Формирование системного мышления учащихся в процессе обучения физике на основе исследовательского метода

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата педагогических наук

13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания

(физика в общеобразовательной и высшей школе)

ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМНОГО МЫШЛЕНИЯ УЧАЩИХСЯ В ПРОЦЕССЕ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО МЕТОДА

Данилов Денис Олегович

Томск - 2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Томском государственном педагогическом университете»

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук,

профессор Зеличенко Владимир Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор педагогических наук,

профессор Новожилов Эдуард Дмитриевич

ГОУ ВПО «Московский государственный

областной университет»

кандидат физико-математических наук

доцент Сотириади Георгий Николаевич

ГОУ ВПО «Томский государственный

университет»

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Уральский государственный

педагогический университет»

Защита состоится 13 ноября 2007 года в 14.00 на заседании диссертационного совета К.212. 266. 01 в Томском государственном педагогическом университете по адресу: 634041, Томск, Комсомольский пр., 75

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного педагогического университета по адресу: Томск, Комсомольский пр.,75

Автореферат разослан «___» ___________ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Е.А. Румбешта

1. Актуальность исследования

Современное обучение физике, начиная со школы, становится площадкой вовлечения учащихся в естественнонаучные проекты, ареной конкурентной борьбы развитых стран за воспроизводство высоких технологий, подготовку кадров для этой сферы. По мнению ученых-методистов и ведущих ученых преподавателей «Образование по физике формирует личность, готовую к восприятию и выработке новых идей в современном мире» (Баранов А.М., Разумовский В.Г., Старовиков М.И., Шелепин Л.А. и др.).

Элементарная физика для учащихся предстает в двух компонентах. Во-первых, учащийся как бы поднимается по историческим ступеням познания мира, начиная с механики Галилея и Ньютона до законов атомной и ядерной физики. Здесь путь науки раскрывается ему как преодоление противоречий между исторически сложившимися взглядами на природу и новыми фактами о её свойствах. Во-вторых, при знакомстве с фундаментальными законами природы наука предстаёт перед учащимся уже не как историческая последовательность шагов познания, а как стройная единая система описания мира, основанная на фундаментальных универсальных понятиях симметрии и законов сохранения. Это сочетание двух компонентов учебного процесса и вырабатывает системное мышление и универсальную приспособляемость к окружающим социальным, политическим и техногенным условиям.

Адекватным аппаратом решения познавательных задач, а также развития творческих, коммуникативных, рефлексивных качеств личности заключает в себе отработанная веками методология научного поиска, критерием истинности в которой выступает эксперимент. Сказанное свидетельствует о необходимости целенаправленного обучения школьников общим и специальным методам познания окружающего мира, логике и этапам научного познавательного процесса и, в конечном счете, целостной исследовательской деятельности с обязательным включением эксперимента.

Однако, в последние годы наблюдается негативная тенденция. Во-первых, отмечается ухудшение экспериментальной составляющей обучения. В школе используется пассивный учебный эксперимент, преобладает «меловой» способ изложения. Логика и методика эксперимента близка к репродуктивной, продуктивный эксперимент используется крайне редко. Во-вторых, наблюдается сокращение бюджета времени на изучение физики. От этого страдает наиболее ценная составляющая естественнонаучного образования: наблюдение явлений, проведение опытов, выполнение лабораторных работ, решение задач. В-третьих, неутешительными выглядят результаты выполнения единого государственного экзамена по физике в части соответствующей уровню содержащему контрольно-измерительные материалы по общеобразовательной школе и, как правило, учащиеся не приступают к выполнению заданий с применением физических знаний в новой ситуации.

В результате такие элементы учебной деятельности, как наблюдение явлений, проведение опытов, выполнение лабораторных работ, решение задач, соответствующие исследовательской компоненте процесса обучения физике, вытесняются. Однако эти элементы служат четким целям, достижение которых необходимо для:

формирования навыков проведения исследований;

понимания роли в научном познании, наблюдений, гипотез, теоретических выводов и экспериментов;

применения экспериментального метода познания, включая опыт самостоятельного проведения экспериментов.

В этой связи сегодня особенно актуально привлечение обучающихся на разных ступенях образования к исследовательской деятельности, которая развивает способности к продуктивной деятельности (конструкторские, проектные, аналитические и др.), формирует самостоятельность, независимость суждений, гибкость, критичность и системность мышления; формирует умения самостоятельно ставить и решать исследовательские задачи.

Значительным образом в разработке данного направления по развитию исследовательской деятельности и мышления учащихся служит применение исследовательского эксперимента на уроках физики. Исследовательский эксперимент является составной частью исследовательского метода. Он же в свою очередь, относится к числу так называемых продуктивных методов обучения, способствующих развитию творческих способностей учащихся и позволяющих планомерно и целенаправленно их формировать.

Исследовательский метод, как показывает проведенный нами анализ, не получил необходимого распространения в педагогической практике. Данный метод применяется, как правило, при подготовке к олимпиадам различного уровня, и в работе с профильными физико-математическими классами. Применение его в общеобразовательной школе практически отсутствует, так как не разработана методика его широкого использования. Нет систематизированной методики применения теоретических и экспериментальных заданий, направленных на развитие системного мышления. Существуют лишь отдельные авторские методические разработки (И.З. Вакс, Ж.С. Камкиев, В.Н. Савинцев, Н.А. Солодухин, Э.Ж, Тилтинь, Н.И. Черкавский).

Возникает противоречие между стандартными методиками обучения ориентированными на репродуктивные методы обучения и потребностями формирования системного мышления учащихся, которые предполагают внедрение в широкую педагогическую практику новых методик обучения. Актуализируется потребность в средствах развития системного мышления для естественнонаучных дисциплин, в частности, физики. Основой разработки таких средств должен выступить исследовательский метод обучения. В тоже время реализация данного метода затрудняется отсутствием экспериментальных заданий такого же типа.

Таким образом, проблема формирования системного мышления с учетом современных методических, дидактических и психолого-педагогических требований, разработка соответствующих методик его развития в учебном процессе обусловливает актуальность темы исследования: формирование системного мышления учащихся в процессе обучения физике на основе исследовательского метода.

Цель исследования заключается в обосновании и разработке методики формирования системного мышления учащихся на основе учебных экспериментальных работ исследовательского характера.

Объект исследования - процесс обучения физике в старших классах средней школы.

Предмет исследования - формирование системного мышления учащихся на основе учебного исследовательского эксперимента.

Гипотеза исследования. Формирование системного мышления и навыков научно-исследовательской деятельности будет эффективным, если процесс обучения физике в старшей школе строить в логике научного метода познания на основе учебного исследовательского эксперимента, проявляющего структуру физической системы.

Для достижения поставленной цели был поставлены задачи:

Проанализировать и систематизировать научную, научно-методическую и специальную литературу по учебному исследовательскому эксперименту.

Изучить состояние проблемы формирования системного мышления учащихся общеобразовательных школ.

Сконструировать экспериментальные образцы приборов для выполнения заданий исследовательского характера.

Составить задания по формированию системного мышления на основе результатов учебного исследовательского эксперимента.

Разработать методику решения теоретических и экспериментальных заданий исследовательского характера.

Провести апробацию методики на уроках физики.

Методологической основой исследования послужили работы ряда отечественных и зарубежных ученых в области образования (В.И. Загвязинский, И.А. Зимняя, M.В. Кларин, И.Я. Лернер, и др.); в области педагогики и педагогической психологии (А.В. Брушлинский, Л.С. Выгодский, П.Я. Гальперин, В.А. Сластенин, и др.); методики обучения физике (Э.М. Браверман, С.Е. Каменецкий, И.Я. Лернер, В.Н. Мощанский, Н.С. Пурышева, Е.А. Румбешта и др.); исследовательского физического эксперимента (И.З. Вакс, Ж.С. Камкиев, А.Ф. Ковалевский, В.Н. Савинцев, В.И. Свиридов, М.И. Старовиков, В.Ю. Шумилин, и др.).

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования:

- анализ нормативной, психолого-педагогической и методической литературы, относящийся к объекту исследования, выполняемый с целью определения актуальности исследуемой проблемы и ее теоретических основ;

- анализ результатов краевых, областных школьных олимпиад, анкетирование учителей физики, анализ собственного педагогического опыта осуществляемые с целью выяснения значимости в учебном процессе организации такой формы учебно-исследовательской деятельности как исследовательский эксперимент; реального состояния уровня профессионально-методической подготовки учителей физики в исследуемой области;

- организация и проведение педагогического эксперимента, проводимого с целью проверки эффективности использования разработанных материалов;

- обработка данных педагогического эксперимента с применением методов математической статистики, их анализ и теоретическое обоснование, выполняемые с целью выявления уровня достоверности полученных результатов и возможности их дальнейшего использования в практической работе.

Научная новизна исследования заключается в том, что:

- обоснована возможность формирования системного мышления и развития умений научно-исследовательской работы в процессе обучения физике, посредством учебного исследовательского эксперимента;

- показана эффективность формирования системного мышления на основе проявления структуры материальных электрических схем;

- выявлены критерии, позволяющие определить уровни сформированности системного мышления при использовании метода черного ящика.

Теоретическая значимость исследования заключается в том, что:

- выявлены основания формирования у учащихся системного мышления и умений научно-исследовательской деятельности;

- разработана методика формирования системного мышления и развития исследовательских умений учащихся, основанная на учебном эксперименте типа «черный ящик».

Практическая значимость исследования состоит в том, что:

- разработаны экспериментальные и теоретические задания исследовательского характера;

- сконструированы экспериментальные образцы скрытых физических систем (черные ящики);

- разработаны методические рекомендации по формированию системного мышления и навыков научно-исследовательской деятельности;

- составлены методические рекомендации по диагностике уровней сформированности системного мышления и навыков научно-исследовательской работы.

На защиту выносятся:

Методика формирования у учащихся системного мышления и навыков научно-исследовательской деятельности, основанная на экспериментальных и теоретических заданиях исследовательского характера.

Комплекс экспериментальных заданий по формированию системного мышления на основе метода «черного ящика», комплекс теоретических заданий по анализу результатов учебного исследовательского эксперимента.

Результаты педагогического эксперимента по оценке эффективности разработанной методики.

Достоверность и обоснованность данного исследования обеспечивается опорой на фундаментальные исследования по педагогике, психологии и методике обучения физике; анализом проблемы формирования системного мышления у учеников старшей школы в процессе обучения физике; результатами экспериментального исследования по внедрению разработанной методики в практику обучения физике в школе; применение методов математической статистики при обработке результатов экспериментального исследования.

Апробация и внедрение результатов исследования. Основные идеи, положения и результаты исследования были представлены на конференциях:

Международная научно-практическая конференция «Эффективность образования в условиях его модернизации», Новосибирск, 2005 г.; Всероссийская научно-практическая конференция «Социальные, экономические и культурные проблемы устойчивого развития современной России», Новосибирск, 2005 г.; IX Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и образование», Томск, 2005 г.; VIII международная конференция «Физика в системе современного образования», С-Петербург, 2005 г.; Всероссийская научно-практическая конференция «Фундаментальные науки и образование», Бийск, 2006 года и ряде других общероссийских и региональных конференциях.

Результаты исследования были представлены на выставках:

Всероссийская выставка «Интеграция-2005», г. Томск, конкурс «Сибирские Афины», номинация «Новые научные разработки и технологии»; Международная выставка «Учсиб-2005», конкурс учебных приборов «Малая золотая медаль», г. Новосибирск.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка.

2. Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цель, объект, предмет, задачи исследования, формулируется гипотеза, описываются этапы, апробация и внедрение результатов, методологические основы и методы исследования, раскрываются научная новизна и практическая значимость исследования, представляются положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Формирование мышления на основе исследовательского метода», посвящена рассмотрению вопросов, касающихся проблем современного образования, физического - в частности; способов решения этих проблем в процессе модернизации образования через введение в учебный процесс учебной исследовательской деятельности.

Изучение работ Е.В. Бондаревской, И.А. Зимней, Д. Колб, В.В. Майера, В.Г. Разумовского, В.В. Серикова, Е.А. Шашенковой, И.С. Якиманской позволило осмыслить состояние современного образования и выявить его основную цель: адаптация личности к современным окружающим социально-экономическим и техногенным условиям.

Достижение поставленной цели возможно только через образование и учебный процесс. Соответственно, должен быть модернизирован сам учебный процесс, изменены методики преподавания, в частности, физики, с целью формирования необходимых новых качеств личности учащихся: системность мышления, умения и навыки научно-исследовательской деятельности, рефлексия и т.п. В настоящее время этой проблеме посвящены работы ряда исследователей: В.И. Андреева, Е.А. Бершадской, М.Е. Бершадского, Э.М. Браверман, Н.Е. Важевской, И.А. Зимней, М.В. Кларина, В.А. Котляра, В.В. Майера, В.Г. Разумоского, Н.В. Новожилова, М.И. Старовика, Е.А. Шашенковой и других.

На наш взгляд, познавательную деятельность, близкую по своим характеристикам к научному исследованию, можно осуществлять в учебном процессе в том случае, если снять требование объективной новизны ее продукта и ограничиться требованием его субъективной новизны. Кроме того, предметом исследовательской деятельности должен быть сам ученик, точнее, качества его личности, приобретаемые в этой деятельности. Все прочие компоненты научно-исследовательской деятельности должны быть унаследованы учебной исследовательской деятельностью.

Таким образом, учебно-исследовательская деятельность - это учебная деятельность, нацеленная на овладение субъективно новым знанием и наиболее характерными и продуктивными для данной предметной области методами его получения, осуществляемая в соответствии с логико-методологическими нормами научного познания.

Охарактеризуем компоненты научно-исследовательской, учебно-исследовательской и учебной деятельности, таблица 1.

Таблица 1. Компоненты научно-исследовательской, учебно-исследовательской и учебной деятельности.

Компоненты	Научно-исследовательская деятельность	Учебно-исследовательская деятельность	Учебная деятельность
Цель	Получение объективно нового знания о реальности	Овладение научным методом понимания мира	Овладение социальным опытом, представляемым в форме знаний, навыков, способов деятельности.
Объект и предмет	Объект - выделенный для изучения фрагмент материальной или духовной действительности; предмет - совокупность устанавливаемых свойств объекта	Объектом учебной деятельности выступает сам ее субъект, а предметом, подлежащим преобразованию - качества его личности, формирующиеся в этой деятельности	Объектом учебной деятельности выступает сам ее субъект, а предметом, подлежащим преобразованию - качества его личности, формирующиеся в этой деятельности
Процесс	Разворачивается в соответствии с определенной логикой (от явления к сущности) и характеризуется определенными этапами.	Разворачивается в соответствии с определенной логикой (от явления к сущности) и характеризуется определенными этапами.	Логика изложения знания (учителем, автором учебника) в общем случае не совпадает с логикой исследования, в котором оно было получено. Поэтому в обучении преобладает изложение и запоминание (понимание) логически организованного знания безотносительно его происхождения
Средства	1) по степени выраженности свойств материального носителя (субстрата) в составе свойств познавательных средств последние можно разделить на материальные, материализованные, идеальные. 2) по характеру освоения и применения средств - доминирование творческих действий на основе репродуктивных	1) то же; 2) по характеру освоения и применения средств - доминирование творческих действий на основе репродуктивных	1) то же; 2) доминирование репродуктивных действий в освоении и применении познавательных средств
Продукт	Объективно новое знание о действительности. Научное знание и ведущий к нему путь (метод) отличаются объективностью, точностью, доказательностью, нацеленностью на раскрытие сущности явлений	Приобретенные субъектом личностные качества: системное мышление, владение научным методом познания. Владение комплексами познавательных и практических умений и опытом их применения	Приобретенные субъектом личностные качества: осведомленность (владение знаниями), владение комплексами познавательных и практических умений и опытом их применения, научные мировоззренческие установки

Исходя из анализа таблицы 1, можно заключить, что учебно-исследовательская деятельность, выполняя все функции учебной деятельности, включает в учебный процесс элементы научно-исследовательской деятельности.

В педагогике процесс и содержание учебно-исследовательской деятельности описываются с использованием понятия об исследовательском методе обучения, а также в составе дидактических принципов научности, системности, сознательности обучения и других.

На сегодняшний день исследовательский метод, на наш взгляд, является хорошим инструментарием для формирования системного мышления учащихся, позволяет выработать у них способность к мобильному принятию решений и научить ориентироваться в современном мире. Системное мышления - это способность анализировать объект как систему связанных элементов и выделять общий принцип построения этой системы, конструировать на основе выделенного принципа новую систему элементов. Человек, обладающий системным мышлением, решает любую задачу, вычленяя этапы исследования, следуя логике научного познания. Можно утверждать, если человек обладает научным методом познания, то у него сформировано системное мышление.

Таким образом, с нашей точки зрения, учебная исследовательская деятельность позволяет формировать системное мышление средствами учебного исследовательского эксперимента (А.А. Бобров, Л.Я. Зорина, М.И. Старовиков, А.В. Усова). Учебный исследовательский эксперимент - это процесс, в котором истина постепенно и поэтапно открывается в результате целенаправленной, длительной, кропотливой работы экспериментатора.

Проблему обучения учебно-исследовательской деятельности учащихся мы рассматриваем не только через эксперимент, но и через обучение решению теоретических задач исследовательского характера, так как задача является единицей учебной деятельности (Г.А. Балл, В.В. Давыдов, А.К. Маркова, Е.И. Машбиц, Л.М. Фридман, Д.Б. Эльконин).

Исследовательская задача - это специфический тип задачи, направленный на разрешение проблемы, определенной в ходе анализа возникших познавательных или практических трудностей (затруднений), основанных на обосновании и доказательстве гипотезы, требующий самостоятельного поиска решения задачи с использованием известных или новых научных методов и приемов исследования, а также самостоятельного вывода, представляющего интерес для теории и практики (Шашенкова Е.А.).

Результатом осуществления учебной исследовательской деятельности в целом являются не только формирование системного мышления и развитие исследовательских умений, но и формирование компетентности в сфере самостоятельной познавательной деятельности обучаемых. Это выяснено в других работах. Так, по мнению А.М. Андреева, В.А. Болотова, Д.А. Иванова, М.В. Кларина, О.Е. Лебедева, А.В. Хуторского, освоение знаний, умений и навыков, приобретение опыта творчества и эмоционально-ценностного отношения к миру не могут осуществляться иначе, чем в учебной исследовательской деятельности. Вместе с тем учебная исследовательская деятельность способствует развитию психологических новообразований личности обучаемого. Так, Л.С. Выготский и С.Л. Рубинштейн указали на открытие новых знаний; Я.А. Пономарев -- новых способов деятельности; Н.М. Талызина - знаний, выступающих в качестве ориентировочной основы деятельности; A.M. Матюшкин -- формирование познавательных мотивов; С.П. Арсенова, О.И. Митрош, Н.М. Яковлева - исследовательских педагогических умений; И.А. Зимняя и М.Г. Дзугкуева - решение проблемных задач.

Таким образом, осуществление учебно-исследовательской деятельности по формированию системного мышления требует особого вида физического эксперимента.

Вторая глава «Учебный исследовательский эксперимент». Во второй главе приведена краткая характеристика школьного физического эксперимента; определено понятие учебного исследовательского эксперимента; рассмотрены его функции и место в процессе преподавания физики; представлен анализ оснащенности школьных кабинетов физики лабораторным и экспериментальным оборудованием.

Приведем краткую характеристику школьного физического эксперимента как метода, ориентированного на повышение эффективности передачи учителем и понимания (запоминания) учащимся физических знаний в форме понятий, законов, теорий.

Очевидно, эксперимент, целью постановки которого является повышение эффективности учебно-репродуктивной деятельности по усвоению «готового» знания, по своим характеристикам существенно отличается от эксперимента, используемого в научном познании. В научном эксперименте обеспечиваются объективность, контроль точности и достоверности (вероятностной значимости) результатов измерений, доказательность выводов, нацеленность на раскрытие сущности предмета исследования. В учебном эксперименте (демонстрационном, фронтальном, лабораторном практикуме) эти критерии научности хотя и не отрицаются, однако, в должном объеме не актуализируются.

Демонстрационный эксперимент чаще всего используется как средство наглядности, в нем важно наиболее полно реализовать иллюстративную функцию. Для этого необходимо обеспечить хорошую видимость и выразительность наблюдаемого явления, а также его надежную воспроизводимость и кратковременность. В демонстрационном эксперименте учащимся в большинстве случаев предъявляется только фрагмент экспериментального исследования, а именно, его реализующая (практически-предметная) часть. Все прочие этапы исследования выполняются либо в свернутом виде, либо полностью элиминированы.

На занятиях, включающих фронтальное выполнение лабораторных работ, прежде всего, «учащимся прививаются лишь самые элементарные практические умения обращения с приборами» преимущественно с использованием репродуктивного и иллюстративного приемов обучения. Развитие знаний об экспериментальном методе, умений и навыков экспериментирования должно осуществляться в лабораторных практикумах. Однако и содержание практикумов в традиционном обучении определяет, в первую очередь, приоритетная цель формирования предметных знаний.

Таким образом, доминирование «знаниевого» (информационного) подхода в обучении физике, в целом, не способствует формированию у учащихся целостной, развернутой в отношении используемых средств экспериментальной деятельности, отвечающей нормам научного познания. Как отмечают А.В. Усова и А.А Бобров, «формирование умений самостоятельно вести наблюдении и ставить опыты протекает крайне медленно, так что к моменту окончания средней школы многие учащиеся не могут выделить, черты, характерные для эксперимента как метода научного познания, не могут самостоятельно проделать несложные опыты».

На основании изложенного, констатируем глубокое рассогласование между методами научного физического познания и теми методами познавательной деятельности, которые используются в обучении физике.

Обозначенное противоречие может быть разрешено при широком использовании участниками учебного процесса учебного исследовательского эксперимента, информационных технологий и внедрении новых педагогических технологий организации учебной деятельности школьников. Л.Я. Зорина формулирует данный принцип следующим образом. «В настоящее время на основе исследований представляется возможность сформулировать требования, составляющие содержание принципа научности, в виде трех иерархически связанных положений. Содержание образования должно:

1) соответствовать уровню современной науки;

2) включать содержание, необходимое для создания у учащихся представления о частных и общенаучных методах познания;

3) показывать учащимся важнейшие закономерности процесса познания».

С нашей точки зрения, школа должна учить детей мыслить системно. При этом термин «системное мышление» нельзя отождествлять с формально-логическим, абстрактным мышлением. Суть системного мышления состоит в том, что это особый способ подхода человека к рассмотрению сущности явлений. Человек, обладающий системным мышлением, решает любую задачу по определенным этапам научного исследования.

Учебный исследовательский эксперимент - это вид деятельности, нацеленной на овладение обучаемыми методом научного познания, посредством которого раскрывается сущность явлений и на этой основе строятся или уточняются, дополняются, конкретизируются теоретические модели действительности.

Учебный исследовательский эксперимент является составной частью исследовательского метода. Он же в свою очередь, относится к числу так называемых продуктивных методов обучения, способствующих развитию творческих способностей, системного мышления учащихся и позволяющих планомерно и целенаправленно их формировать. Сущность исследовательского метода заключается в организации учителем поисковой, творческой деятельности учащихся для решения новых проблем и проблемных задач. Назначение данного метода - полноценное усвоение школьниками опыта научного исследования.

В учебном исследовательском эксперименте рельефно обнаруживает себя логический статус элементов физического знания (понятие, факт, закон, принцип, гипотеза, теория, метод и т.д.). Это обусловлено тем, что эксперимент проектируется и осуществляется на основе теории с использованием моделей, с опорой на методологические принципы физики (сохранения, симметрии, относительности, соответствия); в ходе исследования выдвигаются гипотезы относительно способов достижения цели и результатов, разрабатывается метод исследования, добываются факты и т.д. Понимание учащимися логического статуса элементов знаний является необходимым условием их системности.

Учебный исследовательский эксперимент, как показывает проведенный нами анализ, не получил необходимого распространения на уроках физики. Данный вид эксперимента применяется, на протяжении многих лет при подготовке и проведении олимпиад различного уровня и в работе с профильными физико-математическими классами.

В разное время в методической литературе предлагалось использовать подобные задания для достижения тех или иных целей обучения (таблица 2).

Таблица 2. Использование физического эксперимента с элементами исследовательской деятельности различными авторами.

Автор	Год	Цель применения	Время проведения
Вакс И.З.	1977	Развитие познавательной деятельности.	Уроки физики. Повторение темы: «Электродинамика». Совместно с решением стандартных задач.
Камкиев Ж.С., Шумилин В.Ю.	1984	Развитие творческих способностей	Факультативные и внеклассные занятия.
Савинцев В.Н.	1979	Политехническая подготовка.	Уроки физики. Повторение темы: «Электродинамика». Совместно с решением стандартных задач. Факультативные занятия.
Солодухин Н.А.	1987	Политехническая подготовка	Факультативные занятия.
Тилтинь Э.Ж.	1979	Политехническая подготовка	Уроки физики. Повторение темы: «Электродинамика». Совместно с решением стандартных задач. Факультативные занятия
Черкавский Н.И	1985	Развитие творческих способностей	Уроки физики. Повторение темы: «Электродинамика». Совместно с решением стандартных задач. Факультативные занятия

Из таблицы видно, что цели применения исследовательских экспериментальных задач в разное время отличались. Использование задач этого типа применялось в основном при повторении темы «Электродинамика» и на факультативных и внеклассных занятиях. Систематического использования подобного рода задач на уроках физики при формировании системного мышления, умений научно-исследовательской деятельности на протяжении всего курса физики не разработано.

В нашей работе основой реализации исследовательского метода выступает методика обучения физике построенная на экспериментальных задачах исследовательского характера, типа «черный ящик» и теоретических заданий по анализу результатов учебных исследовательских экспериментов. Под «черным ящиком» мы понимаем закрытую систему, имеющую «вход» и «выход». Внутреннее содержание закрытой системы неизвестно. Корпус «черного ящика» непрозрачен. Внутрь помещаются различные по сложности механические, электрические, оптические системы или их элементы. Внешние выводы или клеммы, служащие для соединения с измерительными приборами, нумеруются. В зависимости от назначения «черный ящик» снабжается переключателями и индикаторами (лампами, световыми диодами и т.п.) расположенными на внешней стороне прибора.

B настоящее время выполнение исследовательских работ, в том числе и экспериментального характера, организуется почти исключительно за рамками программ учебных предметов федерального компонента учебного плана методом проектов. Этот метод оправдывает себя в условиях, когда работы исследовательской направленности выполняются эпизодически, не обязательно всеми учащимися. Недостатки и ограничения метода проектов известны: фрагментарность содержания обучения, случайность выбора тем, неопределенность образовательного результата и т.д.

На наш взгляд, обучение исследовательской деятельности должно осуществляться в рамках систематического курса. Только в этом случае может быть обеспечена полноценная реализация предписываемых образовательным стандартом требований к выпускникам, связанных с овладением ими научного метода.

Предлагаемая методика требует нового оборудования, доступного для применения в любой школе. Потребность в новом современном оборудовании с обновленным методическим обеспечением продиктована также критическим состоянием материально-технической базы большинства общеобразовательных учреждений.

В 2004 году, нами было проведено анкетирование 51 школы г. Томска, с целью выяснения уровня оснащенности кабинетов физики. Результаты анализа показали, что оснащенность кабинетов физики школ г. Томска в среднем составляет 30%-40% от существующего перечня учебного оборудования по физике для общеобразовательных учреждений России. Подсчет стоимости всего недостающего, но типичного для производства и «элементарного» для кабинета физики оборудования показывает необходимость значительных вложений.

Во втором анализе нами были определены затраты, необходимые для оснащения кабинета физики «с нуля» в условиях г. Томска, в соответствии с нормативными требованиями. Получена еще более значительная итоговая сумма.

Таким образом, решение проблемы оснащенности требует в обоих случаях значительных капиталозатрат на покупку оборудования. При этом методика «продаваемого» эксперимента, как правило, была разработана 15 - 20 лет назад и морально устарела. Это методика репродуктивного эксперимента.

Исходя из полученных результатов, нами была поставлена задача: разработать оборудование по физике для фронтальных лабораторных работ и практикумов с полным методическим сопровождением, направленным на организацию учебно-исследовательской деятельности учащихся в новых условиях для школы.

Третья глава «Методика проведения учебного исследовательского эксперимента и оценки уровня сформированности системного мышления». В этой главе предложена модель работы учителя по проведению учебного исследовательского эксперимента и диагностики системного мышления; представлены результаты разработанной автором методики.

Предлагаемая нами методика базируется на двух видах эксперимента: натурном и мысленном. В натурном (от лат. natura - природа) естественнонаучном эксперименте исследованию подвергается материальный объект (образец, электрическая цепь и т.п.), при этом предмет исследования составляют некоторые свойства этого объекта. В нашем случае материальными объектами являются «черные ящики». В мысленном эксперименте исследователь выполняет действия в мысленном (идеальном) плане. Эти действия подобны чувственно-предметным и мысленным действиям, выполняемым в натурном эксперименте. Этот вид эксперимента используется нами при решении теоретических задач исследовательского характера.

Рассмотрим методику учебного исследовательского эксперимента на конкретных примерах.

1. Многоуровневый исследовательский эксперимент по электричеству

Внешний вид прибора содержащего 11 скрытых электрических схем изображен на рисунок 1.

Рисунок. 1

Скрытые схемы реализованы в закрытой непрозрачной коробке - «черный ящик». Сама схема представляет собой несложную электрическую цепь, узлы соединений которой выведены наружу. С помощью переключателя, расположенного на верхней части коробки, осуществляется задание того или иного варианта схемы. Каждый новый вариант схемы формируется из трех элементов цепи и их возможных подключений к четырем узлам соединений, выведенных наружу и обозначенных на корпусе коробки буквами: A, B, C, D, образуя, таким образом, физическую систему из 11 электрических схем.

Используя мультиметр, ученик должен определить, какая схема системы задействована и какие элементы цепи, последовательность их соединения, номиналы резисторов, составляющих электрическую цепь имеются.

Методика выполнения работ со скрытыми схемами.

Характер заданий для учащихся могут быть различными и зависят от того, в каком классе используются такие устройства, от уровня подготовки школьников и от выбранных дидактических целей.

Для гуманитарных и общеобразовательных классов составные элементы цепи (резисторы), их количество и номиналы могут быть заданы, от учащихся требуется определить расположение резисторов в цепи, изобразить реальную схему подключения резисторов к выводам непрозрачной коробки, затем эквивалентную схему. В этом случае для упрощения может быть задан режим работы мультиметра - омметр.

Для физико-математического профиля достаточно задать количество составных элементов цепи. Возможно усложнение процесса исследования данной физической системы путем замены омметра на вольтметр, амперметр и источник тока.

Рассмотрим детально методику решения задания со схемой №1

Задание. В «черном ящике» находится электрическая схема, состоящая из 3-х резисторов, номиналы которых: 1 кОм, 2 кОм, 3 кОм. Требуется определить реальную схему подключения резисторов к выводам «черного ящика», расположение резисторов в цепи и изобразить эквивалентную электрическую схему.

Оборудование. «Черный ящик» (переключатель находится в положении 1), мультиметр в режиме омметра.

Методика выполнения работы.

1. Ознакомление с условиями. Внимательное прочтение учащимися условия задачи. Определение цели и начальных условий задачи (что необходимо найти и что использовать). При возникновении, каких-либо затруднений в понимании условия задачи учащиеся обращаются к учителю.

2. Актуализация теоретических знаний. Учащиеся проводят предварительный анализ заданной информации: число элементов скрытой физической системы - 3, номиналы резисторов одного порядка, режим работы мультиметра задан - омметр. Актуализируются имеющиеся теоретические знания по заданной теме: параллельное и последовательное соединение проводников.

3. Формулировка гипотезы. Имеющиеся резисторы могут быть соединены: последовательно, параллельно либо смешанное соединение.

4. Обоснование гипотезы. Если все резисторы соединены последовательно, то мультиметр, в одном из подключений, обязательно покажет значение 6 кОм, так как при последовательном соединении

;

.

При соединении всех резисторов параллельно, мультиметр обязательно покажет, в одном из подключений, значение 0,54 кОм, так как в этом случае

. Тогда

В остальных случаях соединение будет смешанным.

5. Экспериментальное подтверждение гипотезы. Вывод.

Таблица 3

	Точки подключения мультиметра
Показания мультиметра, кОм	AB	AC	AD	BC	BD	CD
	3	2	3	5	6	1

Анализируя снятые показания и сопоставляя с теоретическими выкладками, выходят на единственно возможную схему соединения резисторов (рис.2):

Рис. 2

Вывод: реальная схема соединения резисторов, находящихся в «черном ящике» имеет вид представленный на рисунке 1.

Эквивалентная схема соединения резисторов имеет вид (рис. 3):

Рис. 3

2. Теоретическая задача исследовательского характера.

Имеется выключатель и две электрические лампочки, на цоколе одной из которой написано 75 Вт, 220 В, а на цоколе другой - 15 Вт, 220 В. Составить электрическую схему, удовлетворяющую следующим условиям: когда выключатель находится в положении «включено», горит только лампа 75 Вт, если же его перевести в положение «выключено», то эта лампа гаснет, но загорается лампа мощностью 15 Вт. Нарисовать схему и объяснить принцип ее работы.

Методика решения задачи

1. Цель. Внимательное прочтение условия задачи учащимися. (Следует обратить внимание учащихся на отношение мощностей; при построении схемы не должно быть лишних соединений). Определение цели (что необходимо найти). При возникновении, каких-либо затруднений в понимании условия задачи учащиеся обращаются к учителю.

2. Актуализация теоретических знаний. Учащиеся проводят предварительный анализ заданной информации. Актуализируют имеющиеся знания по данной теме, то есть определяют, к какому разделу физики относится данная задача, вспоминают основные определения, правила и законы, относящиеся к этому разделу, в данном случае - последовательное и параллельное соединение проводников, мощность электрического тока, закон Ома для участка цепи.

Рисунок 4

3. Формулировка гипотез. На данном этапе в ходе обсуждения с учащимися свойств возможных цепей, учитель подводит учащихся к схеме соединения приведенной на рисунке 3.

4. Обоснование гипотезы. Так как мощность равна (где R - сопротивление лампы), то ; таким образом сопротивление лампы мощностью 75 Вт в 5 раз меньше сопротивления лампы мощностью 15 Вт.

Это технические характеристики ламп, они остаются неизменными.

Когда выключатель разомкнут, мы имеем две последовательно соединенные лампы. Следовательно,



где U₁ - напряжение на лампе, мощностью 75 Вт, U₂ - напряжение на лампе мощностью15 Вт.

I = const, значит, согласно закону Ома, .

Получаем систему уравнений:

;

.

Откуда U₁ = 37 В, U₂ =183 В.

5. Подтверждение гипотезы. Вывод. Таким образом, когда выключатель разомкнут, напряжение на 15-ваттной лампе в 5 раз больше, чем на 75-ваттной и равно примерно 183 В. Эта лампа горит. На 75-ваттной лампе напряжение рано приблизительно 37 В, и нить этой лампы не раскаляется. Так как сопротивление лампы мощностью 15 Вт в 5 раз больше, сопротивления лампы мощностью 75 Вт, то при замыкании ключа лампа (15 Вт) с большим сопротивлением гаснет, начинает светится лампа (75 Вт), сопротивление которой меньше.

При замене лампы мощностью 15 Вт на более мощную, либо лампы мощностью 75 Вт на менее мощную, отношение мощностей уменьшится и наблюдаемый эффект будет не столь выразительным или исчезнет вовсе.

Данные задания позволяют учащимся, определять составные элементы скрытой физической системы, выявлять ее структуру и связи между элементами.

По окончании работы учащиеся составляют отчет. В отчет входит описание следующих взаимосвязанных и взаимообусловленных процедур.

Цель.

Актуализация теоретических знаний, определение состава контролируемых величин и способа их измерения.

Формулировка гипотезы.

Обоснование гипотезы.

Подтверждение гипотезы и формулировка вывода, выявляющего структуру скрытой физической системы.

Отчет оформляется на бумажном носителе (в тетради).

Структура представленного отчета позволяет оценить каждый выделенный элемент научно-исследовательской деятельности и определить уровень сформированности системного мышления каждого ученика.

Уровни сформированности системного мышления могут быть разными. Наиболее подходящей основой для классификации этих уровней, с нашей точки зрения, является классификация уровней сформированности учебных исследовательских действий и деятельности предложенная М.И. Старовиковым. На ее основе нами разработаны критерии по определению уровней сформированности системного мышления (таблица 4).

Таблица 4. Уровни сформированности системного мышления. Критерии их выделения

Уровни	Критерии для выделения уровней
I	Учащийся отслеживает логику учителя при анализе объекта. Воспроизводит данный материал.
II	Учащийся, с помощью учителя, обнаруживает связи между элементами системы.
II	Учащийся самостоятельно анализирует объект как систему связанных элементов и выделяет общий принцип построения этой системы.
IV	Учащийся не только выявляет связи между элементами системы и принцип ее построения, но и конструирует новые системы на основе выделенного принципа.

Результаты эксперимента. В работе, для определения уровня сформированности системного мышления учащихся и элементов научно-исследовательской деятельности, мы используем методику балльной оценки, метод интерполяции и критерий c²-квадрат.

Эксперимент проводился в несколько этапов. На первом этапе (2004-2005 гг.) проведена оценка оснащенности кабинетов физики в школах г. Томска (51 школы). Проведено анкетирование учителей физики (всего порядка 50 человек) с целью, определить, какие технические и методические разработки наиболее востребованы в учебном процессе. Выявленные факты позволили сформулировать цель и проблему исследования - формирование системного мышления учащихся на основе использования экспериментальных работ исследовательского характера. Сформулирована гипотеза исследования, в соответствии с которой, необходимые современному выпускнику качества должны формироваться на основе исследовательского метода обучения.

На втором этапе (2005-2006 гг.) сконструированы экспериментальные образцы заданий исследовательского характера; осуществлен пробный эксперимент - фрагментарное внедрение авторской методики в процесс преподавания физики в целях проверки эффективности методики и ее корректировки.

Третий этап (2006-2007 гг.) заключался в проведении обучающего эксперимента по внедрению авторской методики в процесс обучения школьников и студентов. Всего в эксперименте участвовало 30 студентов, 170 учащихся профессиональных училищ, 45 учащихся гимназии. Эксперимент проводился на базе гимназии «Логос» при ТГПУ, ПУ №6 г. Томска и физико-математического факультета ТГПУ.

В эксперименте по проверке уровня сформированности системного мышления и элементов научно-исследовательской деятельности участвовало 245 учащихся: 14 - экспериментальная группа №1 (ЭГ№1), 16 - контрольная группа №1 (КГ№1), 24 - экспериментальная группа №2 (ЭГ№2), 21 - контрольная группа №2 (КГ№2), 83 - экспериментальная группа №3 (ЭГ№3), 87 - контрольная группа №3 (КГ№3).

В начале эксперимента был проведен констатирующий эксперимент по оценке элементов научно-исследовательской деятельности. Учащимся обеих групп было предложено решить экспериментальную исследовательскую задачу. Результаты эксперимента представлены на рисунке 5.

Рис. 5. Результаты констатирующего эксперимента

Объем теоретического материала у экспериментальной и контрольной групп был одинаков. Далее группы продолжали обучение по разным направлениям. У экспериментальной группы часть лабораторных работ была заменена учебным исследовательским экспериментом и в процессе решения задач применялись задачи исследовательского характера. В контрольной группе выполнялись стандартные лабораторные работы типовые задачи.

Результативность предложенной методики оценивалась с помощью разработанного инструментария по оценке уровня сформированности системного мышления учащихся и элементов научно-исследовательской деятельности, основанного на методике балльной оценки, метода интерполяции и критерия c²-квадрат.

Результаты оценки уровня сформированности системного мышления и элементов научно-исследовательской деятельности на завершающем этапе эксперимента.

Метод балльной оценки. По каждому критерию учащийся может получить от 0 до 10 баллов. Худшему значению присваивается минимальный балл, лучшему - максимальный.

Каждому критерию присваивается коэффициент весомости в_j, отражающий относительную значимость критерия. Сумма коэффициентов весомости всех критериев должна быть равна единице: У в_j = 1.

Таблица 5. Оценка элементов научно-исследовательской деятельности

Наименование критерия	Коэффициент весомости вj	Баллы
		ЭГ №1	КГ №1	ЭГ №2	КГ №2	ЭГ №3	КГ №3	i - участ-ник
Цель исследования	0,1	5,7	3,5	4,7	3,9	3,8	2,1
Актуализация теоретических знаний, определение состава контролируемых величин и способа их измерения	0,2	4,8	2,2	4,5	2,3	1,7	0,8
Формулировка гипотезы	0,3	2,7	0,3	2,3	0,6	0,9	0
Обоснование гипотезы	0,2	3,2	0,6	2,7	0,7	1,1	0
Подтверждение гипотезы и формулировка вывода	0,2	6,7	4,5	6,3	3,9	3,5	2,9
j - критерий	Сумма баллов	23,1	11,1	20,5	11,4	11	5,8

В таблице 4 приведены средние баллы по группам.

Далее, баллы, полученные по критериям, суммируются. Суммарный балл определяет уровень сформированности системного мышления:

от 0 до 20 баллов - I уровень;

свыше 20 и до 30 баллов - II уровень;

свыше 30 и до 40 баллов - III уровень;

свыше 40 и до 50 баллов - IV уровень.

Таким образом, для большинства учащихся экспериментальных групп №1 и №2 характерен II уровень сформированности системного мышления, для большинства учащихся остальных групп - I уровень.



Рис. 6. Оценка уровня сформированности элементов научно-исследовательской деятельности на завершающем этапе эксперимента.

Применение метода интерполяции в интервале от минимального до максимального количества баллов позволяет определить балльное значение критерия для каждого учащегося.

Для каждого из участников эксперимента проводилась балльная оценка для всех критериев, представленных в таблице 5, по следующей формуле:

Для средних значений по группам получаем:

Таблица 6

Наименование критерия	Коэффициент весомости вj	Баллы
		ЭГ №1	КГ №1	ЭГ №2	КГ №2	ЭГ №3	КГ №3
Цель исследования.	0,1	10	4,5	7,5	5,5	5,2	1
Актуализация теоретических знаний, определение состава контролируемых величин и способа их измерения.	0,2	10	4,15	9,3	4,4	3,0	1
Формулировка гипотезы.	0,3	10	1	8,5	2,1	3,25	0
Обоснование гипотезы	0,2	10	1	8,3	1,35	2,7	0
Подтверждение гипотезы и формулировка вывода.	0,2	10	4,8	9,0	3,4	2,4	1

Суммарная оценка i-го участника конкурса определяется по формуле:

Таблица 7

Критерий	ЭГ №1	КГ №1	ЭГ №2	КГ №2	ЭГ №3	КГ №3
Bij	10	2,74	8,62	3,01	3,11	0,5
Рейтинг	1	5	2	4	3	6

Отметим, что данные, полученные при проверке хода и результатов выполнения всех видов эксперимента, являются сопоставимыми благодаря тому, что для их изложения используется единый план отчета.

Овладение исследовательским методом позволяет решать «системные» задачи, а значит - формирует системное мышление.

Оценка сформированности системного мышления у учащихся на основе выполнения заданий типа «черный ящик» (таблица 8).

обучение физика образование исследовательский

Таблица 8

Критерии системного мышления	Объем выборки
	ЭГ	КГ
	62	55
1. Умение определять входные и выходные параметры физической системы	29	45
2. Умение определять начальную систему уравнений	25	9
3. Умение обосновать полученное решение с входными и выходными параметрами предложенной физической системы	6	1
4. Умение изобразить эквивалентную схему	2	0

Не справились с заданием:

в экспериментальной группе №3 - 21 учащийся;

в контрольной группе №3 - 32 учащихся.

Достоверность результатов данного эксперимента определена на основании критерия c² (при уровне значимости Р = 0,01).

Так как полученное значение c^{2 эксперим} = 16,3 больше критического значения этого критерия (c^{2 критич.} = 11,3) для трех степеней свободы (n = С - 1 = 4 - 1 = 3) в соответствии с числом выбранных уровней, мы можем утверждать, что между результатами работ в исследуемых группах имеются статистически значимые отличия.

В заключении представлены основные выводы по проведенному исследованию.

В ходе исследования проанализирован и систематизирован научный и научно-методический материал по учебному исследовательскому эксперименту. Обоснована проблема формирования системного мышления и навыков научно-исследовательской деятельности учащихся в процессе обучения физике. Сконструированы экспериментальные образцы приборов для выполнения заданий исследовательского характера.

Составлены задания по формированию системного мышления на основе результатов учебного исследовательского эксперимента.

Разработана и реализована методика решения теоретических и экспериментальных заданий исследовательского характера, позволяющая эффективно формировать у учащихся системное мышление и навыки научно-исследовательской деятельности.

Результаты научного исследования могут быть использованы методистами при организации курсов повышения квалификации учителей физики, преподавателями физики, в системе профессионально-технического образования, на курсах по подготовке к поступлению в вузы.

...