Контекстные экспериментальные задачи по физике как средство формирования компетенций учащихся

КОНТЕКСТНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ ПО ФИЗИКЕ КАК СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ КОМПЕТЕНЦИЙ УЧАЩИХСЯ

CONTEXTUAL EXPERIMENTAL TASKS IN PHYSICS AS A MEANS OF FORMING STUDENTS' COMPETENCIES

В. И. Данильчук, Е. В. Донскова, Т. В. Клеветова

Рассмотрен специфический вид физических задач -контекстные экспериментальные задачи и их роль в формировании предметных, метапредметных и ключевых компетенций учащихся.

Ключевые слова: компетенции, контекстная экспериментальная задача, теория и методика обучения физике, физическая задача.

Введение компетенций в нормативную и практическую составляющую общего физического образования позволяет решать проблему, типичную для российской школы, которая отражает возможность овладения учениками набором теоретических знаний и значительные трудности в деятельности, требующей использования этих знаний для решения конкретных жизненных задач или проблемных ситуаций. Таким образом, результатом общего физического образования учащихся в условиях компетентностного подхода является освоение универсальной системы деятельности, направленной на формирование ценностно-смысловых, общекультурных, информационных, коммуникативных компетенций и компетенций личностного самосовершенствования. Поиск эффективных средств формирования и оценки компетенций учащихся является актуальной проблемой теории и методики обучения физике, исследованием которой занимаются многие ученые (И. А. Игошев, А. А. Пинский, Н. С. Пурышева, А. В. Хуторской, Н. В. Шаронова и др.).

В данной работе мы обращаемся к проблеме использования контекстных экспериментальных задач в процессе изучения учащимися физики с целью формирования их компетенций. Отметим, что компетентностные функции экспериментальных физических задач специально не исследовались, хотя их значимость для формирования предметных знаний и умений по физике, развития и воспитания учащихся доказана и в теории, и в практике физического образования (Б. Ф. Билимович, Г. А. Бутырский, С. Е. Каме-нецкий, В. Г. Ланге, С. С. Мошков, В. П. Орехов, А. И. Семке, Г. П. Стефанова, Н. Н. Тулькибаева, А. В. Усова и др.).

Рассмотрим различные подходы к определению понятий «задача», «физическая задача», «экспериментальная задача». В психологии (В. В. Давыдов, С. Л. Рубинштейн, Д. Б. Эльконин и др.) задачу рассматривают как организующее и направляющее начало человеческой деятельно-

V. I. Danilchuk, E. V. Donskova, T. V. Klevetova

A specific type of tasks in physics - contextual experimental tasks, and their role in formation of subject, meta-subject and core competencies of students is considered.

Keywords: competencies, contextual experimental task, theory and methods of teaching physics, task on physics.

сти. В педагогике - как один из методов обучения и проверки знаний и практических навыков учащихся. В теории и методике обучения физике - как ситуацию, требующую от учащихся мыслительных и практических действий на основе законов и методов физики, направленных на овладение знаниями по физике и на развитие мышления учащихся. «Ведь физические задачи, прежде всего учебные, - великолепный полигон, на котором можно учиться умению оценивать ситуацию и принимать решение, сообразуясь с обстоятельствами» [1]. «Задача в учебном процессе по физике выступает особой формой предъявления информации и средством осуществления этого процесса и развития обучающихся» [2, с. 5]. Результатом решения задачи является нахождение какого-то знания, способа, модели. В этом состоит когнитивный аспект задачи. Однако всякое решение непременно включает в себя прогнозирование, моделирование, креативность, придание личностного смысла, формирование мировоззренческой позиции, принятие на себя определенной ответственности, оценивание результата, что в свою очередь составляет личностные (компетентностные) аспекты решения. В этом смысле физическая задача - универсальное средство создания ситуации, в которой происходит формирование и предметных, и ключевых компетенций учащихся.

Особое место в системе физических задач занимают экспериментальные, так как экспериментальный метод является одним из основных методов обучения физике и дает возможность ученику познать физические явления, познакомиться с научными методами изучения природы, сформировать опыт работы с физическим оборудованием, развить наблюдательность и любознательность. Экспериментальные задачи требуют проведения опытов и измерений при задании условий задачи и (или) ее решении, что способствует овладению учащимися методологическими умениями по проектированию и осуществлению физического

эксперимента. Экспериментальные физические задачи в знаниевой парадигме обучения являются предметно-ориентироваными, и, соответственно, они направлены на освоение понятийного и операционного аппарата физики в процессе проведения физических наблюдений, опытов и экспериментов. В их содержании может быть представлена модель одной из следующих ситуаций: 1) наблюдение явлений и постановка опытов (на качественном уровне) по выявлению факторов, влияющих на их протекание; 2) проведение прямых измерений физических величин и расчет по полученным данным зависимого от них параметра; 3) исследование зависимости одной физической величины от другой с представлением результатов в виде графика или таблицы; 4) проверка заданных предположений (прямые измерения физических величин и сравнение заданных соотношений между ними).

Следует заметить, что ученик решает в подлинном смысле слова лишь ту задачу, в которой находит тот или иной личностный смысл (контекст). При этом контекст всегда связан с понятием «ситуация» и означает систему условий, побуждающих субъекта и опосредуюших его активность.

Одной из концептуальных основ реализации учебного процесса по физике на основе решения учащимися контекстных экспериментальных задач является теория контекстного обучения и воспитания, разработанная научной школой А. А. Вербицкого [3]. В соответствии с положениями данной теории контекстом является система внутренних и внешних условий жизни и деятельности человека, которая влияет на восприятие, понимание и преобразование им конкретной ситуации, придавая смысл и значение этой ситуации как целому и ее отдельным компонентам. Внутренний контекст представляет собой индивидуально-психологические особенности, знания и опыт человека; внешний - предметные, социокультурные, пространственно-временные и иные характеристики ситуации, в которых он действует. Таким образом, контекстное обучение способствует развитию самоактуализирующейся и самореализующейся личности обучающегося и формированию его ключевых, метапредметных предметных компетенций. Источником содержания контекстного обучения являются ситуации, активизирующие деятельность учащихся по исследованию физических явлений, в том числе при решении экспериментальных задач.

В связи с вышесказанным, не любая экспериментальная задача является средством формирования системы компетенций учащихся, а только контекстная. «Контекстная задача - это вопрос, задача, проблема, изначально ориентированная на тот смысл, который данные феномены имеют для обучающегося... это не просто адаптация к личности обучаемого, но и способ актуализации его личностного потенциала, пробуждения его смыслопоисковой активности, осознания ценности изучаемого» [4, с. 103]. Выделим условия, которым должны удовлетворять физические задачи, чтобы быть отнесенными к контекстным:

1) содержание задачи должно быть в контексте с личностными потребностями учащихся - описывать прикладные аспекты физики, связанные с техникой и производ-

ством, физические основания эстетических феноменов природы; представлять общечеловеческие ценности - вопросы философии и этики физического познания, проблемы безопасности жизнедеятельности и здоровья, вопросы экологии и охраны окружающей среды; раскрывать связь физики с естественными и гуманитарными науками, социально-культурными проблемами общества, роль физики истории развития человечества и др.;

2) форма предъявления задачи должна вызывать положительную эмоциональную реакцию учащихся и актуализировать их личностный потенциал, побуждая к смысло-поисковой деятельности. Актуализация личностных функций особенно эффективно происходит при решении задач, содержащих дефицит информации, способов решения, интерпретаций, объяснений, оценки и поиска смысла полученного результата;

3) решение задачи должно основываться на методологии физической науки, но предполагать включение учащихся в разнообразные виды деятельности (учебно-познавательную, информационную, коммуникативную, ценностно-смысловую, творческую и др.) с учетом индивидуального стиля деятельности ученика, его привычек и предпочтений;

4) результат решения задачи должен сочетать предметность (формирование у учащихся умения применять знания физических закономерностей и теорий для объяснения явлений природной действительности) и контекст-ность (различные виды жизненного опыта учащихся - опыт миропонимания, мирооценивания, самоопределения).

Контекстный подход является одним из наиболее эффективных средств развития гуманитарного сознания учащихся, так как в своей деятельности человек часто сталкивается с задачами, наполненными физическим содержанием и позволяющими реализовать потребности в актуальном жизненном пространстве, а, следовательно, и затрагивающими мотивационную сферу личности. При этом постановка контекстной задачи требует не просто адаптации к интересам обучаемого, но и является способом актуализации его личностного потенциала, пробуждая его к смыслопоисковой деятельности и осознанию им ценности изучаемого материала. Контекстные физические задачи позволяют задействовать внутренние резервы личности, их содержание становится непосредственной причиной действий ученика, которые направлены не просто на получение формального результата, а на анализ событий, явлений, описанных в задаче, оно побуждает учащихся к проявлению эмоций в процессе учебной деятельности, и это в первую очередь связано с «открытиями», которые они делают при их решении, так как часто условия данных задач приводятся в виде отрывков из художественных произведений, описаний технических установок и механизмов. Это позволяет рассмотреть уже известные факты с позиции ценности физического знания для понимания сущности происходящих явлений. Огромную роль здесь играет прикладной характер учебного материала, который показывает единство познания в области естественных и гуманитарных дисциплин. Тем самым

учебный материал по физике не воспринимается как свод законов или правил, а раскрывается во всем его многообразии связей и отношений. Содержание контекстной учебной задачи часто затрагивает сферы, связанные с дальнейшим профессиональным самоопределением учащихся и позволяет тем самым развивать интерес к изучению предмета через формирование внутренней потребности к достижению успешного результата в ее решении.

Таким образом, контекстная экспериментальная задача понимается нами как физическая задача, в которой представлена природная, социально-культурная или производственно-техническая ситуация, активизирующая деятельность учащегося по проведению исследования физического процесса или явления посредством простого оборудования и получению количественного результата, который после соответствующей математической обработки позволяет наглядно и физически верно описать происходящий процесс и его качественно интерпретировать. Контекстная задача, оставаясь по своей сути предметной, выходит в сферу различных видов общечеловеческой жизнедеятельности - практико-преобразовательной, научно-познавательной, ценностно-ориентационной, коммуникационной и художественной, в каждой из которых человек в той или иной степени сталкивается с физическими задачами. Рассмотрим виды и примеры контекстных экспериментальных задач.

Экспериментальные задачи в контексте практико-преобразовательной деятельности человека описывают ситуации, связанные с различными видами производства, техники, предметами и орудиями труда, материалами и технологиями, эргономикой и характеристиками деятельности человека и требуют проектирования моделей, схем, установок, отражающих специфику данной деятельности.

1. В солнечный день с помощью линейки определите высоту дерева, не влезая на него.

2. Из неплотно прикрытого водопроводного крана тонкой струйкой вытекает вода. Определите с помощью линейки скорость истечения воды, а также ее объемный расход (то есть объем воды, вытекающий из крана за единицу времени).

Экспериментальные задачи, имитирующие научно-познавательную деятельность человека, требуют от учащихся умений целостно моделировать и реализовать процесс научно-исследовательской деятельности в области физики, направленный на изучение физических явлений и законов, описанных условием задачи, и в ходе реального эксперимента строить физическую модель.

1. Исследуйте причины устойчивости равновесия теннисного шарика на поверхности жидкости. Для этого наполните стакан водой до образования выпуклого мениска. Положите шарик на поверхность воды. Проанализируйте зависимость устойчивости шарика от рода жидкости.

2. Определите атмосферное давление, имея в наличии две стеклянные и резиновую трубки, сосуд с водой, масштабную линейку, пробку. Как отличается найденное вами значение от нормального атмосферного давления? Какое влияние оказывает найденный параметр на здоровье человека?

Экспериментальные задачи с элементами ценност-но-ориентационной деятельности описывают ситуацию, отражающую элементарные ценности человека, а именно проблемы безопасности жизнедеятельности и здоровья, вопросы экологии и охраны окружающей среды, физические опыты, приводящие к методологическим и мировоззренческим выводам и решению крупных физических проблем в различные исторические эпохи. Их решение требует проведения эксперимента и обоснования ценностной сферы рассматриваемых явлений или воспроизведения модели опыта, позволившего впервые открыть физическое явление.

1. Тень на ступенях // Человек сидел на ступенях, // Но внезапно гигантское солнце, // Грохоча, упало на город. // Человек в лучах растворился. // На ступенях осталась тень ...// Счетчик Гейгера стал часами, // Говорящими, может быть, // Сколько жить планете осталось (А. С. Испольнов). Объясните принцип работы счетчика Гейгера. Измерьте радиационный фон в кабинете физики и оцените его безопасность.

2. Для изучения механики человека учащимся может быть предложена следующая система задач: а) рассчитайте коэффициент трения подошв обуви о некоторые поверхности; б) определите массу человека динамическим способом; в) найдите мощность, развиваемую человеком при ходьбе и/или беге; г) рассчитайте скорость равномерного движения человека.

Экспериментальные задачи, связанные с коммуникационными потребностями человека, позволяют проектировать опыты для изучения: проблем связи; передачи сообщений; телерадиокоммуникаций; проблем передачи вещества, энергии, информации; вопросов свойств пространства и времени, перемещений и траекторий, а также физических основ радиоэлектроники и информатики.

1. Компакт-диск (Сй) содержит приблизительно 650 мегабайт информации. Чему равен размер области, содержащей единицу информации, то есть 1 бит? Оцените этот размер с помощью обычной линейки. Подтвердите вашу оценку, используя лазерный луч.

2. Измерьте длину криволинейного маршрута по карте с использованием наручных часов, имеющих заводную головку.

Экспериментальные задачи, связанные с художественной деятельностью человека, описывают ситуации реальной действительности, связанные с физическими основаниями эстетических феноменов природы, красоты и оптических эффектов, физическими основами различных видов искусств: живописи, театра, кино, телевидения. Решение данных задач требует проведения эксперимента, который бы подтверждал (или опровергал) ситуацию, описанную в условии, и обоснования экспериментально полученного результата на основе физических законов и теорий.

Примером данного рода задач могут служить следующие:

1. Желая получить снимок зебры, фотограф снял белого осла, надев на объектив фотоаппарата стекло с тем-

ными полосками. Что получилось на снимке? Свой ответ проверьте на практике.

2. Памятник китайской архитектуры - храм Неба в Пекине обладает интересными акустическими эффектами: у кольцеобразной стены, окружающей храм, четко слышен даже шепот человека, стоящего внутри нее у диаметрально противоположного места, в 80 м от слушателя. Объясните явление и смоделируйте «галерею шепота».

Решение контекстной экспериментальной задачи направлено на интеграцию освоенных способов деятельности в учебном предмете в социальную сферу, то есть компетенций. Отметим, что компетенции представлены в таких категориях, как «знать», «уметь», «владеть», но при этом отражают систему опыта самостоятельной деятельности учащихся по реализации универсальных знаний и способов деятельности в изменившихся условиях. В. А. Болотов и В. В. Сериков отмечают: «Компетентностный подход выдвигает на первое место не информированность ученика, а умения разрешать проблемы, возникающие в следующих ситуациях: 1) в познании и объяснении явлений действительности; 2) при освоении современной техники и технологии; 3) во взаимоотношениях людей, в этических нормах, при оценке собственных поступков; 4) в практической жизни при выполнении социальных ролей гражданина, члена семьи, покупателя, клиента, зрителя, горожанина, избирателя; 5) в правовых нормах и административных структурах, в потребительских и эстетических оценках; 6) при выборе профессии и оценке своей готовности к обучению в профессиональном учебном заведении, когда необходимо ориентироваться на рынке труда; 7) при необходимости разрешать собственные проблемы: жизненного самоопределения, выбора стиля и образа жизни, способов разрешения конфликтов» [5, с. 11].

Компетенции учащихся при изучении физики следует рассматривать как систему умений ученика проектировать решение проблем, возникающих в познании и объяснении природных явлений при функционировании технических установок и устройств, анализировать ситуации решения задач с позиции роли физического знания как части общечеловеческой культуры в различных сферах жизнедеятельности человека, выбирать креативные средства и способы действий по овладению учащимися основами продуктивной деятельности путем проведения физического эксперимента.

Остановимся на характеристике предметных, мета-предметных и ключевых компетенций, формируемых в ходе решения контекстных экспериментальных задач. Предметные компетенции включают в себя: знание основополагающих физических понятий, закономерностей, законов и теорий, правил эксплуатации и использования измерительных приборов; умения наблюдать и объяснять явления, осуществлять исследования некоторого выделенного свойства явления и зависимостей между физическими величинами, проектировать и собирать экспериментальные установки, проводить прямые измерения физических величин, определять физические величины на основе прямых и косвенных измерений; владение спо-

собами оценки физических величин, полученных в результате эксперимента, научными основами проверки статуса предложенных гипотез, теоретическими, математическими, графическими способами представления результатов эксперимента, методами оценки погрешностей измерения физических величин. Метапредметные компетенции - знание общенаучных понятий (явление, факт, закон, закономерность, проблема, гипотеза, модель, теоретический вывод, измерение, погрешность и др.), методологических основ исследовательской деятельности; владение основными теоретическими (анализ, синтез, абстрагирование, идеализация, моделирование, сравнение, дедукция, классификация, систематизация, обобщение, рефлексия) и экспериментальными (наблюдение, измерение, мысленный и реальный эксперимент) методами научного познания; способность и готовность к самостоятельному поиску методов решения исследовательских задач, применению научных методов познания для изучения природной действительности. Ключевые компетенции: ценностно-смысловая - овладение опытом оценивать научную достоверность и обосновывать социокультурную и предметную значимость изучаемых физических явлений и законов; общекультурная - овладение методами научного познания и опытом экспериментальной деятельности как составной частью культуры, опытом научного и технического творчества; учебно-познавательная - овладение основами целеполагания, планирования, реализации и рефлексии самостоятельной и коллективной деятельности в ходе физического эксперимента; информационная - овладение основами обработки и анализа естественнонаучной информации; коммуникативная - овладение навыками работы в группе и развитие способов устной и письменной коммуникации; компетенции личностного самосовершенствования - овладение опытом оценивать значимость предметных знаний и умений, сформированных в эксперименте, для личностного саморазвития (в том числе профессионального самоопределения).

Процессуальную основу решения контекстной экспериментальной задачи составляет исследовательская деятельность учащихся, понимаемая нами как целостная система, включающая методологию ученического эксперимента (установление факта, требующего исследования (проблемы), формулирование гипотезы, построение теоретической модели исследования, проведение исследования, анализ результатов) и отдельные элементы информационной деятельности (поиск, обработка и анализ естественнонаучной информации из различных источников), коммуникативной деятельности (применение языка физической науки в устной и письменной речи, продуктивное общение в группе в процессе выполнения эксперимента) и ценностно-смысловой деятельности (анализ результатов эксперимента с позиций научной достоверности, значимости для развития техники, технологий и культуры, влияния на экологию, обеспечения безопасности жизнедеятельности, а также личностной значимости для профессионального самоопределения), в которые включаются учащиеся в процессе проведения эксперимента.

Структуру исследовательской деятельности можно представить в виде цепочки: потребность - цель - условия деятельности - выполнение - результат. Ее стимулом выступают потребности в удовлетворении любопытства, понимании и осмысливании природной действительности, внутренних связей и отношений между физическими явлениями, в самооценке своих сил и способностей. Целью - формирование предметных знаний, умений, опыта в различных видах деятельности и самоопределение по отношению к осваиваемому физическому знанию. Содержание - соответствует логике научного процесса: факт -проблема - гипотеза - модель - эксперимент - результат. Инструментом исследовательской деятельности являются методы научного познания мира: наблюдение, опыт, эксперимент. Основной результат исследовательской деятельности - опыт в познании и осмысливании физических явлений и законов, в достижении определенных результатов в самоопределении и самореализации.

Общим алгоритмом решения экспериментальной задачи по физике является следующая последовательность действий:

1. Анализ физического явления, описанного в задаче: выделение физических объектов, о которых идет речь в задаче, определение качественных характеристик этих объектов, рассмотрение физических процессов, в которых они участвуют.

2. Выдвижение и обоснование гипотезы.

3. Определение цели эксперимента.

4. Построение теоретической модели эксперимента: расчет и проектирование экспериментальной установки, определение количественных связей и соотношений между различными физическими величинами, посредством физических законов; выполнение чертежа (схемы, рисунка) с обозначением всех данных и искомых величин.

5. Реализация эксперимента и экспериментальная проверка гипотезы, математическое (графическое) описание данных эксперимента.

6. Арифметический расчет физических величин и теоретическое обоснование экспериментальных данных.

7. Оценка физических величин и (или) физических явлений. Решение контекстной задачи требует добавления в этот алгоритм еще одного этапа.

8. Контекстная рефлексия процесса и результата решения задачи. Учащимися может быть предложена следующая система вопросов: Как связано исследованное явление с явлениями, наблюдаемыми в жизни и изучаемыми другими науками? Что значит для меня это явление? Знаю ли я, как решить проблему (способы и правила научного познания)? Умею ли я пользоваться ими? Зачем нужно знать это явление? Какова его значимость для различных областей жизнедеятельности человека? Как оно оценивается обществом? Существуют ли альтернативные мнения? Как оцениваю это явление я? Какую роль я сыграл в ситуации? Активно ли я отстаивал свою точку зрения? Убедил ли я в своей правоте оппонента? Какова моя роль в общих результатах? Достигнут ли мой первоначальный замысел?

Физическая контекстная экспериментальная задача задает цель, содержание, форму, приемы реализации и методы управления деятельностью, а в силу этого служит и способом оценивания результата деятельности. Проблема оценки уровня сформированности компетенций является довольно сложной и на современном этапе находится в стадии разработки, но ясно одно, что, рассматривая данное качество личности как способность мобилизовать предметные знания и умения и опыт их реализации в конкретных, изменившихся условиях, необходимо определить круг ситуаций, в которых учащийся способен продуктивно применить приобретенные знания и умения. В связи с тем, что в процессе решения контекстных экспериментальных задач естественным образом создается ситуация, в которой учащийся демонстрирует способность продуктивно применять предметные знания и умения в различных контекстах, мы предлагаем следующую диагностическую систему:

1. Оценка предметных знаний и умений учащихся, сформированных в процессе изучения школьного курса физики, при решении контекстных экспериментальных задач. При этом важно оценивать не только качество знаний и умений, но и качество самого процесса решения задачи.

2. Оценка сформированности мета предметных и ключевых компетенций учащихся в процессе наблюдения учителем за поведением учащихся в процессе решения задачи. Критерии оценки: проявление естественнонаучного любопытства и активного желания проводить физические исследования; проявление умений задавать вопросы, высказывать свое мнение, выдвигать гипотезы, объяснять, анализировать; умений организовывать деятельность группы, объективно оценивать результаты деятельности группы и свой вклад в них и др.

3. Самооценка учащимися сформированности мета-предметных и ключевых компетенций.

Таким образом, построение учебного процесса в школе на основе контекстного подхода к изучению физике находит отражение в социальной практике, а следовательно, проявляется через систему компетенций учащихся в понимании и оценке явлений окружающего мира. Для эффективности этого процесса следует выполнять ряд требований: обеспечивать содержательно-контекстное отражение природных, социально-культурных или производственно-технических процессов в деятельности учащихся при изучении физики; организовывать процесс изучения физики на основе экспериментального метода исследования явлений окружающего мира; использовать контекстные экспериментальные задачи по физике как средство формирования компетенций учащихся. Реализация данных требований дает возможность проектировать целостный учебный процесс по физике на основе решения контекстных экспериментальных задач, что в свою очередь позволяет повысить интерес к изучению предмета, мотивировать процесс познания сущности физических законов и явлений, их проявления в повседневной жизни, и как следствие этого -сформировать функциональную грамотность учащихся, то есть освоить систему компетенций.