CC BY
91
Инновации в образовании Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевско го, 2011, № 5 (1), с. 24-30
УДК 373.1
УЧЕБНЫЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ЗАДАЧИ КАК СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ КОМПЕТЕНЦИИ БУДУЩЕГО УЧИТЕЛЯ ФИЗИКИ
© 2011 г. В.А. Белянин 1, Н.С. Пурышева 2
1 Марийский госуниверситет, Йошкар-Ола 2 Московский государственный педагогический университет
Поступита в редакцию 11.07.2011
Предметная исследовательская компетенция будущего учителя физики рассматривается на основе методологии научного исследования. Исследовательскую компетенцию предлагается формировать при изучении физики через специально выделяемые и решаемые учебные исследовательские задачи.
Ктючевые стова: будущий учитель физики, исследовательская компетенция, учебная исследовательская задача, методология научного исследования.
Введение
Современная педагогика считает исследовательскую компетенцию и исследовательскую компетентность важными качествами, определяющими готовность будущего специалиста к профессиональной деятельности. При компе-тентностном подходе главным в обучении становится опыт решения разнообразных задач, моделирующих выполнение будущими специалистами профессиональных ролей и функций, на основе сформированных знаний и универсальных способов деятельности. Такой опыт складывается за счет активных форм и методов обучения, которые должны включать обучающихся в ситуации, имитирующие жизненные и профессиональные проблемы. Это, в свою очередь, совершенствует универсальные знания и опыт выпускника, которые нельзя передать напрямую, но можно «взрастить» через организацию самостоятельного поиска способов деятельности в нестандартных учебных ситуациях.
Компетенции наиболее эффективно формируются в образовательном процессе вуза при использовании технологий, способствующих вовлечению студентов в поиск и применение знаний, приобретению опыта самостоятельного решения разнообразных задач:
• технологий проблемно-модульного обучения, которые предполагают самостоятельное или частично самостоятельное освоение студентом учебного материала с организацией закрепления и применения знаний при решении задач, самоконтроля и проверки полученных результатов, самооценки и коррекции учебнопознавательной деятельности;
• технологий исследовательского обучения: 1) столкновение с проблемой, 2) сбор данных -«верификация», 3) сбор данных - экспериментирование, 4) построение плана исследования,
5) анализ хода исследования, 6) выводы, рефлексия результатов. В процессе учебного исследования у студентов развиваются интеллектуальные способности и исследовательские умения;
• коммуникативных технологий, направленных на организацию работы в группе и сотрудничество, на формирование у студентов универсальных умений, связанных с согласованием интересов и постановкой общих целей деятельности;
• проектного обучения, которое носит прикладной междисциплинарный характер, а содержание проектов и способы их выполнения соответствуют содержанию и технологиям будущей профессиональной деятельности студентов.
Использование в образовательном процессе вуза названных технологий обеспечивает проблемно-исследовательский характер учебного процесса, его прикладную профессиональную направленность [1].
Таким образом, важным условием формирования профессиональной компетентности будущего учителя физики можно считать развитие в рамках вузовского учебного процесса его исследовательской компетентности, т.е. элементов того, что А.И. Савенков называет интеллектуально-творческим потенциалом личности; о чем И.Я. Лернер говорит как об опыте творческой, поисковой деятельности по решению новых, возникающих перед обществом проблем [2]; что О.Л. Жук предлагает «взращивать» через организацию самостоятельного поиска спо-
собов деятельности в нестандартных учебно-социальных ситуациях.
Результаты теоретического исследования
Исследовательская компетенция студентов в вузе может быть сформирована в процессе учебной исследовательской деятельности, суть которой состоит в систематическом выполнении под руководством преподавателя экспериментальных и теоретических учебных исследований по физике: в творческом решении учебно-исследовательских задач, процесс решения которых заранее неизвестен и должен быть выполнен в соответствии с методологией научного исследования.
Критериями сформированности исследовательской компетенции, которая затем должна проявиться в соответствующей исследовательской компетентности, будут способность и готовность студента самостоятельно, а также в группе или с консультативной помощью, поставить перед собой учебную исследовательскую задачу и решить ее по методологии научного исследования, последовательно выполняя все методологические этапы.
Рассмотрим место и роль учебной исследовательской задачи (учебно-исследовательских задач) в профессиональной подготовке будущего учителя физики.
Из самых общих представлений можно утверждать, что учебно-исследовательская задача должна занимать промежуточное положение между учебной задачей, алгоритм решения или эвристический прием решения которой неизвестен только студенту, и научно-исследовательской задачей, которая формулируется самим исследователем, способ решения которой, чаще всего, неизвестен никому, а её решение дает объективно новые знания. Такие учебноисследовательские задачи могут выступать в учебном процессе вуза определенным аналогом исследовательских задач в науке.
В современных педагогических и психологических исследованиях различные авторы [3-
6] дают различные трактовки исследовательских (учебно-исследовательских) задач, однако наличие поисковой ситуации и гипотезы, требующих от обучающегося самостоятельного разрешения, обоснования и доказательства, считаются главными признаками исследовательской задачи.
Подчеркнем, что учебно-исследовательские задачи входят в систему исследовательских задач, которые, по аналогии с классификацией и иерархизацией исследовательской деятельности, можно подразделить на следующие виды:
- познавательные;
- познавательно-исследовательские;
- учебно-исследовательские;
- научно-исследовательские;
- профессионально-научно-исследовательские [6].
Будущий учитель физики в процессе профессиональной подготовки должен овладеть - и это не вызывает сомнений - навыками решения исследовательских задач всех вышеперечисленных видов. Учебно-исследовательская задача будет занимать при этом особо важное положение, которое и подчеркивает приведенная классификация, отводя ей роль связующего звена между традиционной учебной деятельностью студента и его исследовательской деятельностью.
Поэтапное решение исследовательских задач должно обеспечить продуктивное и системное формирование исследовательских умений, а также систематизацию и закрепление полученных знаний. При этом необходимо отметить, что возможность решения задач разных уровней иерархии определяется степенью зрелости обучающихся, и в частности способностью к самостоятельной исследовательской деятельности [6, с. 52].
Решить исследовательскую задачу можно при условии выполнения определенного алгоритма: понять предложенную исследовательскую задачу или выдвинуть ее самостоятельно -актуализировать имеющиеся факты, знания, умения, навыки - осознать недостаток знаний -пополнить недостаток знаний путем наблюдения, опытов, беседы и т.п. - выдвинуть гипотезу
- обосновать выдвинутую гипотезу - сделать вывод и обобщение [4]. В этом алгоритме решения исследовательской задачи прослеживаются основные элементы методологии научного исследования.
Разбиение исследовательской деятельности на этапы рассматривают в своих работах Л.А. Микешина [7], А.С. Майданов [8], А.М. Новиков и Д.А. Новиков [9] и др. Однако общепринятых и однозначно согласованных учеными методологических этапов научного исследования не существует как в работах по методологии науки, так и в работах исследователей-физиков.
Для анализа связи исследовательской компетенции будущего учителя физики с содержанием и структурой методологии научного исследования мы будем опираться на соответствующую схему, предлагаемую А.М. Новиковым и Д.А. Новиковым [9], согласно которой процесс научного исследования и его временные рамки как научного проекта разбиваются на фазы, стадии и этапы, а их содержательный аспект детально проработан и прописан авторами.
Исходя из определения [9], что методология есть учение об организации деятельности, будем считать методологию научного исследования учением об организации исследовательской деятельности, и, следовательно, фазы, стадии и этапы научного исследования станут для будущего учителя физики структурными элементами предметной, т.е. относящейся к физике, исследовательской компетенции.
Схема этапов научного исследования, которую мы переносим на структуру предметной исследовательской компетенции будущего учителя физики, является обобщенной. На основе этой схемы исследовательские компетенции в каждом случае конкретного исследования необходимо формулировать в соответствии с конкретными условиями того или иного физического исследования, например экспериментального или теоретического.
Определим содержание и структуру исследовательской компетенции будущего учителя физики, которую можно сформировать при теоретическом исследовании с помощью системы учебных задач, составляемых на основе физической ситуации (ФС) и ее изменения за счет моделирования дополнительного физического воздействия на объект задачи.
Учебно-исследовательской задачей будем считать составление, решение и исследование (анализ) не отдельной учебной задачи по физике, а именно системы задач по выделенной субъектом физической ситуации.
Составтснис физической задачи - формулировка (постановка) новой принципиально решаемой физической учебной задачи или любое изменение в условии уже известной составителю задачи, приводящее к изменению физической задачной ситуации и, как следствие, к некоторому изменению процесса решения и ответа задачи.
Систсма (цикл) физических задач - совокупность иерархически связанных друг с другом расчетных физических задач, задачная ситуация каждой из которых соответствует содержанию определенной физической ситуации, имеющих одинаковые требования во всех задачах (один и тот же вопрос) и измененные условия за счет какого-либо дополнительного воздействия на объект задачи.
Физическая ситуация есть субъективно выделенная пространственно-временная область существования физического объекта или физического явления. Физическую ситуацию можно рассматривать как частный случай (как одно из состояний) обобщенной физической ситуации
(ОФС).
Структурно-содержательные элементы предметной исследовательской компетенции, которые можно сформировать у будущего учителя физики при выполнении им теоретического исследования с помощью систем (циклов) физических учебных задач, сформулируем в следующем виде:
1. Быть способным выявить в учебном материале курса физики ФС по результату решения какой-либо физической учебной задачи или анализу состояния физической системы. Обнаружить для выделенной ФС противоречие в виде невозможности по результатам решения отдельной физической задачи охарактеризовать в достаточном объеме ее основные физические свойства.
2. Быть способным для выделенной ФС, как объекта исследования, и физических явлений, моделей, законов, характеризующих ФС и составляющие ее элементы, как предмета исследования, сформулировать проблему: как с помощью цикла физических задач раскрыть ее более полное содержание и свойства, чем это позволяет сделать решение отдельной задачи.
3. Уметь определять в качестве цели исследования раскрытие сущности ФС на уровне физических явлений, моделей, законов, характеризующих выделенную ФС и ее элементы, с помощью составления, решения и исследования цикла (циклов) физических учебных задач.
4. Формировать критерии теоретического исследования с помощью циклов задач и быть способным не нарушать их при составлении и решении задач для выделенной ФС: содержание каждой задачи должно соответствовать содержанию ОФС; число задач в цикле, их тип и вид, число циклов задач должны с необходимой полнотой раскрывать содержание выделенной ФС; решения задач цикла не должны противоречить друг другу; должна быть реализована возможность получить решения предыдущих задач цикла как следствие решения последующих.
5. На стадии построения гипотезы видеть, что раскрыть сущность ФС на уровне физических явлений, моделей, законов можно, если составить и решить для данной ФС систему задач за счет введения в условие каждой новой задачи нового фактора, изменяющего контролируемым образом состояние какого-либо объекта ФС.
6. На стадии конструирования исследования быть способным сформулировать задачи теоретического исследования с помощью циклов задач:
- составление физических учебных задач на основе выделенной задачной ситуации;
- решение физических учебных задач на основе анализа физической ситуации и ее моделирования;
- составление системы задач за счет введения в условие каждой новой задачи нового воздействия, изменяющего контролируемым образом состояние какого-либо элемента данной ФС;
- исследование (анализ) решения задач на частные и предельные случаи и на взаимозависимость;
- выявление сущности обобщенной ФС на уровне физических явлений, моделей, законов за счет новых знаний, полученных с помощью составления, решения и исследования цикла (циклов) физических учебных задач.
7. Быть способным на стадии технологической подготовки исследования изучить и обобщить теоретический материал по тематике выделяемых ФС, подобрать необходимые задачи из существующих сборников задач и пособий, отработать навыки решения физических учебных задач обобщенным методом и осуществлять анализ их решения.
8. Быть способным на стадии проведения исследования выполнить теоретическое исследование с помощью циклов задач из различных разделов физики: механики, молекулярной физики, электродинамики, оптики, квантовой физики (последовательное составление и теоретическое решение системы (цикла) задач и анализ результатов их решения на предельные, возможные и частные случаи).
9. Быть способным на стадии оформления и использования результатов исследования к апробации результатов исследования ФС в студенческих исследовательских микрогруппах, на групповых семинарах, к экспертной оценке результатов преподавателем на промежуточных зачетах и при приеме итогового зачета, к выступлению с докладами на методических конференциях. Быть готовым к публикации результатов исследования в рукописном студенческом сборнике физических учебных задач, тезисов и статей в журналах и материалах конференций, рукописей курсовых и выпускных квалификационных работ. Быть способным использовать полученные результаты на практических занятиях по решению физических задач в вузе и во время педагогической практики на уроках физики.
10. Осуществлять критический анализ результатов, полученных в исследовании: оценку полноты раскрытия сущности обобщенной ФС циклом из десяти задач.
11. Осуществлять рефлексию как способ осознания своей собственной деятельности, ее целей, содержания, форм, способов, средств: самооценка своей собственной деятельности по выделению ФС и ее изменению, составлению цикла задач, их решению и исследованию ре-
зультатов решения этих задач; оценка дидактических возможностей составленного цикла задач и возможности выполнения исследования данной обобщенной ФС иным циклом задач.
12. Осуществлять научную рефлексию как способ построения новых систем знаний: обнаруживать, выделять и принимать к исследованию новые (последующие, вытекающие из предыдущих) физические ситуации.
Разумеется, что этот перечень содержательных элементов исследовательской компетенции, которые можно сформировать у будущего учителя физики при выполнении им теоретического исследования с помощью циклов физических учебных задач, заучиванию и запоминанию не подлежит. «.. .Все это должно стать естественным результатом обучения в самостоятельной познавательной деятельности» [10, с. 26].
В предлагаемом нами теоретическом исследовании в рамках учебной деятельности по изучению физики важны самостоятельная поисковая деятельность по выявлению физической ситуации, составлению с ее помощью физических задач, созданию новых ФС за счет дополнительного мысленного, предполагаемого воздействия на объект ФС, создание новых ФС как составных частей обобщенной ФС, составление цикла физических задач, их решение и исследование (анализ), что и составляет суть учебного исследования теоретического материала с помощью физических задач.
Самостоятельная исследовательская деятельность будущего учителя физики по теоретическому исследованию учебного материала, выполняемая в тесном сотрудничестве с преподавателем, предполагает:
- использование в учебном процессе современных информационно-коммуникационных технологий, что будет стимулировать формирование и развитие информационной компетенции;
- совместную работу студента с его товарищами, преподавателями, другими специалистами, что будет стимулировать формирование и развитие коммуникативной компетенции.
Реализацию схемы предлагаемого для будущих учителей физики теоретического исследования с помощью системы задач рассмотрим на примере исследования специально выделенной учебной физической ситуации «Движение тела в поле силы тяжести».
В физическую ситуацию в качестве основных исходных элементов включаем:
- объект - физическое тело массы т, моделью которого является материальная точка;
- явление - движение тела в поле силы тяжести или гравитационное взаимодействие тела
с землей, порождающее свободное или несвободное падение тела (первый уровень формирования представления о модели);
- модели (явления) - модели равноускоренного и равномерного движения тела;
- законы - уравнения, описывающие равноускоренное и равномерное движение материальной точки;
- физические и геометрические величины -путь, перемещение, скорость, ускорение, угол и др.
Проблемой для исследуемой физической ситуации выберем вопрос о том, как определить, чему равно, от изменения каких начальных условий и как будет зависеть время полета тела в поле силы тяжести. Уточним, это проблема только учебно-исследовательской задачи.
В проблеме как особой форме знания сущность рассогласования знания фиксируется вопросом, который позволяет сфокусировать и выявить главное противоречие и содержание проблемной ситуации. Проблема - это такой вопрос, ответ на который отсутствует в накопленном человечеством знании, в то время как ответ на вопрос-задачу выводится из знания, содержащегося в самом условии задачи [7].
В качестве гипотезы сформулируем утверждение, что время полета тела будет зависеть от начальной скорости, направления и высоты бросания, формы земной поверхности или иных воздействий на тело. Это также гипотеза только учебно-исследовательской задачи. Г ипотеза есть знание, в основе которого лежит предположение значительной степени вероятности, она всегда включает в себя момент неопределенности, являет собой предположение того или иного рода. Все наши научные знания гипотетичны по своему происхождению. Субъективные знания студента, которые он усваивает в процессе обучения, также можно считать гипотетичными.
Для выяснения истинности гипотезы организуем учебную деятельность студентов по составлению на основе выделенной физической ситуации соответствующих физических задач, их последовательное решение и исследование (анализ) решения каждой задачи.
Время движения тела в поле силы тяжести
1. Гладкую шайбу массой т, лежащую на гладкой горизонтальной поверхности, толкнули со скоростью и0. Определите время, в течение которого шайба пройдет путь I.
2. Камень массой т брошен с земли вертикально вверх с начальной скоростью и0. Определите время полета камня.
3. Камень массой т брошен с земли под углом а к горизонту с начальной скоростью и0. Определите время полета камня.
4. Камень массой т отпущен на высоте h от поверхности земли. Определите время полета камня.
5. Камень массой т брошен на высоте h от земли вертикально вверх с начальной скоростью и0. Определите время полета камня.
6. Камень массой т брошен на высоте h от земли вертикально вниз с начальной скоростью и0. Определите время полета камня.
7. Камень массой т брошен на высоте h от земли горизонтально с начальной скоростью и0. Определите время полета камня.
8. Камень массой т брошен на высоте h от поверхности земли под углом а к горизонту с начальной скоростью и0. Определите время полета камня.
9. Камень массой т брошен на высоте h от поверхности земли под углом а к горизонту с начальной скоростью и0. Определите время полета камня, если горизонтально дует встречный ветер, создающий движению камня постоянную силу сопротивления.
10. Камень массой т брошен на высоте h от основания наклонной плоскости под углом а к горизонту с начальной скоростью и0 вверх наклонной плоскости, которая расположена под углом в к горизонту. Определите время полета камня, если горизонтально дует встречный ветер, создающий движению камня постоянную силу сопротивления.
Учебно-исследовательской задачей, способной формировать предметную исследовательскую компетенцию будущего учителя физики, в рассматриваемом нами случае является не каждая конкретная из вышеприведенных задач, а вся система (цикл) из 10 задач, которые могут именоваться учебно-исследовательской лишь в том случае, если они составлены и поставлены студентом по выделенной им физической ситуации с целью ее исследования, а также выполнено решение этих задач и исследование (анализ) всех решений на частные и предельные случаи и соответствие решений одних задач другим.
Решение и исследование каждой из десяти задач мы не приводим, хотя подчеркнем, что именно эта деятельность студентов позволяет построить один из самых важных этапов теоретического исследования физической ситуации.
Обобщенную программу теоретического исследования с помощью системы задач можно представить, таким образом, состоящей из следующих этапов:
1. Выделение конкретной физической ситуации в учебном материале.
2. Выявление в ней объекта, явления, модели, физических величин.
3. Составление на основе физической ситуации задачи 1.
4. Решение задачи 1 в общем виде на основе анализа и моделирования физической задачной ситуации.
5. Анализ полученного результата задачи 1 (исследование полученной математической формулы на предельные и частные случаи).
6. Составление на основе измененной физической ситуации задачи 2.
7. Повторение для задачи 2 пунктов 4 и 5.
8. Составление, решение и исследование последующих задач 3-10.
9. Обнаружение связей между физическими ситуациями с помощью решенных физических задач с целью обобщения физической ситуации.
10. Контроль правильности решения задач и элементы рефлексии.
11. Апробация результатов исследования в процессе учебных занятий в школе и вузе, составление сборников задач, подготовка методических рекомендаций.
12. Осуществление научной рефлексии как способа построения новых систем знаний (принятие к исследованию новых физических ситуаций).
Образцы систем (циклов) учебных задач по всем разделам школьного курса физики, которые можно использовать на начальном этапе обучения студентов, представлены в сборнике задач [11].
Контроль и диагностика уровня сформиро-ванности у будущих учителей физики предметной исследовательской компетенции, формируемой при выполнении теоретического исследования с помощью систем (циклов) физических учебных задач, осуществляется непосредственно в процессе учебной деятельности при составлении и решении задач, а также по ее итогам экспертными оценками специалистов-преподавателей.
Выводы
Самостоятельная поисковая деятельность по выявлению физической ситуации, составление с ее помощью физических задач, создание новых физических ситуаций за счет моделирования дополнительного воздействия на физический объект, составление системы (цикла) физических задач, их решение и исследование (анализ) представляют собой теоретическое исследование, которое соответствует конкретно-научной и общенаучной методологии.
Под предметной исследовательской компетенцией, которая должна быть сформирована у будущего учителя физики в процессе учебноисследовательской деятельности, можно понимать отчужденные, заранее заданные социальные требования (нормы) к профессиональной подготовке обучающегося, необходимые для его эффективной продуктивной исследовательской деятельности в области физики, заключающиеся в способности обнаружить физическую проблему, осознать необходимость ее решения и выполнить операции по её разрешению в соответствии с фазами, стадиями и этапами методологии научного исследования.
Предметной исследовательской компетентностью будущего учителя физики будет совокупность личностных качеств обучаемого (ценностно-смысловых ориентаций, знаний, умений, навыков, способностей), обусловленных усвоением ориентировочной основы и опыта исследовательской деятельности по методологии научного исследования в процессе изучения физики.
Список литературы
1. Жук О.Л. Педагогическая подготовка студентов: компетентностный подход. Минск: РИВШ, 2009. 336 с.
2. Савенков А.И. Педагогическая психология. В
2 т. Т. 2. М.: Издательский центр «Академия», 2009. 240 с.
3. Яковлева Н.М. Формирование исследовательских умений у студентов педагогического вуза: Дис. ... канд. пед. наук. Челябинск, 1977. 192 с.
4. Успенский В.В. Школьные исследовательские задачи и их место в учебном процессе: Дис. ... канд. пед. наук. М., 1967. 283 с.
5. Шамова Т.И. Проблемность - стимул познавательной активности // Народное образование. 1966. № 3. С. 32-37.
6. Шашенкова Е.А. Исследовательская деятельность в условиях многоуровневого обучения: Монография. М.: АПК и ППРО, 2005. 132 с.
7. Микешина Л.А. Философия науки: Современная эпистемология. Научное знание в динамике культуры. Методология научного исследования. М.: Прогресс-Традиция: МПСИ: Флинта, 2005. 464 с.
8. Майданов А.С. Методология научного творчества. М.: Издательство ЛКИ, 2008. 512 с.
9. Новиков А.М., Новиков Д.А. Методология. М.: ИНЕРГ, 2007. 668 с.
10. Разумовский В.Г., Майер В.В. Физика в школе. Научный метод познания и обучение. М.: Гуманитар. изд. центр «ВЛАДОС», 2004. 463 с.
11. Белянин В.А. Сборник задач по физике: Учебное пособие. Йошкар-Ола, 2010. 94 с.
EDUCATIONAL RESEARCH PROBLEMS AS A MEANS FOR SHAPING RESEARCH COMPETENCE OF FUTURE PHYSICS TEACHERS
V.A. Belyanin, N.S. Purysheva
Research competence of the future physics teachers in their field is based on the methodology of scientific research. It is proposed to form research competence using special research problems to be solved by the students.
Keywords: future physics teacher, research competence, educational research problem, methodology of scientific research.
