Методическая система обучения классической механике в курсе «основы теоретической физики» для педагогического вуза

Актуальность исследования. Физическое образование будущего учителя физики фактически завершается в педагогическом университете курсом теоретической физики. В нем систематизируются и обобщаются накопленные студентом знания по физике, с единых позиций анализируются основные понятия, фундаментальные законы и общие принципы физики.

При ограниченном объеме часов для аудиторных занятий, выделенных в рамках учебного плана на обучение физике в педагогическом вузе по Государственным образовательным стандартам, в теории и методики обучения физике ведется поиск таких форм и методов организации учебно-познавательной деятельности студентов на занятиях, которые способствовали бы более эффективному и ускоренному формированию системы их предметных и методологических знаний, позволяющих при усвоении материала по физике избегать информационной перегрузки.

Большой вклад в решение проблемы структурирования учебного материала по физике внесли В. А. Бетев, А. Н. Крутский, А. А. Шаповалов, В. Ф. Шаталов и другие. Вопросы, связанные с систематизацией знаний и логической структурой учебного материала, отражены в исследованиях З. А. Абасова, И. Л. Беленок, А. Н. Величко, П. Я. Гальперина, Л. Я. Зориной, А. И. Ракитова, A.M. Сохора, Н. Ф. Талызиной.

Особенности методической системы обучения физике в высшей педагогической школе, в отличие от средней, педагогической наукой изучены не полно, и исследований по этой методической проблеме мало (В.В. Мултановский, А. Н. Малинин, В. Г. Разумовский и др.). Еще меньше работ имеется по методике обучения теоретической физике (А.И. Наумов, В.В. Мултановский). Этой теме посвящены некоторые диссертационные исследования (С.Н. Аль-Тарвна, Г. А. Яшиной, А. В. Касаткиной, и др.), в каждой из которых, решаются свои специфические задачи. Например, С.Н. Аль-Тарвна свою диссертацию посвятила разработке методики обучения одного из разделов теоретической физики.

— электродинамики. Преподаванию СТО в средней школе посвящены кандидатские диссертации Г. Б. Аверьянова, Г. М. Голина, А. С. Дробата, Н. М. Зверевой, Л. Я. Зориной, З. К. Исмаилова, В. И. Коломина, Р. Э. Нудельмана, О. С. Руденко, А. С. Сиэппи, а также докторская диссертация А. А. Пинского. В докторском диссертационном исследовании Р. Х. Казакова представлена разработка методической системы по обучению классической механике в рамках курса общей физики для педагогических вузов. Однако, необходимости доработки вопросов, связанных с методикой обучения при переходе от классической механики к другим фундаментальным разделами теоретической физики, в перечисленных выше работах уделяется недостаточное внимание.

В стандартном курсе «Основы теоретической физики» все основные разделы изучаются как самостоятельные курсы. Нередко, часть учебного материала дублируется. Чтобы изложение теоретической физики не было фрагментарным, необходимо:

1) выявлять единство физического знания и структуры теоретической физики в целом,.

2) выявлять структуру каждого раздела и выделять в нем базисные элементы, общие по своему внутреннему содержанию и значимости для различных разделов теоретической физики,.

3) выявить и указать связи, между фундаментальными разделами теоретической физики.

Такой подход в максимальной мере отвечает общим методическим требованиям системности знаний, и в наибольшей степени способствует их проецирования на курс общей физики.

Содержание разделов теоретической физики для педагогического образования должно сочетать возможную простоту изложения материала со строгостью доказательств основных теоретических положений. В него необходимо включать доступный студенту материал, составляющий основу системы фундаментальных знаний и способствующий развитию естественнонаучного мировоззрения, формированию достаточно завершенных представлений о современной физической картине мира. В курсе должны быть представлены темы, которые непосредственно могут пригодиться будущему учителю физики в его практической деятельности, и он сможет опираться на них при работе в школе. Однако в существующих курсах теоретической физики данному аспекту не придается достаточного внимания, поскольку, по-существу, они представляют собой адаптированные курсы классического университетского образования, главная задача которых — подготовка ученых, а не учителей.

В отличие от классических университетов, в которых получают образование будущие научные работники, проблема углубленного и интенсивного обучения специализированным математическим методам не стоит в педагогических университетах со всей остротой. Нет в них и явного разделения между обучением экспериментальной и теоретической физике по соответствующим специализациям: программы педвуза не предусматривают подобное кардинальное различие, столь характерное для классического университетского образования по физическому направлению. Намного меньшее, чем в классическом университете, количество аудиторных часов, отводимое на обучение теоретической физике, отсутствие спецкурсов, на которых можно углубить и расширить понимание предмета, расставляет совершенно иные требования. Поскольку не предполагается, что будущие учителя станут заниматься исследовательской деятельностью в области фундаментального естествознания, перед ними не стоит задача углубленного овладения математическим аппаратом современной теоретической физики. Для них достаточно знать и понимать общие принципы применения этого аппарата. С другой стороны, методические проблемы современной теоретической физики должны изучаться более углубленно, поскольку будущий педагог обязан хорошо представлять всю физическую картину мира в целом. В этом находит свою реализацию принцип профессионально-педагогической направленности обучения. В настоящее время издается много научно-популярной и научно-фантастической литературы, которую читают школьники. В этих условиях, учитель, не имеющий представлений об основных достижениях современной физики, быстро потеряет свой авторитет в глазах учеников.

Курс теоретической физики должен включать в разумных пределах исторический материал, это диктуется диалектическим единством исторического и логического в развитии, в том числе в процессе познания и в учении как его специфической форме.

Классическая механика является первым разделом обязательной программы теоретической физики по специальности «физика» для учителей физики. Она играет наиболее значимую роль при изучении других разделов теоретической физики и может быть использована при переходе к различным областям современной физики. Например, уравнение Гамильтона — Якоби и принцип наименьшего действия, канонический формализм, имеют особое значение при переходе к квантовой теории. Таким образом, классическая механика играет важную роль при формировании естественнонаучного мировоззрения, открывая дорогу студентам в другие разделы теоретической физики. Поэтому при осуществлении учебного процесса по обучению классической механике для студентов педагогического университета необходимо провести и указать связи классической механики с другими разделами теоретической физики.

Вместе с тем, построение классической механики, практически завершилось в конце XIX века, и большинство обозначений с тех пор не меняется. Представляется целесообразным принять некоторые усовершенствования, которые позволяют с одной стороны упростить процесс изложения, а с другойподготовить студентов к использованию современных обозначений в более сложных разделах физики.

Изложение основных понятий механики, в соответствии с сформулированными выше подходами, способствует формированию у студентов положительной мотивации обучения и усвоению всего курса теоретической физики. Анализ учебной литературы по классической механике, рекомендуемой для педагогических вузов, (Жирнов Н.И., Голдстейн Г., Угаров В. А., Мултановский В. В. и др.) показал, что требуется дополнительная проработка вопроса о связи классической механики с другими разделами теоретической физики. В настоящее время в системе физического образования наметилось противоречие, заключающееся в том, что с одной стороны, увеличивается объем информации и усложняются способы ее передачи, а с другой стороны, время, отведенное на изучение курса теоретической физики не увеличивается. Кроме этого, существует необходимость доработки вопросов, связанных с методикой обучения при переходе от классической механики к другим фундаментальным разделами теоретической физики. Все это обуславливает актуальность нашего исследования.

Таким образом, проблема исследования состоит в построении методики обучения классической механике, направленной на повышение эффективности обучения студентов педагогического вуза теоретической физике.

Цель работы: разработка методики обучения студентов педагогического вуза классической механике, учитывающей специфику вуза, сложности в восприятии будущих учителей, обеспечивающей плавный переход к другим разделам теоретической физики, способствующей эффективному усвоению курса в целом.

Объект исследования: процесс обучения теоретической физике в педагогического вузе.

Предмет исследования: содержание и методика обучения классической механике в курсе теоретической физики для педагогического университета.

Гипотеза исследования: введение адаптированного курса классической механики в учебный процесс по обучению теоретической физике в педагогическом университете, основанного на применении вариационных принципов механики, канонического формализма, а также на использовании элементов современного математического аппарата, приведет к повышению уровня предметной подготовки студентов.

Для достижения поставленной цели в ходе исследования необходимо было решить следующие задачи:

1) Выявить психолого-педагогические особенности изучения теоретической физики в педагогическом университете.

2) Исследовать целесообразность построения курса классической механики на основе применения вариационных принципов механики, канонического формализма и введения элементов современного математического аппарата.

3) Разработать и экспериментально проверить методику изучения курса классической механики для педагогического университета, построенного на основе применения вариационных принципов механики и канонических преобразований с введением современных обозначений, способствующего лучшему усвоению других разделов теоретической физики.

Решение поставленных задач осуществлялось в четыре этапа:

Первый этап (1997;1998 гг.) включал в себя анализ, психолого-педагогической, научно-методической, учебной литературы и изучение опыта работы преподавателей вуза с целью выяснения состояния исследуемой проблемы в теории и практике обучения студентов теоретической физике в педвузе. Определение основ планируемого исследования. Были определены цели, объект, предмет, сформулированы гипотеза и задачи исследования, разработан план проведения исследования и проведен констатирующий эксперимент.

На втором этапе исследования (1998;2002 гг.) проводилось моделирование учебного процесса, была разработана методика. Осуществлен поисковый эксперимент, который проводился в целях проверки гипотезы исследования и эффективности предлагаемой в работе методики.

Третий этап (2002;2003 гг.) включал в себя формирующий эксперимент, который проводился на базе Томского государственного педагогического университета. Проводился анализ результатов эксперимента, уточнялись некоторые положения предлагаемой методики. На данном этапе осуществлялась проверка эффективности разработанной методики.

На четвертом этапе (2004;2006 гг.) был завершен формирующий эксперимент, осуществлено внедрение разработанной методики обучения классической механике в ГШ У, произведена оценка достоверности результатов исследования, сформулированы основные выводы и завершена работа по оформлению диссертации.

Методологической основой исследования послужили работы Аниськина В. Н., Бабанского Ю. К., Беленок И. Л., Бронниковой Э. П., Годника С. М, Дробчака З. Д., Захаровой Л. Н., Исаева И. Ф., Кухарева Н. В., Лернера И. Я., Наумова А. И., Орлова А. Б., Петровского А. В., Салаватовой С. С., Щербакова А.И.

Методы исследования: в работе применялся комплекс методов исследования, адекватных поставленным задачам. Теоретические методы — анализ исследуемой проблемы и обобщение учебно-методической литературы по классической механике, разработка методической системы применения аппарата классической механики для изучения теоретической физики, написание учебного пособия. Эмпирические методы — наблюдение, анкетирование, тестирование, педагогический эксперимент, методы статистической обработки экспериментальных данных исследования.

Научная новизна:

1. Предложена и реализована модель обучения классической механике в педагогическом вузе, основанная на применении вариационных принципов механики, канонического формализма и использовании элементов современного математического аппарата, позволяющая легко перенести эти методы в дальнейшем на другие разделы теоретической физики.

2. Предложены варианты использования элементов современного математического аппарата, которые позволяют облегчить вывод сложных формул и приучить студента к обозначениям, принятым в теории поля (электродинамике, гравитации и т. д.).

Теоретическая значимость: разработана методика обучения студентов педагогического вуза классической механике на основе учета связи классической механики с другими разделами теоретической физики. разработана и реализована модель обучения классической механике, основанная на применении вариационных принципов механики, канонического формализма и использовании элементов современного математического аппарата.

Практическая значимость исследования состоит в разработке: курса лекции по классической механике для педагогического университета, учитывающего связи классической механики с другими разделами теоретической физикиметодических рекомендаций к курсу лекций по классической механике для педагогического университета. учебного пособия по классической механике для студентов педагогического университета.

Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается системным подходом к описанию и изучению объекта исследования, использованием методов, адекватных задачам исследования, всесторонним анализом проблемы исследования, достаточной представительностью выборки обучаемых и положительными результатами педагогического эксперимента, использованием математической статистики для количественной оценки результатов. На защиту выносятся:

1) теоретическое обоснование содержание курса классической механики, обеспечивающего плавный переход к другим разделам и способствующих более легкому пониманию теоретической физики в целом;

2) содержание курса лекций с использованием элементов современного математического аппарата, что позволяет не только упростить выражение, но и облегчить выводы различных формул, а также приучает студента к обозначениям, принятым в теории поля (электродинамике, гравитации и т. д.);

3) методика обучения классической механике на основе психолого-педагогических особенностей студентов педагогического вуза.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, изложена на 142 страницах текста, содержит 2 таблиц, 8 рисунков.

Список литературы

состоит из 122 наименований.

Выводы к главе П1.

В целом результаты экспериментального исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Предлагаемая методика позволила снизить перегрузку учебного материала.

2.

Введение

современных обозначений способствует повышению эффективности обучения классической механики и успешному усвоению материала.

3. Результаты формирующего эксперимента подтвердили основную идею нашего исследования — введение адаптированного курса классической механики в учебный процесс по обучению теоретической физике в педагогическому университете, основанного на применении вариационных принципов механики и канонического формализма с использованием элементов современного математического аппарата, приводит к повышению уровня предметной и профессиональной подготовки студентов.

4. Математическая обработка и анализ данных педагогического эксперимента показали эффективность предлагаемой в работе методики и подтвердили сформулированную в работе гипотезу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Компонентами методической системы обучения классической механике являются цели обучения, содержание образования, методы, средства и формы обучения. Содержание образования прежде всего определяется целями обучения и содержанием классической механики как физической теории.

— системы научного знания. Важнейшими целями являются формирование системных знаний на уровне теоретических обобщений в физической теории и научного мышления будущего учителя физики. В педагогической науке и гносеологии определены пути формирования теоретических обобщений и системного подхода к конструированию содержания обучения физической теории. С учетом вышеизложенного в работе решены следующие задачи:

1. В исследовании выделены элементы содержательной структуры классической механики — эмпирическое основание, концептуальное ядро, дедуктивные выводы, мировоззренческие следствия и рассмотрена структура некоторых из этих элементов как подсистем теории.

2. В исследовании выявлены психолого-педагогические особенности изучения теоретической физики в педагогическом университете. Одним из основополагающих принципов обучения в педагогическом вузе является — принцип профессионально-педагогической направленности. Это связано с тем, что будущего учителя физики надо обучать не только специальным предметам, но и тому, как он сам должен обучать физике школьников. Именно принцип профессионально-педагогической направленности диктует структуру курса теоретической физики, этим принципом определяются цели, задачи, методы преподавания и учебная программа по курсу теоретической физики.

3. В ходе диссертационного исследования проверена целесообразность построения курса классической механики на основе применения вариационных принципов механики, канонического формализма и введения элементов современного математического аппарата.

4. Разработана методика обучения студентов педагогического вуза классической механике на основе психолого-педагогических особенностях с учетом естественных связей классической механики с другими разделами теоретической физики.

5. Сконструирован вариант модели обучения классической механике, основанной на применении вариационных принципов механики, канонического формализма и использовании элементов современного математического аппарата.

6. Результаты педагогического эксперимента подтвердили основную идею нашего исследования — введение адаптированного курса классической механики в учебный процесс по обучению теоретической физике в педагогическом университете, основанного на применении вариационных принципов механики и канонического формализма с использованием элементов современного математического аппарата, приводит к повышению уровня предметной и профессиональной подготовки студентов.

В целом, результаты диссертационного исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Предлагаемая методика позволила снизить перегрузку учебного материала.

2.

Введение

современных обозначений способствует повышению эффективности обучения классической механики и успешному усвоению материала.

3. Результаты формирующего эксперимента подтвердили основную идею нашего исследования — введение адаптированного курса классической механики в учебный процесс по обучению теоретической физике в педагогическому университете, основанного на применении вариационных принципов механики и канонического формализма с использованием элементов современного математического аппарата, приводит к повышению уровня предметной и профессиональной подготовки студентов.

4. Математическая обработка и анализ данных педагогического эксперимента показали эффективность предлагаемой в работе методики и подтвердили сформулированную в работе гипотезу.

Выполненное исследование методической системы обучения классической механике в педагогическом вузе носит в основном теоретический характер. Предложенная модель курса классической механики показала свою эффективность в формировании системных знаний и усвоении учебного материала. Однако проблема формирования методической системы обучения теоретической физике в целом, является многоаспектной как в теоретическом, так и практическом плане. Решение этих и других задач выходит за рамки данного исследования.