На правах рукописи

НИКИТИН Григорий Романович

ИСТОРИЧЕСКИЕ ОПЫТЫ КАК БАЗОВАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ТЕОРИЙ В ВАРИАТИВНОМ

ОБУЧЕНИИ УЧАЩИХСЯ СТАРШИХ КЛАССОВ

13.00.02 – теория и методика обучения и воспитания (физика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Челябинск 2010

Работа выполнена на кафедре теории и методики обучения физике в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Челябинский государственный педагогический университет»

Научный руководитель: доктор педагогических наук, профессор Карасова Ирина Степановна

Официальные оппоненты: доктор педагогических наук, профессор Дубенский Юрий Петрович кандидат физико-математических наук, доцент Свирская Людмила Моисеевна

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Пермский государственный педагогический университет»

Защита состоится 19 ноября 2010 г. на заседании диссертационного совета Д 212.295.02 при ГОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр.

Ленина, д.69, ауд.439.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного университета Текст автореферата размещен на официальном сайте ГОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет»

http://www.cspu.ru.

Автореферат разослан «….» октября 2010г.

Учный секретарь диссертационного совета, доктор педагогических наук, профессор Елагина В.С.

Общая характеристика исследования Одна из современных задач модернизации физического образования связана с индивидуализацией и дифференциацией процесса обучения на основе идей генерализации и вариативности, персонализации, информатизации. Осуществить эти идеи можно в условиях обновлнных целей, содержания и технологий обучения физике. Учитель, реализующий их, должен владеть примами и способами обучения, понимать закономерности образовательного процесса, уметь соединять традиционное с инновационным, алгоритмические предписания с творческими методами и средствами обучения, иными словами – быть компетентным специалистом.

Успешно решать задачи модернизации физического образования может лишь учитель, владеющий методами учебного познания, в том числе экспериментальными. Формирование экспериментальных знаний и умений у учащихся средней школы осуществляется в процессе обучения физике в двух основных направлениях: организация и проведение учебного эксперимента;

ознакомление с историческими опытами, сыгравшими значительную роль, как в развитии физической науки, так и в становлении фундаментальных физических теорий.

Историческими можно назвать научные эксперименты, зафиксированные в истории науки, среди них особое место занимают фундаментальные опыты. Л.И. Резников, выделив фундаментальные опыты, впервые разработал методические основы их изучения в школьном курсе физики. В дальнейшем эти идеи получили развитие в работах других исследователей (С.Л. Вольштейна, Г.М. Голина, В.М. Дукова, О.Ф. Кабардина, С.Е. Каменецкого, И.С. Карасовой, В.В. Лаптева, В.В. Майера, Е.С. Объедкова, Е.В. Оспенниковой, А.А. Покровского, Н.С. Пурышевой, Д.А. Исаева, Н.В. Шароновой, В.Ф. Синенко, А.А. Смирнова, Л.М. Свирской, Б.И. Спасского, М.И. Старовикова, А.В. Усовой и А.А. Боброва, Н.П. Форостянной, М.А. Червонного, Т.Н. Шамало, Д. Шодиева и др.). В работах вышеназванных исследователей можно встретить термины, определяющие характер эксперимента:

«фундаментальный», «исторический», «решающий», «ключевой», «классический», «великий», «основополагающий». Изученная литература позволяет заключить, что в настоящее время остатся нерешнным вопрос о статусе физических опытов, поскольку не определены критерии для их классификации. Не все изучаемые в школе исторические опыты являются одинаково значимыми, среди них особое место занимают фундаментальные, потому что именно на их основе формируется представление о роли физического эксперимента в становлении современных идей и теорий.

В структуре и содержании фундаментальной физической теории исторические опыты выполняют разные функции. Они требуют разнообразных средств для демонстрации, поэтому их изучение требует вариативного подхода. Проблеме вариативного обучения посвящены исследования психологов (А.Г. Асмолова, В.В. Давыдова, А.А. Леонтьева и др.); педагогов (А.И. Маркушевича, Ю.Н. Кулюткина, В.М. Монахова, В.В. Фирсова, А.М. Кондакова, В.А. Ясвина, Ю.В. Громыко, Е.В. Клеймновой и др.); дидактов (И.Л. Беленок, А.П. Усольцева, Г.Г. Гранатова, М.Д. Даммер, Ю.И. Дика, А.В. Хуторского, Ю.П. Дубенского и И.П. Попович, В.И. Земцовой, Б.М. Игошева, А.Н. Мансурова, А.Е. Марона, А.В. Петрова, В.Г. Разумовского, Н.Н. Тулькибаевой, А.В. Усовой, А.А. Шаповалова и др.).

Признаками вариативного обучения являются наличие одинаково привлекательных и доступных для учащихся вариантов реализации программы, заданий; возможности выбора школьниками одного из вариантов, соответствующего их возможностям, интересам, предпочтениям;

быстрое и гибкое реагирование на изменения в выборе цели и задач обучения. Ведущим методом при изучении исторических опытов является экспериментальный (Л.И. Резников, О.Ф. Кабардин), от планирования различных видов эксперимента, средств для его постановки, способов реализации вариативного подхода для демонстрации исторических опытов зависит успешность использования данного метода в обучении физике.

В настоящее время проблеме использования всех видов физического эксперимента уделяется достаточное внимание, потому что е решение связано с повышением качества обучения физике. Основные направления совершенствования школьного физического эксперимента во многом зависят от использования компьютера в обучении. Современными видами учебного эксперимента являются виртуальный, в котором компьютер является виртуальной средой для моделирования, и компьютеризированный, в котором компьютер выступает частью реальной экспериментальной установки. Использование этих видов эксперимента в обучении физике имеет как положительные, так и отрицательные стороны, поэтому традиционный эксперимент (в котором компьютер не используется) остатся основным в обучении физике. Поскольку компьютеризированный и традиционный эксперименты проводятся на реальном оборудовании, их можно отнести в одну группу натурного эксперимента, который является альтернативным виртуальному. Решить актуальную проблему повышения качества знаний школьников по физике можно в обоснованном сочетании различных видов физического эксперимента. В известных нам работах не рассматривается методика обучения учащихся старшей профильной школы моделированию исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий в условиях вариативного использования натурного (традиционного, компьютеризированного) и виртуального экспериментов, поэтому эта проблема требует дополнительного исследования и решения.

Изложенное позволяет выявить противоречия в теории и практике вариативного обучения учащихся старшей профильной школы историческим опытам, составляющим базис фундаментальных физических теорий. Эти противоречия проявляются:

на социально-педагогическом уровне: между социальной потребностью, связанной с использованием альтернативных средств обучения и недостаточной разработкой путей и средств комплексного использования материальных и виртуальных моделей;

на общенаучном уровне: между необходимостью использования методологических знаний об исторических опытах, внсших определнный вклад в развитие и становление теоретических знаний и недостаточностью дидактического обоснования роли опыта в построении фундаментальной физической теории;

на методическом уровне: между необходимостью включения в образовательный процесс по физике современной вычислительной техники, готовностью учащихся старшей школы к использованию новых информационных технологий как средства учебного познания и недостаточной подготовкой учителя физики к их эффективному применению; между необходимостью вариативного использования натурного (традиционного и компьютеризированного) и виртуального экспериментов в процессе изучения исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий, и недостаточным обеспечением технологическими способами их взаимосвязанного применения.

Необходимость разрешения вышеназванных противоречий определила актуальность настоящего исследования, проблему которого мы видим в поиске ответа на вопрос: какой должна быть методика обучения учащихся старших классов историческим опытам, составляющим базис фундаментальных физических теорий, в условиях использования вариативных методов и средств учебного познания. Решение данной проблемы обусловило выбор темы исследования: «Исторические опыты как базовая составляющая фундаментальных физических теорий в вариативном обучении учащихся старших классов».

Объект исследования: процесс обучения физике учащихся старших классов.

Предмет исследования: изучение учащимися старших классов исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий, на основе вариативных средств и способов обучения.

Цель исследования: теоретическое обоснование и разработка методики вариативного изучения учащимися старших классов исторических опытов в соответствии со структурой и содержанием фундаментальной физической теории.

Гипотеза исследования: изучение учащимися старших классов исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий, может быть эффективным, если:

определить статус исторических опытов в соответствии со структурой фундаментальных физических теорий, систематизировать их, включив в инвариантную и вариативную составляющие учебной программы по физике для старшей профильной школы;

выбрать вариативные средства и способы для изучения фундаментальных, основополагающих и опорных опытов в условиях школьного кабинета физики и «домашней лаборатории» ученика;

осуществить моделирование физических опытов, раскрывающих суть явлений и закономерностей, на основе проектной деятельности учащихся в процессе использования альтернативных экспериментальных средств обучения (натурных, виртуальных), способствующих развитию исследовательских умений, мотивации учения школьников;

осуществить целенаправленную подготовку студентов (будущих учителей) вариативному использованию взаимодополняющих экспериментальных средств и методов обучения историческим опытам.

Задачи исследования:

1. Проанализировать состояние проблемы в области изучения исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий.

2. Определить условия и требования вариативного изучения учащимися старших классов исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий.

3. Разработать методику изучения учащимися старшей профильной школы физических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий, на основе использования современного оборудования Lмикро.

4. Определить структуру и содержание проектной деятельности учащихся в работе с материальными и виртуальными моделями в классе и дома.

5. Разработать программу элективного курса для учащихся старшей профильной школы «Экспериментальные факты фундаментальных физических теорий» на основе вариативных экспериментальных средств обучения (натурных, виртуальных).

6. Разработать программу и содержание лабораторного практикума для студентов V курса по дисциплине «Методика обучения физике в профильных классах», обеспечивающего профессиональную подготовку будущих учителей физики к деятельности по вариативному использованию взаимодополняющих экспериментальных средств и методов обучения учащихся старших классов.

7. Провести педагогический эксперимент, в ходе которого проверить гипотезу исследования.

Теоретико-методологическую основу исследования составили:

методология научного познания, теоретико-методологические основы формирования фундаментальных физических теорий, теория формирования обобщнных умений и навыков, моделирование как метод научного познания, информационно-коммуникационные технологии обучения, вариативный подход в использовании экспериментальных методов научного познания, концепция дифференциации и индивидуализации обучения, концепция конструирования и проектирования образовательного процесса, основы методики и техники школьного физического эксперимента, современные концепции развития самостоятельности личности в учении.

Для решения поставленных задач применялись теоретические и экспериментальные методы научного исследования: 1) теоретический анализ научных трудов в области общей и предметной педагогики, методики обучения физике, психологии, философии, инновационных методов обучения; 2) анализ нормативных документов для разных образовательных уровней обучения учащихся и содержания физического образования в виде ГОСов, различных программ курсов, в том числе элективных, а также способов организации процесса обучения физике учащихся старших классов;

3) количественное описание процессов, механизмов использования моделей;

4) педагогический эксперимент (наблюдение, анкетирование, беседа, метод экспертных оценок, контрольные срезы знаний учащихся, тестирование, контроль остаточных знаний); 5) методы математической статистики для обработки результатов эксперимента.

Научная новизна исследования:

1. Осуществлена классификация исторических опытов с целью включения их в инвариантную и вариативную части учебных программ для классов разного профиля по двум основаниям. В соответствии с предложенной классификацией выделены: фундаментальные, основополагающие и опорные опыты, определяющие базис фундаментальных физических теорий; совокупность фундаментальных опытов, позволивших определить константы фундаментальных взаимодействий.

2. Разработана методика вариативного изучения учащимися старших классов исторических опытов в соответствии со структурой и содержанием фундаментальной физической теории, отражающая целевой, содержательный и процессуальный компоненты познавательной деятельности школьников.

Целевой компонент определяется потребностями общества, учащегося, его мотивами и интересами; содержательный – экспериментальными фактами, входящими в основание, ядро и следствие теории; процессуальный – технологическим инструментарием, включающим взаимодополняющие экспериментальные средства (натурные, виртуальные).

3. Обоснован выбор условий вариативного изучения учащимися старших классов исторических опытов, включающих три основных составляющих: 1) определение статуса исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий; 2) осуществление систематизации исторических опытов в соответствии с их классификацией;

3) определение компонентов процессуальной стороны вариативного обучения.

4. Определены дидактические требования к организации и проведению исследовательской деятельности учащихся с натурными объектами (на оборудовании L-микро) и виртуальными моделями в процессе изучения исторических опытов, к ним отнесены: 1) обоснованность выбора моделей эксперимента (натурных, виртуальных) для организации проектной деятельности учащихся; 2) сформированность экспериментальных умений у учащихся для осуществления учебно-познавательной деятельности;

3) сформированность профессиональных умений учителя физики для организации экспериментальной деятельности учащихся в работе с аналогоцифровым оборудованием.

Теоретическая значимость исследования состоит:

В развитии методологических оснований для обучения одному из структурных элементов фундаментальной физической теории – экспериментальному факту, в процессе организации учебно-познавательной деятельности учащихся старших классов на занятии в школе и самостоятельной работе дома по выполнению физического эксперимента (натурного, виртуального).

В разработке модели методики вариативного изучения учениками старших классов исторических опытов по физике, включающей потребностно-мотивационный, целевой, содержательный и информационнообразовательный компоненты учебно-познавательной деятельности школьников.

«основополагающий опыт», «опорный опыт» в соответствии со структурой и содержанием фундаментальной физической теории.

Практическая значимость исследования заключается:

В разработке программы элективного курса для учащихся старшей профильной школы по предмету «Физика» («Экспериментальные факты фундаментальных физических теорий») и лабораторного практикума для студентов (будущих учителей физики) по дисциплине «Методика обучения физике в профильных классах» («Исторические опыты в структуре фундаментальной физической теории»).

В подготовке методического и учебного материала для проведения учебных занятий по изучению исторических опытов в старших классах разного профиля.

В подготовке методических рекомендаций для преподавателей педвуза по обучению будущих учителей физики организации в школе физического эксперимента с аналого-цифровым оборудованием.

В подборе и систематизации самостоятельных индивидуальных и разноуровневых экспериментальных заданий для выполнения их в классе и дома.

Достоверность результатов исследования обеспечена: всесторонним анализом проблемы исследования, применением современной научной методологии исследования; выбором методов исследования, адекватных его предмету; разнообразием методов опытно-экспериментальной работы и корректностью их применения; критической оценкой полученных результатов, их воспроизводимостью на основе сопоставления с результатами, полученными ранее по исследованию данной проблемы;

применение методов математической статистики с целью выявления наджности и достоверности выводов по результатам экспериментального обучения.

Апробация и внедрение результатов исследования. Результаты исследования докладывались и обсуждались на региональных, всероссийских и международных семинарах и конференциях, посвящнных актуальным проблемам активизации учебно-познавательной деятельности учащихся в процессе обучения физике: «Физическое образование: проблемы и перспективы развития», (Москва, 2010); «Фундаментальные науки и образование», Бийск, 2010; «Физическое образование: проблемы и перспективы развития», (Рязань, 2010); «Развивающие технологии в образовании: использование учебных материалов нового поколения в образовательном процессе», (Томск, 2010); «Проблемы и перспективы развития образования в России», (Новосибирск, 2010); «Физика и ее преподавание в школе и в вузе. VIII Емельяновские чтения», (Йошкар-Ола, 2010); «Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов педвуза», (Челябинск, 2008, 2009, 2010); «Интеграция методической (научно-методической) работы и системы повышения квалификации кадров», (Челябинск, 2010).

Апробация методики вариативного изучения учащимися старшей школы исторических опытов осуществлялась в образовательных учреждениях (лицеях, гимназии, общеобразовательной школе). Общий объм опубликованных работ составил 9,8 п.л.

Положения, выносимые на защиту:

1. Содержательная и процессуальная стороны вариативного обучения учащихся старших классов зависят от профиля школы (класса).

Фундаментальные опыты, определяющие базис любой фундаментальной физической теории, должны изучаться в полном объме в классах любого профиля, поэтому они составляют инвариантную часть образовательной программы. Основополагающие и опорные (в большей степени) опыты могут быть частично включены в инвариантную или вариативную составляющую программы по физике в зависимости от профиля класса.

2. Методика вариативного изучения исторических опытов в структуре и содержании фундаментальной физической теории, включающая целевой, содержательный и процессуальный компоненты учебнопознавательной деятельности учащихся, предполагает реализацию потребностей и мотивов учения школьников в процессе их проектной деятельности по выполнению опытов с аналого-цифровым оборудованием.

3. Вариативность в обучении учащихся старшей профильной школы историческим опытам зависит от:

1) условий е организации, которая определяется: а) статусом исторических опытов в соответствии со структурой и содержанием фундаментальных физических теорий; б) классификацией исторических опытов и их систематизацией; в) разнообразием экспериментальных средств и дидактических способов предъявления содержания обучения историческим опытам по физике;

2) дидактических требований к организации и проведению исследовательской деятельности учащихся с натурными объектами и виртуальными моделями, предполагающих: а) обоснованность выбора моделей эксперимента для организации проектной деятельности учащихся;

б) сформированность экспериментальных умений у учащихся для осуществления учебно-познавательной деятельности; в) наличие профессиональных умений учителя физики, организаующего экспериментальную деятельность учащихся в работе с аналого-цифровым оборудованием.

4. Элективный курс, программа которого апробирована в классах разного профиля, позволяет приобщить учащихся к проектной исследовательской деятельности на основе измерительного комплекса L-микро, осуществить вариативное обучение историческим опытам, составляющим базис фундаментальной физической теории.

5. Методика вариативного обучения историческим опытам, составляющим базис фундаментальных физических теорий, обеспечивается профессиональной компетентностью учителя физики, владеющего современными информационными технологиями, обучать которым целесообразно в вузе студентов старших курсов (будущих учителей) на лабораторном практикуме по методике обучения физике в профильных классах.

фундаментальных физических теорий, на основе разноуровневых индивидуальных заданий способствует глубокому пониманию методологической природы физического знания, развитию исследовательского и деятельностного компонентов в работе с моделями разного вида – материальными и виртуальными, мотивации учения школьников и студентов.

Структура диссертации. Диссертационное исследование общим объмом 258 страниц, в том числе 222 страницы основного текста, состоит из введения, трх глав и заключения, библиографического списка ( наименований), и 18 приложений. Диссертация содержит 31 рисунок, таблиц.

Во введении обоснованы актуальность исследования, его научная новизна, теоретическая и практическая значимость; определены объект, предмет, цель, гипотеза и задачи исследования; сформулированы основные положения, выносимые на защиту, содержатся сведения об апробации и внедрении результатов исследования.

Первая глава «Методологические основания для изучения экспериментального базиса фундаментальных физических теорий учащимися старших классов» посвящена методологическому описанию предмета исследования. Обосновывается, что применение метода моделирования в учебном познании исторических опытов в силу сложности этой предметной области знания требует дополнительного использования моделей всех видов. Материальные модели опыта позволяют продемонстрировать с помощью натурного оборудования физические явления, закономерные связи между физическими величинами. Идеальные модели (математические, графические и др.) дают возможность осуществить анализ физических процессов. Виртуальные модели, как один из видов материализованных моделей, исследуются с помощью виртуальных приборов и устройств, функционирующих на основе математических моделей, заложенных в «программу-стимулятор». Наибольшую ценность представляет комплексное и вариативное применение в учебном процессе по физике моделей разного вида.

Анализ структуры и содержания фундаментальных физических теорий, определяющих базис физической картины мира, позволил осуществить классификацию исторических опытов, внсших определнный вклад в е становление и развитие (рис. 1). Таким образом, если выбрать фундаментальную физическую теорию в качестве основания для классификации исторических опытов, то их можно поделить на фундаментальные, основополагающие и опорные.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСТОРИЧЕСКИЕ ОПЫТЫ

(ПРИЗНАКИ) ИСТОРИЧЕСКИХ

ФИЗИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ

ОПЫТОВ

установление явлений и закономерностей,

СЛЕДСТВИЕ ОПОРНЫЕ

ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЕ

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ

ОСНОВАНИЕ

Фундаментальные опыты – это опыты, вступившие в противоречие с общепринятой на тот момент времени концепцией, подорвавшие фундамент существующих теоретических положений и закономерностей.

Основополагающие опыты подтверждают основополагающие законы и принципы, составляющие ядро новой фундаментальной физической теории.

Опорные опыты иллюстрируют отдельные явления, частные законы, предсказанные этой теорией, получившие широкое применение на практике.

Поскольку следствие теории объясняет ранее открытые явления, предсказывает новые, а также характеризует прикладную направленность физической теории, то опорные опыты, имеющие историческую природу, можно разделить на несколько групп: 1) опыты, предшествующие созданию теории, результаты которых укладывались в рамки существовавших теорий, и не вызвавшие серьзных противоречий в науке; 2) опыты по открытию новых явлений и закономерностей, которые можно объяснить только на основе положений новой теории; 3) опыты по установлению явлений и закономерностей, предсказанных теорией; 4) опыты, имеющие прикладное значение.

Исторические опыты в классической механике Теоретическое положение Экспериментальный факт

ОСНОВАНИЕ

Противоречие во взглядах на Г. Галилей – исследование и формулировка основных закономерности движения тел кинематических закономерностей движения тел (1638) (Аристотель (IV век до н.э.) и Леонардо да Винчи (XV век)) Противоречие во взглядах на устройство Вселенной (Аристотель (IV век до н.э.) и Н. Коперник (1543)) Исследование природы всемирного тяготения, измерение гравитационной гравитационного взаимодействия постоянной (1665 – 1666) Принцип относительности Галилея П. Гассенди – экспериментальное доказательство Законы Ньютона (1687) Второй закон Э. Мариотт – исследование столкновения упругих тел

СЛЕДСТВИЕ

Накопившиеся экспериментальные Архимед – исследования условий равновесия рычага, факты, которые объяснялись закономерностей действия выталкивающей силы (III в.

взглядами античных учных- до н.э.) философов, нашедшие Ж. Буридан, Н. Орем, А. Саксонский – исследования единообразное объяснение с закономерностей движения тел (XIV в.) помощью законов Ньютона Г. Гук – установление закона деформации (1660) Опыты, иллюстрирующие частные Г. Кориолис – открытие дополнительного ускорения, явления и закономерности, возникающего при сложном движении (1829) объясняемые законами Ньютона, а Л. Фуко – открытие суточного вращения Земли (1851) также получившие широкое Ю. Майер – открытие закона сохранения энергии и применение в технике определение механического эквивалента теплоты (1842) Опыты, по открытию явлений и закономерностей, предсказанных на основе законов У.Ж. Леверье – существование И.Г. Галле – первые наблюдения за планетами (1846) Нептуна и Плутона (1845) В главе проанализированы позиции разных исследователей относительно классификации исторических опытов (С.Л. Вольштейна, Г.М. Голина, Н.С. Пурышевой, Н.В. Шароновой, Д.А. Исаева, Е.В. Оспенниковой, Г. Липсона, Д. Тригга, Д. Шодиева), предложена новая классификация в соответствии с выбранной концепцией, определяющей статус физического эксперимента. В качестве примера, иллюстрирующего идеи, лежащие в основе классификации исторических опытов, приведена систематизация физического эксперимента по классической механике, одной из фундаментальных физических теорий, составляющей базис механической картины мира (табл. 1).

В качестве основания для классификации исторических опытов выбраны фундаментальные физические взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое). Силовая или энергетическая характеристики фундаментальных взаимодействий характеризуются константами взаимодействия, в литературе их называют мировыми, фундаментальными (О.П. Спиридонов, К.А. Томилин). Исторические опыты фундаментальным.

фундаментальных физических теорий, вступившие в противоречие с идеями и взглядами, общепринятыми ранее:

1) Г. Галилей (1638) – опыты разрешили противоречия во взглядах на устройство Вселенной (Аристотеля – IV век до н.э. и Н. Коперника – XVII век); во взглядах на закономерности движения тел (Аристотеля – IV век до н.э. и Леонардо да Винчи – XV век);

2) О. Штерн (1920) – опыты разрешили противоречие между законами классической механики и поведением большого коллектива частиц, которое Д.К. Максвелл описал статистическим законом (1859);

3) Г. Эрстед (1820), М. Фарадей (1831) – опыты разрешили противоречие между теориями дальнодействия и близкодействия (Ш. Кулон, А. Ампер, Ж. Био, П. Лаплас и М. Фарадей – 60-е гг. ХIХ в.), позволили установить связи между электрическими и магнитными полями;

4) Дж. Дж. Томсон (1897) – опыты разрешили противоречие во взглядах на природу элементарного заряда: Дж.Дж. Томсон (частица вещества, от которой тянется трубка индукции), Г. Лоренц (модификация в эфире с непрерывно распределнной плотностью заряда); К.В. Рикке и В. Гизе (ионы, структурные элементы молекул); и Дж. Стоней, Д.К. Максвелл, Г. Гельмгольц (делимость электричества на элементарные порции) – конец XIX в.;

5) А. Майкельсон и Э. Морли (1887) – опыты разрешили противоречие между законами классической механики и электродинамикой Д.К. Максвелла (вторая половина XIX века);

6) О. Люммер и Э. Прингсгейм, Г. Рубенс и Ф. Курлбаум (1899 – 1900) – опыты разрешили противоречие между накопленными экспериментальными фактами по исследованию зависимости излучательной способности тел от частоты – вторая половина XIX в.

Фундаментальные опыты, в результате которых впервые были измерены фундаментальные постоянные:

1) Г. Кавендиш (1666) – измерение гравитационной постоянной;

2) Ж. Перрен (1908) – измерение постоянной Больцмана;

3) Р. Милликен (1909) – измерение заряда электрона;

4) О. Рмер (1676) – измерение скорости света в вакууме;

5) А. Физо (1849) – измерение скорости света в земных условиях;

6) Р. Милликен (1914) – измерение постоянной Планка.

экспериментальных основ физики, которые, в силу их сложности, невозможно воспроизвести в условиях школьного физического кабинета, поэтому эффективным средством для их изучения является виртуальное моделирование. Совокупность моделей в зависимости от профиля класса, интересов учащихся и задач обучения позволяет осуществить вариативный подход в обучении школьников, основу которого составляют принципы дифференциации и индивидуализации.

Вторая глава «Методика вариативного изучения учащимися старших классов исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий» раскрывает содержание методики реализации вариативного подхода при обучении учащихся старших классов историческим опытам в составе предмета «Физика», а также при обучении студентов педвуза (будущих учителей физики) в составе дисциплины «Методика обучения физике в профильных классах».

Вариативный подход в изучении экспериментального базиса фундаментальных физических теорий заключается в реализации целей обучения, в соответствии с выбором школьником уровня содержания физического образования в рамках нормативных документов, средств, форм и способов организации его учебно-познавательной деятельности.

Содержательная сторона вариативного изучения исторических опытов определяется выделением инвариантной и вариативной частей содержания учебного материала для различных профилей обучения, а также в выборе элективных курсов учащимися старшей профильной школы. Обосновано, что опыты, выделенные нами как фундаментальные, целесообразно изучать в полном объме независимо от профиля обучения. Включение в содержание физического образования основополагающих и опорных опытов зависит от профиля обучения учащихся старших классов. Целостную систему исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических «Экспериментальные факты фундаментальных физических теорий».

Процессуальная сторона вариативного изучения исторических опытов реализуется с помощью разнообразных средств обучения. Вариативность средств изучения исторических опытов позволяет организовать проектную деятельность учащихся профильных классов по их изучению на основе обобщенного плана изучения эксперимента (А.В. Усова и А.А. Бобров, Е.В. Оспенникова), который конкретизирован применительно к предмету нашего исследования. Этот план позволяет ученику моделировать эксперимент, как с натурным, так и с виртуальным оборудованием, как в условиях школьного физического кабинета, так и дома, используя оборудование «домашней лаборатории» и компьютер.

Работа с научноДемонстрация популярной учебниками Работа с готовой виртуальной моделью Работа с готовой виртуальной моделью познавательной деятельности Изучение исторических опытов по познавательной деятельности в Процесс учебного познания экспериментальных Процесс достижения Процесс достижения способов фактов: фундаментальных, основополагающих, индивидуальной образовательной выполнения операций (задач Рис. 2 Модель методики вариативного обучения историческим опытам по физике Моделирование, как общеучебное умение, включает совокупность действий и операций в соответствии с целями и задачами обучения школьников: анализ объекта, выделение всех его признаков с точки зрения цели моделирования; выбор формы представления модели; представление информации, связанной с выделенными свойствами и выбранным способом формализации объекта; анализ структуры и содержания модели на непротиворечивость; анализ адекватности полученной модели объекту и цели моделирования. По сути своей, выделенная совокупность операций в процессе моделирования опытов может быть представлена в форме ещ одного обобщнного плана.

Вариативность использования виртуального эксперимента определяется также разными программными средствами – как стандартными, так и специализированными. Вариативное обучение предполагает определенную позицию учителя, обеспечивающую школьникам возможности реализации своих потребностей, интересов и предпочтений в процессе выбора типа обучения, вида и формы задания, вида проекта в работе с виртуальной моделью (рис. 2).

В качестве примера приведм фрагмент методики вариативного изучения темы «Распределение молекул идеального газа по скоростям. Опыт Штерна». Вариативность экспериментальных средств для изучения данной темы определяется альтернативным использованием натурного и виртуального экспериментов (табл. 2). Поясним, как можно использовать указанные экспериментальные средства обучения на занятии. Наглядное представление о законе распределения молекул по скоростям дает модельный эксперимент с доской Гальтона (рис. 3); познакомить учащихся с методом обработки результатов и построением аналогичной кривой распределения позволяет механическая модель опыта О. Штерна (рис. 4);

организовать самостоятельную работу учащихся в домашних условиях по изучению кривой распределения Максвелла можно, используя опыт с доской Гальтона, изготовленной учащимися самостоятельно, либо виртуальный опыт с ней (виртуальную модель доски Гальтона школьники также конструируют самостоятельно) (рис. 5).

Рис. 3. Модель Рис. 4. Демонстрационная Рис. 5. Модель опыта с доской демонстрационного механическая модель Гальтона, выполненная учащимися Гальтона (натурный (компьютеризированный (виртуальный эксперимент) эксперимент) эксперимент на L-микро) Вариативность учебного эксперимента при изучении темы «Распределение молекул идеального газа по скоростям. Опыт Штерна»

Вид учебного Традиционный Компьютеризированный Компьютерный эксперимента (натурный) (натурный эксперимент с (виртуальный) Демонстрационный Демонстрация Демонстрация Демонстрация эксперимент опыта с доской механической модели готовой Фронтальные Опыт с доской Обработка данных Изучение готовой лабораторные Гальтона, демонстрационного виртуальной модели распределения опыта Штерна (L-микро) опыта учащимися Домашние опыты Самостоятельное Обработка данных Исследование изготовление эксперимента, построение поведения Третья глава «Методика проведения и результаты педагогического эксперимента» раскрывает задачи, этапы, критерии и показатели результативности обучения историческим опытам, составляющим базис фундаментальных физических теорий. Задачи опытно-экспериментальной работы состоят в следующем: 1) изучить состояние проблемы профильного физического образования в старшей школе с целью выделения вариативных компонентов обучения учащихся историческим опытам; 2) изучить трудности, возникающие у школьников в понимании роли физического эксперимента в становлении фундаментальной физической теории;

3) оценить возможности вариативного подхода в обучении учащихся старшей профильной школы и студентов педвуза историческим опытам, составляющим базис фундаментальной физической теории;

4) экспериментально доказать справедливость гипотезы исследования.

Описание опытно-экспериментальной работы представлено в таблице (табл. 3). В ходе педагогического эксперимента использовались критерии и показатели отслеживания результативности разработанной методики вариативного обучения историческим опытам, составляющим базис фундаментальных физических теорий: критерий качества усвоения знаний об исторических опытах в процессе согласованного использования натурного и виртуального экспериментов; критерий качества сформированности экспериментальных умений; критерий динамики изменения мотивов и познавательного интереса к изучению учащимися исторических опытов.

Метод внешней экспертизы при оценке заданий был преимущественным.

Констатирующий 83 учащихся 11-х классов Контрольный срез на занятиях по физике учитель высшей 58 выпускников школ Контрольный срез перед изучением курса категории МОУ СОШ г. Челябинска и «Общая и экспериментальная физика», №12 Челнокова М.В., Челябинской области, выполненный студентами 1 курса (2008 – 2009 гг.) МОУ лицея №31 (физико- экспериментальное обучение историческим Обучающий 68 студентов V курса – Экспериментальное обучение на занятиях (2008 – 2010 гг.) будущие учителя физики лабораторного практикума по курсу Контрольный 12 учащихся 10-х классов Экспериментальное обучение на занятиях В процессе констатирующего эксперимента было установлено, что знания учащихся об одном из структурных компонентов фундаментальной физической теории – экспериментальном факте – не соответствовали требованиям образовательного стандарта и учебным программам. На основе диагностики причин возникающих трудностей у учащихся 10, 11-х классов школ №10, 12, лицея №31, 11 в понимании роли физического эксперимента в становлении фундаментальных физических теорий установлено, что при традиционном подходе к изучению исторических опытов учащиеся лучше усваивают сущность и назначение эксперимента, составляющего ядро (49,5%) и следствие теории (85,0%). Исторические опыты, послужившие базисом для становления новых физических теорий, усвоены учащимися хуже (41,0%).

Анализируя причины полученных результатов, мы пришли к выводу о наличии объективных причин, снижающих качество усвоения исторических опытов. Суть их заключается в том, что многие фундаментальные опыты невозможно воспроизвести в условиях школьного физического кабинета, а другие вариативные методы обучения (например, виртуальные) учителя не используют в полном объме. Об этом свидетельствуют результаты опроса учителей физики школ г. Челябинска и Челябинской области. При обучении историческим опытам 98,0% опрошенных учителей используют рисунки и плакаты, 58,0% – видеофрагменты, 18,0% – материальные модели опытов, 15,0% – виртуальные модели опытов. Таким образом, учителя физики не используют в полном объме современные информационные средства для изучения исторических опытов. Исследования убедили нас в том, что в практике обучения происходит смешение двух понятий: фундаментальные опыты и исторические опыты.

Поиск эффективных методов и средств для изучения исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий, осуществлялся в МОУ лицее №31 на занятиях по физике в 11-х классах физико-математического профиля. В ходе поискового экспериментального обучения была выявлена эффективность использования домашних заданий по изучению исторических опытов на основе виртуальных моделей по сравнению с изучением опыта по учебнику или в сети Интернет.

В ходе обучающего эксперимента осуществлялась апробация и проверка гипотезы исследования. Эффективность вариативного обучения студентов физического факультета историческим опытам на лабораторном практикуме по методике обучения физике в профильных классах оказалась очевидной, потому что в экспериментальной группе (в качестве проектного задания конструировали виртуальную модель опыта) все показатели оказались выше, чем в контрольной (в качестве проектного задания выполняли описание опыта по уточннному обобщнному плану А.В. Усовой и А.А. Боброва). Критерий качества усвоения знаний о содержании исторических опытов отслеживался с помощью коэффициента успешности выполнения заданий. В контрольной группе он составил 0,39, в экспериментальной – 0,65. Коэффициент полноты сформированности экспериментальных умений в контрольной и испытуемой группах составил – 0,68 и 0,87 соответственно, что также подтверждает эффективность использования заданий на моделирование по сравнению с заданиями по работе с печатными источниками по обобщенному плану. Использование вариативных средств и примов обучения повлияло и на динамику мотивов учения (10,0% и 30,0% соответственно), а также на динамику познавательного интереса к изучению исторических опытов (15,0% и 40,0% соответственно).

Проверка влияния использования вариативных экспериментальных средств обучения на уровень сформированности знаний об исторических опытах и уровень сформированности экспериментальных умений у школьников также подтвердила гипотезу исследования. Для отслеживания критериев эффективности разработанной методики вариативного обучения историческим опытам учащиеся были разделены на контрольную и экспериментальную группы: первым давалось домашнее задание без учта их личных интересов и предпочтений – изучение исторического опыта в печатных источниках по обобщнному плану, вторым была предоставлена свобода в выборе домашнего задания – изучение исторического опыта в печатных источниках по обобщнному плану или конструирование виртуальной модели опыта либо самостоятельно, либо по заданным методическим рекомендациям. Оценка качества знаний учащихся осуществлялась с помощью разноуровневых контрольных заданий, в которые были включены вопросы о роли и содержании исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий. Для оценки качества сформированности экспериментальных умений (выделенных А.В. Усовой и А.А. Бобровым) проводилось систематическое наблюдение за деятельностью учащихся по выполнению экспериментальных заданий.

Проведнные исследования показали, что учащиеся экспериментальной группы справились с заданиями более успешно, чем учащиеся контрольной группы (рис. 6). Результаты обучающего эксперимента убедили нас также и в том, что у учащихся испытуемой группы экспериментальные умения сформированы на более высоком уровне, чем у учащихся контрольной группы (рис. 7).

Рис. 6. Данные об успешности выполнения Рис. 7. Данные об уровнях сформированности разноуровневых заданий учащимися, экспериментальных умений у учащихся, посещавшими элективный курс посещавших элективный курс (обучающий эксперимент) (обучающий эксперимент) Рис. 8. Данные об изменении мотивации учения школьников в процессе выполнения исторических опытов на занятиях элективного курса (Виды мотивов: 1 – долга и ответственности, 2 – самоопределения и самосовершенствования, 3 – благополучия, 4 – престижа, 5 – избегания неприятностей, 6 – мотивы содержания учения, 7 – социальные мотивы, заложенные в учебной деятельности) Контрольный эксперимент проходил с учащимися непрофильного класса (МОУ СОШ №39 г. Челябинска) и учащимися гуманитарного профиля (МОУ гимназия №10 г. Челябинска), занимавшимися на элективном курсе, программа которого была скорректирована применительно к классам, учащиеся которых изучали физику в течение двух часов в неделю. Для большей наджности результатов эксперимента был использован перекрстный метод, позволяющий исключить влияние побочных факторов на результаты эксперимента. В экспериментальных группах качество выполнения заданий учащимися оказалось выше (4,4; 4,3), чем в контрольных (3,8; 4,0). Таким образом, классификация и систематизация исторических опытов в соответствии со структурой и содержанием фундаментальной физической теории способствуют успешному осмыслению школьниками учебного материала на специально организованных занятиях элективного курса, посвящнного изучению исторических опытов, – базовой составляющей фундаментальных физических теорий.

В заключении излагаются основные результаты и приводятся общие выводы исследования.

В приложении приведены дополнительные материалы, не вошедшие в основную часть диссертации.

Основные результаты и выводы исследования 1. Теоретически и экспериментально обосновано наличие проблемы, связанной с включением в образовательный процесс старшей профильной школы вариативных экспериментальных средств обучения историческим опытам, составляющим базис фундаментальных физических теорий.

2. Обосновано, что успешно изучать содержание исторических опытов в структуре фундаментальных физических теорий возможно на основе таких средств учебного познания, как натурный и виртуальный эксперименты.

3. Сформулированы дидактические требования к организации и проведению исследовательской деятельности учащихся с натурными объектами и виртуальными моделями, предполагающие: а) обоснованность выбора моделей эксперимента (натурных, виртуальных) для организации проектной деятельности учащихся; б) сформированность экспериментальных умений у учащихся для осуществления учебно-познавательной деятельности;

в) сформированность профессиональных умений учителя физики для организации экспериментальной деятельности учащихся в работе с аналогоцифровым оборудованием.

4. Определены условия вариативного изучения исторических опытов учащихся профильных классов, предполагающие: а) определение статуса исторических опытов в структуре фундаментальной физической теории;

б) систематизацию исторических опытов в соответствии с их классификацией; в) использование совокупности разнообразных экспериментальных средств и дидактических способов предъявления содержания обучения историческим опытам по физике.

5. Методика обучения учащихся старших классов историческим опытам, составляющим базис фундаментальных физических теорий, включает целевой, содержательный и процессуальный компоненты учебнопознавательной деятельности школьников. Психолого-дидактическая и методическая сущность этих компонентов раскрыта на основе модели вариативного обучения физическим опытам. Психологический аспект этой деятельности предполагает реализацию потребностей и мотивов учения в соответствии с целями достижения каждым индивидуальной образовательной траектории в процессе выполнения задач вариативного обучения. Содержательный компонент экспериментальной деятельности обусловлен структурой и содержанием фундаментальных физических теорий, а процессуальный – информационно-познавательными средствами, используемыми учащимися в классе и дома при выполнении опытов с аналого-цифровым оборудованием.

6. В результате проведения педагогического эксперимента подтверждена гипотеза исследования и доказана педагогическая целесообразность разработанной методики обучения учащихся старшей профильной школы историческим опытам, составляющим базис фундаментальной физической теории, на основе вариативных методов исследования. Экспериментальные умения, а также понимание роли важнейших исторических опытов в становлении фундаментальных физических теорий, позволили повысить эффективность обучения физике в старшей профильной школе.

В данной исследовательской работе осуществлено решение ряда задач, направленных на повышение качества учебно-познавательной деятельности учащихся старших классов при изучении исторических опытов, составляющих базис фундаментальных физических теорий, в условиях вариативного обучения. Диссертационное исследование имеет перспективное направление – оно связано с разработкой способов формирования экспериментальных умений у студентов педвуза (будущих учителей физики) в вариативном использовании аналого-цифровых средств обучения на всех этапах изучения физики: от пропедевтического курса до курса общей и экспериментальной физики.

Работы, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, 1. Никитин, Г.Р. Вариативное изучение фундаментальных физических опытов на основе материальных и виртуальных моделей [Текст] / Г.Р. Никитин // Вестник Челябинского государственного педагогического университета, 2010. – №7. – С. 213 – 219.

2. Никитин, Г.Р. Фундаментальные постоянные в науке [Текст] / И.С. Карасова, Г.Р. Никитин // Физика в школе, 2010. – №7. – С. 50 (70% личного участия).

3. И.С. Карасова, Никитин, Г.Р. Исторические опыты в структуре фундаментальных физических теорий: учебное пособие для лабораторного практикума по курсу «Методика обучения физике в профильных классах» / И.С. Карасова, Г.Р. Никитин. — Челябинск: Изд-во ЧГПУ, 2010. — 189 с.

(50% личного участия).

4. Никитин, Г.Р. Систематизация исторических опытов / Г.Р. Никитин // Научная перспектива, 2010. – №7. – С. 77 – 79.

5. Никитин, Г.Р. Использование моделей при изучении физики / Г.Р. Никитин, Т.В. Никитина //Актуальные проблемы развития среднего и высшего образования: IX Межвузовский сборник научных трудов / под ред.

А.В. Усовой, О.Р. Шефер. – Челябинск: Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2009. – С. 82 – 84 (50% личного участия).

6. Никитин, Г.Р. Обобщнный план изучения фундаментальных опытов по физике / Г.Р. Никитин // Актуальные проблемы развития среднего и высшего образования: VI Межвузовский сборник научных трудов / под ред.

М.Д. Даммер, О.Р. Шефер. Челябинск: Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2010.

– С. 59-65.

7. Никитин, Г.Р. Использование возможностей компьютера для формирования физических понятий у учащихся школ / Г.Р. Никитин // Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов: материалы XV Междунар. науч. - практ. конф., 12 – мая, 2008 г. Челябинск. – Челябинск: Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2008. – С. 253 – 255.

8. Никитин, Г.Р. Формирование физических понятий на основе виртуальных моделей / Г.Р. Никитин, Т.В. Никитина // Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов: материалы XVI Междунар. конф., 12 – 13 мая, 2009 г. Челябинск. – Челябинск: Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2009. – Ч.I. – С. 262 – 265 (50% личного участия).

9. Никитин, Г.Р. Изучение фундаментальных физических опытов учащимися средней школы / Г.Р. Никитин // Материалы конференции по итогам научно-исследовательских работ преподавателей, научных сотрудников, аспирантов и соискателей Челябинского государственного педагогического университета за 2008 год / науч. ред. В.В. Базелюк. – Челябинск: Изд-во Челяб. гос. пед. ун-та, 2009. – С. 168 – 171.

10. Никитин, Г.Р. Моделирование опытов Г. Галилея на оборудовании L-микро / Г.Р. Никитин // Фундаментальные науки и образование: материалы III всероссийской научно-практической конференции (Бийск, 31 января – февраля 2010 г.) / Бийский пед. гос. ун-т им. В.М. Шукшина. – Бийск: БГПУ им. В.М. Шукшина, 2010 г. – С. 377 – 382.

11. Никитин, Г.Р. Изучение исторических опытов по физике в лабораторном практикуме на оборудовании L-микро / И.С. Карасова, Г.Р. Никитин // Физическое образование: проблемы и перспективы развития:

материалы 9-й Междунар. науч.-метод. конф., 1 – 4 марта 2010 года / МПГУ;

РГУ им. С.А. Есенина. – М., Рязань, 2010. – Ч.1. – С. 224 – 227 (50% личного участия).

12. Никитин, Г.Р. Методика проведения виртуальной лабораторной работы «Моделирование опыта Р. Милликена по определению заряда электрона»

[Текст] / Г.Р. Никитин // Развивающие технологии в образовании:

использование учебных материалов нового поколения в образовательном процессе: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции («ИТО-Томск – 2010»). – Томск, 2010. – С.191 – 193.

13. Никитин, Г.Р. Методологический анализ понятия «фундаментальный опыт» в курсе физики средней школы / Г.Р. Никитин // Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов: материалы XVII Междунар. конф., 17 – 18 мая, 2010 г. Челябинск. – Челябинск: Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2010. – Ч.1. – С. 76 – 80.

14. Никитин, Г.Р. Вариативность экспериментальных средств формирования понятия «распределение молекул по скоростям»

/ Г.Р. Никитин // Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов: материалы XVII Междунар. конф., 17 – мая, 2010 г. Челябинск. – Челябинск: Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2010. – Ч.2. – С. 81 – 86.

15. Никитин, Г.Р. Проблема формирования методологических знаний и умений по физике у учащихся старшей профильной школы / Г.Р. Никитин // Проблемы и перспективы развития образования в России: сборник материалов II Международной научно-практической конференции / под общ.

редакцией С.С. Чернова. – Новосибирск: Издательство «СИБПРИНТ», 2010.

– С. 102 – 107.

16. Никитин, Г.Р. Проектная деятельность учащихся при изучении исторических опытов / Г.Р. Никитин // Интеграция методической (научнометодической) работы и системы повышения квалификации кадров:

материалы ХI Всероссийской научно-практической конференции: в 5 ч. Ч. / Академия пов. квал. и проф. препод. работ образ.; отв. ред. Д.Ф. Ильясов. – М.: Челябинск: изд-во «Образование», 2010. – С. 213 – 217.

17. Никитин, Г.Р. Изучение исторических опытов по физике учащимися старшей профильной школы на основе метода научного познания / Г.Р. Никитин // Физика и ее преподавание в школе и в вузе. VIII Емельяновские чтения: материалы Всероссийской науч.-практ. конф. М.:

Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т; 2010. – С. 148 – 152.

Подписано в печать18 октября 2010. Формат 60х84 1/ Бумага для множ. аппаратов. Гарнитура «Times». Печать – ризограф.

Оригинал-макет изготовлен и отпечатан в отделе множительной техники Челябинского государственного педагогического университета