Методика использования содержательнознаковой наглядности при обучении студентов физике

4. Усова, А. В. Формирование учебных умений и навыков учащихся на уроках физики / А. В. Усова, А. А. Бобров. - М., 1988.

5. Усова, А. В. Межпредметные связи в преподавании основ наук в школе (на примере предметов естественноматематического цикла) / А. В. Усова. - Челябинск, 2005.

6. Усова А. В. Совершенствование системы естественнонаучного образования в школе. Цели, задачи исследования, поиск методов и средств их решения. / А. В. Усова, М. Д. Даммер, В. С. Елагина, М. Ж. Симонова. - Челябинск, 2002.

Материал поступил в редакцию 10. 09. 2007.

УДК 378.02:372.8

Н.Б. Попова, А.В. Петров

МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОДЕРЖАТЕЛЬНО-ЗНАКОВОЙ НАГЛЯДНОСТИ ПРИ ОБУЧЕНИИ СТУДЕНТОВ ФИЗИКЕ

В статье рассматриваются использование оригинальных средств содержательно-знаковой наглядности, которые позволяют включать студентов в деятельность по формированию эмпирического, теоретического и практического типа мышления. Для этих целей они содержат в своей структуре методологическую программу познавательной деятельности, включающую студентов в познавательный процесс, позволяющий вскрывать внутренние связи и отношения, а также выявлять специфику различных типов познавательной деятельности.

Для того чтобы включать студентов в познавательную деятельность, соответствующую эмпирическому и теоретическому уровню познания, мы конструируем соответствующие наглядные средства, которые позволяют сопоставлять познавательную деятельность при формировании эмпирического и теоретического мышления, при использовании эмпирических и теоретических знаний. Если в случае развития эмпирического мышления необходима познавательная деятельность с опорой на образное мышление, то, очевидно, что при развитии теоретического необходимо развитие логического мышления, позволяющего активизировать познавательную деятельность, которая ведет к умению анализировать и рассуждать, к продуктивной и творческой деятельности по формированию и развитию понятий и к выработке теоретического стиля мышления. Логическое мышление имеет своим источником не только чувственно эмпирическую основу, и совершается не только в чувственно-воспринимаемой форме, но и протекает во внутренней связи и взаимопроникновении с наглядно-образным отражением исследуемых объектов на самых различных уровнях познания. Связь наглядного и абстрактного следует рассматривать не как поочередную смену их друг с другом, а как внутренне противоречивую связь различных моментов единой познавательной деятельности.

Наглядные образы всегда в той или иной степени и форме участвуют в процессах мышления, выступают «стороной мыслительного процесса». Поэтому преподаватель, организуя мыслительную деятельность студентов, должен выбирать дидактические средства, которые предусматривали бы выполнение различной категории умственных действий.

Мы ведем речь о таких средствах наглядности, где объект наблюдения выступает в роли зрительной опоры, имеющей методологическую программу познавательной деятельности для формируемого понятия или закона. Использование таких средств наглядности, направленных на самостоятельное получение научных знаний целесообразно в тех случаях, когда такие средства позволяют выделять конкретные существенные признаки понятия, на определенном этапе его формирования или

раскрывают содержательную сторону, сущность физического закона (его происхождение, место в целостной картине исследуемого явления, внутренние связи, модели, отражение в законе единичного, особенного или общего или степень общности закона).

Для этого нужно, согласно нашим исследованиям, выполнение следующих условий:

1. Последовательность действий, в процессе использования наглядных средств в отношении к эмпирическим и теоретическим аспектам исследования объекта и их соотношение в плане формирования содержания физических законов.

2. Выделение отдельных элементов структуры символической наглядности и раскрытие целостной методологической программы развертывания познавательной деятельности при ее использовании.

3. Необходимость анализа результатов работы студентов со средством наглядности с позиции сравнения полученных знаний о физическом законе на эмпирическом и теоретическом уровнях.

4. Предварительное формирование методов и приемов самостоятельной познавательной деятельности.

Рассмотрим использование средств содержательнознаковой наглядности, которые действительно позволяют включать студентов в деятельность по формированию того или иного типа мышления. Так как в системе развивающего обучения в основе лежит условие формирования теоретического мышления, мы предлагаем наглядные пособия, соответствующие этим требованиям. Для этих целей они содержат в своей структуре методологическую программу познавательной деятельности, включающую студентов в теоретическую познавательную деятельность, позволяющую вскрывать внутренние связи и отношения.

Подобные учебные средства, таким образом, являются средствами обучения студентов мышлению и решения проблемы перехода образования от «школы памяти» к «школе мышления», когда способы, методы и приемы познавательной деятельности становятся основными элементами обучения, а знания оказываются всего лишь средством для развития мыслительных способно-

стей студентов. ности (схема 1) с обобщенным планом деятельности по

Приведем пример содержательно-знаковой нагляд- изучению газовых законов в молекулярной физике.

Схема 1

Дать сравнительный анализ особенностей эмпирического и теоретического типов познания. Представить преимущество теоретических знаний по отношению к эмпирическим.________________

На первом этапе студенты изучают газовые законы на эмпирическом уровне.

Соответствующее наглядное пособие, как видно из схемы, имеет следующую структуру, позволяющую студентам последовательно расшифровывать методологическую программу самостоятельной познавательной деятельности:

1. установка для изучения газовых законов (силь-фон с манометром);

2. таблица, указывающая какие и сколько измерений следует произвести на установке и что рассчитать;

3. буквенные символы, указывающие: условия, при которых необходимо проводить эксперимент; научные методы, используемые для получения закона (индуктивное обобщение опыта); газовый закон; достоверность закона (вероятностно-истинное значение); физический смысл (сущность) закона;

4. графические символы - стрелки, указывающие последовательность действий студента.

Рассмотрим более подробно некоторые аспекты, на которых акцентируется внимание студентов при работе с данным средством наглядности. Для такой деятельности необходимо, чтобы они владели приемами познавательной деятельности. В данном случае это индукция - логический прием исследования, связанный с обобщением результатов наблюдений и экспериментов и движением мысли от единичного к общему. Поскольку опыт всегда бесконечен и неполон, то индуктивные выводы всегда имеют проблематичный (вероятностный) характер. Так, например, зависимость, открытая Бойлем, является вероятностно-истинным знанием, обобщением такого же типа, как утверждение «Все лебеди белые», которое было справедливо, пока не открыли черных лебедей.

При выяснении физического смысла данного закона

студент должен показать, что на такой вопрос, строго говоря, ответить нельзя, т.к. эмпирические знания не предполагают структурной модели газа. По существу это лишь соотношение между параметрами, а не закон в его теоретическом смысле, потому что на уровне эмпирических знаний сущностные связи не выделяются еще в чистом виде. Однако в ряде случаев эмпирические знания обладают в определенном смысле догадкой, которая позволяет проникать в сущности даже в этом случае. Действительно, если задаться целью, определить единицы измерения

[P -V ]

, то окажется, что [р V = Дж, а это, как известно, энергия. Следовательно, можно сделать вывод о том, что выражение P 'V = Const представляет собой закон сохранения энергии при условии T = Const. и, хотя в рамках эмпирических знаний исследователю неизвестно каким структурным элементам соответствует эта энергия, уже сама догадка является побудительным фактором для дальнейших исследований, которые могут дать ответ на этот вопрос. Но это уже теоретические знания.

Рассмотрим по той же схеме использование наглядного средства, позволяющего формировать и развивать теоретическое мышление студентов.

Легко видно, что это средство имеет следующую структуру, позволяющую студентам действовать по методологической программе познавательной деятельности: 1) абстрактный символ источника знаний (мыслитель); 2) принцип, исходная модель строения вещества;

3) содержательная идеализация (рабочая модель) вещества в газообразном состоянии; 4) методы классической и статистической физики; 5) содержательное обобщение (основное уравнение МКТ); 6) метод дедукции; 7) условия, при которых выводятся газовые законы; 8) закон

Бойля-Мариотта; 9) достоверность закона; 10) физический смысл (сущность) закона Бойля-Мариотта; 11) графические символы и стрелки, указывающие последовательность действий студента; 12) буквенные символы, определяющие этапы в процессе получения теоретических газовых законов.

Рассмотрим теперь более подробно специфику работы с данным учебным средством наглядности. Как в предыдущем случае, для такой деятельности необходимо, чтобы студенты владели приемами познавательной деятельности. При этом студенты должны глубоко понимать, что при теоретическом познании используются иные исследовательские средства, нежели при эмпирическом. В случае теоретического познания, отсутствуют средства материального, практического взаимодействия с изучаемым объектом. Кроме того, и язык теоретического исследования отличается от языка эмпирических описаний. В качестве основного средства теоретического исследования выступают так называемые теоретические идеальные объекты или идеализированные теоретические объекты. В отличие от эмпирических объектов они наделены не только теми признаками, которые мы можем обнаружить в реальном взаимодействии объектов, но и признаками, которых нет ни у одного реального объекта. Например, молекулу идеального газа представляют как материальную точку, лишенную размера, обладающую массой. Таких объектов в природе нет. Они выступают как результат нашего мыслительного конструирования, когда мы абстрагируемся от несущественных связей и признаков предмета и строим идеальный объект, который выступает носителем только существенных связей. В реальности сущность нельзя отделить от явления, одно проявляется через другое. Задача же теоретического исследования является познание сущности в чистом виде. Введение в теорию абстрактных, идеализированных объектов как раз и позволяет решать эту задачу.

Как видно из схемы, методологическая программа познавательной теоретической деятельности начинается с формулировки основополагающего принципа (идеи) и исходной модели строения вещества, которые являются основанием молекулярно-кинетической теории вещества в газообразном состоянии. Затем обосновывается и

строится содержательная идеализация - рабочая модель идеального газа. Физическая модель ценна тем, что ее можно математически обсчитать, а значит получить целостное представление об изучаемом объекте в виде формулы либо закона, который будет представлять собой содержательное обобщение. Используя методы классической и статистической физики, студенты получают содержательное обобщение - основное уравнение

2 —

МКТ для идеального газа: p = — nE .

Р 3 1

Если содержательное обобщение, верно, то из него методом дедукции студенты получают все газовые законы, при учете конкретных условий, при которых находится газ.

Получим закон Бойля-Мариотта: „ =2 NE

3 V '

2 — I— 3 \ 2 3

pV=-NEk =( Ek =-kT) = -N-kT = NkT если

3 \ 2 13 2

m = Const, T = Const, то NkT = Const. Следовательно, pV = Const. В отличие от экспериментального закона Бойля-Мариотта, теоретический закон имеет вполне определенный физический смысл.

2 __ —

Действительно, если pv = — ne k = Const, а NE к

3

представляет собой внутреннюю энергию газа, то становится очевидным, что закон Бойля-Мариотта является проявлением закона сохранения энергии при указанных условиях.

В отличие от эмпирического закона pV = Const, который давал вероятностные знания, этот закон дает достоверные знания, но для модели идеального газа.

Подобное учебное средство наглядности разработано и для формирования практических знаний на базе получения уравнения Ван-дер-Ваальса (схема 2). Таким образом, использование рассматриваемых средств наглядности, позволяет весь процесс познавательной деятельности студентов представить в виде следующих основных этапов:

Схема 2

- Эмпирический уровень познания. Деятельность студентов осуществляется по схеме усвоения эмпирических знаний, за которыми не просматриваются содержательные мыслительные действия; преобладает живое созерцание (чувственное познание), рациональный момент и его формы (суждения, понятия и др.) здесь присутствуют, но имеют подчиненное значение. Поэтому исследуемый объект, явление отражается преимущественно со стороны своих внешних связей и проявлений, доступных живому созерцанию и выражающих внутренние отношения. Сбор фактов, их первичное обобщение, описание наблюдаемых и экспериментальных данных, их систематизация, классификация - характерные признаки эмпирического познания, с которыми встречается студент в ходе самостоятельной познавательной деятельности. Эмпирическое исследование направлено непосредственно на свой объект. Студент осваивает его с помощью таких приемов и средств как сравнение, измерение, наблюдение, эксперимент, анализ, индукция, а его важнейшим элементом является факт. Фактом, например, является эмпирическое знание, полученное в ходе наблюдения и эксперимента (газовые законы).

- Теоретический уровень познания. Характерной чертой теоретического познания является его направленность на себя, внутринаучная рефлексия, т.е. исследование самого процесса познания, его форм, приемов, понятийного аппарата и т. д. на основе теоретического объяснения и познанных законов осуществляется предсказание и научное предвидение. Развитие теоретического мышления студентов при использовании соответствующих средств наглядности происходит за счет специальной структуры этих средств и движения в ней в направлении от абстрактного к конкретному, общему. Присутствие в познании идеализации служит показателем развитости теоретического знания как набор определенных идеальных моделей.

Включение в учебные средства наглядности методологическую программу познавательной деятельности позволяет использовать их как средства, дающие возможность через самостоятельную деятельность усваивать и использовать приемы, методы и методологию научного познания, что ускоряет развитие знаний, теорий, мировоззрения обучаемых. Соответственно создается возможность для овладения культурой отдельных действий, деятельности и всей практикой творческой самостоятельной познавательной деятельности. И в этом процессе проявляется основополагающее проявление функции наглядности, которая ускользает от поверхностного взгляда исследователя: наблюдение осуществимости

собственных действий в процессе получения новых знаний наглядно свидетельствует об объективности научных методов познания и об их возможностях; зрительное представление структуры знания наглядно показывает то, как действуют методы и приемы мышления. Эта наглядность и составляет основу проектирования новых средств наглядности и, в конечном счете, основу развития продуктивной и творческой самостоятельности студентов в учебном процессе в развивающем обучении.

- Практический уровень познания. Характерной чертой работы с соответствующими средствами наглядности является сравнение и оценка на методологическом уровне возможностей эмпирических и теоретических знаний и границ их применимости. Студенты, делая обобщение по этому поводу, показывают, что вещи в объективной действительности «раздваиваются» на две противоположные стороны: внутреннюю, содержащую в

себе их сущность, и внешнюю - явления, причем между ними существуют диалектически противоречивые взаимоотношения взаимосвязи в относительной независимости, самостоятельности. Внешние проявления физических объектов и процессов отражаются в эмпирических знаниях, а внутренние - в теоретических знаниях.

Таким образом, в эмпирических знаниях, в отличие от теоретических, не выделяются именно существенные особенности самого предмета, внутренняя связь его сторон. Они не обеспечивают в познании разведения явлений и сущности. Но и после познания сущности процесс мышления не заканчивается, т.к. полученный результат оказывается, отдален от конкретных вещей объективного мира. Нужен познавательный процесс приближения абстракций к конкретным вещам, к практике. При этом результирующий мысленно-конкретный образ должен качественно отличаться от чувственно-конкретного образа тем, что он уже предстает как наполненный содержанием и познанной сущностью. Так человек, глядя на телевизор, создает его чувственно-конкретный, но «пустой» образ (эмпирический уровень знаний). Телемастер же, познавший механизм работы телевизора (теоретический уровень знаний), имеет в голове «наполненный» содержанием и сущностью мысленно-конкретный образ, позволяющий ему исправлять и совершенствовать работу телевизора (практический уровень знаний). Значит, практические знания в этом смысле отражают более высокий уровень познания, т. к. они вбирают в себя и теоретические знания. Примером для формулирования практических знаний в процессе обучения молекулярной физике может служить методически организованный процесс получения уравнения Ван-дер-Ваальса. Данный познавательный процесс позволяет студентам, используя молекулярно-кинетическую теорию строения вещества (теоретические знания) и учитывая реальные факты (эмпирические знания), получать практические знания.

- Философский уровень познания. В ходе работы с указанными средствами наглядности студенты, с одной стороны, убеждаются, что эмпирический и теоретический уровни знания отличаются по предмету, средствам и методам исследования. Однако, с другой стороны, они должны выйти на философский уровень познания, который показывает, что выделение и самостоятельное рассмотрение каждого из указанных уровней знания представляет собой абстракцию. В реальной действительности эти два слоя знания всегда взаимодействуют. Выделение же категорий «эмпирическое» и «теоретическое» в качестве средств методологического анализа позволяет выяснить, как устроено и как развивается научное знание. В завершении сравнительного анализа особенностей эмпирического и теоретического типов познания студенты совместно с преподавателем выделяют следующие преимущества теоретических знаний по отношению к эмпирическим:

- Решается главная задача теоретических знаний

- дать целостный образ исследуемого явления.

- Все частные абстракции (законы) получаются из содержательного обобщения, а, с другой стороны, -объединяются этим содержательным обобщением.

- Выявляются условия происхождения знаний.

- Усваиваются способы, методы и приемы получения научных знаний.

- Раскрывается сущность физических законов и понятий.

- Теоретические знания - это всегда достоверные знания.

- Всегда можно выделить методологическую ность для формирования у них теоретического мышле-

программу теоретических знаний и через нее включать ния.

учащихся в самостоятельную познавательную деятель-

Материал поступил в редакцию 7. 09. 2007.

УДК 378.02:372.8

А.Ю. Шарова, А.И. Гурьев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ

В статье описывается авторский подход к проблеме использования компьютерных технологий в учебном процессе по физике. Рассматриваются уровни организации самостоятельной работы учащихся при решении физических задач с применением персонального компьютера.

1. В процессе организации учебных занятий по физике, где компьютер выступает как средство обучения, а компьютерные модели используются с целью развития самостоятельной работы учащегося необходимо:

- построение учебных занятий на основе передовой педагогической практики с опорой на закономерности учебно-воспитательного процесса;

- оптимальная реализация на учебном занятии основных дидактических принципов и правил, с обязательным их учетом при составлении заданий для обучающих программ;

- связь с ранее изученными знаниями и умениями, опора на достигнутый уровень развития учащихся;

- формирование практических знаний, умений и навыков, рациональных приемов мышления и деятельности;

- тщательно продуманный модели учебных занятий с использованием обучающей компьютерной программой.

2. Поурочные планы по различным темам должны предусматривать применение компьютерных моделей, ориентированных на развития у учащихся навыков самостоятельной работы с компьютерными программами.

3. Необходимо обратить внимание на следующие особенности организации учебного процесса при использовании компьютерных обучающих программ при обучении физике:

- адаптация компьютерных программ к современным учебно-методическим комплексам и учебной информации к возможностям класса;

- выбор такой компьютерной программы, которая дает наибольший педагогический эффект;

- организация регулярного использования компьютера как средства для самостоятельной работы учащихся с учебным материалом;

- работа с учебным материалом с использованием компьютерных обучающих программ, предусматривающая вариативность приемов и методов решения конкретной учебно-методической задачи;

- максимально ограниченная возможность случайного получения правильного результата при решении задач, выполнении упражнений или верного ответа на вопрос с использованием компьютера.

4. Основной акцент при работе с учебным материалом при использовании компьютерных обучающих программ необходимо делать на самостоятельную работу

учащихся, в которой мы условно выделили три уровня:

- пассивная (работа, выполняемая по инструкциям и указаниям под руководством учителя) - репродуктивный уровень;

- активная (работа, выполняемая с помощью учителя и содержащая краткие указания) - частично-поисковый уровень;

- работа, выполняемая по собственной инициативе учащегося, без непосредственного руководства учителем и направленная на решение проблем - творческий уровень.

5. Целесообразно в процессе организации учебнопознавательной деятельности учащихся использовать творческие задания, а также проблемные ситуации.

6. Компьютерные программы, используемые в процессе обучения должны соответствовать следующим условиям:

1) Наиболее целесообразно разделять учебный материал на небольшие порции таким образом, чтобы каждая порция смогла уложиться на экране монитора, а ученик не пассивно читал длинные тексты, а имел возможность чаще отвечать на исследовательские, поисковые вопросы после достаточного времени для обдумывания.

2) В программе должен присутствовать элемент контроля и обучения и элемент обучения в контроле. Для этой цели после каждого вопроса необходимо предусмотреть три выхода: когда ответ верен; когда он ошибочен; когда ученик не знает, что делать и не дает никакого ответа.

3) Когда на экране появляется полное решение задания, ученик должен переписать его в свою тетрадь. На этот случай в программе должно быть предусмотрено новое, аналогичное, уже решенное задание, которое предлагается учащемуся. Таким образом, проверяется, усвоен ли преподаваемый материал. Если задание используется для проверки знаний и умений, то в компьютерной обучающей программы точно указано, какую отметку надо поставить в зависимости от того, в какой степени ученик использовал помощь и какие ошибки допускал при работе. Все это позволяет более точно проверить и оценить знания учащихся, не прерывая процесса обучения.

4) Помощь на отдельных этапах должна быть не формальной, а педагогически целесообразной, исходящей из определенной цели обучения. Это позволит на-