результате чего он приобрел новое знание и опыт самой исследовательской деятельности. Согласно деятель-ностному подходу, развитие человека при обучении (по Л.С. Выготскому) происходит только в деятельности, которая побуждается и направляется мотивом. В том случае, когда школьнику даются готовые результаты выполненного исследования (или его этапов), нельзя говорить о УИР, это сразу заметно при защите выполненной работы.
Принцип сотрудничества школьника и руководителя при проведении исследования. При выполнении исследования ученик осваивает нормы новой для него исследовательской деятельности. Руководитель при выполнении исследования должен следить за соблюдением этих норм, но оставаться в позиции сотрудничества с руководимым школьником на всех этапах исследования, направляя и помогая ему освоить новые теоретические знания, методы измерений, обработки результатов и т.п. Как правило, выполнение УИР происходит в течение учебного года, при этом руководитель не реже, чем раз в неделю встречается с учеником (или общается дистанционно). Раз в месяц руководитель обязан организовывать отчёт школьника по текущему состоянию выполнения УИР. Отчёт должен заслушиваться на семинаре кафедры, отдела или научной группы. В процессе таких отчётов школьник обучается грамотному изложению физической проблемы, учится правильно реагировать на поставленные вопросы и отстаивать своё мнение, приобретает навык научной дискуссии.
Необходимость выделения системы основных принципов организации УИР школьников и соблюдения этих принципов при руководстве учебными исследованиями доказывает анализ результатов работы секций по физике городской конференции НОУ «Эврика», которая ежегодно проходит на физическом факультете ННГУ. Городская конференция подводит итог работы НОУ за учебный год, на ней представлены лучшее работы, отобранные в результате докладов на школьных, а затем районных конференциях. Тем не менее уровень многих работ мог бы быть выше, если бы руководители соблюдали указанные выше принципы. Приведем несколько примеров.
Выбранная тема и поставленная цель работы не предполагают исследование.
Целью работа ученика 10-го класса на тему «Получение огня и тумана с помощью адиабат-
ного процесса», было «показать, что при адиабатном расширении и сжатии температура газа (рабочей среды) соответственно понижается и повышается, и данный факт встречается в природе и используется в технике, создать пособие для школьников об адиабатном процессе». Такая цель не предполагает физическое исследование. Соответственно цели были выбраны и методы: анализ литературы, проведение социологического опроса одноклассников. В отчете описаны два эксперимента, проведенные учеником, представляющие собой стандартные опыты по демонстрации адиабатного процесса, которые учитель обычно проводит на уроке.
В другой работе была поставлена цель обнаружить ионизирующие частицы, образующиеся при радиоактивном распаде в золе растений; сравнить интенсивность радиоактивного излучения разных источников. Фактически работа сводится к тому, чтобы стандартным прибором (рентгенометром) сделать несколько замеров. Физического содержания в данной работе не просматривается.
Работа на тему «Наша Земля — магнит» предполагала решение следующих задач: выяснить причину возникновения магнитного поля Земли; выяснить, как его изменения влияют на человека; измерить индукцию магнитного поля Земли при помощи проволочной рамки; попытаться найти связь между изменением магнитного поля Земли и количеством вызовов Скорой помощи и милиции. Ни одна из этих задач не решается в учебно-исследовательской работе по физике.
Работа «Измерение вязкости жидкости» ученицы 11-го класса, целью которой являлось измерение вязкости различных жидкостей. На основе анализа различных способов измерения вязкости, предложенных в литературе, был выбран метод Стокса. Далее была определена вязкость трех жидкостей: воды, растительного масла и яичного белка. По методике эксперимента возникает много вопросов. Ученица начинает измерять расстояние, пройденное шариком, отступив от поверхности жидкости 2 см. Это расстояние не рассчитывалось и ничем не обосновано. В экспериментах с каждой жидкостью опыт повторялся всего два раза, причем таблиц с результатами измерений в работе не приведено. Несмотря на то что эксперимент проводился с одним и тем же секундомером, среднее значение времени движения шарика в жидкости приведено с разной точностью: 0.93 с; 7.1 с; 30 с. Погрешности ни прямых измерений, ни рассчитанных величин не приведены. Сравнение полученных значений с известными табличными значениями вязкости не осуществле-
но. Да оно и невозможно, поскольку не измерялась температура жидкости.
Во всех приведенных выше примерах руководители работ не соблюдали основные принципы организации УИР по физике, в первую очередь принцип научности.
Приведем еще один типичный пример несоблюдения другого принципа - принципа доступности и посильной сложности. Работа на тему «Исследование мемристоров на основе оксида кремния и программная обработка экспериментальных данных» выполнялась учеником 10 класса и была представлена на конкурс УИР. Из ответов школьника на задаваемые вопросы следовало, что не он владеет даже основными понятиями, которые произносит. Соответственно, он не выполнял исследование, а ему дали готовые результаты. В результате школьник не только не освоил основные исследовательские умения, но получил отрицательный опыт, поскольку тема оказалась непосильна для него.
Покажем применение выделенных принципов при организации УИР школьников по физике на примере одной из выполненных работ. УИР на тему «Исследование жесткости цилиндрических пружин» было выполнено ученицей 7-го класса гимназии № 2 Пияшовой Юлией. Целью работы являлось экспериментальное исследование растяжения пружин под действием внешней силы. Для экспериментальных исследований использовались цилиндрические пружины школьных динамометров, к которым подвешивались грузы различной массы, т.е. вначале была поставлена задача в рамках школьного курса физики, а задание представляло собой обычную лабораторную работу. При измерении жесткости пружины в рамках школьной лабораторной работы ограничиваются однократным измерением силы упругости и удлинения пружины. Методика эксперимента в рамках УИР была разработана так, чтобы получить максимально точный в данных условиях результат. Для каждой пружины была проведена серия измерений с грузами различной массы (масса груза много больше массы самой пружины), причем для каждого груза опыт повторялся многократно. По результатам измерений были построены графики зависимости силы упругости от удлинения пружины, и с помощью метода наименьших квадратов получены значения жесткости пружин и их погрешности. Для вычислений использовалась табличный процессор Excel. На втором этапе была поставлена задача, выходящая за рамки школьного курса физики 7-го класса: на основании полученных результатов определить, из какой стали выполнены пружины. Для решения этой задачи потребова-
лось изучение ученицей дополнительной литературы и была найдена связь жесткости витых цилиндрических пружин при деформациях растяжения и сжатия с их параметрами: диаметр проволоки; диаметр намотки (измеряемый от оси проволоки); число витков пружины; модуль сдвига материала, из которого изготовлена пружина. В результате проведения дополнительных измерений, были определены модули сдвига для материала пружин, рассчитаны их погрешности, результаты сопоставлены с табличными значениями. Полученные результаты позволили утверждать, что пружины школьных динамометров выполнены из одного сорта стали и соответствуют значениям сортов стали, используемым для изготовления пружин, указанным в справочниках.
Заключение
УИР школьников по физике может являться эффективным методом подготовки учащихся к обучению в университете и начальным этапом формирования специалиста высокой квалификации только при соблюдении основных принципов ее организации. Руководители УИР учащихся по физике (учителя школ, преподаватели и научные сотрудники вузов) должны руководствоваться этими принципами при организации учебного исследования. Опыт, накопленный на физическом факультете ННГУ, показывает, что вовлечение школьников в учебно-исследовательскую деятельность позволяет им в дальнейшем успешно заниматься научно-исследовательской деятельностью в бакалавриате, магистратуре и аспирантуре [12; 13].
Список литературы
1. Федеральные государственные стандарты среднего общего образования [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://docs.edu.gov.ru/document/ bf0ceabdc94110049a583890956abbfa/ (дата обращения: 30.07.2020).
2. Лебедева О.В., Гребенев И.В. Профессиональная подготовка учителя к реализации исследовательского обучения в школе // Педагогика. 2015. № 4. С. 51-58.
3. Кодикова Е.С. Формирование исследовательских экспериментальных умений учащихся основной школы при обучении физике: Дис. ... канд. пед. наук. М.: МПГУ, 2000. 220 с.
4. Котляров В.А. Организация исследовательской деятельности учащихся при изучении физики в основной школе: Дис. ... канд. пед. наук: Новосибирск: НГПУ, 2004. 192 с.
5. Слепцов А.И. Обучение учащихся исследовательской деятельности по физике: Автореф. дис. ... канд. пед. наук: М.: МПГУ, 2010. 28 с.
6. Фаддеев М.А. Научное общество учащихся на физическом факультете // Вестник ННГУ. Серия ФТТ. 2003. Вып. 1(6). С. 208-209.
7. Марков К.А., Фаддеев М.А. Учебно-исследовательская и научная работа как важная составляющая профориентации школьника, подготовка его к обучению в ВУЗе // Школа будущего. 2012. № 3. С. 109-113.
8. Галишева М.С., Зуев П.В. Учебно-исследовательская деятельность школьника: структурная модель и формулировка понятия // Педагогическое образование в России. 2019. № 6. С. 6-18.
9. Старовиков М.И. Формирование учебной исследовательской деятельности школьников в условиях информатизации процесса обучения (на материале курса физики): Дис. ... докт. пед. наук: Бийск: БГПУ им. В.М. Шукшина, 2007. 398 с.
10. Лебедева О.В. Организация исследовательской деятельности учащихся в системе уроков физики // Физика в школе. 2011. № 5. С. 12-17.
11. Лебедева О.В., Морозов О.А., Староверова В.В. Организация учебно-исследовательской деятельности учащихся на внеурочных занятиях по физике в современных условиях // Педагогическое образование в России. 2019. № 8. С. 64-72.
12. Лебедева О.В., Марков К.А., Ким Е.Л., Фаддеев М.А. Непрерывное исследовательское обучение физике в системе «школа-вуз» // Вестник ННГУ. 2013. № 5(2). С. 113-118.
13. Марков К.А., Токман М.Д., Фаддеев М.А. Интегрированный образовательный комплекс «школа-вуз-предприятие» // Высшее образование в России. 2008. № 4. С. 37-40.
BASIC PRINCIPLES FOR ORGANIZING EDUCATIONAL AND RESEARCH WORK FOR SCHOOL STUDENTS IN PHYSICS
M.A. Faddeev, O.V. Lebedeva
Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod, Russian Federation
FSES of general education include research activities. The organization of research activities can be part of the classes or extracurricular education. The highest level is school students' educational research work (UIR), which is an efficient method of preparing students for university studies and the initial stage for educating a highly qualified specialist, which respects the basic principles for organizing research work. The article formulates the basic principles of organizing the UIR for school students in physics by generalizing the authors' long-term experience of organizing the research students' society at the UNN physics department. The article offers examples of the implementation of the selected principles of UIR, analyses the common mistakes and violations of the UIR basic principles in the works presented at the city students research conference «Eureka».
Keywords: school students' research groups, pre-university physics and mathematics training, students' research work in physics.
