Модель педагогической системы обучения электродинамике в школе

МОДЕЛЬ ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОБУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ В ШКОЛЕ Ю.Б. Альтшулер, кандидат педагогических наук, доцент, докторант Шуйского государственного педагогического университета,

А.А. Червова, доктор педагогических наук, профессор Шуйского государственного педагогического университета

Модель педагогической системы обучения электродинамике, которая следует в русле современных тенденций обновления школьного физического образования в школе, должна обеспечивать наиболее важные цели общего образования, направленные на развитие интеллектуальных способностей и компетентностных качеств школьников. Предлагаемая модель педагогической системы обучения электродинамике в школе разработана с учетом авторской концепции обновления школьного физического образования на основе синтеза методологических и прикладных знаний. Для достижения поставленных целей обучения - интеллектуального и компетентностного развития учащихся модель включает следующие принципы и базовые элементы:

1) принцип цикличности в обучении, в этом принципе определяется место методов познания и приложений физики для формирования методологических и прикладных знаний;

2) принцип двухъядерной структуры раздела «Электродинамика», одним ядром является теория электромагнитного поля Максвелла, с включением математической модели - уравнений Максвелла, другим ядром - классическая электронная теория Лоренца-Друде; каждое ядро обеспечивает выполнение принципа генерализации; содержательные блоки «методология-приложения» составляют архитектуру предлагаемой структуры;

3) учебная программа по разделу «Электродинамика», разработанная на основании указанных выше принципов;

4) методика и концепт-содержание обучения электродинамике в школе;

5) система демонстрационных и исследовательских экспериментов для поддержки формирования методологических и прикладных знаний;

6) система контрольных заданий, предметных и психологических тестов для проверки сформированности методологических и прикладных знаний, для оценки динамики развития интеллекта и компетентностных качеств школьников в процессе обучения на основе авторской модели педагогической системы обучения;

7) комплект учебных и методических пособий для студентов педагогических вузов - будущих учителей физики, обеспечивающий подготовку для преподавания физики в школе на основе авторской концепции.

Рассмотрим подробно основные положения предлагаемой модели.

1. Методика обучения основам электродинамики в школьном курсе физики опирается на классическую схему принципа цикличности: факты - гипотеза - следствие - эксперимент. Совершенствование методики обучения в развитие этого принципа предполагает включение изучения методов познания на 2-й фазе. Таким образом, включаются вопросы методологии физики в образовательный процесс. Приложения на завершающем этапе соответствуют четвертой фазе классической схемы. Эксперимент (в этапах цикла познания) понимается не только как экспериментальная проверка следствий, но и как применение теоретических знаний в практике. Таким образом, прикладные вопросы, рассмотрение применений физических законов в практике завершает цикл познания [6, с. 15, 16].

2. Структура раздела «Электродинамика», которая опирается на две теории - два ядра классической электродинамики -теорию электромагнитного поля Максвелла и классическую электронную теорию, достаточно консервативна. Мы в нее не включаем вопросы, связанные с изучением и распространением световых волн. Нам представляется, что ряд свойств, а главное, источники световых волн существенным образом отличаются от излучателей в виде электрических вибраторов, а свет обладает двойственностью свойств (корпускулярно-волновым дуализмом). С другой стороны, мы считаем необходимым рассматривать в разделе «Электродинамика» оптические аналогии: свойства отражения, преломления электромагнитных волн на основе представлений геометрической оптики, поляризацию электромагнитных волн, а также интерференцию и дифракцию электромагнитных волн. Структура раздела образована на функциональном уровне двумя ядрами - базовыми теориями, вокруг которых и осуществляется генерализации всего материала школьной электродинамики: классическая электродинамика с упрощенной математической записью и анализом уравнений Максвелла, классическая электронная теория, сопровождаемая математической моделью и ее анализом.

В целом структура раздела может быть представлена в соответствии с приведенной на рис. 1. схемой в виде 6 модулей «методология-приложения».

3. Авторская учебная программа для 10-11 классов «Методологические и прикладные вопросы физики» [2] опирается на принцип цикличности, дополненный положениями, основанными на синтезе методологических и прикладных знаний. Принцип генерализации при этом поддерживает двухъядерную структуру раздела «Электродинамика», а также модульную архитектуру школьного курса «методология-приложения». Программа использует комплект учебников Г.Я. Мякишева, Б.Б. Буховцева для 10-11 классов.

4. Краеугольным камнем методики обучения является освоение методологического базиса: понятий, методов, моделей, принципов и т.д., а также таких приложений, которые раскрывают суть этого базиса.

Модель методики обучения электродинамике на основе синтеза методологических и прикладных знаний позволяет значительно сократить разрыв между школьной дисциплиной и наукой. Особенно если при организации учебного процесса применяются такие подходы в обучении, которые предполагают активизацию умственной деятельности учащихся. Необходимо отметить, что «...умственная деятельность везде является той же самой, на переднем ли фронте науки или в третьем классе школы. Различие здесь в степени, а не в роде. Школьник, изучающий физику, является физиком, и для него легче изучать науку, действуя подобно ученому-физику, чем делать что-либо еще» /получать знания в готовом виде - курсив мой/ [5, с. 17].

Решающим фактором обучения и интеллектуального развития ученика является его опыт познавательной деятельности в сфере изучаемого материала. С.Е. Каменецкий подчеркивает, что «решение задач развивающего обучения при изучении электродинамики направлено. в итоге - на развитие интеллекта» [6, с. 141]. Поэтому учебный процесс должен быть организован так, чтобы изучаемые основы физики и методы науки были одновременно и объектом, и средством учебного познания. Этот принцип и реализуется в разработанном нами концепт-содержании раздела «Электродинамика».

Концепт-содержание не является ни учебником, ни его частью, оно представляет собой полное содержание раздела «Электродинамика» для старших классов средней школы, разработанное на основе авторской концепции обновления

Рис. 1. Структура раздела «Электродинамика»

школьного физического образования, реализующей идею синтеза методологических и прикладных знаний учащихся. Концепт-содержание предлагает к рассмотрению достаточно широкий материал школьной электродинамики, далеко выходящий за содержание большинства распространенных учебников для школьников, некоторый материал по рассмотренным вопросам может показаться на первый взгляд избыточным для базового уровня изучения. Вопрос отбора необходимого содержания, предназначенного для того или иного уровня обучения, решается в педагогической практике непосредственно учителем. Существует большое количество учебных и методических пособий, которые построены по принципу учебно-методических указаний или моделей уроков. Однако в таких пособиях отсутствует часто основное и всегда полное содержание физического материала. Чаще всего в этих пособиях обозначается, как надо учить, а не чему. Поэтому учитель вынужден использовать имеющиеся у него сведения из общей физики и некоторых разделов теоретической физики для адаптации их в школьном курсе. Необходимо отметить, что такая адаптация трудоемка, требует хорошей научно-физической подготовки учителя, требует изучения дополнительно большого объема материала, но, в конечном счете, не всегда корректна и пригодна для использования в школьном курсе. Более того, такая самодеятельность учителя иногда вредна с точки зрения получения высоких конечных результатов обучения учащихся. В этом смысле представленное нами в исследовании концепт-содержание обладает практической направленностью, обеспечивает исходный материал для обучения учащихся.

5. Система демонстрационных и исследовательских экспериментов обеспечивает поддержку формирования методологических и прикладных знаний и их синтез. С помощью этих экспериментов у учащихся формируются представления об общенаучных и специфических методах исследований в физике. В частности, представления о таких методах, как сравнение, аналогия, абстрагирование, симметрия-асимметрия, моделирование. Основные прикладные вопросы электродинамики также могут быть раскрыты средствами демонстрационного эксперимента на основе моделирования реальных процессов и объектов.

Учебный исследовательский эксперимент в отличие от большинства демонстрационных экспериментов, сопровождающих курс физики средней школы, выступает как один из наиболее эффективных методов познания, оказывая тем самым влияние на формирование методологических и прикладных знаний учащихся. Такие исследовательские эксперименты могут сопровождать преподавание прикладных вопросов электродинамики в 11-м классе частично для фронтальных демонст-

раций, а в основном при проведении физического практикума и исследований в научном обществе учащихся.

При подготовке школьного исследовательского эксперимента по физике учащиеся постигают суть и применение целого ряда методов физической науки. Проведению эксперимента должно предшествовать формирование физической модели изучаемого объекта или процесса. Оно сопровождается выделением существенных и несущественных факторов, позволяющих на основе абстрагирования и идеализации строить математическую модель. Качественный анализ математических соотношений, прямые или параметрические расчеты дают возможность делать выводы об ожидаемых результатах эксперимента. Следующим этапом постановки исследовательского эксперимента является моделирование хода эксперимента, при котором определяются как факторы, влияющие на ведение эксперимента, так и измерительные приборы, учитывающие допустимые погрешности эксперимента. При проведении эксперимента учащиеся учатся выделять наиболее ценную информацию. На заключительном этапе - обработки результатов - учащиеся знакомятся с такими общенаучными методами исследования, как сравнение, анализ, обобщение.

Особое значение исследовательские эксперименты приобретают для формирования методологических знаний учащихся, так как в них учащиеся постигают такие методы познания, как аналогия, физическое и математическое моделирование, метод модельных гипотез. Оптические аналогии, позволяющие на основе законов геометрической оптики определять распределение поля вблизи антенны, кирхгофовская модель антенны, в которой предполагается, что неизвестное распределение источников можно заменить некоторым простым приближенным распределением поля в раскрыве антенны и нет необходимости учитывать истинные граничные условия, математическая модель, устанавливающая связь поля в раскрыве антенны и в дальней зоне через преобразования Фурье, метод модельных гипотез, позволяющий делать априорные предположения о зависимости параметров излучения антенны от распределения фазы поля в раскрыве антенны, - далеко не полный перечень методов исследований, позволяющих в процессе эксперимента формировать методологические знания учащихся.

К числу наиболее интересных экспериментов, разработанных нами, можно отнести эксперименты по исследованию рупорных (в том числе металлопластинчатых линз) и зеркальных антенн, по исследованию влияния подстилающей поверхности и зонных кольцевых экранов на распространение электромагнитных волн [1], которые входят в дидактический блок «методология-приложения» электродинамики.

6. Система контрольных заданий, предметных и психологических тестов для оценки хода и результатов обучения школьников на основе авторской модели педагогической системы обучения включает:

- комплект тестов для контроля знаний по электродинамике и сформированное™ методологических и прикладных знаний, в том числе авторских, доработанных, из заданий ЕГЭ;

- комплект тестов по оценке состояния и динамики развития общих способностей учащихся, в том числе основанных на измерении (по Г. Айзенку), а также структуры интеллекта (по Р. Амтхауэру);

- комплект обучающих тестов (авторский) для формирования и оценки развития компетентностных качеств школьников.

7. Комплект учебных и методических пособий по курсу «Теория и методике обучения физике» для студентов педагогических вузов включает:

- учебное пособие «Научные основы обучения электродинамике в школьном курсе физики» [3], в котором представлена концепция изучения школьной электродинамики, основанная на приложениях и методологии науки, приведен научно-методический анализ раздела. В учебном пособии также приведены основания и реализация математической формулировки уравнений Максвелла и их анализ;

- учебное пособие «Прикладные вопросы электродинамики в школьном курсе физики» [4], в котором детально представлены основные традиционные и актуальные приложения электродинамики в школьном курсе физики. В учебном пособии сделан акцент на вопросы применения в современных средствах коммуникаций, компьютерной технике, а также на вопросы излучения и излучателей электромагнитных волн;

- методические рекомендации «Экспериментальные основы школьного курса физики: лабораторный практикум по теме «Электрическое и магнитное поле» [8] и «Экспериментальные основы школьного курса физики: лабораторный практикум по теме «Электрический ток в средах» [7]. В методических рекомендациях к лабораторному практикуму по демонстрационному эксперименту, кроме перечня оборудования и описания эксперимента, которые содержатся в большинстве учебных пособий, приведены цели обучения, достигаемые посредством данного демонстрационного эксперимента, и, что очень важно для подготовки студентов, методика раскрытия содержания темы на основе эксперимента. В рекомендациях подробно описаны действия студента для получения желаемого эффекта от применения демонстрационного эксперимента с целью формирования методологических и прикладных знаний школьников.

Таким образом, разработанная модель педагогической системы включает комплекс для обновления школьного физического образования на основе синтеза методологических и прикладных знаний как для школы, так и для вуза.

Литература

1. Альтшулер Ю.Б. Демонстрационный эксперимент по излучению и распространению электромагнитных волн. // Физическое образование в вузах. - 2007. - Т. 13, № 1.

2. Альтшулер Ю.Б. Методологические и прикладные вопросы физики: Программно-методические материалы. -Н. Новгород: Изд-во «Вектор ТиС», 1999.

3. Альтшулер Ю. Б. Научные основы обучения электродинамике в школьном курсе физики: учеб пособие для студ. пед. вузов / - Н. Новгород: изд. Гладкова О. В., 2004.

4. Альтшулер Ю.Б. Прикладные вопросы электродинамики в школьном курсе физики: учеб. пособие для студ. пед. вузов./ Ю.Б. Альтшулер, А. А. Червова - Н. Новгород: ВГИПУ, 2006.

5. Брунер Дж. Процесс обучения. - М.: Прогресс, 1962.

6. Теория и методика обучения физике в школе: Общие вопросы: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / С.Е. Каменецкий и др. Под ред. С.Е. Каменецкого, Н.С. Пурышевой. - М.: Издательский центр «Академия», 2000.

7. Экспериментальные основы школьного курса физики: лабораторный практикум по теме «Электрический ток в средах»: Методические рекомендации для студентов. / Автор - составитель Ю.Б. Альтшулер - Н. Новгород: НГПУ, 2005.

8. Экспериментальные основы школьного курса физики: лабораторный практикум по теме «Электрическое и магнитное поле»: Методические рекомендации для студентов. / Автор - составитель Ю.Б. Альтшулер - Н. Новгород: НГПУ, 2005.