CC BY
17РЕАЛИЗАЦИЯ АКТИВНЫХ МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ В КОНТЕКСТЕ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ ГРАМОТНОСТИ ШКОЛЬНИКОВ
Л. Б. ЛОЗОВСКАЯ,
кандидат педагогических наук,
доцент кафедры педагогики и управления
образовательными системами
ННГУ им. Н. И. Лобачевского
L.B.Lozovskaya @таН.ш
О. А. МОРОЗОВ,
профессор, доктор физико-
математических наук,
профессор кафедры информационных
технологий в физических исследованиях
ННГУ им. Н. И. Лобачевского
oa_morozov@nifti.unn.ru
Одним из важных компонентов функциональной грамотности в обучении физике является естественнонаучная грамотность учащихся. В статье рассмотрена роль активных методов обучения в развитии естественнонаучной грамотности. Представлены конкретные примеры создания проблемных ситуаций в проектной и учебно-исследовательской деятельности школьников.
The article is devoted to functional literacy in teaching physics that one of the important components is the natural science literacy of pupils. The role of active teaching methods in the development of natural science literacy is considered. Specific examples of creating problem situations in the project and educational research activities of schoolchildren are presented.
Ключевые слова: функциональная грамотность, естественнонаучная грамотность, активные методы обучения, проблемный метод, проектный метод, исследовательская деятельность школьников
Key words: functional literacy, natural science literacy, active teaching methods, problem method, project method, researching activity of pupils
Одной из основных современных задач обучения является повышение уровня функциональной грамотности учащихся. Естественнонаучная грамотность становится важным компонентом функ-
циональной грамотности как способности человека использовать постоянно приобретаемые в течение жизни знания, умения, навыки для решения максимального диапазона задач в различных областях
деятельности, общения и социальных отношений [4; 8]. Естественнонаучная грамотность отражает способность личности занимать активную позицию по проблемам, связанным с естественными науками, готовность интересоваться естественнонаучными идеями, осознавать влияние естественных наук на материальную, интеллектуальную и культурную сферы общества, применять полученные знания в практической деятельности [8; 9]. По данным оценки международного исследования качества образования PISA и TIMSS, результаты учеников российских школ по естественнонаучной грамотности оказались ниже средних международных показателей [3; 8]. При этом отмечаются трудности в применении школьниками предметных знаний в жизненных ситуациях, решении проблемных межпредметных задач, выполнении исследовательских заданий, низкий уровень сформированности экспериментальных умений, отсутствие опыта проектно-исследовательской деятельности, интереса к науке и т. д. Кроме того, согласно исследованию TIMSS-Advanced, результаты старшеклассников, изучающих физику на профильном уровне, дифференцированы по видам деятельности. Так, результаты выполнения заданий на «воспроизведение предметных знаний» выше, чем на «рассуждение», «применение знаний», где требуется продоставить доказательство, анализ, обоснование, объяснение физических явлений, решение реальных практических задач [9].
Повышению уровня сформированности естественнонаучной грамотности может способствовать внедрение в образовательный процесс активных методов обучения. Под ними понимаются способы организации учебного процесса, при которых ученики являются активными участниками образовательного процесса. А. А. Вербицкий подчеркивает, что «активный метод — это форма взаимодействия, при которой учащиеся не являются пассивными слушателями, а активно и на равных правах общаются с учителем» [1, с. 107]. Вместе
с этим отмечает, что «при использовании различных методов могут включаться разные уровни активности обучающегося — от элементарных ощущения и восприятия до сложнейшего совместного творческого мышления» [там же, с. 108]. Из числа активных методов при обучении физике можно отметить высокую значимость проблемного, проектного, исследовательского, на основе которых организуется учебно-исследовательская деятельность учащихся.
Под проблемным методом понимаются способ активного взаимодействия субъекта с проблемно представленным содержанием обучения, а также постановка учебной проблемы через созданное учителем противоречие между известными учащимся знаниями и новыми фактами, требующей разрешения в ходе активной познавательной деятельности [2]. Поставленная проблема может быть разработана в рамках учебного проекта, предполагающего поэтапную самостоятельную деятельность учеников, результатом которой становятся реальный продукт и его представление. При организации учебной деятельности с использованием исследовательского метода также формулируется проблема, выдвигается гипотеза исследования, осуществляется самостоятельный поиск и обработка учебной и научной информации. Применение исследовательского метода предполагает самостоятельное получение учащимися новых познавательных результатов [2]. Очевидно, что проблемный, проектный и исследовательский методы тесно связаны, взаимодополняемы и подразумевают творческую и поисковую деятельность учащихся, которая имеет продуктивный характер. Совокупность этих методов в контексте развития естественнонаучной грамотности по физике может быть интегрирована в учебном физическом исследовании учащихся, реализация
По данным оценки международного исследования качества образования PISA и TIMSS, результаты учеников российских школ по естественнонаучной грамотности оказались ниже средних международных показателей.
которого приводит к получению и пониманию не только предметных, но и межпредметных знаний и умений, в том числе методологических. В ходе выполнения учебно-исследовательского проекта у учащихся активизируется мыслительная дея-
тельность, развивается творческое мышление, формируется способность к самообразованию, повышается интерес к физике как науке, школьники приобретают опыт проектно-исследовательской деятельности (см. схему).
Активные методы в учебно-исследовательской деятельности учащихся
По нашему мнению, большую пользу в плане эффективного развития естественнонаучной грамотности учащихся могут принести исследовательские (экспериментальные) проектные задания, в результате выполнения которых возникают проблемные ситуации, а их решение не удается просто и сразу найти в научной литературе, поэтому требуется выдвигать и проверять собственные гипотезы.
Рассмотрим ряд примеров. В статье «Создание учебной проблемы на основе физического эксперимента в исследовательской деятельности школьников» [6] авторами представлено описание учебного экспериментального исследования генератора гармонических колебаний на транзисторе (рис. 1а), в колебательном контуре которого использована самодельная ка-
тушка индуктивности с сердечником из железных пластин. Исследовательский проект может быть сформулирован как задача экспериментальной проверки результатов компьютерного моделирования сигнала на выходе генератора при изменении различных параметров. Данный проект может быть выполнен в физико-математических классах старшей школы, например в научном обществе учащихся.
Физическую модель генератора на транзисторе можно описать системой обыкновенных дифференциальных уравнений и соответствующей численной схемой на основе метода Эйлера или Рунге — Кутта, подробное описание которых доступно в литературе. В более простом варианте для проведения компьютерного моделирования можно использовать программные
пакеты схемотехнического моделирования, многие из которых находятся в свободном доступе. Ученикам объясняется, что на этом этапе выполнения проектного задания будет использовано упрощенное модельное описание генератора, поэтому на этапе экспериментальной проверки точного соответствия результатам не требуется.
В качестве исследовательских заданий при выполнении данного проекта школьникам можно предложить:
3 поставить экспериментальное исследование зависимости частоты колебаний от емкости конденсатора в генераторе на транзисторе;
3 провести компьютерное моделирование сигнала генератора при различных значениях емкости конденсатора колебательного контура и сопоставить с экспериментально полученной зависимостью;
3 определить значение индуктивности самодельной катушки колебательного контура [6].
В результате выполнения заданий получается, что ни один из графиков компьютерного моделирования не совпадает с экспериментальной зависимостью частоты колебаний генератора от емкости конденсатора, особенно в области малых значениях емкости конденсатора контура. Если рассчитать индуктивность катушки на основе измерения частоты сигнала генератора при разных значениях емкости конденсатора, пренебрегая потерями в проводах катушки (что легко обосновать, сравнив импеданс катушки на резонансной частоте и активное сопротивление проводов), можно получить «зависимость» индуктивности катушки от частоты колебаний (рис. 1б).
Рисунок 1. Экспериментальное исследование генератора гармонических колебаний на транзисторе
а — схема генератора на транзисторе; б — «зависимость» рассчитанного значения индуктивности катушки колебательного контура генератора от частоты колебаний
Поскольку катушка индуктивности при всех измерениях одна и та же, возникает проблемная ситуация «несоответствие с теорией», для решения которой от учеников требуется выдвигать и проверять сложные гипотезы, позволяющие объяснить полученное несоответствие и требующие более детального осмысления, так как «простая» гипотеза о влиянии активного сопротивления проводов катушки уже провере-
на. В ходе анализа экспериментальных данных и проверки на соответствие выдвинутых гипотез теории ученики делают выводы о необходимости учета влияния на частоту электромагнитных колебаний в контуре потерь энергии на перемагничи-вание (гистерезис) железных пластин самодельной катушки.
В качестве другого примера можно привести исследовательскую лабораторную
Рисунок 2. Амплитудно-частотные характеристики, измеренные при разных взаимных расположениях контура и резистора
работу «Измерение амплитудно-частотной характеристики колебательного контура» [5] для учащихся старших классов. Учебное исследование начинается с проблемной ситуации, с попытки экспериментально получить и объяснить амплитудно-частотную характеристику контура. При выполнении работы школьники не только
учатся ставить физический эксперимент, выполнять измерения и оценивать их погрешность, обрабатывать полученные данные, но также разрешать проблемную ситуацию, возникающую при анализе полученного результата, что приводит к последующему выдвижению принципиально новой гипотезы.
При выполнении работы используются лабораторный макет Я^С-цепи (колебательный контур и внешний резистор) и подключенные к нему генератор гармонических сигналов и осциллограф (рисунок 2). Формулируются следующие цели работы.
3 Экспериментальное измерение амплитудно-частотных характеристик цепи при разных взаимных расположениях контура и резистора Я, при заданных значениях сопротивления Я, емкости конденсатора С и неизвестном значении индуктивности катушки В традиционном варианте при наличии 2-х канального осциллографа один канал подключается к выходу макета Я^С-цепи, другой канал — ко входу, производится измерение соответствующих напря-
жений и вычисление их отношения на каждой частоте из заданного диапазона.
3 Уточнение значения резонансных частот при измерениях амплитудно-частотных характеристик путем плавной перестройки частоты генератора вблизи резонанса.
3 Определение значений индуктивности катушки ¿. при разных взаимных расположениях контура и резистора Я по значению резонансной частоты, пренебрегая сопротивлением проводов катушки.
Характерный вид амплитудно-частотных характеристик Я^С-цепи при разных взаимных расположениях контура и резистора показан на рисунке 2. В данном случае катушка индуктивности имеет ма-
лые размеры, намотана на ферритовый сердечник, поэтому потери на перемаг-ничивание пренебрежимо малы, также можно не учитывать влияние активного сопротивления проводов катушки по сравнению с импедансом контура на резонансе. В процессе выполнения работы, проведения измерений, анализа полученных результатов и расчетов выясняется, что резонансные частоты и, соответственно, вычисленные значения индуктивности L одной и той же катушки при разных взаимных расположениях контура и резистора Я получаются различными (разница существенно превышает погрешность измерений) [5]. По результатам измерений и вычислений возникает проблемная ситуация: противоречие между теоретическими представлениями учащихся и результатами эксперимента. Причем в данном случае возникновение проблемной ситуации не может быть объяснено наличием каких-либо неучтенных потерь энергии в колебательном контуре и лежит уже в другой плоскости — методологии измерений. Поскольку при проведении лабораторных практикумов, как правило, редко анализируется степень влияния параметров измерительного оборудования на конечный результат измерений (в данном случае это является ключевым моментом: влиянием оборудования не всегда можно пренебречь) и последующих расчетов, учащиеся редко когда самостоятельно, без помощи учителя могут найти решение проблемы. Осциллограф вместе со щупом и кабелем имеет собственную входную емкость (суммарно порядка 150...180 пФ). При небольшой емкости конденсатора контура в случае, когда эта суммарная емкость подключается непосредственно параллельно к конденсатору колебательного контура (рисунок 2а), результат измерений существенно искажается. Таким образом, учащиеся применяют теоретические знания в практической экспериментальной деятельности, анализируют и интерпретируют полученные данные, решают ряд учебных проблем и могут научно объяснить физи-
ческие явления в нестандартной ситуации, сделать обоснованные выводы.
В процессе учебного исследования формируются все составляющие естественнонаучной грамотности, выделенные в исследованиях PISA и TIMSS [8; 9]: контексты, компетенции, отношения, знания, виды деятельности. Контексты проявляются в виде изучения проблем, связанных с вопросами науки и техники на основе анализа учебной и научной литературы. Повышение интереса к физике, осознание ценности научного исследования составляет компоненту отношения. Учащиеся не только получают и закрепляют предметные знания в виде основных положений физической теории, но и на основе имеющихся приобретают новые. Кроме того, они осваивают методологию исследования: изучают методы научного познания, выдвигают гипотезы исследования, самостоятельно или под руководством учителя ставят научный эксперимент. Таким образом, у школьников формируется умение анализировать и интерпретировать полученные результаты, делать выводы, объяснять физические явления, что составляет компетентност-ную компоненту естественнонаучной грамотности. При этом учебная деятельность уподобляется научному поиску, важными элементами познавательной деятельности являются анализ, рассуждение, доказательство, применение теоретических знаний в практических экспериментальных заданиях. В ходе выполнения учебно-исследовательского проекта школьники активно включены в учебный процесс, отвечают за результаты своей деятельности, получают начальный опыт проектно-иссле-довательской работы, который в дальнейшем может быть развит при решении учебных и практических задач, в том числе при выполнении сложных научных или технологических проектных заданий в колледже или вузе [7].
В процессе учебного исследования формируются все составляющие естественнонаучной грамотности, выделенные в исследованиях PISA и TIMSS: контексты, компетенции, отношения, знания, виды деятельности.
Стоит также отметить, что в процессе учебного исследования вместе с естественнонаучной грамотностью развиваются и другие неотделимые от нее составляющие функциональной грамотности — читательская грамотность как владение научной терминологией, понимание и анализ информации учебного или научного текста,
ЛИТЕРАТУРА _
математическая грамотность как описание и интерпретация результатов физического эксперимента на языке математических формул, чтение математических зависимостей и построение графиков, применение математических знаний для решения практических задач в области физики и техники.
1. Вербицкий, А. А. Методы обучения: традиции и инновации / А. А. Вербицкий // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2014. — Том 10. — № 3-2. — С. 106—111.
2. Гребенев, И. В. Дидактика физики как основа конструирования учебного процесса : монография /И. В. Гребенев ; Федеральное агентство по образованию, Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского. — Нижний Новгород : ННГУ им. Н. И. Лобачевского, 2005. — 247 с. — ISBN 5-85746-844-2.
3. Заграничная, Н. А. О чем говорят результаты исследования естественнонаучной грамотности учащихся / Н. А. Заграничная, А. Ю. Пентин // Проблемы управления качеством образования : сборник избранных статей Международной научно-методической конференции (Санкт-Петербург, 28 сентября 2020 г.). — Санкт-Петербург : ГНИИ «Нацразвитие», 2020. — С. 38—44.
4. Леонтьев, А. А. «Школа 2100» и воспитание будущего гражданина России / А. А. Леонтьев // Гуманизация образования. — 2001. — № 1. — С. 114—120.
5. Лозовская, Л. Б. Исследовательская лабораторная работа как способ повышения естественнонаучной грамотности учащихся / Л. Б. Лозовская, О. А. Морозов // Физика в школе. — 2020. — № 4. — С. 38—44.
6. Лозовская, Л. Б. Создание учебной проблемы на основе физического эксперимента в исследовательской деятельности школьников / Л. Б. Лозовская, О. А. Морозов // Нижегородское образование. — 2020. — № 2. — C. 46—52.
7. Опыт применения проектного метода обучения в практических занятиях курса «Основы теории управления» / И. В. Кузьмина, Л. Б. Лозовская, О. А. Морозов, В. А. Новиков // Вестник Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского. Серия: Социальные науки. — 2016. — № 3 (43). — С. 163—168.
8. Основные результаты международного исследования PISA-2015 // Центр оценки качества образования ИСРО РАО. 2016. — URL: www.centeroko.ru (дата обращения: 14.02.2020).
9. Состояние естественнонаучного образования в российской школе по результатам международных исследований TIMSS и PISA / А. Ю. Пентин, Г. С. Ковалева, Е. И. Давыдова, Ю. С. Смирнова // Вопросы образования. — 2018. — № 1. — С. 79—109.
