Методика формирования пространственного образа геометрического объекта при помощи компьютерной анимации

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Вятский государственный гуманитарный университет Математический факультет Кафедра математического анализа и МПМ Выпускная квалификационная работа Методика формирования пространственного образа геометрического объекта

при помощи компьютерной анимации Выполнил:

студент V курса математического факультета

Бакин Роман Александрович

Научный руководитель:

д.п.н., профессор, зав. кафедрой алгебры, геометрии и ТОМ Вологодского ГПУ

Тестов Владимир Афанасьевич

Научный консультант:

ассистент кафедры математического анализа и МПМ ВятГГУ

Горев Павел Михайлович

Рецензент:

к.п.н., старший преподаватель кафедры математического анализа и МПМ ВятГГУ

Караулова Лариса Владимировна

Работа допущена к защите в государственной аттестационной комиссии

«___» __________2005 г. Зав. кафедрой М.В. Крутихина

«___"__________2005 г. Декан факультета В. И. Варанкина Киров

• Содержание 2
• Введение 3
• Глава 1 Психологические основы развития пространственного мышления 6
• 1.1. Восприятие как свойство личности 6
• 1.2. Модель формирования пространственного образа 16
• 1.3. Основные показатели и условия развития пространственного мышления 25
• Глава 2 Методика применения компьютерной анимации на уроках геометрии 33
• 2.1. Организация процесса формирования пространственного образа с помощью компьютерной анимации 33
• 2.2 Методика формирования пространственного образа на уроках геометрии 36
• 2.3. Организация и основные результаты опытной работы 49
• Заключение 58
• Библиографический список 60

Современные условия делают необходимыми элементами общей человеческой культуры определённый объём математических знаний, владение характерными для математики методами, знакомство с ее специфическим языком. Помимо этого, все большую актуальность приобретает ориентация процесса обучения на формирование активной творческой личности. Перед педагогической наукой и практикой ставится задача совершенствования с этих позиций общеобразовательной и профессиональной школы. Всё это требует решения таких актуальных проблем, как развитие мышления, совершенствование практических умений и навыков школьников и т. п. В этом ряду важное место занимает и проблема формирования и развития пространственных представлений учащихся. Хорошо развитые у школьников, они являются необходимой предпосылкой успеха в усвоении учебного материала систематического курса геометрии и при решении разнообразных математических задач.

В настоящее время существует достаточно большое количество психолого-педагогических и научно-методических исследований, посвящённых проблеме формирования и развития пространственных представлений обучаемых. В психологии накоплена богатая информация о пространственных представлениях и закономерностях их развития, которая служит основой для разработки методик формирования и развития пространственных представлений, в том числе и при обучении математике. Авторы методик сталкиваются с проблемой выбора удобного, эффективного и надёжного (в плане передачи объективной информации об объекте) инструментария. Зачастую таким инструментом становится компьютер, что не удивительно, так как уже сложно представить будущее человечества без компьютера, он настолько проник в жизнь, что появление его на уроках в школе остаётся лишь делом времени. Можно констатировать также и тот факт, что информационные технологии достигли необходимого уровня, чтобы стать базой для преподавания многих предметов.

Вместе с тем проблема создания условий для формирования пространственных представлений учащихся на уроках геометрии — одна из сложных проблем методики обучения математики. Несмотря на важную роль, которую играют пространственные представления, сформированность их у выпускников школ находится на низком уровне.

Таким образом, приобретает актуальность вопрос о решении проблемы, заключающейся в несоответствии уровня методики формирования пространственного образа при обучении школьников геометрии разработанным психолого-педагогическим теориям формирования и развития пространственных представлений. Одним из возможных решений поставленной проблемы, на наш взгляд, может быть использование компьютерной анимации при обучении геометрии.

Сказанное выше позволяет сформулировать цели исследования:

1) изучить психолого-педагогические и математико-методические работы по проблеме исследования и выявить возможности разработки методики для формирования пространственного образа на уроках геометрии;

2) изучить возможности применения компьютерной анимации для формирования пространственных представлений учащихся;

3) разработать методику формирования пространственных представлений с использованием компьютерной анимации на уроках геометрии;

4) оценить эффективность данной методики в опытной работе.

Объектом нашего исследования является процесс формирования пространственных представлений, предметом — использование компьютерной анимации при формировании образов реальных объектов и оперирования ими.

В ходе работы была сформулирована гипотеза исследования: если выявить возможности применения компьютерной анимации при формировании пространственных представлений и разработать методику их формирования и развития, то это позволит в значительной степени решить проблему формирования пространственных представлений у учащихся.

Научная новизна выполненного исследования состоит в разработке методики преподавания геометрии с применением динамических анимированных моделей геометрических тел, выполненных в программе 3D Studio MAX.

В ходе работы использовались следующие методы исследования:

— изучение и анализ психолого-педагогической, научно-методической и математической литературы по теме исследования;

— опытная работа со студентами 1-го курса математического факультета Вятского государственного гуманитарного университета;

— наблюдение и анализ результатов полученных в ходе опытной работы.

Выпускная квалификационная работа состоит из введения, двух глав, заключения и библиографического списка.

В первой главе изложены основные психологические аспекты восприятия человеком окружающего мира и конкретных объектов, опираясь на известные исследования ведущих специалистов И. С. Якиманской, В. П. Зинченко, А. Р. Лурии, А.П. и других.

Во второй главе описана методика формирования пространственного образа геометрического объекта при помощи компьютерной анимации, а также описана проведённая опытная работа, результаты и основные выводы по проведенному исследованию в ходе выполнения выпускной квалификационной работы.

Глава 1

Психологические основы развития

пространственного мышления

1.1. Восприятие как свойство личности

В настоящее время восприятие изучено достаточно хорошо. С физиологической точки зрения восприятие — это целостное отражение отдельных предметов, объектов и явлений внешнего мира, возникающее при непосредственном воздействии физических раздражителей на рецепторные уровни сенсорных систем.

Восприятие — это сложная система процессов приёма и преобразования информации, обеспечивающая организму отражение объективной реальности и ориентировку в окружающем мире. Восприятие вместе с ощущением выступает как отправной пункт процесса познания, доставляющий ему исходный чувственный материал. Будучи необходимым условием процесса познания, восприятие в этом процессе так или иначе опосредуется деятельностью мышления и проверяется практикой. Вне опосредования и проверки восприятие может выступать источником как истинного знания, так и заблуждения, иллюзии.

Для того чтобы мы осознали какой-либо элемент окружающей действительности, нужно, чтобы исходящая от него энергия (тепловая, химическая, механическая, электрическая или электромагнитная), прежде всего, была достаточной, чтобы стать стимулом, то есть возбудить какой-либо из наших рецепторов. Только тогда, когда в нервных окончаниях одного из наших органов чувств возникнут электрические импульсы, может начаться процесс восприятия. Первичный анализ стимула и кодирования сигнала осуществляют рецепторные клетки, а затем уже этот закодированный сигнал передается по сенсорным каналам к нервному центру в спинном или головном мозге. Сигнал продолжает свой путь по спинному мозгу, а затем, разделившись, идет по двум различным направлениям. Одно ведет к коре головного мозга через таламус — скопление ядер серого вещества в головном мозге, расположение между средним мозгом и корой больших полушарий, центр, в котором собираются импульсы от всех органов чувств, кроме органов обоняния, и где осуществляется их первичный анализ и синтез. Другое проходит через фильтр ретикулярной формации и выполняет функцию фильтра, который позволяет важным для организма сенсорным сигналам активировать кору мозга, но не пропускает привычные для него или повторяющиеся сигналы, которая поддерживает кору в бодрствующем состоянии и решает, достаточно ли важен сигнал, переданный прямым путем, чтобы его расшифровкой занялась кора. Если сигнал будет сочтен важным, начнется сложный процесс, который и приведет к восприятию в собственном смысле этого слова. Этот процесс предполагает изменение активности многих, тысяч, нейронов коры, которые должны будут структурировать и организовать сенсорный сигнал, чтобы придать ему смысл. Прежде всего, внимание коры мозга к стимулу повлечет за собой серию движений глаз, головы или туловища. Это позволит более глубоко и детально ознакомиться с информацией идущей от сенсорного органа, а также, возможно, подключить другие органы чувств. По мере поступления новых сведений они будут связываться со следами сходных событий, сохранившимися в памяти. Если сигнал оказывается похожим на что-то уже известное, восприятие приводит к узнаванию. В противном случае оно выражается в осознании какого-то нового аспекта реальности, фиксации его в памяти и создании новых следов которые в свою очередь будут укреплены другими актами узнавания. Таким образом, мозг с начала и до конца жизни создает себе образ реальности, из которого исключены элементы, не связанные с интересами и нуждами индивидуума.

По сравнению с ощущениями восприятие более высокая форма аналитико-синтетической деятельности мозга. Без анализа невозможно осмысленное восприятие. Так, незнакомая иностранная речь воспринимается как сплошной звуковой поток. В то же время в процессе восприятия речи одновременно с анализом имеет место и синтез, благодаря чему мы воспринимаем не отдельные звуки, а слова. Основу синтеза составляет процесс установления временных нервных связей. Временные нервные связи, лежащие в основе восприятия, складываются на основе объективных связей свойств предметов и явлений внешнего мира. Таким образом, в основе сложного процесса построения образа восприятия лежат системы внутрианализаторных и межанализаторных связей, обеспечивающих наилучшие условия выделения раздражителей и учет взаимодействия свойств предмета как сложного целого.

Несмотря на кажущуюся простоту восприятия окружающих нас объектов, существует множество теорий относительно природы восприятия.

Образ, складывающийся в результате процесса восприятия, предполагает взаимодействие, скоординированную работу сразу нескольких анализаторов. В зависимости от того, какой из них работает активнее, перерабатывает больше информации, получает наиболее значимые признаки, свидетельствующие о свойствах воспринимаемого объекта, различают и виды восприятия. Соответственно выделяют осязательное, зрительное и слуховое восприятие.

Четыре анализатора — кожный, мышечный, зрительный, слуховой — чаще всего выступают как ведущие в процессе восприятия.

Можно выделить некоторые свойства восприятия, так Рубенштейн выделяет активность, историчность, предметность, целостность. Активность восприятия состоит, прежде всего, в участии эффекторных компонентов в процессе восприятия, выступающих в форме движения рецепторных аппаратов и перемещений тела или его частей в пространстве. Анализ движения рук и глаз выделены в два класса. В первый класс входят поисковые и установочные движения, с помощью которых осуществляется поиск заданного объекта, установка глаза и руки в наиболее удобную для восприятия позицию и изменение этой позиции. К этому же классу относятся движения головы на внезапно раздавшийся звук, следящие движения глаз и т. д. Во второй класс входят собственно познавательные движения. При их непосредственном участии происходит оценка размеров, опознаются уже знакомые объекты, осуществляется сам процесс построения образа. Происходит непрерывное сравнение образа с оригиналом. Всякое несоответствие их друг другу немедленно вызывает корректирование образа. Следовательно, роль моторики в восприятии не ограничивается созданием наилучших условий для работы аффективных систем, а заключается в том, что движения сами участвуют в формировании субъективного образа объективного предмета.

Зрительное восприятие вовлекает многочисленные источники информации помимо тех, которые воспринимаются глазом, когда мы смотрим на объект. В процессе восприятия, как правило, включаются и знания об объекте, полученные из прошлого опыта, а этот опыт не ограничен зрением. Это еще раз подчеркивает активный процесс восприятия.

Восприятие представляет собой систему перцептивных действий, овладение которыми требует специального обучения и достаточно долгой практики. Перцептивные действия и критерии адекватности образа не остаются неизменными, а проходят значительный путь развития вместе с развитием самой деятельности. Это значит, что важнейшей характеристикой восприятия является его историчность — обусловленность конкретными условиями протекания деятельности и прошлым опытом субъекта.

В ходе социальных контактов ребенок постепенно усваивает общественно выработанные системы сенсорных качеств — сенсорные эталоны. К ним относятся: звуковая шкала музыкальных звуков, система геометрических форм, «решетка фонем» родного языка. Если сенсорные эталоны представляют собой результат общественно-исторической деятельности человека, то результат индивидуальной деятельности человека по усвоению сенсорных эталонов называется оперативными единицами восприятия. Оперативные единицы восприятия выступают как содержание, выделяемое субъектом при выполнении той или иной перцептивной задачи. Развитие восприятия связано со сменой оперативных единиц восприятия. Эта смена выражается в преобразовании групп случайных, частных признаков, в структурные, целостные признаки. В результате того, что оперативными единицами восприятия становится образы предметов и даже модели целых ситуаций, возникает возможность одномоментного восприятия, независимо от числа содержащихся в предмете или ситуации признаков. Разумеется, задача формирования образа, может возникнуть и вне детского возраста. Всякий раз, при столкновении с новым, или при неадекватности образа, процесс восприятия вновь превращается из одномоментного в последовательный и совершается с помощью развернутых перцептивных действий.

Таким образом, развитие восприятия приводит к созданию определенной совокупности образов или перцептивных моделей окружения. Если на фазе построения образа объекта происходит уподобление воспринимающих систем свойствам воздействия, то на фазе опознания или действия на основе сложившихся оперативных единиц восприятия, характеристики и направленность процесса существенно изменяется. Эти изменения заключаются в том, что субъект не только воссоздает образ объекта, но и переводит полученную информацию на язык оперативных единиц восприятия или перцептивных моделей уже усвоенных. И это преобразование приводит к формированию полноценного адекватного образа [2 с24.].

Под предметностью восприятия понимают отнесенность всех получаемых с помощью органов чувств сведений о внешнем мире к самим предметам. Это способность субъекта воспринимать мир не в виде набора не связанных друг с другом ощущений, а в форме отдельных друг от друга предметов, обладающих свойствами, вызывающими данные ощущения. Так как перцептивные действия направлены на предметное отражение ситуации, значение предметного окружения оказывается решающим для нормальной работы восприятия. Предметность восприятия выступает в форме целостности, константности и осмысленности перцептивного образа.

Целостность восприятия определяется отражением не изолированных качеств раздражителей, а отношений между ними. На целостность восприятия впервые обратили внимание представители гештальтпсихологии, им же принадлежит заслуга установления большинства фактов, доказывающих важность этого свойства восприятия. Благодаря целостности мы воспринимаем определенным образом организованное окружение, а не хаотическое скопление цветовых пятен, отдельных звуков и прикосновений. Например, вычленяя сложные отношения между звуками, наш слух позволяет с легкостью узнать мелодию, сыгранную в различных тональностях, хотя отдельные звуки при этом могут оказаться совершенно различными.

Так как в окружающем мире замкнутые, симметричные контуры обычно ограничивают предметы, то участок поверхности, ограниченный такими контурами, воспринимается как фигура, имеющая характер вещи.

Целостность восприятия выражается в том, что образ воспринимаемых предметов не дан в полностью готовом виде со всеми необходимыми элементами, а как бы мысленно достраивается до некоторой целостной формы на основе наибольшего набора элементов. Это происходит в том случае, если некоторые детали предмета человеком непосредственно в данный момент времени не воспринимаются.

С целостностью восприятия тесно связана его константность, под которой понимается относительная независимость воспринимаемых характеристик объекта от их отображений на рецепторные поверхности. Благодаря константности предметы воспринимаются как относительно постоянные по форме, цвету, величине и положению. Существует значительное число различных видов константности. Она имеет место практически для любого воспринимаемого свойства предмета. Наиболее фундаментальный вид константности — стабильность окружающего нас мира. Хотя всякое наше движение приводит к относительному движению воспринимаемого предметного фона, мы воспринимаем предметы неподвижными, а себя и свои глаза — движущимися. Точно также постоянен воспринимаемый нами вес предмета. Независимо от того, поднимается ли груз одной или двумя руками, ногой или всем телом — оценка его веса оказывается приблизительно одинаковой. Константность восприятия имеет огромное биологическое значение. Адаптация и выживание были бы невозможны в окружающей среде, если бы восприятие не отражало ее стабильных, постоянных свойств и отношений.

Здесь можно отметить манипулятивные способности восприятия. Роль перцептивных действий заключается в том, что с их помощью происходит сопоставление предметов с оперативными единицами восприятия, приводящее к созданию константного предметного образа. Способность манипулировать образом позволяет воспринимать стабильными и константными предметы, поворачивающиеся к нам разными сторонами.

Примером константности может служить дверь, которая сохраняет для наших глаз свою форму независимо от того, закрыта она или открыта (рис. 1).

Высшей формой предметного восприятия является осмысленное восприятие. Благодаря осмысленности наше восприятие перестает быть биологическим процессом, каким оно было у животных. Усваивая в процессе развития общественно-исторический опыт, человек отражает также значения предметов, выработанные в практической деятельности предшествующих поколений. Поэтому вместе с восприятием предмета происходит осознание его функций, благодаря чему восприятие становится обобщенным и категоризованным.

Осмысленное восприятие дает возможность познать действительность глубже, чем это возможно с помощью отражения отношений между объектами, воздействующими на органы чувств. На стадии осмысленного восприятия достигается высшая ступень объективации перцептивного образа. Большую роль в становлении осмысленности восприятия играет речь, с помощью которой происходит обобщение и категоризация получаемой органами чувств информации.

Восприятие человека, таким образом, неразрывно связано с мышлением, оно выступает как активный поиск наиболее осмысленной интерпретации данных.

Следует различать восприятие и ощущение. Основные отличия восприятия и ощущения хорошо изложил Лурия А. Р. В отличие от ощущений, восприятие всегда выступает как субъективно соотносимое с оформленной в виде предметов, вне нас существующей действительностью. Ощущения находятся в нас самих, воспринимаемые же свойства предметов, их образы локализованы в пространстве. Этот процесс, характерный для восприятия в его отличии от ощущений, называется объективацией. Еще одно отличие восприятия в его развитых формах от ощущений состоит в том, что итогом возникновения ощущения является некоторое чувство (например, ощущения яркости, громкости, равновесия, сладкого и т. п.), в то время как в результате восприятия складывается образ, включающий комплекс взаимосвязанных различных ощущений, приписываемых человеческим сознанием предмету, явлению, процессу. Для того чтобы некоторый предмет был воспринят, необходимо совершить в отношении его какую-либо встречную активность, направленную на его исследование, построение и уточнение образа.

Восприятие выступает как осмысленный (включающий принятие решения) и означенный (связанный с речью) синтез разнообразных ощущений, получаемых от целостных предметов или сложных, воспринимаемых как целое, явлений. Этот синтез выступает в виде образа данного предмета или явления, который складывается в ходе активного их отражения. Единого общепринятого определения восприятия в психологии нет, тем не менее, можно привести примеры некоторых определений, которые встретились в литературе.

«Сравнительно с чистым ощущением все, что воздействует на наши органы чувств, вызывает в нас нечто большее: оно возбуждает в мозговых полушариях процессы, которые отчасти обусловлены модификациями в строении нашего мозга, произведенными в нем предшествующими впечатлениями; в нашем сознании эти процессы вызывают идеи, которые так или иначе связаны с данным ощущением. Первой такой идеей является представление того предмета, к которому относится данное чувственное свойство. Осознание известных материальных объектов, находящихся перед нашими органами чувств, и есть то, что в настоящее время называется в психологии восприятием» ([2], с. 211).

«Результат сложной аналитико-синтетической работы, выделяющей одни существенные и тормозящей другие несущественные признаки, и комбинирующий воспринимаемые детали в одно осмысленное целое. Этот сложный процесс отражения целых вещей или ситуаций и называется в психологии восприятием» ([3], с. 46).

«Восприятие является чувственным отображением предмета или явления объективной действительности, воздействующей на наши органы чувств. Восприятие человека — не только чувственный образ, но и осознание выделяющегося из окружения противостоящего субъекту предмета. Осознание чувственно данного предмета составляет основную, наиболее существенную отличительную черту восприятия».

Основываясь на физиологических принципах восприятия человеком окружающего мира, а также учитывая психологические особенности восприятия психологами было разработано несколько теорий восприятия.

Ассациативная теория восприятия достигла наибольшего влияния во второй половине 19-го века. Ее виднейшими представителями были немецкие ученые И. Моллер, Э. Мол, Г. Гельмгольц, Э. Геринг, В. Бундт, Г. Э. Мюллер и американский психолог Э. Б. Титченер. Несмотря на значительные различия в объяснении частичных проблем, эти психологи придерживались общих взглядов на природу восприятия. По их мнению, воспринимаемый нами образ является на самом деле сложным объединением первичных элементов сознания — ощущений. При этом само ощущение понималось как осознанное состояние органа чувств, подвергнувшегося воздействию внешнего раздражителя.

Объединение ощущений в восприятие осуществляется посредством ассоциаций по смежности или по сходству. Этот ассоциативный механизм определяет ведущую роль прошлого опыта для возникновения восприятия.

Основная ошибка ассоциативной теории заключалась в том, что она привлекала для объяснения одних субъективных данных другие, пытаясь тем самым вывести сознание из самого себя.

Структуралисты считали, что раз восприятие является комплексом ощущений, то задача состоит в том, чтобы путем самонаблюдения найти в своем субъективном опыте элементарные ощущения, а затем изолировать и описать их. Этот метод был назван методом аналитической интроспекции.

С резкой критикой ассоцианизма выступила группа немецких психологов: М. Вертхаймер, В. Келлер, К. Коффка и другие. Они исходили из положения, что все процессы в природе изначально целостны. Поэтому процесс восприятия определяется не единичными элементарными ощущениями, а всем «полем» действующих на организм раздражителей, структурной воспринимаемой ситуации в целом. Данное направление стало называться гештальтпсихологией. Психология восприятия, по их мнению, должна отвечать на вопрос — почему мы видим мир таким, каким мы его видим? Еще один недостаток — отрицание историчности восприятия. Прошлый опыт не способен, по их мнению, изменить восприятия объектов, раз они образуют «хорошую» структуру. Гештальтпсихологи собрали большое количество экспериментальных данных, позволивших установить основные закономерности возникновения структур при восприятии. Элементы поля объединяются в структуру в зависимости от таких отношений как близость, сходство, замкнутость, симметричность и так далее. Были открыты закономерности разделения зрительного поля на фигуру и фон. Новые пути теоретического анализа восприятия были намечены в работах ряда зарубежных психологов, согласно которым восприятие является результатом активной деятельности субъекта, обеспечивающей получение информации о внешнем мире. Согласно этой теории восприятие объекта как единого целого не дано изначально. На ранних этапах развития восприятие не так целостно и организованно, как предполагали сторонники гештальтпсихологии.

Формирование восприятия объекта начинается с избирательного внимания к частям фигуры, а затем уже всей фигуры. Эту теорию нельзя считать общей теорий восприятия. В ней остаются нераскрытыми такие важнейшие проблемы, как восприятие пространства, специфика человеческого восприятия и так далее.

1.2. Модель формирования пространственного образа

Первым шагом на любом этапе познания, в том числе и при формировании представлений, является восприятие, «живое созерцание» определённой визуальной информации, например, чертежа, схемы, модели, рисунка и т. п. Для того чтобы сделать его действенным, необходимо не просто смотреть на предлагаемые для восприятия зрительные образы, а видеть заложенную в них информацию, то есть осуществлять анализ визуальной информации.

Анализ визуальной информации начинается с создания общей структуры информационного сообщения, заложенного в данном зрительном образе (модели, рисунке, чертеже, схеме и пр.) и выделения его элементов. Учебная математическая информация, задаваемая наглядный образом, довольно четко подразделяется на элементы. Например, при изображении пространственных или плоских геометрических конфигураций, в одних случаях к элементам можно отнести сами это фигуры, в других — выделенные на чертеже их составляющие (высоты, углы, стороны, вершины и пр.). Таким образом происходит расчленение, в котором важную роль играет опознание отдельных ее фрагментов (узнавание), отождествление одинаковых, сходных по форме или по смыслу ее элементов. Система связей выделенных элементов будет составлять структуру данной визуальной информации. Осознание структуры исходной визуальной информации заключается в определении связей между ее элементами.

В ходе активного зрительного восприятия визуальной информации учащийся отождествляет отдельные ее фрагменты с известными ему достаточно простыми объектами и понятиями. Распознавание стандартной ситуации, стандарта может происходить как при постановке задачи (применить признак параллельности для построения сечения куба), так и неявно, в процессе выделения знакомого представления в новых условиях (стороны треугольника — отрезки, вершины — точки), уяснения частного вида более общего знакомого понятия (треугольник — равносторонний треугольник).

Таким образом, в посильном для изучения материале обучаемый находит некоторые известные ему объекты в виде элементов чертежа, схемы, графика, модели; выделяет их, дифференцирует по степени сходства, определяет известный ему структурный стандарт по отношению ко всей представленной визуальной информации. Получение начальных, явным способом предлагаемых данных информации приводит к вычленению признаков геометрического объекта, которые являются основой для формирования его первичного образа.

Далее учащийся приступает к уточнению и детализации исходной визуальной информации, сравнивает ее с некоторым обобщенным образом (стандартом, эталоном). Вследствие проделанной работы происходит получение (выявление) новой, дополнительной информации, при этом еще раз уточняются и проверяются знания об объекте, оценивается его отличие от стандарта. Таким образом, в памяти учащегося происходит окончательное закрепление — образование содержательных образов (пространственных представлений).

Вся деятельность пространственного мышления при работе с наглядным материалом направлена на формирование обобщенных пространственных представлений. Созданные пространственные представления не должны быть чем-то застывшим. Их внедрение в учебный процесс предполагает не только последовательное восстановление созданных представлений (воспроизведение), но и их расчленение, сборку отдельных элементов в единое целое, включение пространственных представлений в новые связи. Все это будет способствовать формированию обобщенных пространственных представлений, близких к понятиям.

Для обобщения и систематизации всего вышесказанного, нами выработана общая схема формирования пространственного образа. (рис. 2).

рис. 2

Как видно из схемы, не последнюю роль в формировании пространственного мышления играет внимание, пространственное мышление и пространственные представления. Остановимся подробнее на этих понятиях.

Внимание. Для восприятия любого явления необходимо, чтобы оно смогло вызвать ориентировочную реакцию, которая и позволит нам «настроить» на него свои органы чувств. Подобная произвольная или непроизвольная направленность и сосредоточенность психической деятельности на каком-либо объекте восприятия и называется вниманием. Без него восприятие невозможно.

Природа и сущность внимания вызывают серьёзные разногласия в психологической науке. Некоторые специалисты даже сомневаются в существовании внимания как особой самостоятельной функции, считают его только стороной или моментом других психических процессов. Но открытие нейронов внимания, клеток-детекторов новизны, изучение особенностей функционирования ретикулярной формации и особенно образования доминант, являющихся физиологическим коррелятом внимания, позволяет утверждать, что оно представляет собой психическое образование, чьи структуры анатомически и физиологически относительно независимы от сенсорных процессов. Сложности объяснения феномена внимания вызваны тем, что оно не обнаруживается в «чистом» виде, функционально оно всегда «внимание к чему-либо». Поэтому внимание следует рассматривать как психофизиологический процесс, состояние характеризующее динамические особенности познавательных процессов. Внимание и обусловливает избирательность, сознательный или полусознательный отбор информации, поступающей через органы чувств.

Выделим основные свойства внимания. Внимание обладает определёнными параметрами и особенностями, которые во многом являются характеристикой человеческих способностей и возможностей. К основным свойствам внимания обычно относят следующие.

1. Концентрированность. Это показатель степени сосредоточенности сознания на определённом объекте, интенсивности связи с ним. Концентрированность внимания означает, что образуется как бы временный центр (фокус) всей психологической активности человека.

2. Интенсивность. Характеризует эффективность восприятия, мышления и памяти в целом.

3. Устойчивость. Способность длительное время поддерживать высокие уровни концентрированности и интенсивности внимания. Определяется типом нервной системы, темпераментом, мотивацией (новизна, значимость потребности, личные интересы), а также внешними условиями деятельности человека. Устойчивость внимания поддерживается не только новизной поступающих стимулов, но их повторением. Устойчивость — временная характеристика внимания.

4. Объём — показатель количества однородных стимулов, находящихся в фокусе внимания (у взрослого человека от 4 до 6 объектов, у ребёнка не более 2−3). Объём внимания зависит не только от генетических факторов и от возможностей кратковременной памяти индивида. Имеют также значения характеристики воспринимаемых объектов (их однородность, взаимосвязи) и профессиональные навыки самого субъекта.

5. Распределение, то есть способность сосредоточивать внимание на нескольких объектах одновременно. При этом формируется как бы несколько фокусов (центров) внимания, что даёт возможность совершать несколько действий или следить за несколькими процессами одновреме6нно, не теряя ни одного из них из поля внимания.

6. Переключение внимания понимается как возможность более или менее легкого и достаточно быстрого перехода от одного вида деятельности к другому. С переключением функционально связаны и два разнонаправленных процесса: включение и отключение внимания.

Виды внимания. Классификация основных типов внимания обычно производится путём разделения его реакции на: а) генетически и социально — обусловленные; б) непосредственные или опосредованные; в) происходящие автоматически или требующие волевого усиления и контроля. В первом случае можно выделить «природный», естественный тип внимания, связанный обычно с проявлением инстинктов размножения и самосохранения или с саморегуляцией организма. Социально-обусловленное внимание — продукт обучения и воспитания.

Особый интерес психологов всегда привлекало произвольное внимание, требующее сознательного самоконтроля и сопровождаемое чувством усилия над собой, в некотором смысле самопринуждением индивида, который в этом случае подавляет свои непроизвольные реакции во имя долга, высших целей, разумной необходимости. Дело в том, что произвольное внимание в значительной мере и продукт, и условие нашей цивилизации, сделавшей необходимым непривлекательный труд — и физический, и умственный.

Психологические особенности пространственного мышления. Пространственное мышление — вид умственной деятельности, обеспечивающей создание пространственных образов и оперирование ими в процессе решения различных практических и теоретических задач. Пространственное мышление есть такое психологическое образование, которое формируется в различных видах деятельности (практической и теоретической). Для его развития большое значение имеют продуктивные формы деятельности: конструирование, изобразительное (графическое). В ходе овладения ими, целенаправленно формируются умения представлять в пространстве результаты своих действий и воплощать их в рисунке, чертеже, постройке, поделке. Мысленно видоизменять их и создавать на этой основе новые, в соответствии с созданным образом, планировать результаты своего труда, а также основные этапы его осуществления, учитывая не только временную, но и пространственную последовательность их выполнения.

Пространственное мышление в своей развитой форме оперирует образами, содержанием которых является воспроизведение и преобразование пространственных свойств и отношений объектов: их формы, величины, взаимного положения частей. Оперирование пространственными образами в видимом или воображаемом пространстве, является содержанием пространственного мышления. Выделение пространственных зависимостей из объекта восприятия часто затруднено ввиду сложности его конструкции. Многие особенности (например, внутреннее строение) скрыты от непосредственного наблюдения. Поэтому выделять пространственные зависимости, присущие объекту, нередко приходится опосредствованно, через сравнение, сопоставление различных частей и элементов конструкции. Общее, что характеризует любой пространственный образ — это отражение в нём объективных законов пространства. Однако это отражение определяется деятельностным отношением субъекта к окружающему его пространству, разнообразием условий, форм и способов отражения, что определяет различия в конкретном содержании пространственного образа. Пространственные свойства и отношения неотделимы от конкретных вещей и предметов — их носителей, но наиболее отчётливо они выступают в геометрических объектах (объёмных телах, плоскостных моделях, чертежах, схемах и т. п.), которые являются своеобразными абстракциями от реальных предметов. Не случайно, поэтому геометрические объекты (их различные сочетания) служат тем основным материалом, на котором создаются пространственные образы и происходит оперирование ими.

В современной психологии понятие пространственных представлений связывается с понятием образа объекта или явления, который возникает в результате восприятия. При этом большое внимание уделяется зрительным образам, так как их информационная ёмкость особенно велика. Они позволяют мгновенно схватывать отношения между реальной и представляемой ситуацией. Пространственные представления являются целостными субъективными образами пространственных объектов или явлений, которые отражены и закреплены в памяти на основе восприятия наглядного материала в процессе деятельности. Тогда формирование и развитие пространственных представлений можно рассматривать как процесс создания образов и оперирование ими.

Такой взгляд на пространственные представления был взят за основу многими учёными-методистами [1, 11, 14 и др.] при разработке методики формирования и развития пространственных представлений обучаемых. Под пространственными представлениями они чаще всего понимают образ той или иной пространственной (геометрической) конфигурации, отношения между ее элементами. Процесс формирования и развития пространственных представлений характеризуется умением мысленно конструировать пространственные образы или схематические конфигурации и изучаемых объектов и выполнять над ними мыслительные операции, соответствующие тем, которые должны быть выполнены над самими объектами.

Познавательная природа представлений раскрывается в том, что они являются промежуточным звеном при переходе от ощущения к мысли. Ясные и отчётливые представления о геометрических объектах, последовательно образованные в сознании обучаемых, являются прочной основой для усвоения научных знаний. Представление, как важный элемент познания, призвано связывать образы предметов и явлений со смыслом и содержанием понятия о них. Но, в свою очередь, формирование представлений требует овладения понятием, поскольку понятие определяет содержание образа. Пространственные представления по отношению к мышлению являются исходной базой, условием развития, но, в то же время, и формирование представлений требует предварительного овладения понятиями и фактами. Можно сказать, что процесс формирования пространственных представлений о геометрических объектах проходит на основе знаний о них.

На основе вышесказанного можно сделать вывод, что содержание пространственных представлений следует рассматривать как образ отраженного объекта или явления, в совокупности со знаниями об объекте, извлеченные в процессе его восприятия. Это результат визуального мышления, сочетающего в себе взаимосвязанные пространственный и логических компоненты мышления.

Итак, под пространственным представлением, формируемым в процессе обучения геометрии, будем понимать обобщенный образ геометрического объекта, складывающийся в результате переработки (анализа) информации о нем, поступающей через органы чувств.

Следует также уточнить, что понимается в схеме (рис 2) под моделью объекта. В этой связи рассмотрим наиболее часто используемые виды учебной наглядности, которые можно разделить на три основные группы [14]:

— натуральные вещественные модели (реальные предметы, муляжи, геометрические тела и т. п.), сюда же можно отнести их перспективные изображения (фотографии, художественные репродукции);

— условные графические изображения, отличающиеся разнообразием форм и содержания (чертежи, разрезы, сечения, эскизы и т. п.);

— знаковые модели (графики, географические карты, топографические планы, диаграммы, химические формулы и уравнения, математические символы).

Все эти виды наглядности по-разному связаны с объектом изображения и имеют неодинаковую функцию в раскрытии его пространственных свойств и отношений. Будучи наглядными, они существенно различаются своим содержанием и создают разные условия для возникновения адекватных образов.

Натуральные модели и их перспективные изображения являются простыми заменителями реальных объектов, с которыми они сохраняют полное сходство. На основе этих моделей создаются образы реальных объектов, вполне доступных непосредственному наблюдению. Эти образы богаты деталями, ярки. Натуральные модели и их перспективные изображения являются наглядной опорой для формирования у учащихся конкретных образов изучаемых объектов, на основе которых формируются научные понятия. Они являются также средством активизации мысли учащихся, поскольку с их помощью могут быть наглядно выделены те свойства изучаемого объекта, которые не выражены словесно. Эти виды наглядности передают, как правило, конкретные свойства отдельных объектов во всей их полноте и многообразии и грают роль иллюстрации при усвоении знаний. Однако их функция ограничивается в основном передачей лишь внешних, очевидных свойств объекта (внешнего облика, конкретных особенностей, что выражается в форме, размерах, соотношениях частей и целого).

Условные графические изображения в отличие от натуральных моделей способствуют передаче более скрытых от непосредственного восприятия свойств изучаемого объекта. Освобожденные от конкретных особенностей объекта, они передают главным образом конструкцию объекта, его геометрическую форму, пропорции, пространственное положение его отдельных частей. Условные графические изображения объектов являются тем самым более абстрактными, чем натуральные модели этих объектов. Они дают возможность выявить скрытые пространственные связи и отношения, как бы перейти от явления к сущности. Степень схематизации, условности графических изображений может быть тоже разная.

Особенностью знаковых моделей является то, что они утрачивают всякую непосредственную связь с изображаемым объектом. Знаковые модели воспроизводят не отдельные свойства объектов и даже не их конструктивные особенности, а абстрактные (теоретические) зависимости, присущие многим объектам, но не выводимые из отдельного объекта. Использование знаковых моделей особенно важно тогда, когда объектом познания являются предельно формализованные общие связи и отношения.

Всё сказанное позволяет поставить некоторые проблемы, связанные и использованием принципа наглядности в обучении. Выбор наглядного материала в учебных целях должен осуществляться обязательно с учётом психологической природы пространственного образа, возникающего на его основе.

У данного, конкретного, объекта существует множество моделей различной степени абстракции, поэтому внимание нужно уделить также переходу от одной модели к другой отличной по своей структуре. При таком переходе происходит своего рода перекодирование пространственных образов, возникающих в различных условиях. Важно отметить, что образ предмета и графический образ здесь находятся в сложных соотношениях. Применительно к одному и тому же предмету могут создаваться различные графические образы, поскольку предмет изображается по-разному. В зависимости от функции в образе фиксируются не все свойства и признаки отображаемого объекта, а лишь те, которые необходимы для реализации деятельности, её успешного осуществления.

1.3. Основные показатели и условия

развития пространственного мышления

В нашем исследовании важную роль играет оценка показателей развития пространственных представлений. Для выделения показателей развития пространственных представлений обратимся к психолого-педагогической литературе. Так, например, И. С. Якиманская выделяет такие показатели развития пространственных представлений: устойчивость, широта, гибкость, глубина, полнота, динамичность образов геометрических объектов, целенаправленность, а также типы оперирования созданными пространственными представлениями при решении математических задач (характеристика этих показателей будет приведена далее). Совокупность этих показателей, по нашему мнению, наиболее полно и разносторонне характеризует сформированность пространственных образов у учащихся.

Такое качество визуального мышления, как глубина характеризуется целостностью восприятия, то есть способностью видеть весь объект в целом, а также определять структуру объекта, связи между его элементами, взаимосвязь данного объекта с другими, понимать способ возникновения той или иной конфигурации, предвидеть ее дальнейшее развитие. Данное качество визуального мышления проявляется в процессе формирования пространственных представлений на этапах анализа визуальной информации, выявления стандартов, определения дополнительной информации и включения пространственных представлений в новые связи.

Широта пространственного мышления характеризуется способностью к формированию обобщенных способов действий, имеющих широкий диапазон переноса и применимым к частным нетипичным случаям. Это качество проявляется в готовности принять во внимание (выявить) новую информацию в знакомой ситуации. Данное качество участвует в формировании и развитии пространственных представлений при обучении геометрии на этапе анализа визуальной информации, в процессе выявления стандартов, а, особенно, в процессе получения новой дополнительной информации.

Гибкость пространственного мышления характеризуется способностью к варьированию способов действия; легкостью перестройки при изменении условий действия; легкостью перехода от одной точки отсчета к другой; от одного способа действий к другому; умением переносить качества одного предмета на другой; выходить за границы привычного способа действия; умением видеть несколько возможных ситуаций, в которых сохраняются существенные свойства объекта, но изменяются несущественные.

Данное качество мышления проявляется на всех этапах формирования и развития пространственных представлений при обучении геометрии.

Устойчивость пространственных представлений представляет степень свободы манипулирования образом с учетом той наглядной основы, на которой образ первоначально создавался. Свобода такого оперирования проявляется в легкости и быстроте перехода от одного вида наглядности к другому, в своеобразном перекодировании их содержания, что требует умения удерживать в памяти образ пространственного объекта и фиксировать изменения, происходящие в нем, умения анализировать образ пространственного объекта. Такая свобода оперирования характерна для развитых пространственных представлений, в то время как скованность каким-либо одним изображением, неумение увидеть то же самое на другом изображении свидетельствуют о недостаточном их развитии.

К действиям, овладение которыми будет способствовать развитию устойчивости пространственных представлений, отнесём следующие:

— умение сопоставлять различные изображения образа геометрической конфигурации (оперировать различной наглядностью);

— умение анализировать образ геометрической конфигурации;

— умение синтезировать образ геометрической конфигурации.

При изучении геометрии устойчивость пространственных представлений способствует рассмотрению множества различных геометрических образов, в которых сохраняются существенные признаки и изменяются несущественные.

Развитию этого показателя способствует широта и гибкость пространственного мышления

Полнота пространственных представлений характеризует структуру пространственного образа, то есть набор элементов, связи между ними, их динамическое соотношение. В образе отражается не только состав входящих в его структуру элементов (форма, величина), но и их пространственное размещение (относительно заданной плоскости или взаимного расположения элементов). Следовательно, в структуру образа геометрического объекта включаются представление о форме, величине геометрического объекта, взаимном его расположении относительно других объектов, или взаимном расположении его частей относительно друг друга.

Таким образом, для того, чтобы формируемое пространственное представление было полным, необходимо овладение следующими действиями:

— умение вычленять форму образа геометрического объекта;

— умение определять величину образа геометрического объекта;

— умение определять взаимное расположение данного образа геометрического объекта относительно других образов;

— умение определять взаимное расположение отдельных элементов образа геометрического объекта;

— умение осуществлять глазомерную оценку линейных и угловых величин;

— умение передавать в образе форму, размеры и взаимное расположение его элементов.

Развитию этого показателя способствует глубина и широта визуального мышления.

Динамичность пространственных представлений выражается в способности к произвольной смене точек отсчета, к произвольному изменению положения пространственного объекта, его элементов. Изменение систем отсчета позволяет найти такую позицию наблюдателя, с которой субъект, рассматривая пространственную фигуру, знакомиться и с плоскими фигурами, полученными как проекции пространственных на определенные плоскости.