В настоящее время общество развивается в стремительно меняющихсясоциально-экономических условиях. Человек, получив профессиональноеобразование, может оказаться невостребованным в области своей подготовки.Поэтому выпускник любого образовательного учреждения вынужден осваивать новыевиды профессиональной деятельности, принимать оптимальные решения в любыхситуациях. Умение использовать обобщенные методы исследования в любыхнестандартных ситуациях, делает человека мобильным, способным быстроперестраиваться и переносить свои знания на новые области деятельности. В связис этим появляется тенденция включения исследовательской, творческой деятельностив систему школьного образования. Её реализация возможна через интеграцию школ свузами, научными институтами, предприятиями.
Для того чтобы выпускник школы был успешным в современном мире,необходимо средствами разных предметов сформировать у него умениясамостоятельно планировать и решать встающие перед ним задачи. Школьный предмет«физика» представляет большие возможности для обучения учащихся методамнаучного познания, которые в дальнейшем могут быть широко использованы вразличных видах профессиональной деятельности.
При Астраханском государственном университете созданнаучно-образовательный комплекс по внедрению в практику работы общеобразовательныхучреждений учебных программ инновационного типа, позволяющих сформировать уучащихся обобщенные способы получения знаний и умения применять их в любыхконкретных ситуациях.
Способами получения знаний являются методы научного познания.Обучая учащихся методам научного познания на занятиях по физике, можноподготовить их к жизни в быстро меняющихся условиях. Для проверки выдвинутойгипотезы необходимо решить следующие задачи: 1) выявить содержание методовнаучного познания; 2) выделить виды деятельности, в которых применяются методынаучного познания; 3) разработать методику обучения учащихся этим видамдеятельности.
Процесс научного познания в физике представляет собой процессприменения эмпирического и теоретического методов познания, которые вместевзятые и представляют собой научный метод. Мы полагаем, что предметом усвоенияна уроках физики должны быть обобщенные методы получения физических знанийопределенного типа, исторически сложившиеся в ходе развития физической науки.Основными типами физических знаний, изучаемых в школе, являются: понятие офизическом явлении, понятие о физическом объекте, понятие о физическойвеличине, научный факт, физический закон.
Деятельность по получению новых физических знаний включаетпостановку познавательной задачи (ПЗ) в результате анализа определеннойситуации (исходной ситуации) и разработку плана её решения. Поэтому необходимосформулировать характерные познавательные задачи, в результате решения которыхучащиеся должны получить определение понятия, научный факт или закон, подобратьтипы ситуаций, побуждающих к постановке таких задач, и выявить обобщенныеспособы их решения.
Побудить школьника к изучению явления может лишь его обнаружение вконкретной ситуации. Поэтому именно в основной школе целесообразно изучать всечувственно воспринимаемые физические явления, которые наблюдаются в быту иприроде. Познавательная потребность в исследовании явления выражается в видеПЗ: «Что это за явление?» - если в исходной ситуации оба взаимодействующихобъекта выступают в явном виде, или в виде ПЗ: «Какова причина наблюдаемогоявления?» - если неясно, взаимодействие каких именно объектов приводит копределенному изменению их состояния. Для её решения выдвигается гипотеза опричине явления. Чтобы проверить выдвинутую гипотезу, проводится экспериментальноеисследование, которое состоит из следующих операций: разработки идеиэксперимента; проектирование и конструирования экспериментальной установки;планирование действий с экспериментальной установкой; проведение эксперимента.Полученные экспериментальные данные позволяют сформулировать вывод обистинности или ложности гипотезы. Если выдвинутая гипотеза не подтвердилась, товысказывается другая, которая также проверяется в экспериментальном исследованиии т.д. до тех пор, пока не будет однозначно определено, взаимодействие какихименно объектов приводит к исследуемому изменению состояния одного из них. Этосуждение, выраженное в устной или письменной форме, и будет являться ответом наПЗ.
После того, как причина явления установлена, то есть, определеновзаимодействие каких именно объектов вызывает заданное изменение в состоянииодного из них (назовем его материальным объектом 1 - МО-1), возникаетпотребность выяснить, а только ли с этим конкретным объектом может происходитьизучаемое явление. Это побуждает сформулировать ПЗ №1: «С какими еще объектамипроисходит это явление?». Далее разрабатывается метод решения ПЗ, состоящий втом, чтобы менять МО-1 при прочих равных условиях, то есть взаимодействующий сМО-1 объект (назовем его второй материальный объект МО-2) и условия, прикоторых будут осуществляться эксперименты должны быть такими же, как в конкретнойситуации. После проведения серии экспериментов формулируется обобщенное знаниео МО-1.
Далее формулируется ПЗ №2: «При воздействии, каких еще объектовможет происходить данное явление?». Метод решения этой ПЗ состоит в том, чтобыменять МО-2 , при этом МО-1 может быть любым из исследованных при решении ПЗ№1, а условия, при которых осуществляется взаимодействие объектов должны бытьпрежними. После проведения экспериментов формулируется обобщенное знание оМО-2. Для полного изучения явления помимо причины его вызывающей, необходимоустановить при каких условиях взаимодействие объектов приведет к заданномуизменению в состоянии МО-1. Это вызывает потребность в формулировании ПЗ №3типа: «Какие условия являются обязательными для протекания явления?». Методрешения ПЗ №3 состоит в том, чтобы осуществлять взаимодействие МО-1 и МО-2 приразных условиях, когда то или иное из окружающих обстоятельств устраняется илиизменяется. Эта серия экспериментов позволяет выявить специфические условия дляпротекания явления и сформулировать обобщенное знание о них. Обобщениерезультатов решения этих ПЗ позволяет сформулировать физическое суждение,содержащее обобщенные знания об объектах и специфических условиях дляпротекания физического явления. Для обозначения явления подбирается термин -слово или словосочетание. В итоге создается понятие о физическом явлении.
При изучении явления, то есть при наблюдении за взаимодействиемразличных объектов в разных условиях, учащиеся обнаруживают, что интенсивностьявления разная. В этой исходной ситуации возникают следующие ПЗ: «Как оценитьинтенсивность свойства (явления) числом?»; «От каких физических величин,описывающих свойства взаимодействующих объектов, воздействие и условия ихвзаимодействия, зависит физическая величина, описывающая интенсивностьявления?». В результате решения первой ПЗ создается понятия о физическойвеличине; в результате решения второй ПЗ создается научный факт.
Суждение, выражающее научный факт о зависимости физическойвеличины, характеризующей интенсивность явления от других величин, описывающихсвойства объектов и условия взаимодействия, является исходной ситуацией, вкоторой возникает познавательная потребность установить «Каков вид этойзависимости?». Решение её, как правило, путем обработки экспериментальныхданных через построение графиков зависимости одной величины от другой, приводитк открытию эмпирического закона.
После установления вида зависимости между физическими величинами,возникает необходимость записать закон математически, то есть решить ПЗ: «Каковфизический смысл коэффициента пропорциональности в математической записизакона?». Решение этой ПЗ приводит к созданию понятия о физической величине,описывающей либо свойство одного из взаимодействующих объектов, либо условиявзаимодействия.
На уроках изучения нового материала школьники исследуют различныефизические явления. По способам получения понятий о них все явления можноразделить на две большие группы: при исследовании одних явлений основнымсредством их познания является эксперимент; другие явления могут бытьтеоретически предсказаны учащимися на основе модельной гипотезы, а затемобнаружены экспериментально. Учениками основной школы большинство явлений можетбыть изучено эмпирически, когда рабочие гипотезы о причине явления ипознавательные задачи доказываются и решаются в процессе экспериментальногоисследования. Такой уровень познавательной деятельности наиболее соответствует ихпознавательным возможностям. Поэтому можно считать, что курс физики 7-9 классовпредоставляет оптимальные возможности для обучения учащихся эмпирическомуметоду изучения физических явлений. При этом цель овладеть эмпирическим методомпознания должна быть конкретизирована, как уметь решать познавательные задачи,с использованием эксперимента.
Построение курса физики 10-11 классов на основе изучения физическихтеорий представляет оптимальные возможности для обучения учащихся деятельностипо теоретическому предсказанию (ТП) явлений путем мысленного эксперимента наоснове модельной теории. Для данного типа ТП характерной являетсяпознавательная задача: «Изменится ли состояние объекта при определенномвоздействии, и если да, то как?» Для ее решения необходимо выполнить следующуюпоследовательность мысленных операций: 1) выбрать модель строения объекта; 2)выбрать характеристики состояния этой модели; 3) выбрать модель воздействующегообъекта; 4) осуществить заданное воздействие на модель объекта; 5)предположить, какие характеристики модели на микроуровне изменились врезультате этого воздействия; 6) предположить, какому изменению состоянияобъекта на макроуровне соответствует изменение микропараметров модели. Далеетребуется экспериментальная проверка суждения, полученного в результатепроведения рассуждений. Полученные экспериментальные данные сравниваются с ТП.Это позволяет сделать вывод о справедливости ТП и сформулировать определениеявления.
Обучение методам получения отдельных типов физических знанийследует организовать как решение учащимися характерных ПЗ. Это требованиеследует из понимания процесса учения как усвоения системы определенных видовдеятельности, выполнение которых проводит ученика к новым знаниям и умениям.
Организуя деятельность учащихся, следует провести их через этапы:1) мотивационный; 2) формулирование познавательных задач; 3) разработка методарешения познавательных задач на эмпирическом уровне познания; 4) проведениесерий экспериментальных исследований; 5) формулирование ответа напознавательные задачи в виде индуктивных умозаключений; 6) определениефизического понятия; закона или научного факта.
Такая организация связана с тем, что процесс познанияосуществляется в соответствии с поставленной целью (этап 2) и имеет в своемсоставе ориентировочную (этап 3) и исполнительную части (этапы 4,5,6). Крометого, только цель, сформулированная человеком по его собственной потребности(сознательная цель) побуждает его к деятельности. Значит, необходим этап 1, входе которого учитель создает ситуацию, подталкивающую учащихся кформулированию ПЗ и решению их с использованием экспериментального метода исследования.
Решение познавательных задач на уроке необходимо организовать такимобразом, чтобы каждый ученик самостоятельно разрабатывал способ их решения наоснове обобщенного метода.
Чтобы ученик мог применить обобщенный метод познания к исследованиюконкретного явления он должен его знать. Сделать это можно двумя способами:либо дать обобщенное содержание деятельности по изучению Ф.Я. учащимся вготовом виде, либо помочь им выделить его самостоятельно. Второй способ болеепродуктивен, поскольку в этом случае ученик осознает не только программырешения частных познавательных задач (ПЗ), но и обобщенное содержание деятельностипо изучению явлений. Осуществить его можно, проведя учащихся через три этапаобучения: 1) подготовительный или пропедевтический; 2) методологический; 3)этап применения обобщенного способа деятельности для изучения конкретныхявлений.
На первом этапе обучения учащиеся еще не знают обобщенногосодержания деятельности по изучению явления, поэтому большинство из них немогут самостоятельно поставить цели исследования, формулируемые в видепознавательных задач и решить их. Вот почему учитель на данном этапе организуетпознавательную деятельность учащихся в соответствии с логикой научного познания,помогая ученикам «создать» новое знание. В начале урока учитель создаетситуацию, в которой у учеников возникает потребность получить новое знание иформулирует конкретные ПЗ. Выбрать способ их решения и разработать его содержаниепредлагается ученикам. Эксперимент проводится либо фронтально, либодемонстрационно. В последнем случае учащиеся управляют действиями учителясогласно составленной ими программы проведения эксперимента. Проанализироватьвсе экспериментальные данные и сформулировать обобщенные суждения учитель предлагаетучащимся самостоятельно. Такая организация познавательной деятельности учащихсяна уроке позволяет им не только изучить новый материал, но и убедиться в том,что познание имеет строгую логику, что, выполняя определенные действия,составляющие его содержание, можно получить истинные знания о свойствахобъектов, явлениях природы, внутреннем строении вещества.
На методологических уроках учитель создает у учащихся потребность ввыделении обобщенных планов и предоставляет материал, накопленный на первом этапе,в виде карточек, на которых выписаны ПЗ, способы их решения и результаты. Нотеперь перед учениками ставится другая цель: проанализировать предоставленныйматериал и выделить обобщенное содержание деятельности по исследованиюфизических явлений.
При дальнейшем обучении методологические знания становятся дляучащихся способом познания новых явлений. Теперь многие из тех действий,которые на подготовительном этапе выполнял учитель, ученики могут выполнятьсамостоятельно (например, ставить цель исследования, выбирать уровень познания,проводить эксперименты). Роль учителя состоит в создании исходной ситуации,побуждающей к получению нового знания, направлении хода исследования иподготовке технических и дидактических средств.
Рассмотрим, в каких видах деятельности могут использоваться методынаучного познания. Очевидно, их можно применять для: 1) для получения новогознания в ходе познавательной деятельности на уроках изучения нового материала;2) для разработки метода экспериментального исследования при выполнении работфизического практикума; 3) для разработки методики научного исследования новыхявлений и законов.
В обучении учащихся методам научного познания важную роль выполняютуроки обучения учащихся практическим умениям (фронтальные лабораторные работы иработы физического практикума). При традиционном обучении учащимся в готовомвиде предлагается инструкция по выполнению лабораторной работы, описание экспериментальнойустановки (ЭУ), указание по вычислению погрешностей. Однако практика обученияпоказывает, что таким способом не удается сформировать у учащихсяисследовательские умения. Поэтому необходимо так организовать деятельностьучащихся, чтобы они сознательно и самостоятельно выполняли действиясоставляющие содержание данного метода: 1) постановка цели экспериментальногоисследования; 2) разработка способов достижения цели; 3) расчет параметровэлементов ЭУ; 4) монтаж ЭУ; 5) проведение эксперимента; 6) обработкаэкспериментальных данных; 7) расчет погрешностей измерений и вычислений.
Обучение учащихся осуществляется в два этапа. На первом этапеучащиеся разрабатывают содержание экспериментального метода исследования дляконкретных ситуаций. Для организации второго этапа в классе выставляетсяоборудование необходимое для выполнения всех работ по теме. Каждый учениквыбирает необходимое оборудование, монтирует ЭУ, проводит эксперимент всоответствии с разработанной программой и получает и обрабатываетэкспериментальные данные.
Организация научно-исследовательской деятельности школьниковосуществляется на занятиях специальных курсов в рамках научно-образовательногокомплекса. Он располагает научно-исследовательскими лабораториями, малыминаукоемкими предприятиями, которые занимаются прикладными исследованиями.Школьники создают и изучают свойства наноматериалов, включенных в биологическиеобъекты, образцы дорожных покрытий, защитные пленки и т.п., осуществляюткомпьютерное моделирование физических явлений, под руководствомвысококвалифицированных специалистов университета. Учащиеся имеют возможностьпроводить экспериментальные исследования на современном оборудовании, применяяметоды которыми они овладели при получении новых знания на уроках, на занятияхлабораторного и физического практикумов при изучении школьного курса физики.Содержание эмпирического метода исследования предполагает самостоятельнуюразработку учащимися идеи эксперимента, принципиальной схемы экспериментальнойустановки, подбор необходимого оборудования, сборку установки, составлениепрограммы приведения её в действие, проведение эксперимента, обработкуполученных результатов. При этом учащиеся разрабатывают новые идеи эксперимента,предлагают различные технические воплощения принципиальной схемы установки.
Опыт показывает, что научно-исследовательская деятельность учащихсяможет проводиться совершенно самостоятельно (крайне редко), индивидуально подруководством учителя или ученого и в группе состоящей из учащихся, студентов,преподавателей вуза и учителей. Такая коллективная форма организации научной деятельностиявляется наиболее эффективной.
Подготовка учащихся по описанной методике служит базой длядальнейшей научно-исследовательской деятельности выпускника.