Конструирование функционально валидных средств обучения физике: структура компетенции

ПЕДАГОГИКА И МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ

Вестн. Ом. ун-та. 2011. № 4. С. 299-304.

УДК 372.853:378

М.П. Ланкина, Н.Г. Сазанова

КОНСТРУИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО ВАЛИДНЫХ СРЕДСТВ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ: СТРУКТУРА КОМПЕТЕНЦИИ

Излагаются принципы, основания и способы конструирования функционально валидных средств обучения физике - задач, предназначенных для формирования и выявления когнитивных ключевых компетенций: уровня сформированности логических и эвристических приемов мышления у учащихся физико-математических школ и студентов вузов. Приводится карта компетенции «способность конструировать задачи по физике», которая может использоваться для разработки методик обучения студентов и слушателей факультетов повышения квалификации составлению учебных физических задач.

Ключевые слова: подходы к конструированию задач, принципы и способы конструирования задач, функциональная валидность, компетенция.

Анализ моделей деятельности различных специалистов - выпускников образовательных учреждений высшего профессионального образования - позволил выделить «общее поле» - инвариант - в их ключевых компетенциях. Большинство видов профессиональной деятельности имеет задачную структуру. В современных условиях специалисты должны уметь не только решать «готовые», уже сформулированные кем-то производственные задачи, но и самостоятельно «усматривать», формулировать задачи в своей профессиональной области. Ядро этих умений составляют когнитивные ключевые компетенции - это способности к самостоятельному мышлению и учению, анализу, синтезу, творческие способности, способности к переносу знаний и умений из одного вида профессиональной деятельности в другой, способности к решению проблем, оцениванию, критическое мышление. Когнитивные ключевые компетенции представляют собой инвариант, характерный для любого специалиста. В этом инварианте выделяются два основных компонента, которые поддаются управляемому формированию - владение логическими и эвристическими приемами.

Иногда потребность в составлении преподавателем задач диктуется непосредственно педагогической практикой. Это происходит, например, когда учитель (преподаватель) хочет отработать метод решения задач по теме, которой в программе не уделяется большое внимание, или когда необходимо достаточно большое число однотипных задач, когда требуются очень простые или очень сложные задачи.

Таким образом, возникает «двуцентровая» проблема: 1) как конструировать задачи - средства формирования и диагностики логических и эвристических приемов мышления; 2) как обучать учащихся конструированию задач? Рассмотрим конструирование задач на материале физики.

Процесс конструирования задач

Во многих психолого-педагогических исследованиях установлено, что самостоятельное составление учащимися физических задач даже

© М.П. Ланкина, Н.Г. Сазанова, 2011

в большей мере, чем решение задач, способствует осознанию ими сущности, структуры и особенностей физических задач, механизмов их решения. Составление учащимися физических задач способствует формированию у них знаний и умений не только в решении задач, но и в осуществлении ими многих других учебных функций - более глубокому усвоению содержания обучения, частичному усвоению методов научных исследований.

В результате анализа психологопедагогической литературы и собственного опыта преподавания физики в университете и физико-математической школе, а также собственных педагогических исследований нам удалось понять, что процесс конструирования задач является многомерным, и выделить, по крайней мере, три «измерения» в этом процессе.

Первым «измерением» (или основанием деления) может служить цель конструирования задач. По этому основанию различаются три подхода к конструированию учебных физических задач: содержательный, деятельностный и системный.

Вторым «измерением» может служить способ конструирования задачи. В психо-лого-педагогических и методических работах можно найти ряд приемов конструирования задач. Этот «арсенал» в дальнейшем может быть расширен.

В качестве третьего «измерения» можно задать сложность задачи (число объектов, процессов, связей между элементами различного рода), которая может варьироваться.

Подходы к конструированию

задач, различаемые по цели

Содержательный подход к конструированию задач предполагает образовательную цель: усвоение учащимися какого-либо содержания, приобретение нового знания. В роли содержания, подлежащего усвоению, могут выступать научные факты, понятия, законы, принципы, модели, методы, теории и т. д. Очевидно, что в этом случае содержание, подлежащее усвоению, должно входить в составляемую задачу.

Деятельностный подход предполагает процессуальную цель: усвоение учащимися различных видов деятельности - учебной и исследовательской; отдельных действий, приемов, операций, в частности, мыслительных - логических и эвристических; обобщенной деятельности по решению задач. Специальным предметом ус-

воения может стать деятельность по составлению задач.

Системный подход предполагает усвоение общей структуры задачи как системы, выявление требований, предъявляемых к связям и отношениям между отдельными элементами задачи как системного объекта.

Наибольший интерес представляют деятельностный и системный подходы.

С точки зрения деятельностного подхода конструируются образующие и выявляющие задачи (Я.А. Пономарев [1]).

Любое диагностическое средство должно удовлетворять ряду стандартных требований - быть надежным, обладать валидностью различных видов, обладать дифференцирующей способностью и др. При формулировке принципов разработки диагностических средств не удается установить отношения изоморфизма вида: один принцип - одна характеристика диагностического инструмента. Между ними возможно лишь отношение вида: система принципов - система характеристик [2; 3].

В экспериментально-психологических исследованиях мышления при решении творческих задач выявлена иерархия уровней движения мысли: личностный, рефлексивный, предметный и операциональный уровни [4], т. е. познавательная деятельность по природе системна. Поэтому первым принципом, отражающим подход к разработке средств диагностики логического мышления, должен быть принцип системности.

В естественно-математических науках в силу меньшей зависимости объекта от субъекта познания, чем в гуманитарных науках, происходит смещение продуктивной познавательной деятельности на рефлексивный, предметный, операциональный уровни. Личностный уровень представлен опосредованно - преимущественно через примыкающий к нему рефлексивный уровень. В учебном познании это смещение выражено ярче, чем в научном: исследователю приходится принимать больше самостоятельных решений (о выборе объекта и предмета исследования, при оценке достаточности оснований, при верификации выдвинутых гипотез и т. д.).

Анализ существующих психологических тестов показал, что диагностируются преимущественно интегральные характеристики интеллекта - дивергентное и конвергентное продуцирование (J.P. Guilford),

структура которых в психологических исследованиях не представлена.

Любой мыслительный прием (в частности, логический) всегда применяется к какому-либо предметному материалу, поэтому он содержит как собственно логическую (в составно-структурном и функциональном аспектах), так и специфическую (предметную) части. Специфическая часть может быть представлена в различных знаковых системах - вербально, числами или формулой, графически. Если у учащегося сформирована логическая часть приема, то прием обладает свойством широкого переноса, т.е. учащийся выполняет диагностическое задание независимо от содержания и формы представления специфической части. Как показывают констатирующий и проверочный этапы нашего эксперимента, собственно логическая часть приема формируется позже специфической (даже при управляемом процессе формирования приема, а тем более при стихийном, когда она может и совсем не сформироваться). Так что тот случай, когда у учащегося сформирована логическая часть приема, но не сформирована специфическая, маловероятен.

Предметом диагностики и должна являться собственно логическая часть каждого из формируемых мыслительных приемов.

Поэтому возникла проблема отделения собственно логической части приема от специфической в ходе диагностики различными средствами. При решении этой проблемы формулируется ряд задач:

а) разработка различных средств диагностики - тестов, выявляющих заданий, -позволяющих добиться поставленной цели;

б) выяснение степени влияния специфической части приема на выполнение задания, т. е. влияния осведомленности по предмету; в) выявление диагностических возможностей различных форм внеклассной (внеаудиторной) работы с учащимися - олимпиад, занятий по спецкурсам.

Решить эти задачи можно, если руководствоваться еще двумя принципами -множественности представления информации (содержательной и знаковой) и микроструктурного анализа логических приемов.

О необходимости построения микроструктуры деятельности - выделения функциональных блоков - говорят результаты психологических исследований деятельности по решению различных задач

[5]. При формировании у учащихся логических приемов мышления структура приема может выступать в качестве ориентировочной основы действия третьего типа (по П.Я. Гальперину [6]). Выявляющее задание, требующее от учащихся деятельности, микроструктура которой известна, априорно является функционально валидным.

При выполнении всех заданий учащимся предлагается подробно пояснять ход своих рассуждений, т. е. диагностика проводится не только на операциональном (логическая часть приема) и предметном (специфическая часть приема), но и рефлексивном уровне познавательной деятельности. Надежность и валидность диагностических средств обеспечиваются следованием принципам системности, множественности представления информации и микроструктурного анализа логических приемов. В частности, содержательная и функциональная валидность связана с предметным и операциональным уровнями деятельности по решению задач.

Учебные задания по составлению задач могут использоваться на различных этапах формирования у учащихся умения решать учебные физические задачи и должны представлять собой целостную систему.

Процесс конструирования задачи как системного объекта наименее исследован, поэтому остановимся на нем подробнее. Рассмотрим некоторые ключевые понятия системного анализа.

В философии «связь» определяется как зависимость одного явления от другого в каком-либо отношении. К основным видам связей относятся: пространственные, временные, генетические, причинно-следственные, функциональные, существенные и несущественные, необходимые и случайные, закономерные, непосредственные и опосредованные, внутренние и внешние, динамические и статические, прямые и обратные и др. Существенные связи иногда называют системообразующими. Среди отношений выделяют отношения равенства и неравенства, субординации и координации, целого и части и т. д.

В психологической и методической литературе задача включает задачную (предмет, условие и требование задачи) и решающую (методы, способы и средства решения задачи) подсистемы (например, [7]). Даже если не касаться решающей подсистемы задачи и обсуждать только

конструирование заданной подсистемы, возникает ряд вопросов. Если в составляемой физической учебной задаче рассматриваются несколько последовательных процессов, то как сформулировать соотношения между величинами, характеризующими эти процессы? При любых ли численных значениях физических величин задача будет иметь решение? Если не при любых значениях, то как определить допустимый численный диапазон?

В ходе поиска ответов на эти вопросы студент или школьник учится рассматривать задачу как системный объект, выявляет системообразующие связи между величинами и, как следствие, получает требования, предъявляемые к этим связям. В задачах по классической физике, как правило, системообразующими являются пространственно-временные связи между физическими величинами, а также отношения «часть - целое», выражающие функциональные связи. Студентам можно предложить задания двух видов: 1) «составьте задачу, удовлетворяющую следующим требованиям...» или 2) «решите задачу. Объясните, почему она не имеет решения». Во втором случае студенту дается задача, в которой составителем умышленно нарушено какое-либо из системных требований.

В качестве примера рассмотрим задачу по термодинамике [3]:

Задача. Сосуд объемом У=40 л содержит смесь водорода и гелия при температуре 1 = 20° С и давлении Р=2 атм. Масса смеси т=5 г. Найти отношение массы водорода к массе гелия в данной смеси.

Эта задача содержательно и процессуально проста, что позволяет явно выделить все интересующие нас связи. В ходе ее решения студенты убеждаются, что с приведенными числовыми значениями ответ задачи не имеет физического смысла. Далее они выясняют, какие требования или условия должны быть выполнены, чтобы задача имела хотя бы один ответ.

Для формулировки необходимых требований, во-первых, обратимся к понятийному, содержательному «слою» задачи (при термодинамическом описании состояния системы используются понятия: температура, давление, объем, количество вещества, молярная масса); во-вторых, мысленно разделим рассматриваемую систему на части, т. е. выполним элементарный анализ (рассмотрим каждый из двух компонентов отдельно); в-третьих, установим соотношения между физиче-

скими величинами, описывающими каждую часть и всю систему в целом, - реляционно-логический анализ структурной связи элементов (учтем аддитивность массы и количества вещества); в-четвертых, установим соотношения между величинами на основании отношения «часть-целое» - реляционно-логический

анализ функциональной связи (молярная масса смеси газов не должна быть меньше наименьшей молярной массы компонента смеси, в данном случае это условие

_ т ЯТ

сводится к требованию: ^ ^— — М н^ ).

Для данной задачи не выполнены условия, сформулированные для структурной связи и отношения «часть - целое». Для того чтобы задача стала разрешимой, необходимо или уменьшить одну из величин: V, Р, или увеличить одну из величин: т, Т.

В ходе методического разбора решения этой задачи мы рассмотрели задачу как системный объект в двух слоях познавательной деятельности - предметном и операциональном (сопоставили содержательные действия с логическими приемами, используемыми в решении).

Элементарный курс физики для профильных физических классов, общий курс физики, а также курс теории и методики обучения физике в классическом университете дают богатые возможности обучения студентов самостоятельному формулированию физических задач.

Способы конструирования задач

Приступая к составлению физической задачи, учащиеся должны знать основание для ее составления. Поэтому учебное задание на составление задачи должно иметь указания, какой должна быть эта задача, или что она должна содержать, или какими свойствами должна обладать, или другие указания (основания) для составления задачи.

Под объемом основания для составления учебной физической задачи авторы

[7] понимают число задач, которое можно составить по этому основанию. Например, по основанию «задача по теме “Теплота”» можно составить неограниченное множество различных задач, а по основанию «задача на определение ускорения тела при равноускоренном движении» можно составить значительно меньше задач. Поэтому первое основание более широкое, чем второе. Очевидно, что чем

больше объем основания для составления учебной физической задачи, тем больше свободы для учащихся и, следовательно, больше фантазии, творчества требуется от них для выполнения этого задания.

Сложность задания по составлению учебных физических задач зависит не только от объема основания, но также от особенностей данного основания [7].

Деятельность по составлению учебных физических задач достаточно сложна, она состоит из ряда действий и операций; поэтому прежде чем предлагать учащимся самостоятельно составить по данному основанию физические задачи, преподаватель должен проанализировать деятельность по выполнению данного задания, установить, владеют ли учащиеся всеми действиями, которые необходимо выполнить при составлении задачи. Если какими-то действиями учащиеся еще не владеют, то необходимо разработать систему подготовительных учебных заданий для формирования умения выполнять эти действия.

В отличие от решения готовых задач, которые, как правило, имеют единственный ответ, задания на составление задач имеют много разнообразных ответов. Как правило, разные учащиеся составляют различные задачи по одному и тому же основанию. Поэтому необходимо после выполнения каждого задания на составление физической задачи проводить фронтальное обсуждение составленных задач. При этом надо поощрять творчество, инициативу, оригинальность, проявленные при составлении задач, но не наказывать за неудачи, а лишь указывать на них, для того чтобы учащиеся приобрели необходимый опыт в этой сложной деятельности.

Особым видом учебных заданий на составление задач являются задания по преобразованию готовых задач, например: изменение числовых данных, дополнение какими-то новыми условиями, составление задач, аналогичных данной или обратных данной, переформулирование задачи на другой язык и т. д.

Психолог Г.А. Вайзер явно выделила неэлементарные приемы трансформации задач [8].

1. Приемы преобразования формы задачи. В исходной текстовой задаче выделяются данные, которые могут быть выражены не только словесно, но и в других знаковых формах, в частности с помощью рисунков, графиков, схем и т.д.

2. Приемы переформулирования задачи. В тексте исходной задачи выделяются данные, которые в ее преобразованном варианте могут быть «скрыты» с помощью житейских выражений («отходит от остановки», «остановился»). Чтобы правильно использовать житейскую лексику для преобразования задачи, ученик должен актуализировать содержание научных понятий и формулировок, затем конкретизировать понятие и найти житейские лексические эквиваленты для его обозначения. Легкость и быстрота переформулирования задачи во многом зависит от богатства и обобщенности жизненного опыта школьника.

3. Приемы преобразования относительно простой задачи в сложную. Физическая ситуация исходной задачи дополняется несколькими последовательно протекающими процессами или несколькими физическими телами. Анализ приемов преобразования простой задачи в сложную показывает, что у ученика формируются связи между отдельными процессами и явлениями достаточно большого по объему материала курса физики по одной или нескольким темам.

4. Приемы преобразования стандартной тренировочной задачи в нестандартную. К числу нестандартных задач относятся, в частности, задачи с несколькими ответами. Чтобы построить такие задачи, можно в простой задаче создать ситуацию неопределенности, уменьшив количество данных. Так, качественная задача на распознавание физических процессов, происходящих с куском свинца, взятым при температуре плавления, которому сообщается энергия, имеет единственный ответ: свинец начинает плавиться. После исключения данного «кусок» возникает ситуация неопределенности (свинец либо еще твердый, либо частично расплавленный, либо уже жидкий) и возможны три ответа: начинает плавиться, продолжает плавиться при той же температуре, расплавленный свинец нагревается и его температура повышается.

Структура компетенции

«способность конструировать

задачи по физике»

Вместе с ГОС третьего поколения из Министерства образования и науки РФ в классические университеты пришли рекомендации разработчикам основных образовательных программ, в которых настоятельно предлагается таксономия

учебных целей по Б. Блуму (знание, понимание, применение, анализ, синтез, оценка). Поскольку теоретически обоснованные критерии распределения отличительных признаков по уровням учебных целей, а также критерии выделения порогового уровня сформированности перечисленных компетенций отсутствуют, то при конструировании карты рассматриваемой компетенции будем руководствоваться требованиями педагогической практики.

С учетом сказанного можно составить карту, отражающую структуру компетенции «способность конструировать задачи по физике» для выпускника физического факультета классического университета, получающего дополнительную квалификацию «Преподаватель физики высшей школы» (таблица).

Уровни учебных целей Отличительные признаки

1.Знание • теоретических основ, основных понятий, законов и моделей всех разделов общего и теоретического курсов физики; • видов учебных и научно-исследовательских задач и требований к ним; • требований к минимуму содержания и уровню подготовки учащихся по физике, устанавливаемых государственным образовательным стандартом соответствующей ступени образования.

2. Понимание • базовой общефизической информации; • базовой математической информации; • основных принципов и закономерностей дидактики физики.

3. Применение • основных методов объективной диагностики знаний учащихся по физике; • теоретических основ, основных понятий, законов и моделей физики; • методологических, дидактических и методических принципов, а также логических и эвристических приемов мышления при проектировании задач по физике.

4. Анализ • базовой общефизической информации; • физических задач; • подходов к составлению и методов решения физических задач.

5. Синтез • создания физических задач.

6. Оценка • выполнения системных требований к физической задаче; • метода и результата решения задачи; • результатов учебной деятельности учащихся.

В представленной статье основное внимание уделено следующим уровням учебных целей:

• применению - рассмотрены принципы составления задач с рекомендациями по их использованию;

• анализу - выделены элементы структуры процесса составления задач (цели, способы конструирования, сложность), а также описаны содержательный, деятельностный и системный подходы к составлению задач;

• синтезу - показана структура процесса составления задачи как целого и приведен пример;

• оценке - приведен логико-методический разбор физической задачи с нарушенными системными требованиями.

Карта компетенции «способность конструировать задачи по физике» может быть использована преподавателями для разработки методик обучения студентов или слушателей системы повышения квалификации составлению учебных физических задач с позиций компетентностно-го подхода.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Пономарев Я. А. Психология творчества и педагогика. М. : Педагогика, 1976. 280 с.

[2] Ланкина М. П. Принципы разработки средств диагностики логического мышления учащихся в учебном процессе // Наука и школа. 2005. № 4. С. 14-17.

[3] Ланкина М. П. Системно-деятельностная метамодель обучения студентов физического факультета в классическом университете : дис. ... д-ра пед. наук. Челябинск : ЧГПУ, 2006. 370 с.

[4] Семенов И. Н. Методологические проблемы системного изучения организации мыслительной деятельности // Системные исследования: Методологические проблемы. Ежегодник. М. : Наука, 1982. С. 301-319.

[5] Зинченко В. П., Гордон В. М. Методологические проблемы психологического анализа деятельности // Системные исследования. Ежегодник. 1975. М. : Наука, 1976. С. 82-127.

[6] Гальперин П. Я. Психология как объективная наука / под ред. А. И. Подольского. М. : Изд-во МПСИ ; Воронеж : Изд-во НПО «МОДЭК», 2003. 480 с. (Серия «Психологи России»).

[7] Решение задач по физике. Психологометодический аспект / Н.Н. Тулькибаева, Л. М. Фридман, М. А. Драпкин и др. / под ред. Н. Н. Тулькибаевой, М. А. Драпкина. Челябинск, 1995. 120 с.

[8] Вайзер Г. А. Активные способы работы школьников над задачами по физике // Нетрадиционные способы оценки качества знаний школьников. Психолого-педагогический аспект : сб. науч. тр. / под ред. Е. Д. Божович. М. : Новая школа, 1995. С.13-28.