Теоретико-методологические основы совершенствования естественно-научного образования

ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ

УДК 5

ББК 74.262

ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

А. В. Усова

Ключевые слова: естественно-научное образование, опережающее изучение,

обобщенные учебно-познавательные умения, преемственность в формировании понятий и умений.

Резюме: представлено научное обоснование, методика проведения и результаты многолетнего исследования. Признана логика перехода от исследования одной проблемы к другой.

Научное обоснование исследования

Необходимость проведения исследования по заявленной теме диктуется следующими факторами:

1. Достижение конкурентоспособности нашей страны на мировом рынке невозможно без дальнейшего совершенствования науки, создания наукоемких технологий. Для этого нужны высококвалифицированные инженерно-технические кадры, способные решать эти задачи. Подготовка инженерно-технических кадров зависит, в свою очередь, от уровня подготовленности абитуриентов, поступающих в технические вузы и технические факультеты университетов.

2. Дальнейшее развитие общества невозможно без решения экологических проблем, которые требуют коренного изменения всего естественно-научного образования, ориентации всех предметов естественного цикла на усиление внимания к вопросам экологического воспитания, ознакомление учащихся с научными основами современных чистых технологий.

3. Современные технологии опираются на комплексное использование естественных наук, что требует ознакомления с данной проблемой учащихся -будущих специалистов различных отраслей народного хозяйства.

4. Наличие существенного разрыва между содержанием предметов естественного цикла в основной и средней школе, с одной стороны, и уровнем раз-

вития соответствующих наук, основы которых изучаются в школе, с другой стороны, вызывает необходимость сократить этот разрыв. Особенно значителен этот разрыв между содержанием школьного курса биологии и уровнем развития современной биологической науки. В курсе биологии рассматриваются процессы, протекающие внутри живых организмов, без учета влияния на их жизнедеятельность и развитие внешних факторов (физических и химических процессов, протекающих в окружающей среде), что в современных условиях недопустимо.

5. Перестройка курса биологии неизбежно приводит к необходимости перестройки содержания и структуры курсов физики и химии, а также изменения их места в учебном плане. Биология должна опираться на знания по физике и химии. Физика является лидером в естествознании, ее фундаментальные понятия, законы и теории работают и в биологии, и в химии.

В историческом развитии естественных наук физика всегда служила базисом развития других естественных наук. И в современном естествознании открытие новых научных фактов опирается на тесную взаимосвязь всех естественных наук и широкое использование физических методов исследования (рентгеноструктурный и люминесцентный анализы, молекулярная спектроскопия и т. д.).

Академик М. В. Келдыш, говоря о развитии естественных наук, подчеркивал, что биология и химия не могут успешно развиваться без использования физических методов исследования и достижений науки физики. Прогрессивные ученые еще в XIX в. отмечали, что такого рода взаимосвязь должна быть отражена в изучении естественных наук в школе, подчеркивая, что их изучение должно начинаться с физики. Русский публицист XIX в. Д. И. Писарев писал: «...без физики нельзя взяться за химию, без физики и химии нет возможности приступить к физиологии животных и растений. Разумное, плодотворное изучение природы возможно только при соблюдении самой строгой последовательности». Такую же мысль высказывал французский философ Огюст Конт. Отсюда возникает необходимость в опережающем изучении физики и химии - так, чтобы физика готовила понятийную базу для изучения химии, а вместе с химией они должны готовить понятийно-теоретическую базу для изучения современного курса биологии.

В настоящее время изучение биологии в школе начинается до изучения физики, а изучение химии начинается в 8-м классе.

Современное содержание предметов естественного цикла не раскрывает перед учащимися взаимосвязь физических, химических и биологических форм движения материи, общность фундаментальных естественно-научных понятий, законов, теорий, методов исследований, не формирует единую естественно-научную картину мира. Это серьезный недостаток в содержании и структуре естественно-научного образования.

Повышение уровня естественно-научного образования современных школьников, приведение его в соответствие с требованиями современного об-

щества к естественно-научному образованию возможно при условии соответствующей перестройки содержания предметов естественного цикла в школе и пересмотра последовательности их изучения, опережающего изучения курсов физики и химии, обеспечивающего своевременное создание у учащихся понятийной базы, необходимой для успешного изучения современного курса биологии.

При этом должна раскрываться общность фундаментальных понятий, законов и теорий, методов исследования, диалектической взаимосвязи физических, химических и биологических явлений.

Все изложенное привело к необходимости разработки новой концепции естественно-научного образования в основной и общеобразовательной средней школе, принципиально отличающейся от концепции школьного естественнонаучного образования, разработанной ВНИК «Школа» в 1989 г. под руководством М. Н. Балашова, Г. Я. Мякишева и З. Б. Финкельштейна, а также от концепции, разработанной под руководством академика А. Г. Хрипковой, в основу которых положена идея интегративного курса «Естествознание» в 5-м классе и опережающего изучения биологии (начиная с 6-го класса). Наша концепция опирается на идею предметного, дифференцированного преподавании физики, химии, биологии и географии и опережающего обучения физике (начиная с 5-го класса).

Комплекс теоретико-методологических задач, решение которых необходимо в связи с реализацией концепции

Реализация разработанной нами концепции естественно-научного образования требует решения следующих задач:

1. Уточнения целей преподавания блока естественных наук и каждого предмета в отдельности, включая формирование единой естественно-научной картины мира и воспитание у учащихся экологической культуры и понимания социальной роли естественных наук.

2. Разработки стратегии естественно-научного образования в соответствии с Концепцией.

3. Приведения содержания предметов естественного цикла в соответствие с целями их преподавания.

4. Выявления общих понятий, законов и теорий для всего блока естественных дисциплин, определение этапов раскрытия их содержания, обеспечивающих непрерывность их развития и обогащения в сознании учащихся.

5. Обеспечения единства интерпретации общих понятий, законов и теорий, своеобразие оперирования ими в каждом из учебных предметов в соответствии со спецификой изучаемых структурных форм организации материи и форм движения.

6. Обеспечения преемственности в формировании и развитии фундаментальных естественно-научных понятий и общих учебно-познавательных умений.

7. Разработки методики формирования общих учебно-познавательных умений, обеспечивающей повышение уровня подготовки учащихся к самостоятельному приобретению знаний и уровня сформированности умения применять знания на практике.

8. Выявления возможностей и способов раскрытия взаимосвязи физических, химических и биологических явлений, влияния физико-химических процессов на развитие живых организмов.

9. Разработки критериев эффективности применяемых методов и форм обучения.

10. Разработки эффективных форм повышения квалификации учителей, участвующих в эксперименте.

Методологическая основа и методы исследования

Методологической основой исследования является идея единства строения материи, универсальности фундаментальных законов природы (закона сохранения массы, электрического заряда, энергии, законов термодинамики, симметрии и т. д.), взаимосвязи физических, химических и биологических явлений, идея все повышающейся роли естественных наук в современном мире, в научно-техническом прогрессе, в создании экологически чистых технологий.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:

1. Анализ качества усвоения учащимися фундаментальных естественнонаучных понятий, законов и теорий на основе анкетирования и тестирования учащихся.

2. Анализ действующих ныне образовательных стандартов, программ, учебников и учебных пособий по физике, химии и биологии.

3. Моделирование опережающего курса физики для 5-9-х классов.

4. Моделирование опережающего курса химии для 6-9-х классов.

5. Моделирование курса биологии в соответствии с предлагаемой Концепцией.

6. Педагогический эксперимент во всех его формах (констатирующий, зондирующий и обучающе-формирующий) по проверке эффективности предлагаемых содержания, структуры и методов изучения предметов естественного цикла в 5-9-х классах и интегративного курса «Естествознание» для 10-11-х классов общеобразовательной школы.

Научная новизна исследования

Научная новизна исследования заключается в разработке принципиально новой концепции школьного естественно-научного образования и в выявлении педагогических условий, необходимых для успешной ее реализации.

Практическая значимость, ожидаемые результаты исследования

1. Более полное раскрытие взаимосвязи и взаимообусловленности физических, химических и биологических явлений в природе.

2. Раскрытие общности фундаментальных естественно-научных понятий, законов и теорий, достижение более высокого уровня сформированности естественно-научной картины мира.

3. Повышение научного уровня и прочности знаний учащихся по предметам естественного цикла.

4. Более полное решение проблемы воспитания экологической культуры учащихся, формирования у них понимания значимости экологических проблем в современном обществе.

5. Повышение интереса учащихся к изучению предметов естественного цикла вследствие того, что полнее будут раскрываться значение полученных знаний в повседневной жизни и производственной практике, роль естественных наук в современном обществе.

6. Устранение дублирования в изучении одних и тех же вопросов в содержании различных дисциплин.

Условия эффективности реализации педагогических задач, связанных

с реализацией концепции

Эффективное решение перечисленных задач возможно при создании соответствующих условий. В качестве первостепенных мы выделяем следующие условия:

1. Повышение научно-теоретического уровня подготовки всего коллектива преподавателей, участвующих в эксперименте. Мы имеем, прежде всего, в виду:

а) углубление знаний, связанных с содержанием фундаментальных естественно-научных понятий, формирование и развитие которых происходит в процессе изучения всех предметов естественного цикла на протяжении 5 лет обучения в основной и средней школе. Это такие понятия, как материя, вещество, поле, структурные формы организации материи и соответствующие им формы движения, изучаемые физикой, химией, биологией;

б) углубление знаний о фундаментальных естественно-научных законах (законе сохранения массы, энергии, электрического заряда, законов термодинамики как частного случая законов сохранения и превращения энергии) и теориях (молекулярно-кинетическая теория, электронная теория строения вещества, теория строения атома и атомного ядра, электромагнитная теория, квантовая теория света, клеточная теория строения «живого вещества»);

в) углубление знаний о принципе симметрии в строении вещества;

г) углубление знаний о теории систем и реализации системного подхода к изучению всех естественных наук.

2. Повышение уровня профессионально-методической подготовки учителей - участников эксперимента в следующих направлениях:

а) психолого-дидактические основы формирования научных понятий;

б) методика формирования общих естественно-научных понятий в условиях осуществления межпредметных связей (МПС);

в) методика формирования общих учебно-познавательных умений (умение работать с книгой, с печатным текстом, умение наблюдать и самостоятельно ставить опыты, измерительные, графические, вычислительные умения, умение самостоятельно анализировать и систематизировать факты, делать обобщения);

г) умение организовать самостоятельную учебно-познавательную деятельность учащихся с учетом их индивидуальных особенностей;

д) умение организовать творческую работу учащихся, обеспечить воспитание у них потребности в самостоятельном углублении знаний и интереса к исследовательскому труду.

Формы работы по повышению научно-теоретического

и профессионально-методического уровня подготовки учителей

Для повышения научно-теоретического уровня учителей и их профессионально-методической подготовки использовались следующие формы работы:

а) лекции ученых-физиков, химиков, биологов по актуальным для реализации концепции вопросам;

б) лекции ученых-методистов, докторов педагогических наук;

в) семинары учителей, стимулирующие деятельность по повышению уровня научно-теоретической и методической подготовки, с одной стороны, и обмен опытом работы по реализации новых педагогических технологий и идей, с другой стороны;

г) индивидуальные консультации учителей по вопросам, связанным с реализацией разрабатываемой Концепции;

д) проведение консультаций-совещаний с ведущими методистами -участниками эксперимента.

Критерии эффективности реализации разработанной концепции

Для оценки эффективности применения рекомендуемых методов и форм обучения и реализации всей предлагаемой методической системы осуществлялось проведение контрольных срезов (согласно ежегодно составляемому графику мероприятий) по проверке:

а) качества усвоения фундаментальных естественно-научных понятий;

б) качества усвоения фундаментальных естественно-научных законов и теорий;

в) уровня сформированности общих учебно-познавательных умений: самостоятельной работы с книгой, измерительных, графических, проведения наблюдений, самостоятельного выполнения опытов, решения задач, требую-

щих комплексного применения знаний по физике, химии и биологии, самостоятельно анализировать и систематизировать факты, самостоятельно делать обобщения;

г) уровня сформированности интеллектуальных умений (с помощью теста ШТУР, разработанного учеными Института педагогической психологии РАО под руководством профессора Гуревича (с применением разработанной нами методики анализа тестов).

Этапы исследования

Исследование осуществлялось в течение более 10 лет, начиная с 1992/93 уч. г. В нем можно выделить несколько этапов, на каждом из которых решались свои задачи.

1-й этап (1992/93 уч. г.) осуществлялся в школе № 102 Челябинска до разработки нашей концепции естественно-научного образования. В его задачи входила разработка методики осуществления межпредметных связей физики с химией и биологией. Был выделен состав общих естественно-научных понятий и общих учебно-познавательных умений. Начата разработка методики формирования общих и учебно-познавательных умений.

2 этап (1994/95 уч. г.) начался с разработки нашей концепции естественно-научного образования, в соответствии с которой было введено опережающее изучение физики в 5-х классах на основе разработанной нами программы. Тогда же была разработана методика формирования обобщенных умений на основе теории деятельности и начат эксперимент по формированию обобщенных умений в школах № 80 и 102 Челябинска. Профессором М. Д. Даммер был разработан и опубликован пробный вариант учебного пособия по физике для 5-го класса. Начата разработка программ по физике, химии и биологии для 6-го класса с учетом требований концепции. Доцентом кафедры биологии ЧГПУ С. М. Похлебаевым проведено экспериментальное преподавание биологии, построенное на новой методологической основе.

3 этап (1996-2000) связан с обсуждением разработанной нами концепции на заседании Бюро отделения общего среднего образования РАО, состоявшегося 22 февраля 1996 г. Бюро отметило важность проводимых нами исследований и в рамках концепции естественно-научного образования, основанной на опережающем обучении физике, рекомендовало поддержать проводимые нашим коллективом исследования и просить главное управление образования Челябинской области оказать материальную поддержку коллективу исследователей.

Это позволило нам начать эксперимент по опережающему изучению физики, подключив к нему школу № 4 Аша Челябинской области. В процессе этого эксперимента большое внимание было уделено формированию общих учебно-познавательных умений (работы с учебником, самостоятельного выполнения наблюдений и опытов, графических умений) на основе применения обобщенных планов изучения явлений, законов, выполнения опытов. Большая работа

была проведена по формированию у учащихся основных мыслительных операций (сравнения, анализа, синтеза, абстрагирования и обобщения).

Осуществлялась также проверка влияния разработанной методической системы на качество усвоения естественно-научных понятий и уровень сфор-мированности познавательных умений, на развитие интеллектуальных способностей учащихся.

В 1998 г. к эксперименту активно подключилась еще одна школа (школа № 10 г. Сатка Челябинской области). К этому времени был разработан и опубликован пробный учебник физики для 6-го класса (М. Д. Даммер). В процессе исследования проводилась большая работа с учителями школ не только по вопросам методики осуществления межпредметных связей предметов естественно-научного цикла, но и по другим вопросам: по теории формирования научных понятий, по темам: «Пути повышения прочности знаний учащихся», «Пси-холого-дидактические основы развития мышления учащихся» и др.

Изучение интеллектуального развития учащихся осуществлялось на основе «Школьного теста умственного развития» (ШТУР). Результаты тестирования отчетливо показали более быстрое развитие умственных способностей учащихся экспериментальных классов по сравнению с учащимися контрольных классов. Всем экспериментальным школам по итогам 1998/99 уч. г. был присвоен статус «Школы года» с вручением соответствующих дипломов.

Однако в 1999-2000 гг. пришлось прекратить эксперимент в названых школах в связи с переводом на другую работу директоров школ. Директор школы № 80 защитила кандидатскую диссертацию и перешла на работу в пе-дуниверситет, директор школы № 102 тоже защитила кандидатскую диссертацию и была переведена на должность первого заместителя начальника Главного управления образования и науки Челябинской области. Директор школы № 4 г. Аша была приглашена на работу в Башкирский пединститут, а директор школы № 10 г. Сатка после тяжелой операции ушла на пенсию. К руководству школами пришли не знакомые с нашей концепцией педагоги из других учебных заведений и не проявившие желания принимать участие в эксперименте. В этом же году решила принять участие в эксперименте школа № 124 Челябинска. После годичной работы в школе, после того как мы убедились в том, что коллектив школы проявляет к нему интерес и полностью разделяет нашу концепцию, мы обратились в президиум РАО с просьбой о присвоении школе статуса экспериментальной площадки РАО.

21 декабря 2001 г. на заседании Президиума РАО школа № 124 была утверждена в качестве экспериментальной площадки РАО сроком с 2001 по 2007 г.

4 этап (1999-2004) нашего исследования связан с продолжением экспериментальной работы в школах № 124, № 99 Челябинска. 21 марта 2002 г. решением Главного управления образования и науки Челябинской области школе № 99 Челябинска был присвоен статус областной экспериментальной площадки. Мы приступили к экспериментальной работе в этих школах уже с сложив-

шейся методикой исследования, с разработанными программами и методическими рекомендациями для учителей по всем предметам естественного цикла. Но поскольку это был новой коллектив, возникла необходимость ознакомления учителей с задачами эксперимента, с методикой осуществления межпредметных связей. Одновременно велась большая работа с педагогическими коллективами этих школ по повышению их профессионально-педагогической квалификации, ознакомлению с «Концепцией модернизации Российского образования до 2010 г.», с проектом базисного учебного плана, с документами по проблеме профильного обучения и др.

Новым элементом на этом этапе исследования явилось усиление внимания вопросам методики формирования фундаментальных естественно-научных понятий, осуществлению преемственности в их формировании и развитии, обеспечению единства их интерпретации.

Мы приступили к разработке новых форм учебных занятий, целью которых является раскрытие взаимосвязей химических, физических и биологических явлений, общности фундаментальных законов природы и научных теорий, общности применяемых методов исследования. Нами было разработано и апробировано четыре интегративных семинара: Вода - самое необыкновенное вещество на Земле; Электрические явления в природе и технике; Формы организации материи и виды движения; Диффузия в природе и технике.

Задача первого семинара заключалась в том, чтобы обобщить знания о физических и химических свойствах воды, раскрыть ее роль в природе и убедить учеников в том, насколько важно беречь чистоту воды (эта проблема экологического воспитания учащихся).

Задача второго семинара - показать, что электрические явления присущи всем живым организмам, а не только физическим телам. В современном курсе биологии ни слова не говорится о том, что все живые организмы насыщены ионами, вследствие этого они легко подвергаются воздействию внешнего электромагнитного поля (магнитные бури, например), что от состояния органов человека зависит электропроводимость тканей. Это положено в основу электрических методов диагностики (например, электрокардиограммы, энцефалограммы). На этом основаны электрические методы лечения. В проекте стандарта химического образования ни слова о роли электрических явлений в химии, из программы по химии исчез закон сохранения электрического заряда, без чего невозможно написание формул химических реакций.

Задача третьего семинара - расширить знания учащихся о веществе, его структурных формах и видах движения, присущих каждой структурной форме вещества, показать, что простейшие формы движения входят в состав более сложных.

Четвертый семинар посвящен диффузии. Необходимость его обусловлена тем, что знания нынешних школьников о диффузии ограничиваются наблюдением этого явления на уроках физики. Между тем, диффузия играет чрезвычайно важную роль в природе и широко используется в технике

(например, цементация стальных деталей для повышения их твердости и жаростойкости), в пищевой промышленности (получение сахара из сахарной свеклы), в консервировании овощей, в изготовлении компотов и варений. Диффузия - это универсальное явление. На нем основан омос (питание растений). Процессы диффузии происходят во всех тканях человека, в каждой клетке живого организма. Проведенный семинар показал, что детям все это интересно. Целью этого семинара является также повышение экологической культуры учащихся.

Проведение интегративных семинаров дополняется проведением лабораторных работ и решением задач, требующих от учащихся комплексного применения знаний по физике, химии и биологии.

В настоящее время работа по созданию новых форм учебных занятий продолжается. Необходимость ее обусловлена тем, что современные технологические процессы базируются на комплексном применении достижений различных наук, прежде всего, математики, физики, химии и биологии. Знание взаимосвязи физических, химических и биологических явлений играет важную роль в создании экологически чистых технологий. Учащиеся должны это знать и учиться на практике решать задачи, требующие комплексного применения знаний.

Результаты исследования за период с 1992/93 по 2003/04 уч. гг.

1. За годы проведенных исследований разработана новая концепция естественно-научного образования, основанная на опережающем изучении физики (начиная с 5-го класса) и химии (начиная с 6-го класса), одобренная Отделением общего среднего образования РАО (1996 г.) и президиумом РАО (2001 г.).

2. Разработана стратегия развития естественно-научного образования в соответствии с нашей концепцией.

3. Разработана методика осуществления межпредметных связей физики, химии и биологии в основной школе, их содержательная и деятельностная основа. Определены общие для физики, химии и биологии естественно-научные понятия, законы и теории, а также общие учебно-познавательные умения.

4. Разработаны программы по химии, физике и биологии, удовлетворяющие требованиям предлозженной нами концепции, предусматривающие непрерывность и преемственность в формировании общих естественно-научных понятий и учебно-познавательных умений.

5. Разработаны рекомендации для учителей по вопросам методики реализации этих программ и обеспечения единства интерпретации содержания общих понятий, законов и теорий.

6. Выявлены возможности и способы раскрытия взаимосвязи физических, химических и биологических явлений, влияния физико-химических процессов на развитие живых организмов.

7. Разработан единый подход к формированию общих для предметов естественно-научного цикла учебно-познавательных умений на основе теории деятельности и принципа преемственности.

8. Разработаны, апробированы и опубликованы новые формы организации учебных занятий по физике, химии и биологии - интегративные конференции и семинары, целью которых является систематизация и обобщение знаний.

9. Разработаны лабораторные занятия, задачи и экспериментальные задания, требующие от учащихся комплексного применения знаний по физики, химии и биологии.

10. Разработаны критерии эффективности реализации предложенной нами системы, выявлено ее положительное влияние на качество знаний по предметам естественного цикла, на уровень сформированности общих учебнопознавательных умений, на развитие интеллектуальных способностей учащихся.

11. Разработаны учебные пособия и дидактические материалы нового типа по физике для 5-го, 6-го и 7-го классов, включающие большое количество заданий, ориентированных на развитие творческих способностей.

У учащихся экспериментальных классов эксперимент продолжается.

УДК 378.146 ББК 74.580.28

КВАЛИТАТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ ДИДАКТИЧЕСКИХ ТЕСТОВ

Ю. А. Шихов

Ключевые слова: тестирование, педагогические тестовые материалы, уровень обученности, таксономия, матрицы обученности, классификация знаний.

Резюме: В статье предлагается квалитативная технология конструирования дидактических тестов согласно целям педагогического контроля, учета требований ГОСов и профессиональной подготовке.

Для диагностики качества образования обучающихся в последнее время все чаще используется дидактическое тестирование. Это обусловлено тем, что дидактические тесты позволяют с наименьшей затратой времени и, главное, объективно оценить качество подготовки учащихся по тому или иному предмету, а также оценить соответствие уровня этой подготовки требованиям государственного образовательного стандарта (ГОС). Однако многие существующие на сегодняшний день тесты недостаточно научно обоснованы и апробированы, а отсутствие единых требований к их качеству не позволяет учителям и преподавателям, использующим тесты в педагогической практике, оценивать и сравнивать предъявляемые им тестовые материалы с единой точки зрения.