Учебная задача как методическая основа построения курса физики

Актуальность данной работы не в последнюю очередь связана с тем, что в современных условиях происходит переоценка функций учебной задачи. Из образовательной политики в области государственного тестирования следует, что умение решать задачи становится основным критерием успешности обучения физике. В свете этого рассмотрение учебной задачи как элемента, конституирующего весь процесс обучения и обеспечивающего активную познавательную деятельность учащихся представляется своевременным.

В специализированных школах и классах, ориентированных на требования вузов, практика по решению задач является основным средством приобщения учащихся к содержанию и методам физики. Основная причина в том, что для подлинного усвоения физики и успешного обучения в вузе важны именно те навыки, которые развиваются при решении задач. Отражается это и в распределении учебных часов. Например, в Новосибирской физико-математической школе на лекции по физике отведено 2 часа, на занятия по решению задач — 4 часа, на лабораторные работы — 1,5 часа в расчете на неделю.

При построении же курсов физики в общеобразовательной школе задачи рассматривают как необходимый, но все же вспомогательный компонент курса, который к тому же зачастую подвергается сокращению. Вместе с тем заметна опасная тенденция вырождения образовательного процесса в «натаскивание» на типовые, стандартные задачи, что не отвечает целям полноценного физического образования и практически неэффективно. Это не позволяет системно и в полную силу использовать высокий обучающий и развивающий потенциал задач, ввести в общую практику многие ценные методические находки и приемы, мало способствует воспитанию интереса к физике, не позволяет гибко учесть возрастные и другие особенности учащихся.

Этот предварительный анализ ситуации позволяет указать основные противоречия, обусловившие актуальность исследования:

— между ролью практики по решению задач в приобщении учащихся к физическим представлениям и тем местом, которая она занимает в обучении физике в общеобразовательной школе;

— между требованиями, которые предъявляются к знаниям и умениям выпускников в физике, как основы их дальнейшего образования, и реальным уровнем подготовки;

— между возможностями, которые системное использование задач открывает для развития способностей учащихся, и ограниченностью обучающих функций задач в реальной практике обучения физики;

— между преимуществами построения курса физики, в котором весь материал и задачи системно взаимосвязаны и структурой современных учебных пособий, где эта взаимосвязь полноценно не реализуется.

Назначение задач в курсе физики общеобразовательной школы зачастую понимается неоправданно узко. Более того, многие известные и доказавшие свою плодотворность методические подходы не используются в полной мере. Поэтому есть смысл остановиться на общем рассмотрении назначения задач и наметить связи с темой данного исследования.

Нельзя понять физику, не решая задач. Решение задач важнейший вид учебной деятельности, в которой учащиеся овладевают теоретическим содержанием курса физики, развиваются их творческие способности, формируются способы и структуры деятельности, лежащие в основе продуктивного мышления.

Распространенное мнение о том, что задачи служат для проверки знаний, чересчур односторонне. Решение задач является и средством овладения знаниями и методами физического мышления, помогают ощутить дух научного поиска. Интересная и важная задача — своего рода вызов творческим способностям учащихся, она вызывает эмоции, а проблема, в ней поставленная, становится их собственной проблемой.

Использование задач в учебной деятельности многоаспектно и здесь важны не только «прямое» и «стандартное» назначение в локальном контексте, но и «сопутствующие» методические цели, которые обеспечивают интегральный эффект. Реализация таких целей требует и соответствующего построения курса в целом. Это прежде всего относится к возможностям пропедевтики, когда для «отработки» какого-либо раздела курса используются задачи, подготавливающие усвоение других разделов.

Как ни интересна была бы задача сама по себе, «отдача» от нее зависит от всего контекста процесса обучения. Опытный преподаватель озабочен не только выбором подходящих по теме и поучительных в том или ином отношении задач, а построением такой их последовательности, когда одна задача помогает решить другую, а значение отдельной задачи проясняется в свете целого. Когда такая последовательность задач раскрывает содержание с достаточной полнотой, то можно говорить о позадачном структурировании темы. Оно позволяет обратить внимание учащихся на существенные моменты, значение которых зачастую ускользает при пассивном знакомстве с темой только по изложению в учебнике. Такое структурирование образует благоприятную основу для развития навыков интеграции знаний.

Большинство задач из задачников и учебников мало связаны между собой: они служат для иллюстрации какого-то одного конкретного правила и дают возможность приобрести практику лишь в его применении. После того как эти задачи сослужили свою службу, их можно (и нужно) забыть. В противоположность им. задачи с глубоким подтекстом. порождают поучительные вопросы, из которых в свою очередь возникают новые интересные задачи, — и так продолжается до тех пор, пока разветления первоначальной задачи не покроют весьма широкую область" [69, с. 351].

Указанная Д. Пойа особенность задач с глубоким подтекстом имеет глубокое психологическое значение для учебного процесса. Задачи, находящиеся в обозримой связи друг с другом, решение каждой из которой представляет и воспринимается как заметное продвижение, открывающее новые перспективы, создают дополнительную мотивацию для интеллектуальной активности учащихся.

Во многом решающим здесь является выбор соразмерной возможностям учащихся величины «шага». С одной стороны, задачи, почти не содержащие элемента неожиданности и новизны, мало что дают для развития учащихся и приводят к утрате интереса. С другой стороны, задачи, которые при данном уровне подготовки учащихся не поддаются их усилиям, тоже мало эффективны. Примерным критерием может служить следующее: если полное решение задачи требует преподавательского вмешательства и помощи в объеме выше 50%, то последовательность задач требует пересмотра.

Задачи, восходящие к научной практике и обращенные к явлениям природы, не только расширяют кругозор учащихся, но и помогают осознать плодотворность физических законов и методов в применении к реальным ситуациям. При этом они не обязательно труднее «стандартных» задач, в которых фигурируют предельно упрощенные и идеализированные системы. Более того, в таких задачах естественно возникает момент выбора необходимых в конкретном контексте упрощений и идеализаций, что безусловно ценно в методическом плане. Рассмотрение соотношения науки и научного познания и школьного обучения в более общем плане проведено в работах JI. Я. Зориной, В. Г. Разумовского, В. Ф. Ефименко, В. В. Мултановского, И. Я. Лернера, В. С. Леднева, В. Я. Синенко и др.

Примечательно, что добиваясь доходчивого и адекватного духу науки освещения тех или иных вопросов, многие авторы как в учебной, так и в научно-популярной литературе прибегают к изложению по форме и по существу близкому позадачному структурированию.

Физика — экспериментальная наука. Без демонстрационного эксперимента и лабораторного практикума нет полноценного приобщения к методам и самому духу физического исследования. Эффективность этих компонентов учебного курса заметно повышается при системном использовании задач, подготавливающих учащихся к разным аспектам опытного исследования.

Задачи-демонстрации, когда требуется не только объяснить демонстрируемое явление, но и самому изготовить простую установку и провести опыты и измерения, способствуют более глубокому и эмоциональному восприятию изучаемого материала и развивают важные практические и интеллектуальные навыки.

Экспериментальные задачи и лабораторные работы исследовательского характера, в которых знакомство с новыми физическими явлениями предваряет их последующее изучение, способствует развитию творческих способностей учащихся и их самостоятельности.

Учебная и методическая литература, посвященная приобщению учащихся к опытному исследованию, содержит обширный и полезный в практике преподавания материал. В частности, публикациях [11, 12, 46, 55, 60, 62, 64] отражены некоторые аспекты, примыкающие к теме данного исследования.

Разделение курса физики на «теорию» и «задачи» имеет определенные основания, но не является абсолютным. Ряд успешно применяемых методических разработок показывает широкие возможности переноса материала из одной сферы в другую. Скажем, традиционно относимое к «теории» введение и определение новых понятий, включая важнейшие, может быть весьма эффективно проведено через постановку, решение и обсуждение задач.

Чтобы высокий развивающий потенциал задач был задействован, главное не просто выделить на них большее время. Требуется создание соответствующей структуры обучающей деятельности. Само построение курса физики должно быть ориентировано на то, чтобы всемерно использовать методические возможности учебной задачи. Учебная задача тогда выступает как методическая основа построения курса физики. Изложение содержания курса строится как процесс решения и обсуждения взаимосвязанных задач, в ходе которого учащиеся не просто применяют изученное на практике, но и усваивают новые понятия, развивают представления о методе физики как науки, приобщаются к элементам физического мышления. Это предполагает целостную проработку всего учебного материала с целью:

— определить, какие задачи способствуют овладению физическими законами и навыками физического мышления;

— найти трактовки физических законов и понятий, которые открывают учащимся доступ к наиболее значимым их применениям;

— оценить локальный и интегральный эффект предлагаемого варианта использования задач.

Специфика данного исследования состоит в том, что в центре внимания находится использование учебной задачи как конструктивной единицы, определяющей построение курса физики и организацию всего процесса обучения, а не вопросы обучения решению задач.

В рамках заявленной темы, учебная задача как методическая основа построения курса физики, рассмотрены следующие методические принципы:

1.

Введение

физических понятий через задачи.

2. Позадачное структурирование тем (блоков, разделов) курса.

Ф 3. Использование задач с сопутствующими методическими целями как средства интеграции содержания курса.

Особое внимание уделено описанию практической реализации концепций исследования в курсе «ФИЗИКА ЧЕРЕЗ ЗАДАЧИ» для 8−11 классов общеобразовательной школы.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ф Цель диссертационной работы — разработка и анализ методических принципов использования учебной задачи как основы построения курса физики на примерах из публикаций и практического опыта автора.

Объект исследования — процесс обучения физике при использовании учебной задачи как методической основы построения курса.

Предмет исследования — организация деятельности учащихся при использовании учебной задачи как основы построения курса.

Гипотеза исследования. Развитие культуры мышления и творческих способностей учащихся и усвоение ими физических представлений осуществляется более эффективно при вовлечении их в системно организованную деятельность по решению и обсуждению задач.

Задачи исследования определены целью и гипотезой исследования:

1. Раскрыть методические возможности и способы использования учебной задачи для построения курса физики.

2. Рассмотреть предлагаемые методические принципы в аспекте их применимости для обучения в общеобразовательной школе.

3. Разработать методику обучения и программу курса «Физика через задачи» для общеобразовательной школы.

4.Проверить разработанную методику обучения в долговременном педагогическом эксперименте.

Методы исследования:

— анализ философской, психологической, педагогической, научной, методической и учебной литературы по теме исследования;

— педагогический эксперимент в самых разных формах;

— моделирование с включением экспертных оценок;

— онтодидактический анализ (исследование проблем методами науки в интересах повышения эффективности обучения).

Этапы исследования.

1 -й этап.

— Участие в работе над серией сборников задач по физике в 1972;78гг.

— Разработка программ курса физики для учащихся Новосибирской ФМШ.

— Подготовка книги «Воробьев И. И. Учебное пособие по физике для учащихся ФМШ. Ч. 1−3. НГУ 1977;78 г.» .

— Проведение спецкурса «Теория относительности в задачах» на основе идеи изучения раздела физики через решение последовательности взаимосвязанных задач в 1980;81 гг.

— Составление большого числа задач обеспечивающих учебный процесс.

2-й этап.

— Участие в работе над 1-ми 2-м изданием «Задачи по физике. М., Наука.

1981 и 1988 гг., под редакцией О. Я. Савченко, авторы И. И. Воробьев, П. И. Зубков, Г. А. Кутузова и др. «, заключавшаяся и в методической разработке материала глав 1−4 и 8, где проведены ряд авторских концепций по теме диссертационного исследования.

— Публикация в журнале «Квант» статей, где проведен принцип «позадачного структурирования» .

— Издание книги «И. И. Воробьев, Теория относительности в задачах. М., Наука. 1989», в которой осуществлены концепции диссертационного исследования.

3-й этап.

— Итоговый педагогический эксперимент по проверке эффективности применения разработанной в соответствии с темой диссертационного исследования программы и методики курса «Физика через задачи» для 8−11 класса общеобразовательной школы.

Экспериментальное обучение проводилось в исследовательском классе средней школы № 204 г. Новосибирска с 1992 по 1996 год с полным документированием занятий и заданий.

Научная новизна исследования.

1. Выделены методические принципы широкого многоаспектного использования учебной задачи как методической основы построения всего курса физики.

2. Разработана методика изучения физики через процесс решения и обсуждения взаимосвязанных задач, в ходе которого усваиваются новые понятия, воспринимаются представления о методе физики как. науки, вырабатываются навыки физического мышления.

3. Разработана система формирования и развития интереса учащихся к предметной области и к самим приемам и способам интеллектуальной и исследовательской деятельности.

4. В процессе комплексной работы по теме исследования получены следующие конкретные научно-методические результаты:

— предложен простой способ нахождения траектории в кеплеровской задаче;

— предложена научная и методическая трактовка понятий работы и тепла в термодинамике («Статистический смысл 1-го начала»);

— предложена методика введения понятий динамики вращательного движения на основе простых моделей;

— предложена методика введения и изложения энергетических понятий в механике, обеспечивающая надежную основу для применений во всех разделах физики.

Теоретическая значимость исследования заключается в обосновании роли системного использования учебных задач в приобщении учащихся к физическим представлениям и развитии общей культуры мышления при обучении физике в общеобразовательной школе.

Практическая значимость состоит в том, что.

— предлагаемый подход может быть применен на всех уровнях физического образования как школьного, так и вузовского;

— проведена систематизация большого количества задач и составлены новые задачи разного назначения, результатом чего является издание более 10 сборников задач;

— задачи диссертанта использовались на вступительных экзаменах в НГУ, на физических олимпиадах разного уровня и для разного рода работы с учащимися;

— методические принципы, разработанные в рамках диссертационного исследования, были проведены в публикациях учебно-методического характера, которые используются в Новосибирской ФМШ и за ее пределами;

— получены положительные результаты использования разработанных методик в учебном процессе в специализированной, в общеобразовательной школе и вузе (подтверждено документацией).

На защиту выносятся.

— положение о том, что выбор учебной задачи как методической основы построения курса физики обеспечивает более эффективное развитие культуры мышления учащихся и усвоение ими физических представлений;

— разработанная автором методика изложения физических законов и понятий в органической связи с процессом решения задач.

Апробация результатов исследования осуществлялась посредством издания различных учебных пособий как в местных, так и центральных издательствах. Важнейшие из них:

— И. И. Воробьев. Учебное пособие по физике, 4.1−3. Новосибирск: НГУ, 1978,200 с.

— И. И. Воробьев. Теория относительности в задачах. М., Наука, 1989, 176 е., издана на испанском языке.

— И. И. Воробьев, П. И. Зубков, Г. А. Кутузова, О. Я. Савченко, А. М. Трубачев, В. Г. Харитонов, Задачи по физике. М.: Наука, 1988, 432 с.

4 переиздания, издана на французском и испанском языках).

— В журналах «Квант» и «Quantum» (США, на английском языке) опубликовано 15 статей.

— Результаты исследования сообщались на Всесоюзной конференции АПН СССР «Межпредметные связи в процессе преподавания основ наук в средней школе» (Алма-Ата, 1973) — на международной конференции Юнеско «Structer of Matter in the School» (Венгрия, 1978) — на международной конференции «Физика в системе современного образования» (С.-Петербург, 1999) — при проведении курсов усовершенствования учителей г. Новосибирска.

Автор благодарен своим учителям и ученикам, с которыми были осуществлены первые шаги этого исследования, коллегам по ФМШ, НГУ и НГПУ, без поддержки которых исследование было вряд ли мыслимо, коллектив журнала «Квант» за благожелательное сотрудничество, коллегам из многих городов России и зарубежным коллегам, работа с которыми при проведении олимпиад и других образовательных акций была поучительна и стимулировала к дальнейшим поискам. Соавторы по различным публикациям — А. И. Валишев, П. И. Зубков, А. П. Ершов, Г. А. Кутузова, О. Я. Савченко, Ю. И. Соколовский, А. М. Трубачев, В. Г. Харитонов проявили высокий профессионализм. Особая благодарность С. В. Масичу, С. А. Ровкиной и Н. В. Личман, с которыми проводился педагогический эксперимент в средней школе № 204 г. Новосибирска. А. А. Качеев привлек автора к разработке курса «Механика и теория относительности» на факультете информационных технологий НГУ и указал на необходимость данного исследования. Автор благодарен И. Б. Хрипловичу за обсуждение замысла и помощь в издании книги «Теория относительности в задачах». Обсуждение проблем обучения физике с Г. Л. Коткиным, Г. В. Мелединым и В. Г. Сербо во многом способствовали уяснению направлений исследования. Автор благодарен за рассмотрение работы и внесенные замечания К. А. Юрьеву и А. Н. Величко. Глубокая благодарность В. О. Красавчикову за техническую помощь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и выводы исследования.

В рамках проведенного диссертационного исследования получены следующие научно-методические результаты.

1 .Раскрыты конкретные возможности и способы использования учебной задачи как методической основы построения курса физики с указанием примеров реализации в опубликованных работах. Выделены три принципа такого построения:

— введение понятий через задачу;

— позадачное структурирование темы;

— учет сопутствующих методических целей задач для интеграции курса.

2.Показана применимость предлагаемых принципов построения курса физики для общеобразовательных школ.

3.Разработана методика обучения и программа курса «Физика через задачи» для общеобразовательной школы, сочетающего приобщение к физике как к элементу общечеловеческой культуры и как к основе дальнейшего образования.

4.Разработана система формирования и развития интереса учащихся к предметной области и к самим приемам и способам интеллектуальной и исследовательской деятельности.

5.Получены результаты, имеющие общеметодическое значение:

— элементарный способ нахождения траектории в кеплеровской задаче;

— научная и методическая трактовка понятий работы и тепла в термодинамике («Статистический смысл 1-го начала»);

— методика введения понятий динамики вращательного тела на основе простых моделей;

— методика изложения энергетических понятий в механике, обеспечивающая полноценное овладение этими понятиями и надежную основу для их применения в других разделах физики.

6.Проведена систематизация большого числа задач. Критически проанализированы и разработаны методические трактовки важнейших тем курса физики в свете системного использования учебных задач. Это нашло отражение в ряде опубликованных пособий.

7.Показано, что использование учебной задачи как методической основы построения курса физики приводит к положительному эффекту в процессе обучения в школе и для подготовки учащихся к поступлению в высшие учебные заведения и успешного обучения в них.

Результаты проведенного исследования подтверждают гипотезу исследования и позволяют сделать следующие выводы:

1 .Выбор учебной задачи как методической основы построения курса физики при системно-организованной деятельности по решению и обсуждению задач создает стимулирующие условия для развития культуры мышления и творческих способностей учащихся и усвоения ими физических представлений.

2.Такое построение курса физики позволяет гибко учитывать возрастные и другие особенности учащихся и совместимо с разными формами учебного процесса.

3.Развитие общих интеллектуальных навыков эффективно достигается при использовании систем задач разного назначения и уровня, включая обучающие тесты и задачи исследовательского характера.

4.Предлагаемая концепция организации обучения позволяет включать разные формы «обратной связи», обеспечивая ключевое условие эффективности обучения — соответствие требований интеллектуальным и временным ресурсам учащихся.

5.Наибольший эффект использования учебной задачи как методической основы построения курса физики достигается в процессе достаточно долговременного обучения (3−4 года).

6.Позадачное структурирование тем позволяет при построении и адаптации курса гибко менять последовательность относительно независимых блоков материала в соответствии с теми или иными целями.

7. Изучение материала в неразрывной связи с решением задач способствует актуализации, интеграции, систематизации знаний и навыков учащихся.

8.При соответствующем методическом обеспечении преподавание по разработанной программе «Курс физики через задачи» облегчает работу преподавателя и делает ее более эффективной и творческой.