О методике организации познавательной деятельности при изучении астрономии в курсе физики

УДК 37.016:52:53

Д. В. Перевощиков, Ю. А. Сауров

О методике организации познавательной деятельности при изучении астрономии в курсе физики

В статье обозначена под углом зрения реализации ФГОС научная проблема освоения методологических знаний при изучении астрономии в курсе физики. В настоящее время астрономия встроена в виде заключительных глав в курс физики XI класса. Сохранение единства учебного предмета, формирование интереса на основе внимания к вопросам мировоззрения, разнообразие видов учебной деятельности школьников - актуальные проблемы науки и практики изучения астрономии в курсе физики.

The article is from the perspective of the implementation of the ФГОС scientific issue of methodological knowledge in the study of astronomy in the physics course. Currently, astronomy is built in the form of the final chapters in the course of physics XI class. Preserving the unity of the subject, generating interest on the basis of ideology, species diversity training school - actual problems of science and practice study of astronomy in the physics course.

Ключевые слова: астрономия, методология, модель, экспериментирование, моделирование, учебная деятельность.

Keywords: astronomy, methodology, model, experimentation, modeling, learning activities.

Постановка научно-методической проблемы. Современный ФГОС задаёт высокий уровень требований к метапредметным результатам обучения. В частности, требуется овладение «навыками познавательной, учебно-исследовательской и проективной деятельности, навыками решения проблем; способность и готовность к самостоятельному поиску методов решения практических задач, применению различных методов познания». Задать и обеспечить такой уровень подготовки невозможно без прямого использования методологии познавательной деятельности, в рамках нашего предмета удачно выраженной ориентировкой научного метода познания «факты, проблема - гипотеза, модель - следствия, выводы - эксперимент, опыт понимания и конструирования» (В. Г. Разумовский).

Сейчас астрономия встроена в школьный курс физики. И межпредметные связи организационно стали внутрипреметными. Это накладывает, на наш взгляд, свой отпечаток на методику изучения астрономии. Во-первых, обратим внимание на следующий экспериментальный факт. Нами изучено использование в темах астрономии таких ключевых понятий, как «закон», «модель», «явление», «факт», «принцип», «гипотеза» [1]. Обнаружилось существенное доминирование одного термина (см. таблицу), что говорит о бедности отражения методологии познания в содержании курсов. В целом такая картина типична для содержания и курсов физики. Во-вторых, ни в структурировании содержания материала, ни в организации практической учебной деятельности нет в явном виде ориентира на освоение логики научного метода познания. В-третьих, освоение вопросов миропонимания в курсе астрономии без преемственной связи с освоением методологических понятий затруднено. И диагностика это показывает. В течение двух лет среди учеников 11-х классов (около 100) г. Кирова, собирающихся сдавать ЕГЭ по физике, была проведена контрольная работа мировоззренческого содержания (см. её текст ниже). Обнаружилось, что большинство учеников правильно ответили всего лишь на 3-4 вопроса из десяти предложенных, и только 11,3% школьников ответили на больше половины вопросов. Типичными оказались следующие затруднения школьников: Луна во время солнечного затмения находится в фазе полнолуния; Земля ближе к Солнцу летом, а дальше зимой; ночь покрывает большую часть земной поверхности. Отсюда при анализе и формулируется проблема для исследования: как повысить методологическую грамотность школьников при изучении астрономии.

© Перевощиков Д. В., Сауров Ю. А., 2015 126

Учебник Касьянов В. А., базовый уровень, 2012 Касьянов В. А., профильный уровень, 2011 Пинский А. А., профильный уровень, 2011 Мякишев Г. Я., 2014 Разумовский В. Г., 2011

Название Элементы Элементы Строение и эво- Астрономия Вселенная

раздела астрофизики астрофизики люция Вселенной

Количество 29 50 35 53 93

страниц

Закон 11 21 12 29 27

Модель 2 7 0 6 5

Явление 0 1 5 6 2

Факт 0 0 9 3 6

Принцип 0 0 0 1 4

Гипотеза 0 0 6 0 2

Задания по диагностике миропонимания

Вариант 1

1. Какая планета самая близкая к Солнцу?

2. Укажите явления, происходящие при смене суток на Земле.

3. С какой широты выгоднее стартовать с Земли, чтобы попасть на геостационарную орбиту?

4. День или ночь покрывает большую часть земной поверхности?

5. Предложите модель, описывающую явление движения Земли по орбите.

6. Постройте модель солнечного затмения.

7. Как можно точнее подберите модель, описывающую свечение Солнца.

8. В какой фазе находится Луна во время солнечного затмения?

9. Когда Земля ближе к Солнцу: зимой или летом?

10. Почему температура поверхности Венеры самая высокая среди других планет Солнечной системы?

Вариант 2

1. Какая планета наименее массивная в Солнечной системе?

2. Укажите явления, происходящие при смене времен года на Земле.

3. Какое действие требует меньших затрат энергии при старте с Земли: улететь из Солнечной системы или сесть на Солнце?

4. Почему времена года в северном и южном полушарии различны?

5. Опишите модель, объясняющую процесс вращения Земли вокруг своей оси.

6. Постройте модель лунного затмения.

7. Как можно точнее подберите модель, описывающую свечение Луны.

8. В какой фазе находится Луна во время лунного затмения?

9. Когда утро наступит раньше: в Петербурге или во Владивостоке?

10. Почему на Юпитере отсутствуют смены времен года?

Методическое решение-проект. Сравнительно простым, рациональным, эффективным и доступным, на наш взгляд, тактическим решением является организация астрономического практикума. Он позволяет разнообразить учебную деятельность при изучении астрономии, задаёт важные методологические (высокой степени обобщённости) ориентировки деятельности, способствует освоению фундаментальных понятий [2]. По содержанию опыта практикум представляет собой учебную деятельность с моделями астрономических объектов, с методами исследования. По форме организации деятельности школьников выполнение практических работ возможно на обычном уроке как при изучении нового материала, так и на этапе отработки знаний. В нашем случае построение структуры инструкции-регламента, выделение объекта-предмета деятельности, содержание практических действий школьников, контрольные вопросы были нацелены на освоение элементов методологии познания.

При организации учебной деятельности школьников, на наш взгляд, принципиально важно ориентироваться на освоение двух ведущих деятельностей - экспериментирования и моделирования [3]. Физическое познание, по смыслу и в главном приближении, может и должно быть в школьном образовании представлено этими двумя видами деятельности. Экспериментирование задается как деятельность с реальными объектами и явлениями, моделирование - как деятельность со знанием. Причем, с одной стороны, в широком поле смыслов в деятельность экспериментирования можно включить и моделирование как экспериментирование с идеальными обра-

зованиями. Хотя, с другой стороны, моделирование идейно, логически ведет экспериментирование, задавая смыслы и точку «видения» - метод. Технологическое задание данных деятельнос-тей, исследование их содержательных и процессуальных взаимоотношений, проблемы освоения этих деятельностей в практике обучения - актуальные задачи методики обучения как физики, так и астрономии.

При изучении астрономии в курсе физики мы поневоле ограничены в экспериментировании с реальными астрономическими объектами и явлениями. Причины простые: доступность объектов на уроке, ограниченность времени. Вот почему для развития познавательных способностей следует использовать экспериментирование над моделями, шире - знаниями. Как раз в так организованном учебном процессе эффективнее всего осваиваются элементы методологии познания. А значимость их как ориентировок деятельности для развития школьников трудно переоценить.

Нами построено десять лабораторных работ по астрометрии, небесной механике, астрофизике и основам космонавтики [4]. Инструкции к двум из них с небольшими комментариями приводятся ниже.

Лабораторная работа № 1. Моделирование солнечного и лунного затмения

Оборудование: два шара разных размеров, светодиодная лампа-фонарик, бумага, линейка.

Цель - построить схемы-модели солнечного и лунного затмения и исследовать их.

Теория работы. Солнечное затмение происходит вседствие того, что Солнце для земного наблюдателя перекрывает Луна. Экспериментально и теоретически изучая явление, можно построить модель-механим, которая в итоге позволяет понять событие, предсказать его проявления (рис. 1).

Лунное затмение происходит вследствие того, что Луна попадает при своём движении в тень Земли. Наблюдения с Земли позволяют построить схему-модель лунного затмения (рис. 2).

Ход работы

Первое задание: моделирование солнечного затмения.

1. Поместите лампу («Солнце») на стол и включите её. Поместите шары так, чтобы они с потоком света лампы составляли прямую линию. Больший шар играет роль Земли, меньший - Луны. Землю в нашем случае считаем неподвижной.

2. Смоделируйте в условиях статики явление солнечного затмения. Измерьте расстояния, диаметры шаров, выполните рисунок-схему в масштабе.

3. Продемонстрируйте на модели солнечное затмение в условиях движения Солнца и Луны, т. е. в системе отсчета, связанной с Землей.

4. Определите условия полного солнечного затмения, выполните рисунок-схему.

5. При условии полного солнечного затмения предскажите величину диаметра Солнца, если известны диаметр Луны, расстояния от Земли до Луны, от Земли до Солнца.

Второе задание: моделирование лунного затмения.

1. Экспериментально получите тень Земли от Солнца. Всегда ли тень (полутень) образуется? Изучите, как она меняется при движении Земли. Выполните схему-рисунок.

2. Продемонстрируйте на модели попадание тени Земли на Луну. Выясните на модели, при каких условиях происходит полное лунное затмение. Выполните схему-рисунок (см., например, рис. 2).

3. Предположите и зафиксируйте на модели изменение продолжительности времени затмения в зависимости от скорости движения объектов.

4. Объясните отличие полного лунного затмения от частичного. Смоделируйте оба явления, выполните схему-рисунок.

Контрольные вопросы: Что увидит наблюдатель, расположенный на Луне, в момент лунного затмения? Что увидит наблюдатель, расположенный на Солнце, в момент солнечного затмения? При каком движении Луны вокруг Земли не бывает лунного затмения? Выполните схему-модель. Всегда ли солнечное затмение (см. рис. 1) будет полным? Если нет, то предложите схему-модель подобного исключения.

Лабораторная работа № 2. Построение модели параллактического смещения и её изучение

Оборудование: фотография, линейка, транспортир.

Цель - изучить методы горизонтального и годичного параллаксов и построить их схемы-модели.

Теория работы. Понятия «горизонтальный и годичный параллакс» базируются на более общем понятии «параллактическое смещение». Это изменение направления на объект наблюдений, вызванное перемещением наблюдателя из одной точки в другую. Расстояние между этими точками называется базисом (рис. 3). Если в качестве базиса используют радиус Земли, то угол, под которым он «виден» с объекта наблюдений, называется его горизонтальным параллаксом. Если в качестве базиса используют радиус орбиты Земли, то угол, под которым он «виден» с объекта наблюдений, называется его годичным параллаксом. Горизонтальный параллакс используют при определении расстояний до объектов Солнечной системы. При определении расстояний до звезд используют годичный параллакс. Эти методы являются единственными прямыми методами измерения расстояний. В пределах Солнечной системы расстояния до некоторых тел были измерены методами радио - и оптической локации. Они подтвердили результаты, полученные методом горизонтального параллакса.

При определении расстояний до тел Солнечной системы считают, что звезды находятся бесконечно далеко и можно просто определять кажущееся смещение объекта наблюдений на фоне звёзд. Зная величину базиса и масштаб фотографии участка звездного неба, можно рассчитать расстояние до объекта наблюдений.

Если отсутствует фон бесконечно далеких объектов, измеряют углы при базисе, что также позволяет определить величину угла параллактического смещения и рассчитать расстояние до объекта наблюдений.

Ход работы

Первое задание: экспериментальное определение расстояния до далекой звезды.

1. На рис. 4 приведены две фотографии одного и того же участка неба, разделённые полугодовым промежутком времени. Известен размер сфотографированного участка неба в квадратных градусах. На каждой фотографии присутствует точечное изображение некоего далекого объекта (предполагаем, звезды). Его положение на фотографиях различное. Выделите этот эмпирический факт.

2. Постройте схему-модель годичного парралакса, объясняющую данный экспериментальный факт.

3. Получите следствия: рассчитайте некоторые параметры звезды на основе построенной модели. В частности, определите величину параллактического смещения и рассчитайте расстояние до звезды.

4. Сделайте выводы: Трудно ли было обнаружить экспериментальный факт? Почему? Каковы недостатки построенной модели? Можно ли быть уверенным, что по фотографиям мы зафиксировали изменение положения звезды? Почему?

Рис. 4

Второе задание: на основе модели изучите метод «параллактического смещения».

1. Построение модели: звезды моделируются материальными точками («звездочками»), их положение можно брать разное. На отдельном листе бумаги поставьте в произвольных местах несколько «звёздочек». В нижней части листа изобразите базисный отрезок, крайние точки которого - точки наблюдения «звездочек» (рис. 5).

базис

Рис. 5

2. Постройте схему метода: под задачу определения расстояния до звезды сделайте такие геометрические построения, чтобы наблюдатель на «базисе» измерениями смог на их основе определить расстояние. В отчёте приведите результаты всех измерений и расчётов.

Контрольные вопросы: Смоделируйте с помощью схемы-рисунка явления годичного параллакса звезды и горизонтального параллакса планеты. Для каких объектов - близких или далёких - метод годичного параллакса точнее?

Заключение. Наше предположение о возможности и эффективности экспериментирования с таким объектом, как модель-схема (шире - текстом, знанием), заместителем труднодоступного реального астрономического объекта (или явления), оправдывается. Уже первый опыт использования практикума убеждает в его значимости. Практическая деятельность по моделированию астрономических явлений и объектов повышает познавательный интерес школьников, учит рассуждать, находить обоснованные решения различных задач, вырабатывает умения мыслить сис-130

темно, продуктивно, нестандартно. Теория и практика в такой познавательной деятельности выступают в единстве, что способствует формированию у учащихся фундаментальных понятий методологии -метод, модель, экспериментальный факт, гипотеза, следствие.

Примечания

1. Касьянов В. А. Физика. 11 кл. Базовый уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений. М.: Дрофа, 2012. 269 с.; Касьянов В. А. Физика. 11 кл. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений. М.: Дрофа, 2011. 448 с.; Глазунов А. Т., Кабардин О. Ф., Малинин А. Н. и др. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений и шк. с углубл. изучением физики / под ред. А. А. Пинского, О. Ф. Кабарди-на. М.: Просвещение, 2011. 416 с.; Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. организаций / под ред. Н. А. Парфентьевой. М.: Просвещение, 2014. 399 с.; Разумовский В. Г., Орлов В. А., Майер В. В., Сауров Ю. А., Страут Е. К. Физика 11: учеб. для общеобразоват. учреждений. Ч. 2 / под ред. В. Г. Разумовского, В. А. Орлова. М.: ВЛАДОС, 2014. 359 с.

2. Ванклиф Дж. Эксперименты по астрономии / пер. с англ. М. Я. Рутковской. М.: АСТ: Астрель, 2009. 236 с.; Дагаев М. М., Чаругин В. М. Книга для чтения по астрономии. Астрофизика. М.: Просвещение, 1988. 207 с. Левитан Е. П. Дидактика астрономии. М.: УРСС, 2004. 296 с.; Сауров Ю. А. Физика: методические разработки: 11 класс. М.: Просвещение, 2010. 256 с.; Страут Е. К. Астрономия. Дидактические материалы. 11 класс. М.: ВЛАДОС, 2000. 80 с.

3. Коханов К. А., Сауров Ю. А. Методология функционирования и развития школьного физического образования: монография. Киров: Изд-во ООО «Радуга-ПРЕСС», 2012. 326 с.; Сауров Ю. А., Коха-нов К. А. Экспериментирование и моделирование как коллективная познавательная деятельность в обучении физике // Вестник ВятГГУ. 2014. № 5. С. 130-135. Разумовский В. Г., Орлов В. А., Майер В. В., Сауров Ю. А. Стратегическое проектирование развития физического образования: монография. Киров: ООО «Типография «Старая Вятка», 2012. 179 с.

4. Перевощиков Д. В. Школьный астрономический практикум: учеб. пособие. Киров: Изд-во ЦДООШ, 2014. 17 с.

Notes

1. Kasyanov V. A. Fizika. 11 kl. Bazovyj uroven': ucheb. dlya obshcheobrazovat. uchrezhdenij [Physics. 11 CL. Basic level:textbook for general education institutions]. Moscow. Drofa, 2012. 269 p.; Kasyanov V. A. Fizika. 11 kl. Profil'nyj uroven': ucheb. dlya obshcheobrazovat. uchrezhdenij [Physics. 11 C. Profile level: textbook for general education institutions]. Moscow. Drofa, 2011. 448 p.; Glazunov, A. T., Kabardin O. F., A. N. Malinin. etc. Fizika. 11 klass: ucheb. dlya obshcheobrazovat. uchrezhdenij i shk. s uglubl. izucheniem fiziki [Physics. 11: textbook for general education institutions and schools with advanced course of physics] / ed. by A. A. Pinsky, O. F. Kabardin. Moscow. Prosveshcheniye. 2011. 416 p.; Myakishev G.Y., Buhovtsev B. B., Charugin V. M. Fizika. 11 klass: ucheb. dlya obshcheobrazovat. organizacij [Physics. 11: textbook for general education institutions] / ed. by N. A. Parfentyeva. Moscow. Prosveshcheniye. 2014. 399 p.; Razumovsky V. G., Orlov V. A., Mayer, V., Saurov J. A., Straut E.K. Fizika 11: ucheb. dlya obshcheobrazovat. uchrezhdenij [Physics 11: textbook for general education institutions]. Part 2 / under the editorship of V. G. Razumovsky, V. A. Orlov. Moscow. VLADOS. 2014. 359 p.

2. Vancleef J. EHksperimenty po astronomii [Experiments in astronomy] / transl. from Eng. M. J. Rutkowski. Moscow. AST: Astrel. 2009. 236 p.; Dagaev M.M., Chagrugin V. M. Kniga dlya chteniya po astronomii. Astrofizika [Reading book on astronomy. Astrophysics]. Moscow. Prosveshcheniye. 1988. 207 p. Levitan E. P. Didaktika astronomii [Didactics of astronomy]. Moscow. URSS. 2004. 296 p.; Saurov Y. A. Fizika: metodicheskie razrabotki: 11 klass [Physics: methodological developments: grade 11]. Moscow. Prosveshcheniye. 2010. 256 p.; E. K. Straut Astronomiya. Didakticheskie materialy. 11 klass [Astronomy. Didactic materials. 11 grade]. Moscow. VLADOS. 2000. 80 p.

3. Kokhanov K. A., Saurov Y. A. Metodologiya funkcionirovaniya i razvitiya shkol'nogo fizicheskogo obrazovaniya: monografiya [Methodology of functioning and development of school physical education: monograph]. Kirov. LLC "Raduga-PRESS" Publ. 2012. 326 p.; Saurov J. A., Kokhanov K. A. EHksperimentirovanie i modelirovanie kak kollektivnaya poznavatel'naya deyatel'nost' v obuchenii fizike [Experimentation and simulation as a collective cognitive activity in learning physics] // Vestnik VyatGGU -Herald of VyatSHU. 2014, No. 5, pp. 130-135. Razumovsky, V. G., Orlov V. A., Mayer, V., Saurov Y. A. Strategicheskoe proektirovanie razvitiya fizicheskogo obrazovaniya: monografiya [Strategic planning for the development of physical education: monograph]. Kirov: LLC "Printing "Staraya Vyatka". 2012. 179 p.

4. Perevoshchikov D. V. SHkol'nyj astronomicheskij praktikum: ucheb. posobie [School astronomical workshop: tutorial]. Kirov. CCES Publ. 2014. 17 p.