Лекционныйкурс
по Методике Обучения Физике в Школе и Вузе. (МОФШВ).
Ю.В. Горин.
На самом деле это не курс лекций, а краткий конспект лекций. ЮГ.
ЛЕКЦИЯ 1. Научный опыт в познании и его отражение в обучении физике.
Творческая работа физика–исследователя обязательно предполагает преподавательскую деятельность. Хотя бы на одном из уровней – ученики, студенты, аспиранты, семинары по повышению квалификации. И вторая грань – преподавательская работа обязательно предполагает участие в исследовательской работе по физике или хотя бы в педагогике, например, в методике обучения физике или естествознанию. Только в единстве творчества и педагогики может сформироваться и существовать творческая личность. Эта мысль и положена в идейную основу курса «Методика обучения физике в школе и вузе». Схема занятий, отчетности и контроля построена на тезисе: «Студент – он тоже человек», что автоматически предполагает справедливость ещё одного тезиса: «преподаватель - он тоже человек».
Сейчас вы – студенты, изучившие курс общей физики и что-то ещё из математики, психологии и педагогики. Проблема обучения физике коснулась вас пока с одной стороны. Вы выступали в качестве объекта обучения. Рано или поздно Вы станете учить сами. При освоении этой второй грани проблема не упрощается. Даже более того – трудности возрастают. Вам предстоит выступить в качестве субъекта обучения – учить будете Вы. Эти две грани вашей квалификации - умение учиться и умение учить очень тесно связаны друг с другом, они есть качества единой личности. Оба этих умения и есть предмет дисциплины МОФШВ. Преподавание есть наука и искусство одновременно. И ещё одна деталь: ознакомившись с основами методики обучения, Вы сможете лучше понять ваших преподавателей. До вас дойдет, почему каждый преподаватель считает свой предмет главным. Кроме того, вы будете яснее ощущать логику построения той или иной учебной дисциплины. Изучение МОФ повысит вашу эрудицию в педагогике и методике обучения. Это перспективно, поскольку каждый из вас рано или поздно перейдет в категорию родителей. Но главный компонент в обучении физике - это абсолютное понимание и хорошее знание самой физики и её языка. Взглянув на курс общей физики глазами преподавателя, вы поймете окончательно условность деления нашего предмета на «механику», «молекулярку», электромагнетизм и так дальше. Есть одна наука – физика. И красота её – это красота природы.
Итак, методика обучения физике есть приложение правил («принципов») дидактики к преподаванию учебной дисциплины «Физика». Здесь почти все от науки, но есть и доля искусства. Предмет МОФ – теория и практика обучения физике, теория и практика формирования творческой личности. В «обучении» главная мысль: взаимодействие «учителя» и «обучаемого» - ученика, студента, аспиранта. Учатся не только они, но и учитель, преподаватель. Запомним: процесс формирования творческой личности есть синтез целенаправленной педагогической деятельности преподавателя и познавательной деятельности обучаемых.
В гносеологии (теории познания) принято, что познание бывает субъективным и объективным. Субъективный опыт – чувственное восприятие объекта в целом, во всей красе его взаимодействия с окружающей средой его обитания. На системном языке – восприятие системы в целом, с четкой фиксацией её внешних связей. Объективный, он же научный способ познания есть исследование и понимание внутренней сущности объекта путем анализа все более глубинных структур и процессов в них. В системном представлении – изучение структуры и внутрисистемных связей с неуклонным укрупнением масштаба. Вы уже способны наглядно представить переход от макрообъектов механики твердого тела и термодинамики к кваркам, гравитонам, квантам пространства-времени. В этом отношении физика – образцовая наука, да и не только в этом. В научном опыте принято выделять эмпирический и теоретический уровни познания. Но такое разделение – не более чем способ изучения науки, в реальности эти уровни существуют как единое целое. Эмпирика включает в себя наблюдение, описание на каком-то языке, измерение и эксперимент, то есть то же наблюдение, но в заранее созданных условиях. Условия создаются для того, чтобы получить более или менее вразумительный ответ на заданный природе вопрос. К теоретическому уровню принято относить формализацию, создание системы аксиом и системы гипотез, в которой увязываются в единое целое эмпирические факты. Формализация есть построение мысленных и математических моделей, которые отражают, по нашим нынешним представлениям, наиболее существенные признаки явлений и процессов. Система гипотез, проверенная экспериментально или в наблюдениях, возводится в ранг научной теории.
Здесь много проблем (статистические методы, вероятностная сущность процессов, влияние наблюдателя и т.п.), но в полной мере методология научного познания реализована пока что только в естествознании, где системообразующим компонентом выступает физика. Вот эта мысль о ведущей роли физики на данном этапе эволюции человеческого познания фактически есть научная основа методики обучения физике. «В физике вся соль, остальное все ноль» - в применении к неживой природе это в принципе правильно, особенно если химию трактовать как раздел физики, посвященный взаимодействию и взаимопревращению молекул. Звучит, конечно, несколько нахально, но зато льстит нашему самолюбию. Почти очевидно, что в изучении самой физики и методике обучения физике неумолимо (или неотвратимо) будут объединяться субъективный опыт преподавателя и опыт объективного (научного) познания, изложенный в учебниках, лекциях, наставлениях. Такой синтез станет основой методологии будущей «метанауки».
В соответствии с этой генеральной идеей («парадигмой физического образования») строится и методическая система. В её основе мысль о том, что основная цель обучения физике – формирование творческой личности. Цель определяет и содержание обучения на всех стадиях формирования личности. Наряду с целью и содержанием, в методическую основу входят методы, формы и средства обучения, которые все вместе составляют технологию обучения. Понятие «технологии» очень неоднозначно, оно ближе к субъективному опыту (у каждого своя технология!). Фактически методическая система обеспечивает триаду: Зачем учить? Чему учить? Как учить?
Выбор же конкретной «траектории обучения» - это выбор преподавателя. Ваш выбор, если Вы предполагаете служить обществу в ранге преподавателя. Конечно, есть и ограничения, и определенные правила. Есть закон об образовании, есть образовательные стандарты, рекомендуемые программы. В этих нормативных актах определяется структура образования, включающая начальное, среднее образование, вузы (бакалавриат и магистратура), организации по повышению квалификации и т.д. Есть базисные учебные планы, определяющие объем учебной нагрузки учеников и студентов. В этих планах обозначены образовательные области, определены федеральный, региональный и школьно-вузовские компоненты образования. Подробное знакомство с этими документами целесообразно перенести на начало преподавательской деятельности, ибо система эта динамичная, реагирующая на изменение потребностей. Иногда, правда, с изрядным запаздыванием, и с изрядной долей министерского волюнтаризма. Но знать об их существование нужно заранее.
Лекция 2. Эволюция обучения физике. Научные и методические особенности разных этапов обучения физике в системе среднего и высшего профессионального образования.
Всякая наука в России, и наша тоже, начинается с академика Михайлы Васильевича Ломоносова. Он первым написал учебник по физике, он же первым организовал обучение группы то ли студентов, то ли аспирантов – юношей, «способных к наукам». Десятки лет после него ученые мужи вели обучение своих студентов по рукописным курсам, составленным на основе учебника Ломоносова. Учебники не издавались, несмотря на бурное развитие книгопечатания. Только в 1839 г появилось первое печатное издание по физике. Это была книга Э.Х.Ленца «Руководство к физике для гимназий». Ближе к концу 19-го века появилась «Физика» К.Д. Краевича, которая служила основным учебником по физике в гимназиях и реальных училищах вплоть до 20-х годов 20-го века. В университетах использовались учебники преподающих профессоров, методически очень разнообразные. Первой книгой по обучению физике была книга Ф.Н.Шведова «Методика физики», изданная в 1894г. Федор Никифорович Шведов был ректором Новороссийского университета в Одессе и физиком, заложившим основы реологии дисперсных систем. Как вы помните по истории, конец 19-го века был временем интенсивного промышленного развития в России, и деятели образования уже тогда понимали, что без физики не будет ни грамотных инженеров, ни перспективных открытий в естествознании. Поэтому вслед за книгами Краевича и Шведова появилась серия учебников разного уровня по специальным разделам физики, в том числе и методике преподавания. К 1916 г. преподавание физики в России было обеспечено и учебниками, и методическими руководствами. В университетском обучении по-прежнему были в ходу персонализированные курсы лекций, создаваемые ведущими учеными с привязкой содержания курсов к наличию демонстрационно-лабораторного оборудования. Именно в начале 20-го века в обучение студентов был введен такой компонент, как лабораторный практикум.
После революции 1917 года начались поиски новых форм обучения вообще и физике в частности. Определяющими в этом поиске были потребности нового общества: необходимость массового обучения («ликвидация безграмотности») и необходимость индустриализации страны. Требование массовости привело к созданию стабильных курсов физики в школе и в вузах, ориентированных на некую «среднюю личность». Индустриализация вызвала техническую направленность в трактовке физики и в обучении ей. Обучение физики (содержание и методика) перестали быть делом отдельных ученых. В 30-х годах в вузах были созданы кафедры методики обучения физике. Появились специализированные лаборатории и НИИ. В школах работали по единому учебнику И.И.Соколова, а затем А.В.Перышкина. В последние десятилетия появились курсы Г.Я. Мякишева, академиков И.К. Кикоина и А.К. Кикоина. Сейчас очень востребованы УМК В.А.Касьянова и умк Н.С. Пурышевой. С 1934 г. издается научно-методический и теоретический журнал «Физика в школе», с 1970 г. – журнал «Квант». В системе высшего образования в 30-40 –х годах стабильного учебника не было. В 20-х годах в ходу был пятитомник Хвольсона О.Д., с великолепными иллюстрациями. Были отдельные то ли учебники, то ли монографии по разделам физики типа «Оптики» Г.С. Ландсберга. В начале 50-х годов появился «Курс физики» выдающегося спектроскописта и оптика С.Я. Фриша, написанный им вместе с женой А.В.Тиморевой. Была переработана и в 1947 г. переиздана «Оптика» Ландсберга. В 1944 г. вышел и потом многократно переиздавался учебник Э.В. Шпольского «Атомная физика». В 50 – 70 г.г. появились многоцелевые учебные курсы И.В. Савельева (МИФИ), Д.В. Сивухина (МФТИ), А.Н. Матвеева (МГУ), учебники для технических вузов А.А. Детлафа и В.Д. Яворского МЭИ), Т.И. Трофимовой. Особняком стоит курс теоретической физики Л.Д. Ландау и И.М. Лифшица. Это не учебник, а энциклопедия. Было создано много специализированных курсов по разным разделам физики, типа «Квантовой механики» Д.И.Блохинцева. Ещё раз подчеркну – эволюция методики и средств обучения есть «сколок» эволюции физики, а она, в свою очередь, есть отражения изменений в потребности общества. В последние годы все сильнее работают тенденции интеграции. Соответственно, в школах все чаще обращаются к курсам физики под редакцией А.А. Пинского, а в вузах - к нестандартным учебникам типа «Фундаментального курса физики» проф. А.Д. Суханова. Интенсивно обсуждается вопрос о введении в средней школе интегрированного курса «Естествознание», с обеспечением учебниками и лабораторным оборудованием. Но это – в далеком будущем, потому что пока не могут даже договориться о концептуальном построении таких курсов. Переход к новой парадигме образования, когда во главу угла ставится подготовка широкообразованной личности, породили массу проблем и в методике обучения. Мы перестали понимать, какую именно физику целесообразно преподавать. Особенно в связи с переходом на бакалавриат и магистратуру. И не только для физиков или инженеров физического профиля. Даже для традиционных инженеров-механиков. То ли опять «технизировать», как это было в школьном учебнике И.И. Соколова и в вузовском пособии К.А. Путилова, то ли преподавать что-нибудь фундаментальное. Ясно одно – выводы формул должны исчезнуть, инженерам нужны конечные рабочие формулы. А выводы должны составлять «технологию» профессиональных физиков. Поживем – увидим.
Грустно, но старые противоречия в методике продолжают оставаться. Суть их в следующем. Объемы информации растут, а время обучения либо не возрастает, либо убывает. Пути решения, вероятно, в переходе к концептуальным курсам, но процесс этот идет очень медленно. Система образования обладает могучей инерцией, никаким декретом не сменить менталитета тысяч преподавателей с их приверженностью к наложению временных заплат. Разрешение этого противоречия – дело вашего поколения. Ещё одно «вечное» противоречие: как совместить массовое обучение с индивидуальным подходом. Массовость предполагает ориентацию на некоторую «усредненную» личность. «Хвосты» же распределения, то есть одаренные дети и люди с замедленным ритмом восприятия и усвоения, остаются вне поля внимания. Это противоречие – очень длинное во времени и в пространстве. Оно ждет и вас, и дай вам Бог справится с ним, ибо индивидуальный подход и 30 человек в группе – вещи очень трудно совместимые. Относительно новой проблемой в рамках все той же парадигмы является противоречие между дифференциацией обучения и необходимостью интегрированного подхода при формировании творческой личности. Ещё одной гранью этой же проблемы является противоречие между новыми образовательными задачами в рамках личностно-ориентированной педагогики и традиционной технологии обучения. Создание и внедрение новых технологий подготовки творческой личности – это тоже ваше дело, уважаемые коллеги. Отнюдь небезнадежное. Ещё совсем недавно казалось, что приучить армию учителей и пожилых доцентов к компьютерам - задача очень трудная, но она решена. И таких задач – огромное множество, причем постоянно пополняющееся. Оптимизм внушает наше понимание того, что процесс генерации противоречий и непрерывный поиск их решения – это и есть сущность эволюции человека на данном этапе ускоренного развития познавательных и творческих структур человека. Эта фраза напоминает лозунг, но он вполне реален. Ваша первичная задача – не отстать. Более серьезное задание – возглавить или хотя бы принять активное участие. «Покой нам только снится…» Это нам. А вам он и снится не должен.
лекция 3. Таксономия целей и основные цели в методике обучения физике.
Таксономия – теория классификации и систематизации в сложноорганизованных областях человеческой деятельности. Ортодоксальная таксономия была разработана в основном в применении к иерархическим структурам. Таксономия целей в нашем случае - классификация целей обучения физике, то есть работа в системе, где нет подчинения, а есть только взаимосвязи и взаимовлияние.
Стратегическая цель ясна – гармоничное развитие личности, формирование образованного творческого человека. Это очень глобально – человек, обладающий умением приобретать глубокие знания, с научным мировоззрением, умеющий и адаптироваться к изменением обстоятельств жизни, и управлять этими обстоятельствами в соответствии со своим потребностями. Но все глобальные цели реализуются через вполне локальные действия. Вот эти локальные цели и будем классифицировать для их лучшего осознания. В соответствии с традициями дидактики разделим цели на три подгруппы.
Целиобразовательные. Реализация этих целей – формирование ЗУНов в физике и в методах познания. По педагогике вы должны знать, что ЗУНы – Это Знания, Умения, Навыки. То, чему Вас учили. И учат.
Целивоспитательные. Формирование научного мировоззрения личности, исповедующей гуманизм.
Цели развития. В нашем случае – овладение технологией творчества.
Здесь ещё раз и на всю жизнь подчеркну: любая классификация допустима только как способ анализа! Обязателен последующий синтез в единую систему!
В выше обозначенных целях воедино связаны: усвоение опыта старших поколений («негентическое наследование»), целенаправленное развитие механизмов психики, формирование и развитие способностей и интересов. Применительно к обучению физике на всех уровнях образования наследование опыта означает знание основ физики, то есть сущности физических явлений в природе и технике, их описание на доступном языке в виде системы понятий, физических законов и теорий, умения ощущать себя в естественнонаучной картине мира, понимание методов научного познания в физике. Здесь есть ещё множество частных целей типа формирования знания о том, что физика есть основа практически всей техники и многих технологий, обучение решению задач, умение проводить эксперименты, создание представления о том, что физика есть системообразующий фактор естествознания и т.п. Но главное в том, чтобы осознать, что созданная до нас система знаний о природе вполне достойна её изучения личностью, вне зависимости от конкретного направления выбранной области деятельности. Целенаправленное развитие механизмов психики предполагает прежде всего развитие (упорядочение) мышления через освоение алгоритмики интеллектуальной и творческой деятельности с обязательным формированием гуманистических принципов взаимодействия личности с обществом. Что касается формирования способностей и интересов, то здесь не все так однозначно. Наиболее разработана та часть, которая относится к развитию способностей и интересов. При этом предполагается, что и то, и другое дано человеку генетически, от родителей или от Бога. Это очень важная часть теории – как развить то, что дано человеку от природы. Схема здесь была такая:
Считалось, что где-то на ранних стадиях обучения следует выявить способности ученика к чему-то, например, к физике или математике, и дальше эти способности развивать. Это выгодно для личности и для государства (или общества). Но приоритет здесь зримо или не очень явно принадлежал интересам общества. Оно получает очень многое от развитого таланта. Интересы самой личности были на втором плане. Дала тебе природа абсолютный слух – учись играть на скрипке и всю оставшуюся жизнь «пиликай в оркестре». То, что у тебя есть и другие интересы и способности – это за кадром. Обществу нужна максимальная реализация тех способностей, что проявляются ранее других. В парадигме личностно-ориентированной педагогики подход иной. Система образования, от яслей до аспирантуры, должна способствовать достижению целей, которые ставит перед собой личность. Сама личность, Вы лично. Это сложнее. Одно дело – решать задачу, про которую заранее известно, что у неё есть ответ, и даже иногда этот ответ известен заранее. Другое – формулировать и решать проблему, не зная, есть ли вообще у неё приемлемое решение. То есть неизвестен не только сам ответ, но и неизвестно, есть ли он вообще и где его искать. Вот к такому рангу проблем относится и проблема формирования способностей. Например, можно ли сформировать способность к физическим исследованиям? Здесь огромная масса вопросов, связанная прежде всего с неоднозначностью понятия «способности». Это понятие всяк толкуетпо своему, что вполне естественно. Способности - пока что ненаучный термин. Достоверно лишь одно: у человека можно сформировать способность к творческому мышлению. Направление «творчества» может быть разным – изобретательство, живопись, CaseStudies(интерактивная технология для формирования у слушателей новых качеств и умений).
Заметим: элитарное образование во всем мире связано с решением задач. Именно так готовят дипломатов, разведчиков, офицеров Генштаба – в этих профессиях по понятным причинам предъявляются высочайшие требования к качеству образования).
Здесь несомненно сказывается то, что за операции образного мышления и логического мышления «отвечают» разные полушария. Полушария разные, но мозг один, поэтому случайное проявление одной из доминант не означает слабости другого. Эйнштейн, Ландау, акад. Крылов, Курчатов – это были люди с весьма развитым правым полушарием, то есть с огромной доминантой образного мышления.
Итак, негенетическое наследование, совершенствование психики, формирование способностей. Все это вместе – цели образования. Теперь обратимся к таксономии целей обучения физике.
Образовательные. На выходе должны быть ЗУНы по физике и методам познания. Основа здесь – физические явления в природе и технике. По мере возможности – законы, их описывающие. Умение видеть взаимосвязь явлений – молния и гром, трение и износ, давление атмосферы и подъем воды в цилиндре вслед за поршнем, грозы и сообщество спрайтов, джетов и эльфов и т.п.
Мировоззренческие. Наука и гуманизм. По определению: «мировоззрение есть компонент структуры личности. Оно включает систему взглядов о мире в целом, о месте человека (в том числе и Вас лично – ЮГ) в этом мире, а также систему убеждений, идеалов и принципов». Аспекты мировоззрения: естественнонаучный (природа), социальный (общество), гуманистический (человек), гносеологический (познание). Попробуйте осмыслить роль физики в формировании всех этих аспектов. Сами, без шпаргалок – это же Ваше мировоззрение.
Развитие. Овладение технологией творчества. Любому озарению («акту творчества») предшествует интеллектуальная деятельность, то есть работа с информацией во всех её аспектах. Это прием, классификация, ранжирование, переработка, хранение, выдача. Таким образом, озарение («инсайт») возникает на основе переработанной информации. А эту деятельность («интеллектуальную») целесообразнее всего организовать по эвристическому алгоритму, построенному в соответствии с объективными законами развития объекта творчества. В настоящее время построена теория технического творчества, поскольку техносфера – это наиболее простая надсистема в мире. Но уже появились обнадеживающие работы, в которых обсуждается творчество научное и художественное. Изучение физики здорово помогает усвоить понятие красоты.
лекция 4. Содержание и структура курсов физики в средних и высших учебных заведениях. Курсы естествознания в образовательных учреждениях РФ.
В трактовке этой темы важно понять, что в части реализации учебных курсов физики господствует многовариантность. Есть десятки вариантов построения школьных курсов, курсов для средних специальных учебных заведений, вузов разного профиля. Например, курс теоретической физики Л.Д.Ландау и Е. М. Лифшица построен линейно. Ясно, что для типичного вуза такое построение не подходит – изучение курса Ландау предполагает, что студент или аспирант достаточно хорошо знакомы с курсом общей физики и высшей математикой. Кроме линейной, реализуются концентрическая и ступенчатая системы. В концентрической все изучается дважды, но разных уровнях. Это здорово, но вызывает большой расход времени. Ступенчатая система – что-то изучается один раз (гидростатика в школе), что-то - два раза. Плюс ещё физика в вузе. Так, электрический ток «проходят» в восьмом классе, в десятом классе и на втором семестре вузовской программы. (И почти все время – мимо!) В Венгрии реализуется генерализированная система, когда все базируется на понятиях, например, взаимодействие, энергия и т.д. В США курсы построены преимущественно на идее строения вещества и материи в целом, в Германии работает спиральная схема, где все повторяется много раз на разных уровнях.
В РФ как наследнице СССР в основу группировки учебного материала положена «физическая теория». Преимущества такого построения в том, что изложение соответствует этапам познания: накопление и анализ фактов и их связей, абстрагирование с последующим построением и использованием моделей, получение и обсуждение конкретных выводов и следствий, применение знаний к конкретным физическим явлениям в природе и технике. На этой основе сделаны практически все курсы. В РФ непосредственно курсам физики предшествует пропедевтический («пропедевтика» - предварительное упрощенное изложение) курс природоведения или естествознания в 5-6 классах школы. Цель там одна – сформировать основу естественнонаучного миропонимания и создать базу для уверенного освоения естественнонаучного цикла основной школы. В пропедевтике присутствуют элементы физики, химии, биологии, географии, экологии и др. Если Вы собираетесь работать в школе учителем, преподавателем факультатива или просто репетитором, просмотрите природоведение за все младшие классы – это поможет Вам понять, с чем знакомы ваши ученики. Но рассчитывать на эти знания не надо – все придется излагать заново. Из личного опыта следует, что после школы кое-что из физических знаний остается. Но взаимосвязь явлений абсолютно не закрепляется. Не увязываются, казалось бы, даже очевидные вещи – молния и гром, трение и износ, теплота и температура. Не лучше обстоит дело и у студентов первого курса. Такое впечатление, что из школьного учебника физики они помнят только цвет обложки. Даже авторов не всегда знают.
Выяснив стартовую позицию, приступим к проблеме содержания. Содержание подчинено цели. Глобальная цель - формирование представления о естественнонаучной картине мира на основе физической картины. Цели образовательные, цели воспитания и развития мы уже обсудили. Чтобы от глобальных целей перейти к локальным действиям, нам нужно понять, какой физике мы должны учить в школе и вузе? Физика как наука накопила огромный объем материала. В физике наработана столь же огромная система методов исследования. Всего не объять, но в курсах физики для школы и вузов должны быть отражены основные научные факты, понятия, теории - все то, что определяет физическую картину мира (ФКМ). И составляет немалую долю естественнонаучной картины мира (ЕНКМ). Именно эти структурные элементы служат дидактическими единицами содержания обучения физике. Они же определяют и технологию обучения.
Ныне принятое изложение курсов физики для технических специальностей вузов сложилось примерно шестьдесят лет тому назад и кардинально не обновлялось. Схема была весьма эффективной, но сейчас она себя изжила. Точнее – изживает. Вам преподавать придется что-то иное. Конечно, физические явления и законы, их описывающие, не изменятся, разве что появится новое толкование. Но отбор материала и стиль его изложения должны измениться. Что здесь главное?: фундаментальность или профессиональная направленность? Фундаментальность означает приобщение к природным основам естественнонаучной картины мира, то есть построение и усвоение физической картины мира. По истории физики Вы знаете, что была целая последовательность картин мира. Была натурфилософская картина, построенная целиком на умозаключениях. Главными чертами её были непрерывность материи и стационарность мира по Аристотелю, дискретность атомов и изменчивость мира по Демокриту и геоцентрическая система по Птолемею. Потом изыскания античных мудрецов сменил религиозный догматизм со святой инквизицией на страже. Потом была эпоха Возрождения интереса к личности человека и механическая картина мира, построенная трудами Н.Коперника, Г.Галилея, И.Кеплера и гения сэра Исаака Ньютона. Затем была построена электромагнитная картина мира. Там трудилось много ученых, итог был подведен в трудах М.Фарадея, Дж. Максвелла и создателя специальной теории относительности А.Эйнштейна. В ЭКМ было два вида материи – вещество и поля разной природы. Вещество дискретно, поля непрерывны в пространстве и времени, пространство и время относительны. Ныне то ли строится, то ли уже построена квантово-вероятностная картина мира. Началась она в трудах М. Планка, продолжилась усилиями Н.Бора, Луи де Бройля, Э.Шредингера, В.Гейзенберга, П.Дирака, Л.Ландау, Д.Иваненко и многих других. В этой картине мира более или менее ясны представления о микромире и макромире. Дальше, видимо, все снова запутается. Темная материя, черная энергия и другие «эфиры Вселенной» нарушают красоту и завершенность картины. Попробуйте на досуге спрогнозировать – это интересно. Но как все это изложить студентам или, того хлеще, ученикам школы или учащимся механического техникума? Ясно, что в курсах физики не для физиков фундаментальность не должна детализироваться, её нужно просто декларировать. «Физика есть свод законов неживой природы, свод хороший, но явно неполный» - эта мысль должна быть принята как аксиома.
Что касается профессиональной направленности, то эта проблема касается вузовского компонента, для школы она пока что не актуальна. В вузах физика преподается для четырех направлений высшего образования: физиков, «технарей» с различными уклонами, медиков и химиков, гуманитариев. Для последних физика часто составляет основу курсов «Концепции современного естествознания». На каждом направлении существуют свои особенности. Для физиков – это основа профессии с фундаментом в виде курса общей физики. Здесь важны общефизические идеи и язык математики. Для прочих естественников (химиков, медиков, биологов) важен естественнонаучный аспект (природа едина!) и детали типа биофизики, хим.физики, физ.химии и т.п. Для гуманитариев - есть КСЕ и прогрессивные веяния типа экономфизики и других синергетических уклонов. Что такое экономфизика – лучше всего расспросить проф.М.Б.Семенова.
Применительно к высшему техническому образованию определяющей должна быть мысль о том, что физика есть научная основа всей современной техники и большинства технологий. Это во-первых. Во вторых: физика есть научная база новой техники. На этом нужно акцентировать внимание студентов с первой лекции по физике и до экзамена. Иногда очень привлекательной выглядит идея поставить стержнем обучения физике технические применения физических явлений. Механикам – механику, теплотехникам – термодинамику, электроэнергетикам – электричество и магнетизм. Автомобилистам – все, что есть в автомобиле. С подбором материала (примеров?) принципиальных трудностей не будет – все отрасли техники выросли из разделов науки физики. Слабости такого подхода очевидны. Теряется системность – это раз. Второе – а как выглядит техническая грамотность самих физиков и преподавателей физики? Требуется техническая эрудиция по многим отраслям техники. Этого пока нет, и вряд ли будет. Потому как не надо. Мы знаем, что науку интересуют знания, а технологии – только результат. Поэтому для будущих инженеров (в широком смысле этого слова – технологам) целесообразно оперировать не техническими примерами, а техническими функциями физических явлений. В теории решения инженерных задач создана методика функционально ориентированного поиска (ФОП). Цель ФОП – выявление существующих эффективных технических решений, реализующих ту функцию, которая требуется для устранения недостатков технической системы. В понятие функции входит вся триада: «носитель функции – действие - объект действия». Фактически ФОП есть метод (или механизм) поиска и переноса физических решений инженерных задач. Такая ориентировка будущих инженеров способствует заинтересованности студентов в изучении физики. Здесь самое время подчеркнуть: ФОП есть инструмент для осуществления проекта, а не способ разрешения изобретательской ситуации. Вы уже усвоили: науку интересуют идеи, технологиям нужен результат.
Итак, как из огромного содержания отобрать не просто нужное и полезное, а архинеобходимое? Методологически при решении этой проблемы целесообразнее руководствоваться системой правил («принципов») дидактики, от направленности через наглядность до индивидуализации и дифференциации. Вы ознакомились с ними в курсе педагогики, для забывчивых они коротко изложены в виде приложения 1. Как необходимый компонент педагогической квалификации физика они изложены в следующем разделе. Здесь нам важно помнить, что правила сведены в систему, то есть они жестко взаимосвязаны. Это раз. Два: значимость их изменяется в зависимости от этапа обучения. Точнее: в зависимости от того, какие знания из физики и в каком стиле способны воспринять ваши ученики, будь то школьники, студенты или аспиранты. Система включает: направленность обучения на системное восприятие, наглядность, доступность, мотивация, научность, систематичность и последовательность, междисциплинарные связи, связь теории с практикой, индивидуализацию, дифференциацию, системность. Если осмыслить все понятия, сопоставить их с собственным опытом и с этапом обучения, то отбор материала будет вполне представительным. Итак, общее содержание курса определяется целями обучения, а отбор материала и построение курса – опорой на правила дидактики. Из школьных курсов наиболее «правильны» учебно-методические курсы В. А. Касьянова и Н. С. Пурышевой. Из вузовских – «Университетский курс общей физики» под редакцией проф. В. А. Алешкевича. В курсах физики для технических вузов (Савельев, Детлаф и Яворский, Трофимова, Зисман и Тодес) добротно представлены только доступность, научность и систематичность. Остальное – подразумевается. Да и доступность материала в учебнике, например, Савельева уровню нынешних студентов первых курсов не соответствует. Никакой тебе наглядности. Одни формулы, не всегда понятные, с очень неясным физическим содержанием. Это не вина Игоря Владимировича, а наша беда. Мы не будем обсуждать конкретное содержание нынешних курсов – в учебниках есть оглавление. Можно почитать.
Общие выводы по структуре учебных курсов физики в школе и вузе:
1. Единой схемы нет, её никогда не было и не будет, потому как она не нужна.
2. Действующие схемы привязаны к структуре системы образования. Изменения возможны только совместные.
3. Самая лучшая схема – та, которой Вы владеете, то есть знаете, понимаете и готовы реализовать.
Лекция 5. Действие правил («принципов») дидактики применительно к различным уровням обучения физике в школе и вузе.
Речь пойдет о реализации системы тесно связанных между собой правил, так называемых «принципов дидактики». В них отражаются наиболее общие закономерности обучения всем дисциплинам. В общей педагогике анализируются разные версии этой системы. Здесь мы сделаем акцент на обучение физике. Итак:
1. Направленность обучения на комплексное решение проблемы: «образование, воспитание, развитие». Заметим, что понятие «обучение» в отличие от понятия «преподавание» обязательно включает активное и сознательное участие учащегося в своем собственном самосовершенствовании. Примерно такое, какое демонстрируете вы при освоении дисциплины МОФШВ. Ясно, что с существованием и содержанием «правил обучения» неплохо бы ознакомить и обучающихся тоже, поскольку в обучении участвуют две стороны: учащийся и преподаватель. В некоторых педагогических версиях «активность», «сознательность» и даже «прочность знаний» фигурируют как отдельные «принципы». Но это лишь части комплекса. Конкретный смысл первого правила очевиден: усвоение физических знаний, формирование творческой личности и её совершенствование есть единый процесс.
2. Научность. «Учебная физика» должна соответствовать современному уровню развития физики как части единого естествознания. Даже в изложении весьма древнего закона Архимеда следует ориентироваться на закономерности научного («рационального») познания. Как вам известно, в схеме научного познания есть эмпирический и теоретический уровни, каждый из которых включает свои процедуры единого процесса познания. Эмпирика – это наблюдение, описание, эксперимент и снова описание, вплоть до выдвижения гипотез, которые тоже надо проверять.Теоретический уровень – аксиоматизация, формализация, генерирование гипотез и их сведение в научную теорию. И далее по спирали. И все это должно присутствовать в обучении физике. Научность нужно обеспечивать с первых шагов обучения побуждением к догадкам, объяснениям и экспериментам.
3. Систематичность и последовательность. Смысл здесь очевиден. В любой физической системе все взаимосвязано. И эти взаимосвязи должны подчеркиваться почти на каждом занятии. И в каждом параграфе учебника. Но что-то обязательно должно быть «ДО», а что-то – «ПОСЛЕ». То, что «после», должно логически вытекать из того, что «до». Нарушения этого правила встречаются довольно часто. Так, в учебнике Трофимовой есть пара отсылок в будущее, где, однако, ничего нет.
4. Системность. Это качество не следует путать с «систематичностью». В системности главное: наличие полезной функции и четко видимая тесная взаимосвязь частей системы. Что есть «физическая система»? Любая мыслимая физическая система как некая совокупность физических объектов для чего-то создана природой. И между этими объектами существуют «внутрисистемные» связи. И внешние связи есть. «Замкнутая система» - это абстрактная модель, в природе их нет, они есть плод фантазии естествоиспытателей. Своеобразный «бред» физиков-теоретиков. Системность предполагает, например, что неразрывная связь массы и гравитационного поля надежно фиксируется в сознании учащегося. Систематичность же означает установление логических связей. Например, понятие «скорость» формируется на основе понятий «перемещения» и «промежутка времени».
5. Реализация междисциплинарных («межпредметных») связей. Неразрывная связь с математикой очевидна всем, хотя в обучении физике и в обучении математике хотелось бы опираться на более тесное взаимодействие. Но ещё более важно понимание того, что реакция пружины на попытку её сжать, сдвиг равновесия химической реакции при изменении концентрации реагентов, реакция популяции зайцев на появление стай одичавших собак есть проявление единого принципа природы. В структуре содержания курса физики обязательно должна быть отражен интегративный характер междисциплинарных связей. Связи с математикой, химией, астрономией и прочими дисциплинами естественнонаучного цикла очевидны, хотя и не всегда реализуемы. Основная «выгода» связей – реализация системности образования в парадигме подготовки широкообразованной личности. Плюс процесс образования ассоциаций. Например, «средние цены на рынке – это как среднее давление газа. Только число участников рынка поменьше, чем число молекул, поэтому флуктуации резче выражены». В междисциплинарных связях опосредованно задействованы правила системности, систематичности, политехнизма. Неоценимо их влияние на развитие мышления, на формирование и развитие творческих способностей. Сложнее дело обстоит в организации связи физики с «гуманитарными» дисциплинами. Основа здесь – единство процессов эволюции, например, процессов самоорганизации. Но это уже далеко за пределами наших возможностей.
6. Высокая значимость связей теории и практики, связи обучения с жизнью. Сущность здесь ясна. Вам достаточно вспомнить весь процесс формирования Вашей личности вплоть до настоящего мгновения. А также ещё раз вспомнить структуру научного познания.
7. Политехнизм и профессиональная направленность. Это правило действует в обучении студентов технических специальностей, с которыми вам, возможно, придется работать. Оно также очень значимо при отборе материала для профильных школ. То, что техника есть материальное воплощение физических знаний, ясно всем. Мы касались этого вопроса в предыдущем разделе. Для гуманитариев «профессиональная» направленность физики (или естествознания) должна формировать осознание того, что человек не является ни «царем природы», ни её «рабом», а живет и развивается как часть природы. Все мы – от природы, и гуманитарии тоже.
8. Наглядность. Наглядность явлений и образов очень действенна на начальных стадиях любого обучения. В обучении физике очень важна роль натурных моделей, роль лабораторных работ как в натурном, так и в компьютерном варианте. «Лучше один раз увидеть…». В натуре или на графической модели. Заметим, что построение графических моделей есть неотъемлемый компонент обучения решению задач. Наряду с начальными стадиями наглядность становится очень значимой гранью всех этапов обучения, ибо компьютеры позволяют создавать и статические, и динамические графические модели. Особым направлением стала так называемая «когнитивная компьютерная графика», позволяющая создавать не только модели, но и образы.
9. Доступность. Смысл ясен из названия: уровень всех методик, всех бесед и лекций должен соответствовать уровню развития личности слушателей или читателей (обучаемых). Об этом правиле не надо забывать при подготовке конспектов уроков и лекций: не старайтесь поразить всех наукообразием. «Звон», конечно, приятен для собственного уха, но о слушателях тоже надо помнить.
10. Индивидуализация и дифференциация. Уровневая дифференциация предполагает, например, при работе с классом опору на уровень средних способностей или на уровень явно выраженных способностей к физике при работе на факультативе. Мне пока не очень ясно, что такое «способности к физике». Это скорее интуитивное понятие, поэтому теория тяготеет к выделению профилей обучения: физико-математического, биолого-химического, технического, гуманитарного и так называемого «общеобразовательного».
К правилам дидактики иногда относят также мотивацию и создание положительного отношения к учению. Сейчас мотивация к учению снова стала проблемой, ибо в годы упадка и застоя знания стали цениться ниже, чем наличие диплома. С этой точки зрения мотивация - это не правило дидактики, а социальное явление. Как и дидактика в целом.
Лекция 6. Методы обучения физике. Их реализация в школе и вузе. Классификация методов по различным критериям.
Метод – система целенаправленных действий, организующих познавательную и практическую деятельность учащихся для освоения ими содержания образования, то есть достижения целей обучения. Классифицировать методы можно по разным критериям. Например, по характеру познавательной деятельности можно выделить:
-- объяснительно-разъяснительные,
-- репродуктивные.
-- проблемного изложения,
-- эвристические,
-- исследовательские.
Первые два объединяет их репродуктивный характер. Они предполагают осознание, восприятие, запоминание и воспроизведение учебного материала. Четвертый и пятый – методы продуктивные, они предполагают развитие творческих способностей, генерацию нового знания. «Новое» - понятие относительное, в школе и вузе «новизна» носит локальный характер. Ученик сам, студент сам догадались о чем-то. Это здорово, даже если мысль давно известна человечеству. Эвристика – наука о продуктивном мышлении. Это большая наука, но из нее полезно показать движение мысли от одного этапа познания к другому. Эвристические методы предполагают наличие и преодоление противоречий. Логика движения от одного этапа к другому опирается на преодоление противоречий. Вспомните историю эфира, становление специальной теории относительности, драматический ввод в познание квантовых представлений, постулаты Бора и т.п. Исследовательский метод предполагает усвоение учениками и студентами опыта творческой деятельности. Приобщение обучаемых личностей к исследованиям предполагает прохождение всех этапов исследовательской работы. Это наблюдение и описание фактов и явлений, выяснение того, что непонятно, выдвижение гипотез и построение плана исследования, реализация плана с учетом посильности и доступности, формулировка решения и его проверка, размышления о практической пользе. Вы помните кусочек из вводной беседы: тому, кто претендует на оценку «Отлично», придется выполнить работу по п.4: «Разработка тем научно-исследовательских работ (НИР) школьников для внешкольной работы с особо одаренными детьми». Там должны присутствовать все этапы. В проблемном обучении есть и репродуктивное и продуктивное. Соотношение – на Ваше усмотрение.
По источникам знаний выделяют словесные, наглядные и практические методы. Такое разделение тоже содержит долю условности.
Словесные, или вербальные, методы предполагают слово учителя и слово в книге. Со стороны учащихся – умение слушать и умение читать учебник или дополнительную литературу. Очень важна роль учителя в отборе книг. С учебниками все ясно – принятый в обучении учебник должен быть прочитан весь. Материал сверх учебника – по тщательно выверенной рекомендации учителя или по собственному интересу. В последние годы в Интернете появилось огромное число публикаций, не выдерживающих никакой критики. Попробуйте набрать «взаимодействие в природе» и оцените соотношение научного материала и наукообразного бреда в освещении заданной темы. Вы это сделать в состоянии, а ваши ученики или более доверчивые студенты-технари? Полезная информация в Интернете скоро совсем растворится в информационном шуме, генерируемом сотнями оголтелых дилетантов. Поэтому в современной средней и высшей школе так важна проблема хороших учебников или учебно-методических комплексов. И неизмеримо возрастает значимость слова учителя. Помните об этом. Вам предстоит не только излагать новую информацию, но и анализировать, обосновывать и доказывать истинность этой информации. Вы будете читать лекции, проводить беседы, рассказывать, озадачивать, и при этом ваши фразы должны быть не длиннее мыслей, в них заложенных. И еще. Научитесь сами и научите ваших подопечных работать с книгой. Проверьте эффективность вашей работы с книгой при подготовке текста пробной лекции.
Наглядные методы содержат в качестве обязательного компонента наблюдение. Здесь важна роль демонстрационного эксперимента. В современных условиях можно широко использовать презентации с привлечением компьютерной техники. Не исключено, что со временем мы попросту объединим лекции с презентациями, поскольку современные ученики и студенты читают все меньше, писать тоже толком не умеют, но природную способность наблюдать растеряют ещё не очень скоро. Как отмечалось выше, правило наглядности, ранее считавшееся главным при обучении детей и новичков, ныне обретает второе дыхание. Есть ещё уроки на природе, уроки на заводе и тому подобное.
Практические методы включают решение задач и выполнение лабораторных работ. И тому, и другому надобно учить вполне серьезно. Более тщательно мы разберем и то, и другое в лекциях 13 и 14. Здесь же отмечу, что вам целесообразно очень тщательно изучить приложение 6 к первому методическому занятию. Алгоритмика – очень хороший метод решения задач, хотя и не единственный.
Классификаций много. Например, Ю. Бабанский рассматривает методы организации учебной деятельности, методы стимулирования учебной деятельности и методы контроля. Эту грань педагогической квалификации лучше освоить, когда Вы приступите к практической деятельности.
На данном этапе формирования Вашей деловой квалификации более существенна и требует тщательного изучения взаимосвязь методов обучения и методов научной деятельности. Осознать её пора уже сейчас. Чем раньше, тем лучше. Это и в учебе поможет. До диплома совсем недалеко. Вы уже знаете, что научная деятельность включает эмпирический и теоретический уровни познания. Эмпирика включает в себя наблюдение, описание, эксперимент, выдвижение гипотез, моделирование, анализ, обобщение и систематизацию опытных данных. Теоретический уровень – это абстрагирование, построение идеальных мысленных или математических моделей и схем экспериментов, синтез знаний в систему и разработку основ научной теории. Эти же элементы обязательно должны присутствовать и обучении, они входят как элементы в методы обучения при любой их классификации. Ещё раз подчеркну: все, что входит в «эмпирику» и « теорию», есть единый неразрывный блок. Разделение на «уровни», «элементы» и т.д. – это лишь прием для лучшего осознания происходящего.
Дедукция и индукция, анализ и синтез – эти методические приемы обязательно должны присутствовать в арсенале педагога и исследователя. Анализ и синтез есть единая конструкция в семействе методических приемов научного познания. Анализ (analysis- разложение) включает две грани. Это натурное разделение объектов на элементы («составные части») и последующее тщательное изучение этих элементов. Синтез (synthesis- соединение) также имеет два компонента: мысленное или реальное объединение элементов объекта в единую систему и рассмотрение того, что мы получили в качестве системного эффекта. Очевидно, что анализ и синтез неразрывно связаны. Разобрав игрушку или собственный калькулятор и рассмотрев, что у них внутри, не забудьте собрать, подумав при этом, чем простая сумма элементов отличается от целого. Точно также профессор Виктор Васильевич Евстифеев, проанализировав структуру Вашей идеальной образованности, создал учебный план специальности, надеясь на синтез в виде Вашей деловой квалификации.
Дедукция (deductio - выведение) и индукция (induction- наведение) есть способы генерации нового знания, они тоже образуют систему. Если частное знание выводится из общего – то это дедукция. Так, всеобщий закон сохранения энергии носит характер дедуктивной истины. Он дает нам возможность делать очень точные прогнозы поведения многих конкретных технических и природных систем. Но обобщенные знания («дедуктивные истины») возникают не вдруг и не сами по себе. Сообщество ученых формулирует их, опираясь на опыт, на индуктивный подход, отыскивая общее в массивах эмпирических данных. Мы сводим их в систему, появление которой и означает установление новой общей закономерности. Само понятие энергии и закон её сохранения в свое время были сформулированы как обобщение огромного массива опытных данных самых различных ветвей естествознания (механика, термодинамика, первичный электромагнетизм, биология). Открытие самих законов сохранения и их системное осознание подтверждают необходимость и эффективность синтеза индукции и дедукции. Познание человеком мира и самого себя также подчиняется общенаучным закономерностям. Измыслив индуктивную и дедуктивную идеи, люди всего лишь отразили эволюцию природы. Вспомните, как вам преподносили общую физику. Сначала механическая энергия, потом к ней добавили тепло, затем электромагнитную энергию. В результате в вашем сознании сам собой возник закон сохранения энергии. Он составляет фундамент дедуктивного подхода к рассмотрению энергетических характеристик объекта или процесса. В современных курсах школьной и вузовской физики дедукция работает при выводе газовых законов из уравнения Клапейрона-Менделеева, выводе закон Ома на основе электронной теории, расчете космических скоростей и т.д.
На начальных стадиях обучения в школе и вузе очень действенен индуктивный метод. Как и в познании. Знания об отдельных предметах данного класса явлений служат основой общего знания о всех предметах данного класса. Использование умозаключений «по индукции» и «по аналогии» очень действенно в период приобщения учащихся любого уровня к новому знанию. Построению «общего знания» весьма способствует абстрагирование. Физические законы в чистом, идеальном виде – это сплошные абстракции. Они неразрывно связаны с идеализацией. Это мысленные конструкции, имеющие прообразы в реальном мире. Чтобы наглядно представить себе «абстрагирование», «идеализацию» и т.п. – вспомните понятия точечной массы, инерции, упругого удара, гармонических колебаний, абсолютно черного тела. Заметную роль в обучении физике играет концепции моделирования и измерения. Модели бывают разные – натурные, мысленные, графические, математические. Модели натурные ныне не в моде – они дороговаты, как в исполнении, так и во времени. А вот модели мысленные, графические и математические работают на полную катушку – без них не обходится ни один курс физики, Да и не только физики. Любое исследование, в том числе решение учебных задач, предполагает использование моделей. Перечитайте ещё раз «алгоритм решения задач по физике» (Приложение 6 к вводному занятию). Анализ задачи – мысленное построение образа задачи, затем модель графическая, затем математическая и далее. Весь процесс выстроен как модель разрешения проблемной (исследовательской) ситуации. Что касается реализации концепции измерения – то отложим это дело до лекции 14 – «Формирование экспериментальных умений»… Для вас важность измерений в физике должна быть очевидной.
Единый процесс познания есть синтез субъективного и объективного опыта. В субъективном познании «инструментом познания» выступает личность – существо любопытное и эмоциональное, существо познающее. По Г.Гегелю, сущность субъективного опыта состоит в «отождествлении субъекта с объектом». Субъективный опыт часто создает хотя и новое, но на первых порах не очень четкое знание. Интуитивные «озарения» отдельных гениев вносят стартовый вклад в формирование новых направлений в научном познании. Вспомните гипотезу М.Планка о квантах электромагнитной энергии. Объективный опыт, как отмечалось, представлен научным познанием. Для уточнения сразу же отметим, что понятие «объективный» не эквивалентно понятию «истинный». В науке было, есть и будет много «тупиков», стартующих вроде бы от «объективного опыта», но уводящих в никуда. В физике были «всемирный эфир» и «теплород». В химии был «флогистон», в экономике – мальтузианство и политэкономия социализма.
лекция 7. Средства обучения физике.
Средства обучения физике – это те источники информации, с помощью которых ученики и студенты учатся, а их преподаватели – учат.
Прежде всего это слово. Слово преподавателя. Наряду с чисто информационным содержанием «слово» преподавателя несет организующую функцию. Над чем работать, как работать, что в разделе главное, а какие материалы несут лишь иллюстрирующую роль. Иногда эти размышления несут даже большую информационную нагрузку, чем чисто лекционный материал. Затем учебники, учебные пособия, хрестоматии, справочники, приборы и технические средства обучения (ТСО). В последние годы к источникам информации относят также средства массовой информации и Интернет. Но к информации, получаемой из СМИ и Интернета, следует относиться очень осторожно, ибо никаких гарантий достоверности нет. Разве что лекции ученых по телеканалу «Культура», там содержание, как правило, соответствует всем канонам научной информации.
В школах есть физические кабинеты, где побогаче, где победнее. Последние модели школьных физических кабинетов поставляются комплектно и монтируются специальными фирмами. Учитель вместо «монтажно-сборочных работ» занимается освоением новых приборов, их возможностей, средств компьютерного управления кабинетом. Эта работа интереснее, но неизмеримо сложнее. Как правило, в типовых случаях физкабинет располагается в отдельной комнате, отделенной от чисто учебного класса. Во многих школах имеются три помещения: класс, лаборатория и комната преподавателей (препараторская вместе с лаборантом). Стены тоже работают – там располагают портреты основоположников физики и разного рода таблицы. Портретные галереи не должны быть избыточными. И.Ньютон, А.Эйнштейн, А.Столетов и Ж.Алферов – этого хватит. А вот познавательных плакатов (таблиц, схем, фотографий адронного коллайдера и т. п.) - их много не бывает. И обязательно – таблица Менделеева. Что касается вузов, то там экспериментально-наблюдательная функция средств обучения сосредоточена в учебных лабораториях. Как правило, учебные лаборатории в вузах специализированы в соответствии с принятой в РФ схемой, при которой в основу группировки учебного материала положена физическая теория. Бывают и специальные «физические» аудитории. Оборудуются они в соответствии с возможностями вуза и кафедры. В последние годы очень популярны «лекции-презентации», но читать их нужно в специализированных аудиториях.
Особый разговор – об обучающих возможностях приборов. Есть приборы для наблюдения и демонстраций. Трубка Ньютона, лазер, дифракционная решетка, ведерко Архимеда и т. п. Главное здесь – чтоб всем было видно. Это раз. Два – возможность опробовать самому. Наглядность очень важна в школе, личное общение с прибором – в вузе. Особенно для студентов-физиков. Компьютерные эксперименты - это здорово, но умение работать с проводами, клеммами, кнопочными переключателями и умение постоянно держать стрелки и цифровое табло в поле зрения необходимо каждому физику, даже если он самый оголтелый теоретик. Есть измерительные приборы. Физика – наука очень не точная, поэтому точность измерительных приборов всегда нужно учитывать. Школьные приборы ввиду необходимости делать их дешевыми и «ученикоустойчивыми», как правило, выполняются однопредельными и с классом точности 1,5 и 2,5. Вузовские приборы поточнее и поэлегантнее, но требование «студентоустойчивости» и здесь важно. Учебные материалы о классах точности стрелочных и цифровых приборов и о расчетах погрешностей к методике обучения прямого отношения не имеют, но знать их нужно в любом случае.
Особый разговор – об обучающих возможностях приборов. Есть приборы для наблюдения и демонстраций. Трубка Ньютона, лазер, дифракционная решетка, ведерко Архимеда и т. п. Главное здесь – чтоб всем было видно. Это раз. Два – возможность опробовать самому. Наглядность очень важна в школе, личное общение с прибором – в вузе. Особенно для студентов-физиков. Компьютерные эксперименты - это здорово, но умение работать с проводами, клеммами, кнопочными переключателями и умение постоянно держать стрелки и цифровое табло в поле зрения необходимо каждому физику, даже если он самый оголтелый теоретик. Есть измерительные приборы. Физика – наука очень не точная, поэтому точность измерительных приборов всегда нужно учитывать. Школьные приборы ввиду необходимости делать их дешевыми и «ученикоустойчивыми», как правило, выполняются однопредельными и с классом точности 1,5 и 2,5. Вузовские приборы поточнее и поэлегантнее, но требование «студентоустойчивости» и здесь важно. Учебные материалы о классах точности стрелочных и цифровых приборов и о расчетах погрешностей к методике обучения прямого отношения не имеют, но знать их нужно в любом случае.
В практической работе некоторые трудности возникают при освоении преподавателем вновь поступивших приборов. Инструкции к ним читать обязательно!, но и этого иногда бывает мало. Инструкции всегда неполны. В них, как правило, не отражаются индивидуальные характеристики прибора, а приводятся усредненные данные по всей партии. Часто используется жаргон, не всегда понятный школьному учителю, чей личный опыт в общении с приборами не очень велик. Затруднения этого плана есть и в вузах. Приборы новые, а мы все старые, не всегда успевающие следить за новой техникой. Преодолеваются эти трудности работой. Во всяком случае, Вы должны быть готовы к тому, что перед первым включением прибора вам предстоит кропотливая работа, а включенный прибор придется долго уговаривать заработать. И только потом приступить к изучению его конкретных характеристик, в том числе способности прибора работать в составе той установки, в которой вы предполагаете его использовать.
К техническим средствам обучения (ТСО) относят совокупность технических устройств и специальных дидактических материалов к ним. Ранее к ним причисляли «традиционные» средства типа магнитофонов, диапроекторов, эпидиаскопов, телевизоров и видеомагнитофонов, подразделяя их на звуковые, экранные и аудиовизуальные. Ныне это видеопроекторы с большими экранами, персональные компьютеры, фреймграбберы ( иногда пишут «фрейм грабберы» ) и т.п. Вместо традиционных «меловых» досок сейчас в учебные заведения РФ предложено поставлять интерактивные комплексы. Интерактивное оборудование для образовательных учреждений включает в себя: интерактивную доску; интерактивный беспроводной или проводной планшет; интерактивный жидкокристаллический дисплей, объединяющий в себе функции монитора и цифрового планшета; систему интерактивного опроса; программное обеспечение. Интерактивный – обеспечивающий диалоговый режим. Иногда это просто проектор с компьютером. Техника эта очень интенсивно развивается, и отслеживать её состояние и возможности нужно перманентно.
Ясно, что будущее технических средств обучения физике состоит в оснащении школ и вузов специальными учебно-методическими комплексами, где персональным компьютерам (ПК) будет принадлежать ведущая роль. Наверняка будут широко использоваться и телекоммуникационные сети. Вам только нужно учесть, что практическая работа в телесетях требует специальных знаний, умения и возможности постоянно обновлять эти ЗУНы.
.
лекция 8. Формы организации учебного процесса в школе и вузе. Их реализация в обучении физике.
Основная формаорганизации - классно-урочная система. В этой системе учащиеся одного и того же возраста для проведения занятий группируются для занятий в классы, сохраняющие свой состав в течение учебного года, причём все учащиеся работают над усвоением одного и того же материала. Основная форма обучения - урок. Обоснование системе дал Ян Амос Коменский. В России её совершенствование, утверждение и развитие связано с именем Константина Дмитриевича Ушинского [19.2(2.3).1824, Тула, – 22.12.1870 (3.1. 1871), Одесса], русского педагога, основоположника научной педагогики в России. Достоинство классно-урочной системы — в четкой упорядоченности обучения и, что не менее важно, руководства им. Разделение на предметы создало поколения учителей-предметников. Учитель должен хорошо знать только один предмет, ему не обязательно быть универсальным специалистом. Но эта система хорошо работает, лишь пока идет стандартный материал. Проблемы в классно-урочной системе возникают прежде всего у слабых учеников, не успевающих за общим темпом. Не лучше ощущают себя и сильные, их любознательность подавляется медленным и для них скучным преподаванием. Трудно и школьникам, мыслящим «по-другому», у которых, скажем, доминирует образное или кинестетическое (через действие) восприятие реальности. Система хорошо обеспечивает посредственное образование для большинства и отсеивает остальных. Вы все ощутили на себе достоинства и недостатки классно-урочной системы. Вспомните и переосмыслите ваше восприятие этой формы.
Информационно - креативное общество требует развития индивидуальности. В парадигме личностно-ориентированной педагогики утверждается, что творческое мышление выше следования единому для всех образцу. Еще Януш Корчак говорил: «Только глупые люди хотят, чтобы все были одинаковые». Когда приступите к преподаванию, помните, что Корчак был умницей. Он знал, что информация и навыки, необходимые для жизни, обновляются гораздо чаще, чем переписываются учебники и переучиваются учителя. Поэтому школьникам очень важно научиться самостоятельно их находить и осваивать. Многие уже сейчас чувствуют неэффективность школы и не хотят бессмысленно тратить время. Причем, если раньше к учебе можно было принуждать, пусть даже теми же розгами, то с распространением идеи прав человека учитель лишился этого инструмента, ничего не получив взамен. Хотя обязанность «заставлять учиться», особенно в средней школе, за ним осталась. Система образования и потребности общества вступают в противоречие, которое со временем все более обостряется. На замену классно-урочной системы предложено множество моделей и подходов. Но: пока существует массовость обучения в школе и вузе, добротной замены не будет. Быть может, ваше поколение создаст какие-то иные подходы к сути образовательного процесса, предложив «новые смыслы» и ценности взамен нынешних.
В школе урок есть традиционная форма обучения. На него отводится строго установленный интервал времени. На уроке преподаватель руководит коллективной познавательной деятельностью постоянной группы учащихся (класс в школе, учебные группы или потоки в других учебных заведениях). При этом преподавателю необходимо учитывать особенности каждого учащегося и создавать благоприятные условия для реализации единой триады: «образование, воспитание, развитие».
В рамках классно-урочной системы работал стандарт школьного урока. Он включал опрос, изложение нового материала, его закрепление и выдачу домашнего задания. Стандарт всегда имеет свои «плюсы» и «минусы». Хорошо то, что есть единство формы на все времена, есть и приличная эффективность. Минусы есть продолжение плюсов: единство, превращенное в догму, не позволяет учитывать специфику аудитории и тем; во время опроса работает пара «ученик-учитель», остальные пребывают в состоянии «настороженной отключки». Проблема очевидна: оставить плюсы и компенсировать минусы. Сейчас следование канонам не обязательно, поэтому применяются самые различные схемы проведения уроков (и других занятий). Схем много, но самая лучшая – та, которую Вы со временем разработаете для себя.
По целям и формам организации занятий выделяются следующие типы уроков:
- Изучение нового материала (типа лекции, беседа, поисковые работы).
- Совершенствование знаний (задачи, тесты, семинары и т.п.).
- Обобщение и систематизация (итоги по разделу)
- Комбинированные уроки (рассказ+задачи+лаб.раб.+тест+зачет = попарно!)
- Контроль и коррекция ЗУНов.
Урок по изучению нового материала и совершенствованию знаний (решение задач) это урок-лекция или урок-беседа. Главное его назначение – изучение нового материала. Надо изложить определенный объем сведений, при полном соблюдении всех правил дидактики (научно, доступно и т.д.) Но этого мало. Следует добиться того, чтобы «новый» для учащихся материал прочно вошел бы в стереотип физического мышления учеников. Применительно к высшей школе достаточно термин «ученик» заменить на «студент», и все. Суть дела остается прежней. Те же цели ставится и применительно к лекциям, по сути это то же изучение нового материала. Нынешние требования к конспекту урока изложены в Приложении к вводной лекции. Когда вы явитесь в школу приступать к работе учителем физики, завуч вам расскажет о том, какую документацию и в какой форме должен вести учитель. И дай вам Бог все это запомнить и выполнить.
К вашему конспекту пробного урока был сформулирован минимум требований. Тема, цель, содержание по этапам, учебные задачи, задание для самостоятельной работы. Этот минимум касается и ваших индивидуальных планов преподавателя кафедры физики. Включение любых дополнительных материалов приветствуется. Наши пожелания остаются прежними: прочувствовать аудиторию, пропустить через свое воображение всю схему урока или лекции, следить, чтоб не занесло. И никогда в зачетном смысле не спрашивать того, чего не давал.
Как мы установили, классно-урочная система работает и в вузах. Здесь тоже реализуются её основные достоинства (единство всего!) и недостатки (ориентация на середнячка). Вузовские особенности вы уже ощутили на себе. Заключены они в основном в том, что в вузе не так явно выражена «заставлятельная» функция преподавателя, студенты имеют относительно большую самостоятельность, и, соответственно, безмерно возрастает роль самостоятельной работы студента. Как по изучению учебного материала, так и по совершенствованию собственной личности.
Есть ещё добрый десяток иных форм организации учебного процесса.
Экскурсии. Любая экскурсия должна быть заранее спланирована и тщательно подготовлена. Лучше, если план экскурсий будет сделан на весь учебный год. В Пензе для учеников возможны экскурсии на любой завод, в ПГУ на кафедру физики, а также в другие вузы. Предварительно надобно согласовать вопрос с руководством школы и с руководством посещаемого учреждения. И не только для завлечения и ознакомления будущих абитуртентов или рабочих на завод. Экскурсия должна иметь познавательную цель. Экскурсионная форма вполне приемлема и для студентов. По слухам, очень эффективны межпредметные учебные экскурсии. Но они, по-моему, интересны в основном для педагогов. Ещё одна форма - кружки. Физический кружок всегда был и есть дополнительное время занятий для продвинутых учеников. Это может быть кружок по физике и технике. Наиболее устойчивы по составу кружки, творчество школьников в которых базируется на теории учебного предмета. Для школьников наиболее приемлемы факультативы. Факультативы - необязательные для посещения занятия по физике для неординарных личностей. По личному опыту: наиболее действенны факультативы, где в том или ином стиле отрабатываются задания, облегчающие поступление в тот или иной вуз. Это либо решение задач повышенной трудности, либо примитивное натаскивание на ЕГЭ. Ещё одна хорошая форма работы – занятия по использованию физических знаний в решении изобретательских или просто инженерных задач. Своего рода «физика в технике», но только не в качестве иллюстраций, а как средство разрешения проблемных ситуаций. В школе подобные мероприятия базируются на усилиях энтузиастов, а в вузах креативные возможности физики должны быть использованы полностью. Во всяком случае, опыт преподавания таких дисциплин, как «История физических инноваций в технике» и «Алгоритмические методы решения изобретательских задач», показал и их востребованность , и их эффективность. Там обсуждаются роль физических противоречий и структура физического информационного фонда инженера. Вам придется руководить и другими видами внеклассной и внеаудиторной работы по обучению физике. Надо быть морально готовым к организации научных конференций и олимпиад в школах и вузах. Технология организации может быть самой различной, их подробно изучают студенты педвузов страны. К вам единственная просьба на будущее. Если придется составлять задания на олимпиады – помните, что в составе задач обязательно должны быть парочка заданий, посильных самому среднему ученику или студенту. Наверное, там должны быть и «убойные задачи», но структуры заданий никоим образом не должна уничтожать личность участника. Оставьте эту функцию организаторам международных олимпиад по физике. У них цель – формирование элиты с её в общем-то волчьими законами бытия.
Лекция 9. Проверка достижения учениками и студентами целей обучения физике.
Сущность и функции проверки. Три «функциональных» компонента:
1. Управление познавательной деятельности учащихся всех рангов путем получения более или менее достоверной картины того, что получилось, с целью уточнить, что и как делать дальше.
2. Функция обучения, систематизация и обобщение знаний.
3. «Воспитательная функция».
Поверка должна быть регулярной, объективной, всесторонней. Что означат эти функциональные свойства – каждый из вас может сформулировать самостоятельно. И в школе, и в вузе обычно используется целый (целостный) комплекс методов, средств и форм проверки ЗУНов учащихся.
Есть устная проверка: опросы индивидуальные и фронтальные. Назначение очевидно – системное повторение и оценка успехов каждого. Вопросы для таких проверок по разделам физики следует готовить заранее, их списки есть даже в Интернете. При многолетней работе они всегда есть в арсенале преподавателя, требуется лишь их корректировка. При формулировке вопросов следует понимать особенности устного опроса. У студента и у ученика практически нет времени для тщательного обдумывания, поэтому вопрос должен предполагать наличие почти автоматического и однозначного ответа. И надобно очень тщательно продумать и сообщить ученикам и студентам критерии оценок. При их выставлении помните: у ваших подопечных память может быть хорошей или плохой, короткой или длинной. Уровень восприятия и реакции тоже очень специфичны. Вы оцениваете не качество памяти, а наличие и качество знаний по физике.
Несколько иные функции несет письменная проверка (контрольные работы, физические диктанты в школе, сочинения или рефераты с докладом или без, только с проверкой преподавателем). В случае контрольных работ функция повторения отнесена к подготовительной работе учеников и студентов, поэтому тематику вопросов следует объявить заранее. Я, например, делаю это в начале семестра в вузе и в начале триместра в гимназии. Плюсы контрольных работ очевидны – систематизация при тщательном размышлении. Минусы – стрессовые ситуации, которые не все воспринимают одинаково. Ещё один минус – необходимость комплекса мер против списывания, в том числе с помощью электроники. Ещё один минус для преподавателя - необходимость проверки целой груды работ с попыткой понять – а что это такое имел в виду студент, когда писал «массовые силы» или «газообразные жидкости». Это, кстати, цитаты из Интернета.
Остальные разновидности письмен проверок – без комментариев, там все ясно из названий и конкретных заданий.
Проверка практических умений. При индивидуальной проверке ученик выполняет лабораторную работу у доски, под наблюдением всего класса. Оценивается уровень умений, которым должен овладеть ученик на момент проверки. Фронтальную проверку проще всего проводить во время выполнения лабораторной работы в обычной или контрольной версии. Обязательным элементом проверки является проверка письменных отчетов учащихся о выполнении работы. В вузе есть процедура так называемой «сдачи» лабораторных работ. Эта процедура отработана многими поколениями, и вы будете принимать работы также, как у вас их принимали. Вы уже знаете, что каждый преподаватель индивидуален, Возьмите у них лучшее и введите в свой арсенал проверки («приема») лабораторных работ. В школе выводы по лабораторным работам делают в стиле: « Я усвоил…). В вузе письменные отчеты должны содержать контрольные результаты типа: ускорение свободного падения в Пензе g = (9,806 плюс минус 0, 005) м/с2.
Экзамены - процедура весьма традиционная. Форму проведения экзамена выбираете Вы. Письменные или устные ответы, разрешенное наличие или абсолютное отсутствие вспомогательных материалов («шпаргалок»), режим подготовки и ответов, стиль приема Вам предстоит определить хотя бы на первое время самим. Много дискуссий было о правомочности тестового контроля. Поживем – увидим, что за нас решит наше министерство или другое руководство. Я лично приемлю тесты как отличный вид оперативного («промежуточного») контроля и категорически против того, чтобы тесты использовать как итоговый контроль.
На кафедрах вузов существуют традиционные для кафедры особенности контрольных мероприятий. Где-то принято проводить зачёты по темам, отдельно проводить проверку теоретических и практических знаний. Где-то всерьез отработали методику рейтингового контроля, определили модули по своей дисциплине. Достоинства и недостатки модульно-рейтинговой системы можно обсудить на отдельном семинаре, пока что будем руководствоваться интересами студентов и интересами кафедры.
Наиболее проблемная часть – проверка сформированности мировоззрения. Фактически должна быть оценка готовности к творческому труду. Но сделать это очень сложно. Причина проста – нет единиц измерения.
лекция 10. Технологии обучения физике. Основные идеи развивающего обучения.
Что есть «Технологии обучения»? Технология (technology) — практическое применение знания и использование методов в практической деятельности. Это определение включает также знания и идеи, включенные в обучение. Реализация педагогических знаний определяется многими факторами. Прежде всего это массовость обучения и наличие в образовании уровневой дифференциации. Дифференциация бывает внутренняя и внешняя. При внутренней дифференциации обучение ведется в обычных группах (классах). Учащиеся имеют право усваивать программу на разных уровнях, но не ниже определенного предела. При внешней дифференциации учащиеся объединяются в специальные группы в соответствии с их интересами, способностями и склонностями. Форма может быть различной. Селективной форма – это профильное обучение и обучение в классах с углубленным изучением физики. Элективная форма – факультативы и изучение предметов по выбору. Оба вида дифференциации часто сочетают в одной школе. Что касается профилей – то здесь более или менее однозначно. Разработана номенклатура профилей (физический, физико-математический, математический, физико-технический естественнонаучный и т.п.). Создан ряд специализированных программ и даже учебников. Дело за малым – обеспечение кадрами педагогов, способных все это реализовать.
Самыми спорными в теоретическом обеспечении остаются проблема развития способностей и проблема формирования способностей. То, что способности можно развивать – с этим согласны все. И вы тоже. Можно ли сформировать? Видимо, можно. Но теория этого процесса ещё не создана. Ясно лишь, что в формировании способностей огромную роль играет мотивация к обучению. Различают мотивацию познавательную и мотивацию социальную. Результаты исследования повышения мотивации изучения физики в старшей школе, полученные в рамках международного проекта ”Проблемы повышения мотивации при изучении естественнонаучных дисциплин”, показывают следующее. Основа мотивации - естественный познавательный интерес учащихся к окружающей среде, к тому, что они видят, с чем соприкасаются. Потребность понимания окружающего мира - наиболее действенный мотив в изучении физики. Учеников в первую очередь интересует то, что они видят: явления природы, человеческое тело, все, с чем они соприкасаются в обыденной жизни. Известно, что в последнее время заметно понизился интерес школьников к изучению естественных наук. По-видимому, это в первую очередь связано с экономическими причинами.
Студент вуза имеет свои мотивы, сознательные или подсознательные. Мотивация студентов неоднородна, она зависит от множества факторов: индивидуальных особенностей студентов, характера окружающей его группы, уровня развития студенческого коллектива. Исследования показали, что около 40% студентов стремятся стать квалифицированными специалистами. Стремление к высоким доходам привлекает треть студентов. Приятно отметить, что достаточно значимым является престижность высшего образования (11,1%). К сожалению, процент студентов, которые пришли за знаниями, очень мал (6,1%). Эти результаты, прежде всего, говорят о том, что необходимо повышать интерес студентов к получению знаний. Одним из способов является балльно-рейтинговая система, которая позволяет стимулировать систематическую работу студентов, дает возможность студентам получить немедленную оценку своего труда, повышает состязательность в учебе и, как следствие, заинтересованность в конечном результате: успешной сдаче зачетов и экзамена.
Среди большого числа инноваций «развивающее обучение» занимает достаточно стабильное положение и стоит на одном из первых мест по значимости и связываемых с ним ожиданий по повышению качества образования. Но теория и технология развивающего обучения для среднего и старшего звена школы практически не разработаны. Ещё меньше практических разработок применительно к высшему техническому образованию. Творчество школьника и студента отличается тем, что результаты его деятельности зачастую не являются новыми в общечеловеческом смысле. Студент в процессе созидания нового для себя результата моделирует и формирует в себе умения и навыки творца. Таким образом, деятельность по развитию творческой активности учащихся на занятиях - это система педагогических воздействий преподавателя, направленная на формирование у всех полопечных способности к усвоению новых знаний и новых способов деятельности с помощью усвоенных ЗУНов. Итак, развивающее обучение - это такое обучение, при котором формы, методы, приемы, средства преподавания направлены не только на усвоение знаний, навыков, но и на интенсивное всестороннее развитие личности учащегося. Такое обучение обеспечивает полноценную познавательную деятельность, а она, эта деятельность, требует от учителя высокого профессионального уровня. Развивающее обучение сосредоточено на том, чтобы молодые люди учились творчески использовать полученные знания.
Стержнем развивающего обучения является достижение максимального результата в общем развитии школьников. Поэтому основной путь направлен на формирование знаний, умений и навыков не большим количеством упражнений или заданий, а самостоятельным добыванием новых знаний всем классом. Иными словами, «развивающее обучение» сводится к формированию продуктивного мышления. Как известно, эмпирическое мышление – ориентация на внешние, чувственно воспринимаемые свойства. Продуктивное мышление – способ ориентации и создание особого вида «продукта» мысли, обеспечивающий формирование обобщенного образа. Можно утверждать, что процесс развития – это процесс формирования определенного набора когнитивных и креативных структур и операций.
В настоящее время происходит процесс информатизации общества, всей нашей жизни, соответственно происходит наиболее глубокая информатизация и компьютеризация процесса обучения. Компьютеризация учебного процесса открывает возможности для широкой реализации программы «развивающего обучения», ориентированной на формирование у студентов педагогических специальностей профессионально значимых качеств, но с учетом современных технологий обучения. Компьютерные технологии используются в процессе обучения физике, обеспечивая высокую степень индивидуализации и самостоятельности обучаемых. Внедрение персонального компьютера в учебный процесс создает необходимые предпосылки для обеспечения преемственности натурного эксперимента с компьютерным моделированием физических процессов и явлений тем самым обеспечивает базу для более глубокого и разностороннего проникновения и исследования объекта изучения. Сегодня при обучении физике в вузе и школах различного профиля широко используются как «классические» обучающие программы по физике –«Открытая физика» (10-11 кл.), «Живая физика» (10-11 кл.), «1С Репетитор» (10-11 кл.), «Физика в вопросах и ответах» (7-11 кл.), «Начала электроники» и др., так и моделирующие компьютерные программы. Последние создаются с помощью языков программирования, разработки и внедрение презентаций уроков по различным темам с использованием метода проектов и интерактивных досок.
Планирование работы учителя в школе и планирование работы преподавателя в вузе должны опираться на цели обучения. Они составляют планы трех видов: перспективный (годовой), календарно-тематический и поурочный. Для составления годового используют учебные планы школы или кафедры, программу курса, объем времени по четвертям или семестрам. Как их составлять – в школе расскажет завуч, в вузе – Першенков П.П. При этом уроки, лекции и прочие занятия должны образовывать методическую систему, как в пределах темы или раздела, так и по всему курсу. Для этого проводится анализ содержания курса, устанавливаются знания и умения, которые нужно усвоить, уровень и этапы их усвоения. Есть ещё планирование проведения контрольных мероприятий, подготовка задач и много другой рутинной работы. Особо надо выделить планирование урока. Эту тему мы частично отработали на планах пробных уроков. Напомню лишь: урок физики включает: цели урока, содержание учебного материала, методы и приемы обучения, способы организации деятельности учащихся, средства обучения. Все это должно быть отражено в конспекте урока. Полезно оставить поля (или столбец) для замечаний проверяющего и примечаний после проведения урока. Ещё раз: МОФШВ – необходимый компонент физического образования. После изучения этой дисциплины у вас должно сформироваться понимание разнообразия «технологий». Займемся конкретными технологиями.
лекция 11. Формирование физических понятий при обучении физике в школе и вузе.
Что есть «физическое понятие»? Понятия бывают общенаучные - материя, движение как способ существования материи, время и пространство как формы существования материи, взаимодействие как проявление природной сущности явлений. К общенаучным относятся все принципы естествознания (наименьшего действия, относительности, дополнительности и др.), категории и концепции, типа необходимость и случайность, причина и следствие , симметрия и антисимметрия объектов и физических законов.
Есть и сугубо физические понятия. Их группируют так: 1.Сами физические явления – вращательное движение, теплопроводность, диффузия, электрическое поле, электрический ток и т.п. Особенности формирования понятий о явлениях в школе и вузе состоят в том, что в этом процессе возможно использование моделей. 2.Характристики явлений и тел – энергия, импульс, путь, скорость, ускорение, масса, сила, электрический заряд, напряженность электрического поля.
Особо выделяем измеримые величины. Наряду с ними есть и вычисляемые величины. Вопросы типа: «Что Вы измеряли?» и «Что Вы вычисляли?» почти обязательны при приеме лабораторных работ.
Математика – язык физики. Трудно сказать, являются ли физическими или математическими понятия вектора, оператора, уравнения движения и уравнения траектории. Особо отметить: при решении алгебраических уравнений мы получаем число, при решении дифференциальных уравнений – функцию! В заключение этого «кусочка» темы – повтор: формирование понятий через наблюдение и накопление эмпирического опыта («индукция») и через осознание обобщенного понятия и его проявлений («дедукция»). Синтез – в головах учеников и студентов. Простенький вам вопрос: давление – вектор или скаляр? Ответ обосновать.
Для формирования физических понятий целесообразно использовать методологический подход, который позволяет учитывать личностные особенности учащихся; развивать логическое и творческое мышление учащихся; активизировать самостоятельную познавательную деятельность учащихся; вырабатывать у учащихся умения и навыки выполнения таких операций, как анализ, синтез, сравнение, сопоставление, классификация, абстрагирование и обобщение; учитывать возрастные особенности учащихся. Вся эта груда вполне научных благих намерений реализуется по ходу работы путем поэтапного формирования понятий. И очень часто – на языке математики, например, через отношения измеримых величин. Пути формирования также предельно очевидны. Это наблюдение, накопление и обобщение эмпирических фактов и осознание обобщенного понятия и его проявлений в опыте. Данный подход осуществляется на основе методологии физики в концепции эволюции физической картины мира, при этом происходит пошаговое формирование физических понятий. Для получения учащимися первоначального представления о физическом понятии на уроках физики используются демонстрации физических явлений, в которых отражено это понятие; выполнение фронтальных лабораторных опытов, иллюстрирующих изучаемое понятие; рассмотрение примеров из жизни, отражающих смысл изучаемого понятия. Затем следует определение физического понятия. Оно включает словесное определение (формулировка), физический смысл и описание математической модели понятия. Затем следует изучение единиц измерения понятия. Для полного освоения физических понятий целесообразно показывать становление понятия, историю его развития и техническое применение. Не следует забывать и про внутрипредметные и межпредметные связи. Физика – единая наука, фундамент естествознания. Закрепляется все это дело в процессе решения задач и выполнения фронтальных лабораторных работ и опытов, иллюстрирующих физические явления, в которых представлено рассматриваемое понятие. На финише - границы его применимости и выделение его общенаучного и конкретно-научного содержания. Философское содержание понятия является высшим уровнем абстрагирования и всеобщности. Овладение понятием связано с активной мыслительной деятельностью учащихся, следовательно, работая с понятиями, можно научить учащихся систематизировать полученные знания. В процессе формирования физических понятий имеет место обобщение полученных знаний. Рефлексия позволяет помочь учащимся проанализировать все предыдущие действия при формировании физических понятий и осознать результат выполненных действий. Поэтапным должно быть и формирование концептуальных понятий: модель и моделирование, измерение во всех его ипостасях, «физическая величина». Эволюция понятия по мере обучения: масса инертная и масса тяготеющая, поля векторные и поля скалярные. Целесообразно различать «школьный» и «вузовский» уровни при формировании понятий. И там, и здесь полезны наглядность и абстракция. Как лучше вводить - через «арифметику» или через «понятие производной»? и как преподносить законы сохранения в школе и вузе? – все это реализуется в конкретной аудитории. В школе – преимущественно как обобщение эмпирики. В вузе – через фундаментальные свойства пространства и времени, но опираясь на эмпирику.
лекция 12. Обобщение и систематизация знаний при обучении физике в школе и вузе.
Это есть мыслительная деятельность, в процессе которой вырабатывается системный подход к физике и системный подход к собственной личности. У системы всегда есть: а).системообразующий фактор, б). главная полезная функция. На выходе - формирование рефлексии. Системообразующий фактор очевиден - это единство законов природы. Главная полезная функция (ГПФ) – быть основой рефлексии в восприятии мира в целом, в восприятии физической картины мира. Для студентов – технарей: осознание того, что физика есть основа современной техники и основа для её совершенствования. Рефлексия (от лат. reflexio — обращение назад) — процесс самопознания субъектом внутренних психических актов и состояний. Это особый источник знания (внутренний опыт в отличие от внешнего, основанного на свидетельствах органов чувств). Эту трактовку рефлексии будем считать главной аксиомой педагогической психологии. В сложном процессе рефлексии даны, как минимум, шесть позиций взаимного отображения субъектов: сам субъект, каков он есть в действительности; субъект, каким он видит самого себя; субъект, каким он видится другому, и те же самые три позиции, но со стороны другого субъекта. Pефлексия, таким образом, — это зеркальное взаимоотображение субъектами друг друга. Если попроще, без наукообразия, то рефлексия в нашем случае: каким Вы видите самого себя в физике и каким Вас видят Ваши коллеги. Тоже в физике.
Обобщение знаний - процесс формирования системных знаний по физике, т.е. знаний, структура которых подобна структуре физической теории. Систематизация физических знаний предполагает усвоение знаний в их логической связи и преемственности, организацию их в систему по какому-либо признаку. Признак Вы можете выбрать сами.
Обобщение обязательно должно проводиться на всех уровнях физического знания. Уровни обобщения:
• ФКМ (и ЕНКМ) - иерархия теорий, их взаимопереходы и взаимопересечения, исходные идеи, «белые пятна», современные направления развития науки; система и взаимосвязи естественных наук.
• методологические основы научного познания - принципы и категории естествознания, концепции и методы научного познания (эмпирические и теоретические), их конкретное применение.
• фундаментальные физические теории, их структура, эволюция теорий (система частных теорий), границы их применимости, дальнейшее развитие.
• общенаучные понятия вещества, поля, взаимодействия, энергии, пространства и времени, их конкретизации в различных областях.
Далее следуют частные физические теории, физические законы, физические понятия, научные гипотезы и научные факты.
Как реализовать обобщение и систематизацию в школе – по этому поводу сломано много копий, написано и защищено десятки диссертаций. Но практически это задача выполняется сама собой, рассредоточено по всему учебному процессу. Надо лишь все время обучения подчеркивать и показывать единство законов природы. На занятиях полезно акцентировать внимание учеников на взаимосвязь физических теорий (разделов учебного курса физики), и пользу междисциплинарных связей (математика, химия, биология). Ибо времени на организацию специальных занятий по обобщению и систематизации нет, разве что на факультативах. Для студентов технических специальностей обязательно нужны три-четыре аудиторных занятия в конце курса физики. Эти занятия посвящаются описанию современной естественнонаучной картины мира и демонстрации мощи физических знания при решении проблемных инженерных задач с привлечением материалов по ТРИЗ (теории решения изобретательских задач). Времени там тоже мало, но его надо изыскивать. Физика есть основа естествознания и основа техносферы – эта мысль и должна служить основой научного мировоззрения будущих инженеров.
лекция 13. Обучение решению задач в школе и вузе.
На свете есть вещи важнее самых
замечательных открытий – это знание методов,
которыми эти открытия были сделаны.
Готфрид Лейбниц.
Знать физику – означает уметь решать задачи.
Энрико Ферми
Задачи по физике решают для того, чтобы научиться решать задачи жизни, науки, техники. Решение физических задач формируют творческие способности учащихся, вырабатывают волю, аккуратность, наблюдательность и другие хорошие качества. Успешное решение физических задач - залог успехов в понимании физики. Решение физических задач играет большую роль в формировании навыков самостоятельной работы. Оно вполне представительно характеризует уровень усвоения знаний. А Вы решать задачи?
Чтобы отшлифовать ваши умения по этой части, важно осознать, что физическая задача - это ситуация, требующая от учащихся мыслительных и практических действий на основе законов и методов физики, направленных на овладение знаниями по физике и на развитие мышления. Существуют логический, математический, экспериментальный способы решения задач. Методика обучения этим способам опирается на алгоритмические или полуалгоритмические модели. Алгоритмика нужна и при решении творческих задач, но там работают эвристические алгоритмы.
Что такое учебная задача?
В дореволюционной школе физических задач практически не было. В современной школе физические задачи являются необходимым условием усвоения физики. Задача - ситуация, с которой приходится иметь дело в учебной и научной деятельности, когда необходимо определить неизвестное на основе знания его связей с известными. Под физической задачей следует понимать ситуацию (совокупность определенных факторов), требующую от учащихся мыслительных и практических действий на основе законов и методов физики, направленных на овладение знаниями по физике и на развитие мышления. Основная цель, которую ставят при обучении решению задач – глубокое понимание физических закономерностей.
Решение физических задач в процессе обучения учеников и студентов физике способствует более отчетливому формированию физических понятий. Оно создает и укрепляет навыки и умения в применении физических законов к объяснению явлений природы и к решению практических вопросов, закрепляет знание и применение наименований физических величин. Преподаватели во всю используют решение задач для повторения пройденного материала, организации контроля знаний. Иногда решение физических задач используется как затравка при изложении нового учебного материала.
Задачи можно классифицировать по различным признакам. Бывают задачи абстрактные и конкретные, с производственным и историческим содержанием, занимательные. Дидактически есть задачи тренировочные, контрольные, творческие. По способу задания условий: текстовые, графические, задачи-рисунки, задачи-опыты. По трудности есть задачи простые (содержат одно-два действия), сложные, комбинированные. Есть также задачи количественные, качественные, экспериментальные. Смысл в большинстве ясен из названия подкласса. Но все они - задачи по физике.
Большинство учебных задач целесообразно решать алгоритмическими способами. Под алгоритмом подразумевается некий определённый для данного круга задач порядок выполнения операций. Это совокупность точных правил и закономерностей, показывающих, как нужно распорядиться своим знанием, чтобы получить решение или достичь цели. Как учил создатель системного программирования академик А.Ершов, «алгоритм позволяет не угадывать решение или находить его от случая к случаю, а приходить к нему закономерно, следуя точным правилам». Ведь если вдуматься, то вся наша жизнь алгоритмизирована: значительную часть того, что мы совершаем, мы делаем по алгоритмам – правилам, которые даются нам обучением, воспитанием или нашим жизненным опытом. Чётко сформулированный алгоритм не создаёт какой-либо «неопределённости» в наших действиях: одно действие строго следует за другим, – в этом красота алгоритма.
Решение задач – одно из средств развития мышления. Неумение решать задачи создаёт у учащегося (студента или ученика школы) отрицательное отношение к физике. Алгоритмика дает план решения, позволяя студенту конкретизровать имеющиеся знания. Это заставляет ученика любого уровня думать. Алгоритмическое предписание указывает, что надо делать, а вот как делать – ученик решает сам.
Вместе с тем каждый преподаватель должен четко осознавать, что излишнее увлечение алгоритмизацией может дать «обратный» эффект – выработать стереотип мышления, шаблон, лишить человека самостоятельности, творчества. Поэтому предлагаемый метод нужно рассматривать как один из методов в общем комплексе привития навыков решения задач по физике. Но это не так страшно. Итак:
Алгоритм – это последовательность операций, применяемых по строго определенным правилам. Здесь речь идет об алгоритме решения учебных задач по физике. Без решения задач физические знания сформировать невозможно. Будем считать это утверждение аксиомой. «Знания - это то, что у вас осталось после того, как мы всё, что можно, забыли». Но решение учебных задач – не самоцель. Цель – умение мыслить физически.
Что мы называем физической задачей? Первое – наличие проблемности. Что-то известно, а что-то надо найти. В учебных задачах часто требуется получить математическое выражение для расчета искомого параметра. Плюс умение подставить численные значения и сделать расчет с обоснованной точностью. Иногда требуется определить условия, необходимые для осуществления явления. Второе – любая физическая задача есть модель реальной ситуации. Как и всякая модель, задача содержит существенные признаки, соотношение между которыми и составляет проблемную ситуацию. Вне пределов рассмотрения («за кадром») могут быть десятки деталей, которые автор задачи отнес к несущественным. Итак, задача: проблема и модель.
Проблема, поставленная в задаче, анализируется и решается на основе физических знаний. Надо знать теорию, её математическое выражение, владеть культурой математических операций. Изредка возможно использование физических экспериментов. Формулировка задачи – в основном вербальная (словесная). Для уточнения и наглядности используются рисунки, графики, схемы, иногда формулы. В текстах учебных задач, как правило, фигурируют и физические термины, и физические понятия. Особенность учебных задач – у них всегда есть ответ. В этом их отличие от задач исследовательских. Поскольку задача есть проблемная ситуация, то и алгоритм движения от условий к ответу должен быть алгоритмом разрешения проблемных ситуаций. В науке все проблемы анализируются на моделях. Адекватность модели (что там существенно, а что – не очень) отслеживается на каждом шаге. Алгоритм пригоден для решения задач по многим дисциплинам. Его надо тщательно изучить и неуклонно применять на практике. Поэтому структуру алгоритма полезно изучить или хотя бы прочесть очень тщательно. И потренироваться в его использовании. Ещё раз напомним: алгоритм есть последовательность обязательных действий:
АНАЛИТИЧЕСКАЯ СТАДИЯ.
1.1. Анализ условий задачи. Осознание задачи как проблемной ситуации и как модели реальной физической ситуации. Модель чего представлена в условиях (тексте) задачи? Что есть на старте? Что будет происходить? Что будет на финише? Какими законами физики описываются те состояния и процессы, что есть в задаче? На этом шаге создается мысленный образ проблемы и возможных моделей самой задачи. Иными словами: задача надо очень внимательно прочесть не менее трех раз, и представить себе, с чем мы имеем дело.
1.2. Запись условий задачи. Здесь хорош традиционный способ, данные – столбиком, с переводом единиц в СИ. Не забудьте записать и особые условия. Если «гладкий», то коэффициент трения равен нулю (μ = 0); если можно пренебречь массой пружины, то m = 0, и т.д.
1.3. Запись - что надо найти? Пишите сознательно, а не формально. Это очень важно – заранее представить ответ. Своего рода – идеальный конечный результат, к которому надо стремиться. Какую физическую величину ищем? В каких единицах она будет выражена? Функциональная оценка ответа – что будет в конце? Возможная количественная оценка ответа – сколько примерно может быть? (Чего? и сколько?) Как правило, грамотно составленные физические задачи имеют вполне правдоподобный численный ответ. Так, если в ответе надо найти скорость нормального велосипедиста, то она может быть 3-15 м/с, хотя в задачах ЕГЭ встречаются скорости велосипедистов в 40 м/с.
Проверьте результат анализа. У Вас должен сформироваться образ задачи, её мысленная модель. Осознали проблему – работаем дальше.
2. СИНТЕТИЧЕСКАЯ СТАДИЯ.
2.1. Разработка графической модели задачи. В школе Вы рисовали рисунок. Или эскиз. Но нужна именно МОДЕЛЬ. Основа модели – система отсчета (СО) и в ней – наглядное представление того, что есть существенного в условии задачи. Кстати, сама СО может присутствовать условно. Очень полезно представление в серии рисунков: что было, что происходит, чем закончится. На графической модели сверх эскизного рисунка обязательна «физическая разметка». Векторы сил, скоростей, движение зарядов, параметры термодинамических систем и так далее. Типовая ошибка – мелкомасштабный эскиз, где нет возможности ни толком что-то рассмотреть, ни дополнительно нанести неучтенные детали. На этом шаге нужен наглядный образ задачи. При обучении решению задач создание графической модели – шаг обязательный, даже если эта модель предельно проста типа двух материальных точек, к одной из которых «прицеплен» вектор скорости.
2.2. Создание математической модели задачи. Это очень значимый шаг. Фактически надо записать формулами то, что есть в задаче, заменить вербальную формулировку математической. Проделывать это надо тщательно. Психологически решателю хочется сразу же что-то во что-то подставить, фактически – попытки угадать ответ. Иногда это получается, но чаще – ведет к нерациональному расходу времени. На стадии «научения себя» не надо торопиться! Нужна математическая модель задачи, полная и адекватная. Прежде всего надо записать «очевидные уравнения», обозначенные в условиях, типа M=2m, F1/ F2 = n, Fc =0. Далее в виде уравнений следует записать, что было, что происходит и что будет в анализируемой модели. Какие величины сохраняются? Заряды, энергия, импульс? Что просто остается постоянным? Иными словами, надо визуализировать, какими именно будут соотношения между заданными и искомыми величинами в данной задаче. Полезным будет обращение не только к памяти, но и к «шпаргалкам» - учебнику или собственным конспектам. Иногда на этом шаге появляются «лишние» уравнения, например, запись закона сохранения энергии в неупругих процессах, хотя учет тепла по условиям данной задачи не обязателен. Экономить нецелесообразно. Пусть будет лишнее уравнение – оно не помешает. Как правило, для большинства учебных задач полная математическая запись условий образует систему уравнений, вполне достаточную для получения ответа в общем виде. Отметим, что обе стадии – аналитическая и синтетическая – по формальной сути своей ещё не есть «решение задачи». Это стадии понимания и преобразования условий, их перевод на язык физических представлений и на абстрактный язык математики.
3. ОПЕРАТИВНАЯ СТАДИЯ.
3.1. Преобразование математической модели в ответ на задачу. Решение систем уравнений в общем случае относится к математической подготовке студента. Вместе с тем решение системы «физических уравнений» имеет свои особенности. Искать надо ту величину («неизвестное!!!»), что обозначена в записи ответа! Следующее - во всех уравнениях фигурируют размерные величины. Поэтому, например, квадратные уравнения целесообразно записывать и решать в приведенном виде, так проще отслеживать размерности. Иногда число уравнений получается на одно меньше, чем число неизвестных, хотя содержание задачи полностью «переведено в уравнения». В таких ситуациях следует искать не сами величины, а их отношения, акцентируя внимание на том, что многие физические величины определяются через отношения других величин. Достаточно вспомнить определения массы, электрической емкости, скорости, сопротивления резистора, индуктивности и т.п. Все они определяются через отношения. Математический признак такой ситуации – однородность уравнений.
Во всех случаях ответ надо стремиться получить в общем виде, если это позволяет сущность задачи. Но иногда в задачах бывают модели реальных ситуаций, где сам факт осуществления процесса зависит от исходных количественных данных. Классический пример: к холодному куску льда присоединяют некоторую порцию перегретого водяного пара. Что будет? На финише может быть и только лед, и только пар, и все промежуточные состояния. И физически, и количественно ответ зависит от количественных данных. Поэтому решение задачи приходится вести путем последовательных оценок получаемых и отдаваемых порций тепла. Особого подхода требуют и задачи на «разветвленные» электрические схемы, где уравнения могут включать «многоэтажные дроби». Там проще посчитать по элементам, не забывая о размерностях. Но это добропорядочные исключения, а правило – ответ должен быть в общем виде.
3.2. Проверка размерности ответа. Очень полезно приучать самих себя к тому, что контроль размерности полезен на всех стадиях решения задачи, но проверка размерности ответа – операция обязательная.
3.3. Получение численных значений. Подстановка числовых значений известных параметров и сами вычисления при наличии калькулятора обычно принципиальных трудностей не вызывают. Исключением являются лишь экзамены, где стрессовые состояния иногда провоцирует самые невероятные арифметические ошибки. Иногда сказывается и низкая математическая культура абитуриентов (и студентов), их неумение обращаться с показателями степени, логарифмами, экспонентами и даже корнями. Рецепт один – только упражнения. После получения «числа» необходимо присвоить ему размерность и затем оценить правдоподобность полученного значения. Это позволяет обнаружить и исправить арифметические ошибки, своеобразные «ляпы», особенно при сравнении с результатами шага 1.3. Если ускорение троллейбуса получилось равным 400 м/с2, то это явно следствие неправомерного перенесения запятой на три знака. Реально для троллейбуса – 0,4 м/с2. Конечно, не все учащиеся способны оценить реальность значений многих физических величин. Так, индукция магнитного поля в 100 Тл для многих также реальна, как и значение в 0,1 Тл. С оценкой реальности проще всего в механике, сложнее – в электромагнетизме и совсем плохо в оптике, атомной и ядерной физике.
4. ДИДАКТИЧЕСКАЯ СТАДИЯ.
Проведите анализ Вашего решения. Просмотрите его от начала (текста!!) до конца. Запишите себе в сознание и подсознание, что же такое Вы сотворили. Такой анализ поможет представить сложную или громоздкую задачу как последовательность (или сеть) простых упражнений. В вашей памяти появится «очередной файл», который обязательно сработает в дальнейшем. Психологически анализ задачи способствует переводу «творческих» операций в рутинные, давая возможность поднимать уровень творчества.
Внимание! Все четыре стадии, от аналитической до дидактической, обязательны для продумывания! Особенно дидактическая. Типовые ошибки мы уже обсуждали. Не повторяйте их.
Как преподаватель ПГУ и ПГТА отмечу, что наши первокурсники, абитуриенты и одиннадцатиклассники по стилю мышления мало чем отличаются друг от друга. Они привыкли, что учиться их заставляют, и по инерции даже сознательные студенты ещё очень долго остаются «подневольными крепостными». Это относится и к «технарям», и к физикам. Познающей личностью студент становится много позже. Вместе с тем надо понимать, что «школьно-абитуриентское» восприятие учебного процесса первокурсником – это вполне естественный, природный этап в становлении личности. Но чем он короче – тем лучше. Психологическая мотивация к учению, уважение к собственной личности не могут возникнуть враз, по внешней команде. «Приказ» должен поступить изнутри. Для этого нужно время, но учтите – его у нас мало. Тем более что школа все-таки больше приучает к покорности через принуждение, чем к осознанию необходимости самосовершенствования. Но: нам не из чего сделать добро, кроме как из зла, которое мы имеем.
Лекция 14. Формирование экспериментальных умений учащихся при обучении физике в школе и вузе. Лабораторный практикум по физике.
Исследовательское экспериментальное умение – способ деятельности, включающий умственные и практические действия, соответствующие научно-исследовательской деятельности и подчиняющиеся логике научного исследования, направленные на решение экспериментальной задачи или проверку выдвинутой гипотезы. Экспериментальные умения включают интеллектуальные умения и практические. К первой группе относятся умения: определять цель эксперимента, выдвигать гипотезы, подбирать приборы, планировать эксперимент, вычислять погрешности, анализировать результаты, оформлять отчет о проделанной работе. Ко второй группе относятся умения: собирать экспериментальную установку, наблюдать, измерять, изменять параметры. Умение считается сформированными, если правильно, полно и в нужной последовательности выполняются все действия в его составе.
Формирование экспериментальных умений почти целиком базируется на лабораторных работах. Физика - наука экспериментальная. Мы должны научиться сами и научить наших подопечных умению задавать вопросы природе и иногда получать ответы. Экспериментальную технику можно формировать по-разному, но главное здесь – формирование двух обобщенных умений. Это умение моделировать и умение измерять. Уровень решаемых экспериментально задач должен соответствовать уровню подготовки учащихся. В школе это уровни средних и старших классов. Студенты логично подразделяются на «технарей», гуманитариев и естественников (физиков, химиков, биологов и т.п.). Каждому уровню соответствует определенный вариант лабораторного практикума.
Сама технология формирования экспериментальных умений включает:
- знакомство учащихся с методом экспериментального физического исследования в ходе демонстраций физических явлений, изучения описаний исторических опытов;
- обучение учащихся отдельным компонентам-действиям умения, то есть ставить цель исследования, формулировать гипотезу, проводить наблюдения, измерения и пр.;
- проведение простых исследований в ходе фронтальных и домашних опытов;
- проведение исследований в ходе выполнения лабораторных работ по инструкции;
- проведение исследований в ходе выполнения лабораторных работ с элементами самостоятельного исследования;
- проведение самостоятельных исследований.
Эта технология осваивается поэтапно, от средних классов до окончания курса физики в вузе. Как любой способ деятельности, экспериментальное умение формируется в соответствующей деятельности – в ходе эксперимента, например, при выполнении самостоятельных лабораторных работ.
Учебный физический эксперимент – это воспроизведение на занятиях с помощью специальных приборов физического явления или процесса в условиях, наиболее удобных для наблюдения. Лабораторные исследования обеспечивают познание учеником или студентом окружающего мира на основе собственных действий. У школьников они позволяют формировать важные личностные качества (аккуратность; организованность, настойчивость в получении результата.
Для тех, кто пойдет «в науку», напомню, что профессиональное экспериментальное исследование по физике включает цепочку последовательных действий, в том числе:
- формулировку цели: выявление физической закономерности, формулировку и проверку гипотезы и пр.;
- планирование эксперимента, разработку принципиальной схемы установки, определение ее параметров;
- подбор элементов установки – объекта исследования, воздействующего элемента, управляющего элемента, индикатора; отбор оборудования;
- сборка и отладка экспериментальной установки;
- проведение эксперимента, наблюдения и измерения,
- оформление отчета о работе – выполнение записей и зарисовок, вычислений, построение графиков по таблицам;
- анализ и оценка результатов,
- формулирование выводов.
- публикации.
Лабораторные работы есть модель реальных физических экспериментов. Ясно, что профессиональный подход требует освоения, в том числе в ходе выполнения лабораторных работ. Выделяют три вида лабораторных занятий:
• фронтальные лабораторные работы по физике;
• физический практикум;
• домашние экспериментальные работы по физике.
Фронтальные лабораторные работы - это такой вид практических работ, когда все учащиеся класса одновременно выполняют однотипный эксперимент, используя одинаковое оборудование. Их можно классифицировать и выделить работы:
- по наблюдению физических явлений (взаимодействие магнитов, интерференция и др.);
- по ознакомлению с приборами и выполнению с их помощью прямых измерений (измерение силы тока, напряжения, веса тела и др.);
- по выполнению косвенных измерений физических величин (измерение сопротивления проводника с помощью амперметра и вольтметра, измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока и др.);
- по сборке и ознакомлению с принципом действия некоторых технических установок и приборов (сборка электромагнитного реле, детекторного радиоприемника и др.).
Физический практикум проводится с целью повторения, углубления, расширения и обобщения полученных из разных тем курса физики знаний; развития экспериментальных умений при использовании более сложного оборудования, в более сложном эксперименте; формирования у них самостоятельности при проведении эксперимента.
Домашние экспериментальные работы - простейший самостоятельный эксперимент, который выполняется учащимися дома, вне школы, без непосредственного контроля со стороны учителя за ходом работы. Но планировать его лучше с помощью преподавателя. Особому контролю подлежат вопросы техники безопасности.
Последние годы характеризуются массовым переходом вузов и некоторых школ к компьютерным версиям классических лабораторных работ. Компьютер позволяет провести видимость эксперимента из любой области физики. Ему все равно – механика или ядерная физика. В каждом из разделов есть материал для лабораторных работ, которые очень полезны студентам и школьникам, но не могут быть реализованы в натуре либо из-за их высокой стоимости, либо просто из-за опасности или неприемлемых габаритов. Еще одним достоинством компьютера является возможность проведения с его помощью лабораторных практикумов по фронтальному методу. Обычно последовательность лабораторных работ, выполняемых студентами, не совпадает с последовательностью изложения материала в лекционном курсе. Одновременное выполнение одной и той же работы всеми студентами (фронтальный практикум) в натуре требует большого количества экспериментальных установок, что затруднительно. С помощью компьютера проблема решается очень просто - различные работы могут выполняться на одной "установке" - компьютере. Нужны лишь численные варианты заданий.
Электронные версии существуют давно, но только недавно появились простые и мощные средства их реализации. Новые возможности приобрели графические пакеты. Все это позволило облегчить создание электронных лабораторных работ и улучшить их дизайн. При разработке компьютерного практикума необходимо, прежде всего, тщательно продумать постановку работы с методической точки зрения (как и в какой последовательности ее выполнять, как обрабатывать результаты, что должно выполняться без помощи компьютера и т. п.). Однако не менее важно учитывать и психологические особенности взаимодействия человека не с реальной, а с виртуальной компьютерной средой. Кроме удобного интерфейса, важную роль играет графическое оформление. С его помощью можно обратить внимание на ключевые моменты учебного материала, выделив цветом или шрифтом нужные слова или фразы. Огромное значение имеет качество динамической графики. И, наконец, необходимо учитывать особенности восприятия текста с экрана монитора. Физиологические особенности человеческого зрения таковы, что компьютерный текст хуже усваивается и утомляет глаза. Поэтому основной объем теоретического материала целесообразно прилагать к практикуму в виде печатных методических разработок.
Говоря об электронном воплощении лабораторного практикума, нельзя не отметить, что для многих будущих исследователей-физиков очень важны навыки работы с экспериментальным оборудованием, и даже самый лучший опыт на компьютере не может полностью заменить реальный. Поэтому не следует думать, что со временем виртуальный практикум вытеснит традиционный. Переносить на компьютер следует те эксперименты, которые по какой-либо из перечисленных выше причин невозможно проводить обычным способом. Наиболее выгодным подходом является сочетание традиционного практикума с электронным. Например, основная версия отрабатывается на натурной установке, а варьирование параметров – на компьютерах.
Участие в научно-исследовательской работе - ещё один путь формирования экспериментальных умений. Они формируются вместе с исследовательскими умениями. Сказанное справедливо как для школьников, так и для студентов. О том, что такое исследовательские умения, можно написать целую монографию. Но главное – не в монографиях. Главное – хотя бы один раз реализовать что-то исследовательское. На вводной лекции утверждалось: «Тому, кто претендует на оценку «Отлично», придется выполнить работу по п.4: «Разработка тем НИР школьников для внешкольной работы с особо одаренными детьми». Минимально надо предложить и проработать одну тему, если будет две – зело хорошо». При этом авторы предполагали, что предложив тему, студент сам проверит её осуществимость, то есть приобщится к исследовательской экспериментальной работе. Дело за малым - разыскать темы. Остальному Александр Васильевич и Вадим Александрович Рудины научат.
15. Обсуждение и выбор формы экзамена. Консультации.
Один вариант – стандартно, по билетам, как форма контроля. Ответ преподавателю. Преимущество: студент учит все вопросы, отвечает один. Но учит сам, без наблюдения и комментариев преподавателя.
Альтернатива: экзамен как завершение учебного процесса. На консультации перед экзаменом темы распределяются персонально, в порядке их следования. Студент шлифует и отвечает одну тему, у доски. Остальные слушают. По окончании оценка обсуждается и выставляется преподавателем с комментированием мотивов. Это хорошо смотрится на фоне многобалльных рейтинговых оценок в соответствии с модой на рейтинги. Достоинство очевидно: за три-четыре часа зкзаменационного времени у студента, даже если он пропустил половину занятий, формируется образ дисциплины как системы. Студент «учит под наблюдением» и привыкает оценивать свою и чужую работы. Что хорошо. Недостаток: великоват расход времени, да и запоминание хуже. Но зато окончание эффектное: заполнение ведомости и выставление оценок в зачетки преподавателем под наблюдением студентов.
16. Резерв.
Литература.
1. Теория и методика обучения физике в школе. Общие вопросы. Под редакцией С.Е.Каменецкого и Н.С.Пурышевой. М., ACADEMIA, 2000г. 368с. (или более поздние переиздания).
2. Физика и её преподавание в школе и вузе. 7-ые Емельяновские чтения. Материалы Региональной научно-практической конференции, Йошкар-Ола, 2009г. 260с.
3. З.П.Мастропас, Ю.Г. Синдеев. Физика. Методика и практика преподавания. Феникс, Ростов-на-Дону, 2002г, 288с.
4. Ю.В.Горин, Б.Л.Свистунов. Концепции современного естествознания. Эволюционный подход. Пенза, ПГТА, 2010г. 202с.
5. Ю.В.Горин, и др. Физика в технологии творческой деятельности инженера. Физическое образование в вузах. 2005г., т.11, №4, с 51-57.
По каждому разделу наших лекций написаны тысячи статей, сотни диссертаций и десятки книг. Начинайте коллекционировать. Полезны задачники и пособия по решению задач, материалы ЕГЭ, сборники тестов, задачи олимпиад МФТИ, МГУ, ПГУ, МВТУ им. Баумана, ПГУ. Обязателен один комплект школьных учебников, я лично рекомендую В.А.Касьянова. Нужен и комплект вузовских учебников. Мне больше импонирует учебник МГУ под редакцией В.А.Алешкевича, он и физик прекрасный, и методист выдающийся. Конечно, вся справочная литература ныне есть в Интернете, но ФЭС тоже каждому полезен.