Усовершенствование образовательной системы превращается в одну из самых мощных движущих сил социального развития, в необходимый инструмент перестройки во всех сферах деятельности человека. Одним из важных требований к современному образованию является формирование у молодежи способности к нестандартному, самостоятельному мышлению, ее вооружение умениями и навыками саморазвития и самоусовершенствования.

Настоящий этап развития педагогической науки связан “с широким движением среди преподавателей по оптимизации педагогического процесса на базе современных достижений науки, техники, производства, социального прогресса…” [1]. На этом этапе она использует открытия ряда наук: философии, теории систем, социологии, психологии, физиологии, кибернетики и др. Под их влиянием в педагогике формируются направления, решающие вопросы обучения с позиций определенной базовой науки. Независимо от успехов различных направлений в объяснении педагогических явлений, ряд вопросов остается все еще нерешенным.

Вместе с традиционными, уже утвержденными в педагогических исследованиях преимущественно эмпирическими методами, необходимо находить и использовать и другие, дающие новую, более богатую, точную и объективную информацию об изучаемых объектах. Такие методы могут взаимодействовать с различными областями науки - математикой, кибернетикой, теорией систем и т.д.

Все еще новым для педагогических исследований оказывается метод математического моделирования. В педагогической практике прошлого математические методы находили приложение преимущественно при статистической обработке результатов эмпирических исследований.

В последнее время для описания педагогических систем все более широко применяется метод графов. К сожалению, необходимо отметить, что в большинстве случаев после построения графовых моделей и составления матриц делается только качественный анализ связей между элементами, причем не используется теория систем, математический анализ и моделирование исследуемых объектов. Можно утверждать, что отказ от математического анализа графовых моделей не только ограничивает исследование и пренебрегает полезной информацией о структуре педагогических систем, но и возвращает все исследования на одну только эмпирическую основу.

Педагогическая практика показывает, что исследование процесса обучения нельзя сводить к чисто теоретическому или чисто эмпирическому подходу. Знание должно иметь два источника. Теоретическое и эмпирическое в качестве систем специфических методов могут существовать независимо, однако неоспоримо, что если они взаимодействуют, то получается более полное знание. В системе взаимодействующих методов сохраняется их качественная определенность, но доминирует один системообразующий метод, который подчиняет остальные и организует их взаимодействие.

В качестве системообразующего можно поставить метод математического моделирования. Это значит, что исследование будет проходить преимущественно на теоретической основе. Сам по себе этот метод не может привести к приложимым к практике результатам. Он только конструирует объекты и модели, которые затем исследуются различными дидактическими методами, подчиненными в свою очередь системообразующему.

Существует достаточно много эмпирических методов дидактических исследований:

1) изучение практики обучения и воспитания;

2) сбор эмпирического материала из литературных источников;

3) наблюдение;

4) дидактический эксперимент;

5) метод тестов;

6) анкетный метод;

7) изучение школьной документации и пр.

По вопросу о теоретических методах исследования необходимо сказать, что не существует универсальных, а из большой совокупности методов необходимо выбирать наиболее подходящий. Эта совокупность непрестанно обогащается, потому что:

возникают новые методологические проблемы в новых областях науки;

возникают новые приложения научных положений.

Согласно общепринятому мнению каждое теоретическое исследование должно охватывать:

начальную теоретическую основу, включающую в себя зафиксированные факты и результаты экспериментов, которые уже описаны и систематизированы, однако все еще недостаточно проанализированы, а может быть, и не объяснены;

множество принципов и законов (частных и общих);

логику науки (можно и математическую), с помощью которой делают выводы и доказательства;

строго доказанные утверждения, теоремы и их следствия

Эта совокупность является научным продуктом исследования.

Наличие достаточных эмпирических и теоретических методов исследования еще не является гарантией качественного решения различных прикладных задач в области педагогики. Такую гарантию мы видим в комплексном использовании различных методов.

Комплексный подход является одним из наиболее важных современных методологических направлений в научном познании, которое относится к общенаучным принципам, методам и технологиям исследования действительности, в т.ч. и педагогической теории и практики. В последнее время все чаще говорят о комплексном подходе и в педагогических исследованиях, комплексном использовании ТСО в обучении, учебно-профессиональных комплексах, комплексных планах и т.д.

Все чаще новое рождается на стыках наук. Сегодня очень трудно найти область научного познания, в которую бы не проникли математические модели. Переход от описательного этапа к математическому является не прихотью, а необходимостью, которая порождена прогрессом наук.

Математическое описание обладает следующими важными преимуществами.

Компактность. Словесное описание систем, как правило, представляет собой набор высказываний и пояснений, которые иногда затуманивают сущность вещей. Математика располагает точной символикой, позволяющей расширить сферу познания дисциплин, в которых она используется. Компактная математическая символика дает возможность выстроить непротиворечивые и более насыщенные информацией описания.

Ясность. Каждому математическому символу можно поставить в соответствие некий элемент, связанный с изучаемыми явлениями. Математика может строить свои понятия путем отвлечения от несущественных деталей. Кроме того, подобно сопоставлению она позволяет гораздо проще установить факты пропуска или необоснованного добавления некоторых элементов.

Возможность численного анализа. Математическое описание дает возможность использовать законы логики с надеждой получить нетривиальные результаты, познать качество посредством количества. Получаемые результаты носят не только описательный, но имеют и прогностический характер.

Сегодня очень трудно найти область научного познания, в которую бы не проникли математические модели. Переход от описательного к математическому этапу является не прихотью, а необходимостью, которая порождена прогрессом наук.

Специфика учебного эксперимента как системы требует предварительного создания определенного мнения о сущности учебного эксперимента, на основе которого можно осуществить комплексно-системное исследование.

Учебный эксперимент органически связан со всем школьным курсом физики. Проработка опытов и наблюдения помогают ученикам ознакомиться с экспериментальным методом в научных исследованиях. Они получают ценные практические умения, которые уменьшают абстрактность знания и приближают его к жизни, таким образом содействуя формированию действенного мировоззрения. Практика обучения физике показала, что самые лучшие результаты достигаются при сочетании теоретического и экспериментального методов.

Учебный эксперимент по физике предоставляет наилучшие возможности для реализации единства в деятельности учителя и учеников. Каждый учебный эксперимент, перенесенный на страницы учебника или другого пособия через схемы, чертежи, рисунки и объяснения, теряет свою познавательную ценность, поскольку остается «за кадром» множество на первый взгляд мелких, но существенных приемов его выполнения. Его проведение и организация являются существенной частью деятельности учителя.

Предлагается в систему УЭ включить в качестве структурных элементов:

1) демонстрационные опыты;

2) фронтальные лабораторные занятия;

3) фронтальные лабораторные опыты;

4) физический практикум;

5) внеклассные опыты и наблюдения;

6) мысленный учебный эксперимент;

7) техническое моделирование и конструирование.

Данная структура системы определяется целями учебно-воспитательного процесса и представляет одновременно:

1) источник знания;

2) метод обучения;

3) вид наглядности.

Развитие современной физики изменило представления о наглядности в науке. Осложнения появились в результате проникновения познания на уровень микромира. При этом теряется непосредственная наблюдаемость исследуемых объектов, потому что она основывается на механизме восприятия. Внимательный анализ, однако, показывает, что наглядность сохраняется, поскольку она создана на основе представлений и творческого воображения. Используемые приборы не меняют границ осязательного восприятия человека. В этом случае воспринимается не сам объект, а состояние прибора.

В школьный курс физики проникает все больше вопросов из современной физики. Это требует и соответствующего переосмысления принципа наглядности. Традиционное понимание наглядности только как осязательной подачи предметов и явлений уже недостаточно. Усвоение современных научно-теоретических знаний в обучении все больше требует использовать соответствующую модельную наглядность. К моделям необходимо подходить очень внимательно, чтобы не допустить ошибок. Нельзя забывать, что они являются лишь осязательной опорой и единственно на ее базе, без мысленного воспроизведения явления, нельзя достигнуть правильного научного знания. Скорее всего, мысленное преобразование явления необходимо уточнять в модели.

В современной школе происходит переход к новому учебному содержанию. Предусмотрено повышение научного уровня школьного курса в соответствии с требованиями НТР и на этой основе - повышение качества знаний, направленность курса на формирование научного мировоззрения, усовершенствование политехнического образования.

Важным направлением является приведение школьного образования в соответствие с требованиями нового учебного содержания. Необходимо создать такие комплексы и приборы, в которых используются самые современные достижения науки и техники.

Другим направлением усовершенствования УЭ является осуществление тесной связи между демонстрационными опытами, лабораторными занятиями и домашними лабораторными опытами. Система УЭ представляет собой не просто их суммирование, а цельную сущность как таковую, потому что ее структурные элементы органически связаны в единое целое. Для повышения эффективности системы УЭ необходимо исследовать и усилить связанность ее структурных элементов. Это приведет к еще более полной реализации ее потенциальных возможностей. С этой позиции вполне обоснованным будет утверждение, что демонстрации должны не только показывать качественную сторону явления, но и количественно отражать функциональные зависимости между величинами, т.е. раскрывать в первом приближении ту или иную закономерность. В связи с этим требуется разработка новых демонстрационных приборов с более высоким классом точности.

Это направление связано и с психологическими особенностями формирования экспериментальных умений и навыков учащихся. Процесс их создания требует, чтобы усвоенные знания (умственные действия) включались в новые внешние или внутренние действия как необходимые операции.

С момента, когда осознается необходимость использования определенного, предварительно усвоенного знания, при усвоении нового, оно уже превращается в умение. Этот способ может быть неочевидным для ученика, и здесь необходима помощь учителя путем задания алгоритма или создания ориентировочной основы для учащегося. При усвоении новых знаний необходимо создать ясные ориентиры, включающие признаки и условия действия. Лучше всего, если учащиеся откроют их сами и будут использовать впоследствии. Поэтому некоторые авторы рекомендуют в этап создания ориентировочной основы включить в качестве необходимого элемента предварительную информацию, касающуюся изучения явления и экспериментальных действий по его обнаружению. Вообще, только ориентировочная деятельность допускает непосредственное управление со стороны учителя путем задания алгоритма, образца действия, вмешательства в операции и этапы решения и пр.

Необходимо ли превращать операции в автоматизированный навык для успешного усвоения новых действий? Формально - нет, потому что только с помощью умений достигается тот же результат, но за значительно большее время. В связи с огромным значением некоторых умений для системы УЭ необходимо превратить их в навыки путем повторения и включения в большее число экспериментов в качестве необходимых операций. Естественно, этот механизм строго индивидуален. Для некоторых учащихся умение автоматически превращается в навык, для других необходимо различное число повторений.

В качестве примера рассмотрим учебный эксперимент, в котором как необходимое умение должна присутствовать работа с амперметром. Эта операция нуждается во множестве процессов, отвечающих определенным условиям данного действия. Необходимо знать предназначение прибора, уметь работать в различных диапазонах, знать способ его включения в электрическую цепь, научиться считывать показания и пр. Если эти процессы превращены в навык, они не являются для ученика самостоятельным действием. Соответствующие им цели не осознаются. Это не означает, что он перестает их воспринимать. Он не только их воспринимает, но само это восприятие продолжает управлять его действиями. В любой момент он может их осознать, если возникнет необходимость.

Рассмотрим создание нового учебного эксперимента (рис. 1). Из математической модели устанавливаем, что для повышения связанности, которая лучше всего отражает наше представление о системности предложенных к усвоению знаний, необходим новый эксперимент. Его создание, как уже подчеркивалось, требует эмпирического исследования, причем целенаправленного, чтобы соответствовать требованиям модели, которая определяет цель, содержание и вид эксперимента. После этого создается идеальная модель эксперимента, которая включается в математическую модель. Если изменения удовлетворяют нас, то эксперимент моделируется материально и подвергается лабораторной проверке.

Рис. 1. Разработка нового эксперимента

научный педагогический обучение физика

Этот эксперимент может показать, что необходимы изменения в содержании, виде, технике и т.д. После внесения корректив эксперимент снова включается в математическую модель. Если эксперимент является оптимальным с позиции математической модели, уточняется методика его проведения, и переходят к педагогическому воплощению. Если в нем будет доказано, что данный учебный эксперимент своей методикой и техникой отвечает требованиям физического эксперимента и целям методики обучения физике, он внедряется на практике. Кроме того, мы располагаем и проверенной на практике математической моделью системы УЭ. Она дает нам возможность получить быструю и объективную информацию о последствиях перемен в системе, которые может потребовать практика. Например, увеличивается ли сложность, появляются ли препятствия, каким из экспериментов нужна методическая поддержка.

Таким образом, можно выбрать правильное решение из многих вариантов, не прибегая к самому педагогическому эксперименту, который будет выступать на заключительном этапе в качестве «верховного арбитра». Комплексный подход ведет не только к более полному знанию о системе УЭ, но экономит время, а также делает непрерывный процесс оптимизации более динамичным.