CC BY
2
ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 373.6
Б01 10.52452/18115942_2023_4_204
ВЫПОЛНЕНИЕ МНОГОУРОВНЕВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ КАК СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЗНАВАТЕЛЬНЫХ УМЕНИЙ УЧАЩИХСЯ В РАМКАХ ПРОПЕДЕВТИЧЕСКОГО КУРСА ФИЗИКИ В НАЧАЛЬНОЙ И ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ
© 2023 г. Ю.В. Масленникова, Е.В. Чупрунов
Масленникова Юлия Владимировна, д.пед.н.; доц.; доцент кафедры педагогики и управления образовательными системами Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского; учитель физики гимназии № 2 г. Н. Новгорода ша81епшкоуа.уиНуа.61 @тай.ги Чупрунов Евгений Владимирович, д. ф.-м. н.; проф.; заведующий кафедрой кристаллографии и экспериментальной физики Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского
chuprunov@phys. ипп. ги
Статья поступила ьредакцию 15.09.2023 Статья принята к публикации 27.10.2023
Цель работы - следуя основной тенденции в развитии современного естественно-научного образования и положений, содержащихся в Концепции преподавания учебного предмета «Физика» в образовательных организациях РФ, показать, что познавательные и простейшие методологические умения у учащихся успешно формируются в ходе изучении пропедевтического курса физики. Разработанная методика является одним из вариантов методики, известной как «обучение через открытие». Основой методики является формирование и развитие физических представлений и понятий на основе проблемного качественного эксперимента. Методы, используемые в преподавании созданного курса, учитывают специфику познавательной деятельности учащихся каждого возраста и предусматривают расширение и усложнение объектов и способов самостоятельной познавательной деятельности учащихся. При этом преподаватель направляет поисковую деятельность ученика, постепенно выдавая ему экспериментальные задания более высокого уровня сложности, рассчитывая на то, что он сможет самостоятельно получить требуемое познавательное содержание из объекта усвоения. Длительный педагогический эксперимент, поставленный в рамках детского исследовательского клуба «Ку-либин» ННГУ и ряде школ г. Н. Новгорода показывает, что методика является эффективной, поскольку позволяет формировать у учащихся познавательные умения в ходе исследовательской деятельности на разных этапах изучения физики в системе дополнительного образования в начальной и основной школе. Наблюдение за дальнейшим обучением учащихся в средней школе дает возможность подтвердить вывод об эффективности разработанной методики и позволяет ее совершенствовать.
Ключеьые слоьа: раннее обучение физике, развитие познавательного интереса, многоуровневые экспериментальные задания, исследовательская деятельность учащихся.
Введение
Многочисленные теоретические работы и опыт преподавания физики доказывает, что интерес к явлениям природы возникает у детей от 6-7 до 11-12 лет, поэтому педагогическим средством поддержки и формирования такого интереса может быть раннее обучение физике, нацеленное на формирование познавательных умений учащихся. Научное познание развивается по спирали, каждый виток которого образует частично замкнутый цикл. «В.Г. Разумовский первым обратил внимание на то, что в ходе изу-
чения физики необходимо использовать систему замкнутых циклов научного познания, которыми последовательно овладевают учащиеся» [1], отмечая, что процесс научного познания и его дидактическая конструкция содержит единую последовательность действий, которая приводит к формированию требуемых познавательных умений учащихся:
- наблюдать, описывать и анализировать наблюдаемые явления;
- выдвигать гипотезы на основе знания основополагающих законов физики;
- формулировать цель исследования;
- планировать и проводить эксперимент;
- измерять и обрабатывать результаты измерений, обнаруживать зависимости между величинами и объяснять полученные результаты.
При этом следует учитывать, что математический аппарат физики требует достаточно высокого уровня абстракции и освоение этого языка становится доступным лишь с определенного возраста. Значит, на раннем этапе обучения нужны особые эвристические подходы, которые базируются на эмпирическом познании, и выстроенная многоуровневая система заданий, которые предлагаются учащимся на занятиях.
Постановка проблемы
По результатам международного мониторингового исследования качества школьного математического и естественно-научного образования TIMSS (Trends in International Mathematics and Science Study), проведённого в 2003-2019 годах, российские выпускники начальной школы постоянно находятся в числе лидеров [2-4]. Причём большая часть заданий, обычно предлагаемых выпускникам четвёртого класса в этом исследовании, не соответствует содержанию российских программ. Из семи тем в блоке «Физические науки» в курсе «Окружающий мир» изучаются только две - «Классификация веществ» и «Изменение агрегатных состояний», причём достаточно эпизодически. На вопросы, связанные со знанием различных источников энергии, тепловых, звуковых, световых, электрических и магнитных явлений, а также темы «Силы и движение» учащимся приходится отвечать на основе здравого смысла и знаний, полученных в ходе повседневного опыта. Наиболее впечатляющими являются результаты при выполнении заданий в разделах «Электричество и магнетизм». Большинство учащихся правильно указывают полюсы магнита на рисунке, изображающем отталкивающиеся постоянные магниты, правильно указывают на вещества, легко намагничивающиеся в магнитном поле постоянного магнита. То есть при отсутствии в программе упоминаний о магнитах учащиеся начальной школы не просто представляют себе их основное свойство (притягивать железные предметы), но и различают полюсы магнита и условия их взаимодействия. Судя по выполнению заданий из раздела «Электричество», выпускники начальной школы представляют себе не только основные составляющие электрической цепи, но и понимают необходимое условие её работы - замкнутость цепи, причём обязательно проводящим ток ма-
териалом, и наличие источника тока (гальванической батарейки). Это лишний раз свидетельствует об интересе учащихся к физическим явлениям, их наблюдательности, доступности и влиянии современных источников информации на развитие познавательных интересов учащихся, необходимости развития спонтанно полученных знаний, вовлечения их в систематическую учебную работу.
Многолетний опыт исследовательской работы показывает, что познавательные и простейшие методологические умения успешно формируются уже в 5-6 классе при изучении пропедевтического курса физики [5-9]. На этом этапе продолжается начатое в начальной школе знакомство учащихся с основными явлениями природы и такими элементарными приёмами научного метода, как наблюдение, описание увиденного, выполнение простейших измерений, выявление закономерностей, проведение эксперимента и предсказание его результатов [10].
В настоящее время в педагогической психологии и образовательной практике чрезвычайно высок интерес к поисковой активности ребёнка как важнейшему ресурсу его развития [11, 12]. В плане дидактики оно основано на биологической предопределённости потребности ребёнка познавать окружающий мир. Именно это внутреннее стремление к познанию через собственные исследования порождает исследовательское поведение и создаёт условия для формирования познавательных умений учащихся.
Разработка концепции. В основу разрабатываемой концепции раннего обучения физике и реализующей её методики нами положен си-стемно-деятельностный подход, согласно которому личность формируется в деятельности, в нашем случае познавательной, при условии, что эта деятельность важна для учащегося, интересна и успешна [13, 14].
Наиболее общей и существенной закономерностью психического развития ребёнка является смена сенситивных периодов в определенной последовательности [15]. В.П. Зинченко обращает внимание на то, что существование и последовательность этих периодов ставят проблему подбора соответствующего предметного, знакового, символического содержания, а также соответствующих этим периодам методов обучения [16]. Как уже отмечалось, в раннем подростковом возрасте особый интерес учащихся связан с физическими явлениями, а значит, физика, как учебный предмет, адаптированный под возрастные особенности учащихся, должна составлять необходимый элемент обучения и развития.
Разработанная концепция раннего обучения созвучна с концепцией предмета «Физика» [17], в которой отмечается необходимость:
- корректировки содержания курса «Окружающий мир», заключающейся во введении новых элементов содержания, позволяющих учащимся познакомиться с основными физическими явлениями;
- ликвидации разрыва в естественно-научном образовании в 5-6 классе, который произошел после введения отдельных курсов географии и биологии и отказа от изучения курса «Естествознание», включающего элементы физики.
Важным элементом концепции является систематичность и последовательность формирования познавательных умений учащихся в ходе доступной им исследовательской деятельности, при постепенном расширении и усложнении объектов деятельности, основанном на особенностях психического развития учащихся и соответствующих им методах педагогического воздействия.
В современных условиях развитие познавательных умений и формирование научного типа мышления учащихся становится возможным на базе существенно обновлённой системы обучения, широко использующей возможности дополнительного образования и внеурочной деятельности. При этом важно понимать, что термин «дополнительное образование» относится не только и не столько к предметному содержанию, ограниченному учебными программами, сколько к самому процессу приобретения школьниками дополнительного опыта деятельности. В сущности, «дополнительное образование - это мотивированное образование, позволяющее ученику приобрести устойчивую потребность в познании и творчестве и максимально реализовать себя» [18].
Оптимальное построение педагогического процесса подразумевает активное использование закономерностей и характеристик процесса восприятия и мышления учащихся, а отбор содержания и способы его предъявления основываются на одном из главных дидактических принципов - принципе доступности.
Методика и опыт работы
В основу методики работы с учащимися начальной школы и учащимися 5-6 классов положены закономерности онтогенетического развития психики ребёнка, связанные с переходом от наглядно-действенного и наглядно-образного к словесно-логическому и абстрактному мышлению, рождение интереса к естествознанию как мотива к активной деятельности.
Разработанная методика является одним из вариантов методики, известной как «обучение через открытие» [19]. Основой методики явля-
ется формирование и развитие физических представлений и понятий на основе проблемного качественного эксперимента. Она «учитывает специфику познавательной деятельности учащихся каждого возраста и предусматривает расширение и усложнение объектов и способов их самостоятельной познавательной деятельности по мере продвижения от начальной к средней школе» [20].
Психолого-педагогической основой разработанной методики является введённое Л.С. Выготским представление о влиянии обучения на динамику развития ребёнка и понятия «зоны актуального и зоны ближайшего развития». Зона актуального развития - это сегодняшние возможности ребёнка. Зона ближайшего развития - всё то, что сегодня ребёнок выполняет в сотрудничестве, а завтра сможет выполнять самостоятельно. На процесс формирования познавательных умений учащихся оказывает влияние не только масштаб зоны ближайшего развития, но и оптимальное для конкретной педагогической ситуации соотношение действий учащегося, выполненных по собственной инициативе, и его действий, инициированных учителем. При традиционном обучении основная роль отводится репродуктивным действиям. Они необходимы, но масштаб зоны ближайшего развития при этом ограничен, а вклад собственных и преобразующих действий учащегося относительно мал.
В предлагаемой организации учебного процесса на занятии ученику постоянно открываются не только ближайшие, но и дальние перспективы. В этом случае одна из важнейших функций учителя состоит в раскрытии программы предстоящих действий ученика. В начальной школе основой усвоения материала является слово, рассказ учителя и показ образца выполнения заданий, имея который ученик может создать собственный продукт, проявив творческое начало. В 5-6 классе опора делается на самостоятельное добывание знаний об объекте в ходе активной деятельности. При этом преподаватель направляет поисковую деятельность ученика, постепенно выдавая ему экспериментальные задания более высокого уровня сложности, рассчитывая на то, что ученик сможет самостоятельно получить требуемое познавательное содержание из объекта усвоения.
На занятиях в начальной школе учителем создаётся проблемная ситуация, которая связана с недостатком имеющихся у учащихся знаний. В ходе проведения фронтальных экспериментов они обнаруживают интересное физическое явление, которое требуется объяснить. При этом
Рис. 1. Эксперимент с коробкой, Рис. 2. Выполнение эксперимента
имеющей смещённый центр масс с картонным образцом
учитель сам формулирует проблему и решает её, обозначая учащимся определённые этапы научного познания. Учащиеся учатся наблюдать, описывать и анализировать изучаемое явление.
В ходе проведения занятий в 5-6 классе одна из важнейших функций учителя состоит в формировании программы предстоящих действий ученика. Учащиеся учатся самостоятельно выдвигать гипотезы на основе знания основополагающих физических законов, измерять и обрабатывать результаты измерений, обнаруживать зависимости между величинами. Расширяется спектр вопросов, которые предлагаются учащимся для индивидуальных исследований, а сами исследования постепенно выводятся на новый качественный уровень. Все названные аспекты дополнительного образования реализованы на занятиях в детском научно-исследовательском клубе «Кулибин», созданном при Нижегородском государственном университете [21, 22] и ряде школ г. Нижнего Новгорода, реализующих программы раннего обучения физике.
Приведем небольшой пример, иллюстрирующий реализацию предлагаемой методики.
На занятии в начальной школе по теме «Статика» учитель ставит проблемный эксперимент, располагая прямоугольную коробку со смещённым центром тяжести на краю стола (рис. 1), и предлагает провести вариант эксперимента с пустыми коробками самим учащимся. В ходе эксперимента обнаруживается, что пустая коробка начинает падать со стола, как только она смещается больше чем наполовину. Учитель предлагает высказать гипотезу о явлении, а за-
тем провести некоторую модификацию эксперимента и рассмотреть поведение плоских тел (картонных образцов).
В ходе эвристической беседы ученики подводятся к самостоятельному выводу о существовании у фигуры «центра тяжести». Ученикам интуитивно понятно, что центр тяжести квадратного картонного образца должен находиться в центре квадрата, но им предстоит это доказать в ходе контрольного эксперимента.
Следует отметить, что впервые экспериментальный метод определения центра тяжести плоских тел предложен Архимедом в книге «О равновесии плоских фигур». Учёный доказал, что «у всякого параллелограмма центром тяжести будет точка, в которой встречаются диагонали» (Книга 1. Утверждение 10) [23], и подтвердил это на опыте.
Действуя по образцу, учащиеся догадываются, что нужно уравновешивать картон на краю стола. Эмпирическим путём они находят положение неустойчивого равновесия. На фигуре проводится линия, аналогичная одной из линий, представленных на рисунке 3. Затем проводится вторая линия и на пересечении линий отмечается центр тяжести. Учащимся предлагается проверить его местоположение экспериментально, подперев фигуру в обозначенной точке карандашом. Далее учитель предлагает учащимся освоить новый алгоритм экспериментальных действий, последовательно подвешивая второй такой же картонный образец на стержне штатива, используя отверстия, расположенные в углах квадрата, и проводя линию действия силы тяжести вдоль отвеса.
Рис. 4. Конструирование картонного образца со смещённым центром масс
Рис. 5. Положение неустойчивого равновесия картонного образца и несколько пересечений полученных линий
Рис. 6. Вариант пересечения линий, проведённых вдоль отвеса
После выполнения эксперимента с квадратными картонными образцами учащимся предлагается вернуться к первому эксперименту и изготовить картонный образец со смещённым центром масс, используя лекала, а затем убедиться, что конструкция будет устойчивой (рис. 4), уравновешивая ее на краю стола или на горизонтально натянутой нити.
В 5-6 классе основной школы (на втором этапе обучения) учащиеся выполняют более сложные задания. Преподаватель предлагает определить центр тяжести картонного образца произвольной формы разными способами, выдавая два одинаковых образца.
Используя приобретённые в начальной школе знания, умения и навыки, учащиеся без труда находят центр масс образца, воспроизводя известные алгоритмы (рис. 5 и 6). Проверка правильности полученного результата может быть проведена экспериментально или простым наложением двух одинаковых образцов. В ходе анализа полученных результатов, учащиеся должны объяснить: какой способ выполнения эксперимента оказался точнее и почему? Объяснение состоит в том, что первый метод даёт значительную погрешность, поскольку трудно точно зафиксировать положение неустойчивого равновесия картонного образца на краю стола.
Рис. 7. Треугольник, разбитый на параллельные сегменты
Рис. 8. Нахождение центра тяжести плоской фигуры
методом Архимеда
My
//Mo
тт.т -// J
т
N,
Рис. 9. Нахождение центра тяжести плоской фигуры методом Архимеда
При каждом положении образца накапливается ошибка в проведении линии равновесия, и в результате в каждом положении точка определяется с погрешностью несколько миллиметров.
В основу нового цикла исследований, иллюстрирующего тесную связь физики и математики, может быть положено ещё одно утверждение Архимеда из книги «О равновесии плоских фигур»: «У всякого треугольника центром тяжести будет точка, в которой встречаются прямые, проведённые из углов к серединам сторон» (Книга 1. Утверждение 14). Учащимся предлагается геометрическим способом определить центр тяжести треугольника (рис. 3) и проверить результат экспериментально. В качестве информации, расширяющей предметное поле и являющейся основой для дальнейших исследований, полезно сообщить учащимся, что Архимед доказал утверждение № 14, разбив треугольник на отдельные параллельные сегменты (весомые рычаги), центры тяжести которых легли на медиану (рис. 7). Поскольку представление об условии равновесия рычага учащиеся получили в ходе изучения физики в начальной школе, на имеющие знания можно опираться.
В качестве задания повышенной сложности, идеи которого расположены в «зоне ближайшего развития», учащимся предлагается задание, связанное с определением центра тяжести более сложной фигуры, которую можно разбить на два треугольника (рис. 8).
При этом предварительно подробно разбирается аналогичная задача и описывается весь алгоритм действий (рис. 9).
Для поддержки образовательного процесса нами разработаны учебные и учебно-мето-
дические пособия, помогающие организовывать занятия с учащимися [24-27].
Заключение
Обобщая, следует отметить, что в свете основной тенденции развития естественнонаучного образования в России процесс формирования познавательных умений учащихся необходимо начинать с раннего школьного возраста, расширяя содержательное поле и организуя необходимый объем и уровень познавательной деятельности на каждом этапе обучения. При этом формирование познавательных умений учащихся, связанных с экспериментальной деятельностью, рассматривается в плане комплексной инновации, теоретически разработанной, методически обеспеченной и практически реализованной.
Список литературы
1. Вараксина Е.И., Майер В.В. Учебные проекты по школьному физическому эксперименту. 7 класс. Дидактические ресурсы проектной деятельности. 7 класс. М.: Флинта: Наука, 2017.
2. Демидова М.Ю. Основные результаты естественнонаучной части исследования TIMSS для начальной школы // Педагогические измерения. 2017. № 2. С. 30-34.
3. Пентин А.Ю., Ковалёва Г.С., Давыдова Е.И. и др. Состояние естественнонаучного образования в российской школе // Вопросы образования. 2018. № 1. С. 99-109.
4. Результаты исследования TIMSS - 2019. URL: https://www.ivege.ru/uploads/files/2021/Деятельность/ Tims/TIMSS%202019.pdf (дата обращения: 12.06.2023).
5. Исаев Д. А. Формирование первоначальных физических представлений у учащихся младшего подросткового возраста: Дис. ... канд. пед. наук. М., 1992. 126 с.
6. Даммер М.Д. Методические основы построения опережающего курса физики основной школы: Дис. ... докт. пед. наук. М.Д. Челябинск, 1997. 443 с.
7. Шулежко Е.М. Разработка структуры и содержания пропедевтического курса физики на основе метода научного познания: Автореф. дис. ... канд. пед. наук. М., 2003. 20 с.
8. Степанова Г.Н. Раннее обучение физике // Физика в школе. 2007. № 4. С. 6-12.
9. Масленникова Ю.В. Влияние пропедевтического курса физики 5-6 класса на уровень развития исследовательских навыков учащихся // Проблемы учебного физического эксперимента. Сборник научных трудов. Вып. 25. М.: ИСМО РАО, 2015. С. 41-44.
10. Даммер М.Д. Пропедевтику физики - с начальной школы. URL: http://fiz.1september.ru/2006/ 16/03.htm
11. Занков Л.В. К вопросу о соотношении обучения и развития // Психологическая наука и образование. 1996. № 4.
12. Савенков А.И. Эффективная организация исследовательского обучения // Народное образование. 2011. № 6. С. 179-181.
13. Выготский Л.С. Развитие высших психических функций. М.: Издательство АПН, 1960.
14. Асмолов А.Г. Системно-деятельностный подход в разработке стандартов нового поколения // Педагогика. 2009. № 4. С. 18-22.
15. Лейтес Н.С. К проблеме сензитивных периодов психического развития человека. М.: Наука, 1978.
16. Зинченко В.П., Моргунов Е.Б. Человек развивающийся. Очерки российской психологии. М.: Три-вола, 1994.
17. Концепция преподавания учебного предмета «Физика» в образовательных организациях РФ, реализующих основные образовательные программы. Утверждена Решением Коллегии Министерства Просвещения РФ. Протокол от 03.12.2019 г. № ПК-4вн
18. Майер Р.В. Проблема формирования системы эмпирических знаний по физике: Автореф. дис. ... д-ра пед. наук. СПб., 1999. 36 с.
19. Брунер Д. и др. Исследование развития познавательной деятельности. М., 1971.
20. Масленникова Ю.В. Формирование умений учащихся использовать научный метод познания в системе основного и дополнительного физического образования: Автореф. дис. . докт. пед. наук. Н. Новгород, 2019. 41 с.
21. Масленникова Ю.В., Фаддеев М.А., Зворыкин И.Ю. Использование научного метода познания в системе дополнительного физического образования в школе // Физика в школе. 2020. № 3. С. 23-30.
22. Масленникова Ю.В., Зворыкин И. Ю. Система дополнительного физического образования в начальной и основной школе в рамках детского исследовательского клуба «Кулибин». Приоритетные направления развития науки и образования: Монография / Под общ. ред. Г.Ю. Гуляева. Пенза: МЦНС «Наука и просвещение», 2020 (электронное издание).
23. Наука. Величайшие теории. Вып. № 7. Эврика! Радость открытия. Архимед. М.: Де Агостини, 2015. 160 с.
24. Трухаткина И.В. Рабочая тетрадь члена детского научно-исследовательского клуба «Кулибин». 1 год обучения. Н. Новгород: Типография ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2015. 47 с.
25. Физика-5. Учебное пособие для учащихся 5 класса / Сост. Ю.В. Масленникова. Н. Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2016. 83 с.
26. Физика-6. Учебное пособие для учащихся 6 класса / Сост. Ю.В. Масленникова. Н. Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2016. 97 с.
27. Масленникова Ю.В. Физика 5-6 класс. Учебно-методическое пособие. Н. Новгород. Издательство ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2018. 248 с.
PERFORMING MULTI-LEVEL EXPERIMENTAL TASKS AS A WAY OF FORMING COGNITIVE SKILLS OF STUDENTS IN THE FRAMEWORK OF A PROPAEDEUTIC PHYSICS COURSE IN PRIMARY AND SECONDARY SCHOOLS
Yu. V. Maslennikova, E. V. Chuprunov
Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod
The purpose of the work: following the main trend in the development of modern natural science education and the provisions contained in the Concept of teaching the subject "Physics" in educational institutions of the Russian Federation, to show that cognitive and the simplest methodological skills of students are successfully formed during the study of the propaedeutic course of physics. The developed technique is one of the variants of the technique known as "learning through discovery". The basis of the methodology is the formation and development of physical representations and concepts based on a problematic qualitative experiment. The methods used in teaching the created course take into account the specifics of the cognitive activity of students of each age, and provide for the expansion and complication of objects and methods of independent cognitive activity of students. At the same time, the teacher directs the student's search activity, gradually giving him experimental tasks of a higher level of complexity, hoping that he will be able to independently obtain the required cognitive content from the object of assimilation. A long-term pedagogical experiment conducted within the framework of the children's research club "Kulibin" of the UNN and a number of schools in Nizhny Novgorod shows that the methodology is effective, since it allows students to form cognitive skills during research activities at different stages of studying physics in the system of additional education in primary and secondary schools. Monitoring the further education of students in secondary school makes it possible to confirm the conclusion about the effectiveness of the developed methodology and allows it to be improved.
Keywords: early learning in physics, development of cognitive interest, multilevel experimental tasks, research activities of students.
