автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Физические парадоксы в системе обучения физике

Автореферат диссертации по теме "Физические парадоксы в системе обучения физике"

£

^ На правах рукописи

' Л.

СИТНОВА Елена Владимировна

ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАДОКСЫ В СИСТЕМЕ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ

13.00.02 — теория и методика обучения физике

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена на кафедре методики обучения физике Российского государственного .педагогического университета имени А. И. Герцена. ,

Научный руководитель —■

академик РАО, доктор физико-математических наук, ¡профессор А. С. Кондратьев.

Официальные оппоненты:

.доктор педагогических наук, доцент Е. С. Заир-Бек,

доктор физико-математических наук, профессор К. А. Барсуков.

Ведущая организация —

Санкт-Петербургский государс ------ ~~ зситет.

в ... часов на заседании диссертационного совета К 113.05.03 при Российском педагогическом университете имени А. И. Герцена по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48, карп. 3, ауд. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Защита состоится « /к. »

1997 г.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Н. К. МИХЕЕВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В процессе повышения качества шкального образования, обеспечения более его высокого уровня должно Оьггь решено несколько задач, основные из которых: обеспечить овладение учащимися твердо установленным объемом знаний и умений и создание возможности углубленного изучения школьных курсов для- учащихся, проявляющих повышенный интерес и склонность к тем или иным предметам что приводит к развитию их творческих способностей.

Развитие методики обучения физике должно осуществляться в таком направлении, чтобы ориентировать учебный процесс на сильных, способных к физике учащихся, создавших на уроке особого рода "физическую атмосферу".

Особенности развития мьпаления школьников в процессе изучения физики применительно к специфике содержания и методов этого предмета настолько существенны, что в методической литературе появился термин "физическое кышление". Эти особенности подчеркивали и объясняли видные физики и методисты, "Физическое ьыиление" является специфическим- в тем плане, что оно проявляется в исследовании (изучении) содержания физики с помощью физических методов с использованием всех структурных элементов знаний.

Развитые в физике методы исследования в совокупности образуют методологию этой науки, которая оказалась настолько эффективной в познании сложного, что играет в настоящее время роль, далеко выходящую за рамки собственно физики как науки. Здесь весьма характерны утверждения Л.Каданова о возможности предсказаний.

Задача учителя заключается в сообщении учащимся максимально возможной суглл! знаний, в обучении его основам наук, развития его физического лишения, способности приобретать знания самэстоя-

тельно. В этом отношении большие возможности при изучении физики представляет разрешение парадоксов.

Парадокс - в широком сздлсле - это утверждение, резко расходящееся с общепринятыми, устоявшимися мнениями, отрицание того, что представляется "безусловно правильным"^ Подлинный парадокс необычен и странен, более того, он даже невероятен, однако предстает как убедительное для нашего ума доказательство, и потому он соответствует высшей степени образования.

Парадокс в более узком и более современном значении - это два противоположных утверждения, для каждого из которых имеются пред-ставляшиеся убедительными аргументы,

В- Большой Советской Энциклопедии приводится такое Определение;

"Парадокс ( от греческого рагасЬхов - неожиданный, странный) неожиданное, непривычное (хотя бы по форме) суждение (высказывание, предложение), резко расходящееся с общепринятым, традиционным' мнением по данному вопросу".

В настоящее время различают два класса парадоксов; логические и семантические.

В логике парадокс понимается как синоним термина "противоречие", т.е. любое рассуждение, доказывающее как истинность некоторого высказывания, так и истинность его отрицания.

Другой класс парадоксов (семантические) связан с понятиями обозначения, именования,' осмысления истины (лжи) .

Под парадоксом мы дальше будем понимать ситуацию в которой обнаруживается кажущееся или действительное противоречие, возникавшее в рамках принятой системы понятий.

Парадоксальность - характерная черта современного научного. познадая мира. На огромное значение парадоксов в развитии млдде-ния учащихся обращали внимание многие ученые. На полезность использования парадоксов в практике преподавания физики указывалось

в ряде работ авторов В.Е.Володарского, Гампсон-Шефера, Л.А.Ивановой, В.Н.Ланге, И.Я.Ланиной, А.К.Сухотина и других.

В методике физики до сих пор не предложено удовлетворительной системы использования физических парадоксов. Видимо еще недооценивается тот факт, что физические парадоксы способствуют фор. мированип у школьников диалектики мышления.

По нашему мнению, процесс разрешения физических парадоксов в науке является кульминацией исследования, и который 'обязательно содержит определенные моменты. Это прежде всего обоснованный выбор ' идеализации изучаемого процесса, т..к. вместо самого явления мы всегда вынуждены рассматривать некоторую упрощенную модель, стремясь сохранить в ней самые характерные, наиболее важные чер-■ ты.

Следует отметить, что идеализация и моделирование является . одним из основных методов теоретического познания.

К физическому парадоксу приводит всегда нестандартная задача, которая часто требует одновременного обращения как к общим методологическим принципам, так и к фундаментальным и частным законам. Именно на таком пути удается последовательно строить адекватную физическую-модель изучаемого явления, упрсщать или конкретизировать ее.

На конкретных примерах учащиеся убеждаются, что общим принципом для всех способов идеализации задач-парадоксов является выявление несущественного и умение пренебрегать им.

Отличительная особенность физических парадоксов, рассчитанных на творческое мышление и исследовательский подход, заключается в том, что в задачах творческого характера ставится проблема, которую нужно решить, и не приводится никаких указаний на те физические законы, которыми следует воспользоваться для решения этой проблемы.

Важно отметить значительную роль и место физических парадрк-сов на всех ступенях обучения физике от начального школьного до профессионального физического образования.

Особая роль должна отводится использованию физических парадоксов при подготовке квалифицированных специалистов в ВУЗе , а следовательно начинать разрешать физические парадоксы необходимо в школе, так как чем раньше произойдет знакомство с физическим парадоксом, тем сильнее будет эмоциональное воздействие на уча-ияхся, тем безболезненнее смена представлений у них.

Анализируя физические парадоксы учащиеся прогнозируют, а тем самым сознательно осваивают этапы научного познания.

В процессе обучения физике учитель должен готовить учащихся к оценке парадоксальности физических теорий систематическим включением физических парадоксов в практику преподавания.

В настоящее время главная тенденция развития современного образования основывается на концепции; "Образование - это учебная модель науки" . Физика является лидером современного естествознания, т.к. задает наиболее совершенный стиль научного мышления, отличашийся исключительной сбалансированностью качественного и количественного подхода. Освоение методологии физики является важным этапом и один из важнейших компонентов обучения физике -обнаружение парадоксального, раскрытии назначения парадокса, как источника новых приобретений в знаниях, его роли в достижении• плодотворных идей. Физические парадоксы повышают эффективность обучения физике й высшей и средней шкапах, что ведет к повышению уровня знания и понимания, развития физического мышления. Таким образом, актуальность исследования на современном этапе обусловлена социальной потребностью в элементах образования, отражающих методологические достижения физики адекватно возрастным и индивидуальным особенностям, учащихся, методической неопределенностью минимума знаний общенаучного уровня, лежащего в основе непрерывного физического образования, недостаточной разработанностью ме-

тонических комплексов по использованию • физических парадоксов на всех этапах обучения физике. Сказанное определяет актуальность те№1 диссертации.

Объект исследования - процесс обучения физике в общеобразовательной средней и высшей школах, развитие физического мышления и физического понимания обучаемых.

Предает Исследования - последовательное использование физических парадоксов на основе использования общих методологических принципов и фундаментальных законов физики.

Цата» исследования - теоретическое,обоснование концепции последовательного использования физических парадоксов на основе методологического подхода и разработка методики ее практической .реализации.

При формулировке гипотезы исследования исходные положения . заключались в следующем:

1. Физические парадоксы - непременный компонент физической науки на всем пути ее исторического развития, оказавший решающее влияние на становление ее методологии.

2. Использование физических парадоксов при обучении.создает предпосылки для успешной реализации концепции:- "Образование -учебная модель науки", в частности для развития научного ыьшшения и уровня физического понимания обучаемых.

■ 3. Использование физических парадоксов, как эффективного средства учебного материала, оказывает влияние на психологическое развитие.научно-значимых черт личности, способностей, творческой активности.

В- окончательном виде пототеза исследования формулируется следующим образом: последовательное использование физических парадоксов при обучении физике является обязательным условием для постановки физического образования на надежную методологическую основу, развития физического мыаления, уровня физического понимания и научно-значимых черт личности.

о

В процессе исследования решались следующие задачи:

- анализ роли и места научных парадоксов в физике,

- на основе анализа физической, психолого-педагогической и методической литературы проанализировать.дидактические и методические возможности и особенности целенаправленного изучения и последовательного использования физических парадоксов, соотнести результаты анализа с практикой обучения,

- рассмотреть основные причины целесообразности использования учебных физических парадоксов,

-разработать требования к учебному парадоксу,

- разработать методику использования физических парадоксов,

» проанализировать методики обучения разрешению физических парадоксов от начального до профессионального физического образования,

- исследовать вопрос о влиянии разработанных методик обучения на развитие физического мышления и понимания.

Методическую основу исследования составляют всеобщие . законы диалектики, методология базисной науки, методологические обобщения общей и частной дидактик, исследование опирается на теоретические работы известных математиков, физиков, педагогов,' психологов, методистов и на опыт работы'разных школ.

Для решения поставленных задач применялись следуицие метода исследования:

• - теоретический анализ философской, психолого-педагогической, 'методической литературы по теме исследования, теоретико-методический анализ состояния проблемы,

- наблюдение и участие в учебном процессе по физике

- ретроспективный опрос учащихся,

- анкетирование, интервьюирование учителей, учащихся,

- педагогический эксперимент со статистической обработкой и анализам результатов.

Логика исследования включала следуицие этапы:

- общее ознакомление с проблемой исследования и определение его границ,

- изучение передового педагогического опыта учителей школ и преподавателей ВУЗов,

- анализ педагогической и методической литературы и рассмотрение психологического, педагогического и методического аспектов проблемы,

- выбор адекватных методов исследования,

- формирование целей работы и разработка 'гипотезы исследования,

- разработка требований к выбору парадоксов, ■

- разработка содержания и методики проведения занятий по использованию физических парадоксов,

- организация и проведение констатирующего и формирующего этапов педагогического эксперимента,

- обобщение полученных теоретико-экспериментальных данных.

Обоснованность и достоверность научных результатов и выводов

обеспечивается:

- глубоким анализом объекта исследования на основе физико-математической, пСихолого-педагогической и методической литературы;

- длительностью эксперимента, его повторяемостью и контролируемостью, широкой экспериментальной базой, применением разнообразных педагогических методов исследования;

- репрезентативностью • и положительными результатами педагогического эксперимента, проведенного с 1989 по 1997г;

- использованием разработанных методик.

Критериями эффективности разработанной методики является качество знаний и умений, высокая самооценка учащимися удовлетворения своих познавательных потребностей, эффективность приобретаемых умений и навыков при последующей деятельности.

Новизна исследования состоит в следуицем:

- в теории и методике обучения физике проблема причин появления парадоксов, определяющая их место, роль и целесообразность использования при обучении физике в средней и высшей школе впервые стала объектом специального научного исследования.

- Выявлен и разработан ряд новых учебных физических парадоксов .

- В работе впервые разработана методика последовательного использования парадоксов на различных ступенях обучения физике.

Теоретическое значение работы заключается в разработке новой для методики обучения физике задачи о повышении фундаментального характера физического образования в средней и высшей школах путем целенаправленного использования физических парадоксов, обеспечивающих понимание сути физических явлений, развитие физического мышления учащихся.

Практическое значение заключается в том, что сформулированные теоретические положения доведены до уровня конкретных методических разработок и рекомендаций по обучению разрешению физических парадоксов. В работе разработана методика проведения занятий на различных ступенях обучения физике.

Апробация результатов исследования, теоретические выводы работы излагались на Герценовских чтениях (Санкт-Петербург 1994, 1995, . 1997г.), на региональной научно-методической конференции (Нижний Новгород 1994г.), на областной конференции молодых учены* и специалистов по актуальным общественно-политическим и научно-техническим проблемам (Иваново•1990г.), на научно-методических конференциях преподавателей Ивановского государственного университета (Иваново 1989, 1993г.), на международных конференциях! "Физика в системе современного образования": ФССО-95, Петрозаводск 1995 г.,; ФССО-97, Волгоград-97.

В результате проведенного исследования на защиту выносятся следожкдее положения:

1. Фундаментальный характер физического образования и его адекватная методологическая направленность могут быть обеспечены на пути последовательного использования при обучении физике парадоксов, характерных для всего исторического развития физики, причины появления которых заключаются в модельности представлений об окружающем мире и свойствах используемого математического аппарата,

2. Эффективность использования физических парадоксов при обучении определяется созданием методической системы, позволяющей последовательно реализовывать концепцию: "образование как учебная модель науки", на различных ступенях обучения.

3. Обучение физике по методике, основаной на последовательном использовании физических парадоксов, способствует развитию, научного мышления обучаемых и повышению уровня физического понимания, характеризующегося способностью к реализации предсказательного характера физических теорий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обосновывается актуальность исследования, рассматриваются задачи, методы и гипотеза исследования, определяется новизна и практическая значимость работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Первая глава "Парадоксы в'физике представлена четырьмя параграфами . ■

Первый из них посвящается анализу причин и неизбежности появления физических парадоксов в физике. К Гедаль показал, что внутри любой согласованной системы-существуют "недоказуемые положения", одним из которых является .непротиворечивость самой системы.

Любое развитие физической теории, как системы взглядов и представлений об окружаидем реальном мире в тоС~или иной степени связано с использованием математического аппарата. Поэтому, для физики приведенные утверждения немедленно означают, что, последовательно используя математические методы, никогда не застрахованы от появления противоречий (парадоксов), не связанных с какими бы то ни было непоследовательностями в рассуждениях или расчетах в рамках выбранной физической модели. - Таким образом, принципиально невозможно построить физическую теорию,• использующую математический аппарат, в которой можно было бы в принципиальном плане исключить появление парадоксов. Парадокс является неприменим атрибутом любой конкретной физической теории.

Во втором параграфе первой главы дается анализ парадоксов в классической физике.

Парадоксы, связанные с выбором физической модели, появляются всегда, когда модель перестает быть справедливой. Иногда, неприменимость модели в определенных условиях может быть установлена заранее. Иногда эту неприменимость наперед предсказать невозможно, она проявляется только в парадоксальности получаемого результата .

Наиболее ярким примером здесь являются "парадоксы трения", впервые обнаруженные П.Пенлеве при анализе уравнений движения механических систем. Эти парадоксы связаны с неприменимостью модели абсолютно твердого тела. Парадоксы Пенлеве не только не рассматриваются, но даже не упоминаются не только в учебной литературе по общей и теоретической физике, но и в энциклопедическом физическом словаре и физической энциклопедии.

Третий параграф посвящен парадоксам квантовой физики. Здесь рассматривается проблема', корпускулярно-волнового дуализма, без правильного понимания которой невозможно неформальное усвоение основных положений и самой идеологии квантовой механики.

В четвертом параграфе первой главы рассматриваются парадоксы в современной физике. К ним относятся парадокс ГибОса, парадокс обратимости Лошмидта, парадокс возврата Цермело.

Рассматривается парадоксальная ситуация с затуханием Ландау, основанная на обратимости уравнения Власова во времени, отсутствие должного внимания к которой задержало открытие эха в плазме на 13 лет. Затухание Ландау в действительности представляет собой не истинное квалифицированное затухание (которое обусловлено межчастичными столкновениями!, а расфазировку различных колебаний в форме ван-кампеновских мод. Если осуществить условия повторного "сфазирования" этих колебаний за время, меньше времени истинного затухания, то экспериментально будет наблюдаться явление эха в плазме. Этот вывод не был сделан своевременно и только через 13 лет явление плазменного эха Оуло открыто экспериментально.

Теоретический анализ позволил сделать следующие вывода:

1. Проявляя интерес к физике, особенностям ее структуры и методологии, социальному месту науки, нужно следить не только за ее успехами. Современное положение достигло того момента, когда для понимания сути науки ее нужно изучить изнутри, осознать причины, возникающих в ней противоречий, учиться преодолевать их, необходимо заострять внимание на парадоксах науки.

2. Физические парадоксы - это краеугольные камни на пути развития физики, оказывающие решительное влияние на развитие науки, недооценка парадоксов приводит к задержке 'в развитии науки, а значит они должны войти в методологическую основу обучения физике, использоваться в учебном процессе.

3. Физические парадоксы моделируют причины их вызывающие.

4. Задача развития современного научного мышления и методологии современной физики требует введения парадоксов в систему обучения физике и разработки методики их использования...

Во второй главе "Методика использования парадоксов при обучении физике", состоящей из четырех параграфов дается подробное

»

описание предложенной" методики последовательного использования физических парадоксов на всех этапах обучения физике.

Так, в параграфе 1 рассмотрена методика использования парадоксов на первой ступени обучения физике, определены критерии целесообразности использования физических • парадоксов в процессе обучения. Предложены требования к выбору парадоксов, рассмотрены приемы решения парадоксов.

Во втором параграфе предложена- и обоснована методика использования парадоксов на второй ступени обучения, Здесь также рассмотрены требования к выбору физических парадоксов, А процесс разрешения физических парадоксов представляет собой модель некоторого научного исследования, характеризуется в частности следующими элементами: обоснованным выбором физической модели изучаемого явления, исследованием частных и предельных случаев, поиском аналогий с другими "явлениями".

Третий параграф посвящен использованию физических парадоксов в общем курсе физики высшей школы. Физические парадоксы должны не только и не столько способствовать закреплению знаний, тренировке в применении изучаемых законов, сколько формировать сам стиль исследовательской умственной деятельности студентов. Для преподавателя физический парадокс является одним из наиболее эффективных способов проверить, насколько глубоко студент понимает предмет.

В четвертом параграфе второй главы рассматривается методика изучения парадоксов квантовой механики, методика рассмотрения парадокса, связанного с корпускулярно волновым дуализмсм.,

В третьей главе, посвященной педагогическому эксперименту, содержится обоснование проведения педагогического эксперимента, указываются его задачи и этапы проведения, методы оценки результатов эксперимента.

В задачи эксперимента входило:

1. Определить характер использования физических парадоксов в процессе обучения физике на всех этапах.

2. Обосновать необходимость последовательного использования физических парадоксов в процессе обучения физике.

3. Выяснить влияние последовательного использования физических парадоксов на развитие физического мышления и уровня физического понимания учащихся.

В соответствии с поставленными задачами педагогический эксперимент осуществлялся в три этапа: констатирующий, поисковый и формирующий. Каждый из них определялся своими целями и задачами, средствами и методами их достижения, полученными результатами. Опытно-экспериментальная работа проводилась на базе школ и гимназий г.Иванова, на базе Ивановского государственного университета.

При выборе классов для проведения эксперимента мы руководствовались готовностью учителей использовать в работе предлагаемую методику. Для повышения доказательности эксперимента была обеспечена репрезентативность выборки экспериментальных классов и студенческих групп, их приближенное педагогическое сходство.

При оценке эффективности предложенной методики учитывалось два фактора:

- произошли ли изменения в уровне развития физического мышления и понимания учащихся и какие;

- как изменилось отношение учащихся к процессу изучения физики: интерес к предмету, активность на уроках физики, мера самостоятельности в выполнении предложенных заданий, уровень сложности таких заданий,выполняемых самостоятельно.

При оценке знаний, умений и навыков учитывались следующие критерии: уровень выполнения требований программы по усвоению основных понятий и законов физики, обоснованность ответа и логика

»

его изложения, умение учащихся использовать качественные методы, выполнять разнообразные мыслительные операции, творческий характер деятельности. Данные параметры определялись после выполнения учащимися экспериментальных и контрольных классов и студенческих групп тестовых работ и анализа их результатов.'

При изучении развития физического »лишения и уровня физического понимания на основе последовательного использования физических парадоксов при обучении физике применялся метод медианного критерия.

Педагогический эксперимент подтвердил, что предложенная нами методика последовательного использования физических парадоксов при обучении физике приводит к развитию физического ^явления и уровня физического понимания,глубины и прочности знаний учащихся и студентов, к повышению интереса к физике.

Это позволило считать последовательное использование физических парадоксов одним'из путей повышения эффективности обучения физике на всех этапах обучения от начального до профессионального физического образования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании проведенных теоретических исследований и результатов педагогического эксперимента шжно сделать следупиие выводы.

1. Задача повышения качества общения в высшей и средней школе требует повышения уровня знаний и развития физического мышления учащихся на всем этапе от начального до проффесионального физического образования. Одним из основных путей повьюения эффективности обучения и качества преподавания физике в вузе и в школе является совершенствование методики обучения в плане использования физических парадоксов.-

2.Научные физические парадоксы оказали огромную роль на развитие всей физической науки, а их учебные модели - учебные физические парадоксы должны широко использоваться при изучении физики, при последовательной реализации концепции: "Образование - это учебная модель науки".

3.Основной задачей использования физических парадоксов является развития физического мышления учащихся и уровня физического понимания явлений природы' и описываших их законоы.

4.Использование учебных физических парадоксов требует специальных методических разработок применительно к различным ступеням обучения физике, целью которых является доступность понимания.

5.В работе предложены конкретные методические рекомендации по использованию физических парадоксов в средней школе и ВУЗе. I глава является её методологическим фундаментом, а результаты педагогического эксперимента подтверждают эффективность разработанных методик, свидетельствуют о справедливости выдвинутых в диссертации положений.

В заключении отметим, что в диссертации исследованы вопросы, которые актуальны при изучении физики на любом уровне. Игнорирование физических парадоксов при обучении физике отрицательно сказывается на уровне понимания отдельных вопросов физики, а следовательно и на всем выработанном у учащихся и студентов физическом мышлении, что сводит на нет практическую ценность научных знаний, является причиной появления формализма в знаниях.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях :

1.Дидактические особенности использования парадоксов на уроках физики. - Совершенствование учебного процесса,на основе активных форм и методов обучения. - Иваново: изд-во.ИвГУ, 1989, стр.11-12.(в соавторстве с Кулаковым В.Е..)

2.Дидактические особенности использования парадоксов на уроках, физики. - Актуальные общественно-политические и научно-технические проблемы.

- Иваново: изд-во ИЭИ, 1990, сзр.144.

3.Физические парадоксы в системе дифференцированного обучения. - Преподавание физики и астрономии в школе: состояние, проблемы, перспективы. - Н.Новгород: изд-во НПТУ, 1994, стр.22-23. (ё соавторстве с Кулаковым■В.Е.)

4 .Использование физических парадоксов в системе дифференциро-' ванного обучения. - Актуальный проблемы преподавания физики

в современной шкапе. - СПО.г ЭОС, 1994, стр.16-17, (в соавторстве с Кулаковым В.Е,)

5.Парадоксы в истории физики и их отражение в учебном процессе. - Проблема управления качеством подготовки специалистов в учебном процессе. - Иваново: изд-во ИвГУ, 1994, стр.3-4. (в соавторстве с Кулаковым В.Е.)

6.Использование парадоксов истории физики в учебном процессе. - Методологические пройпемл физического образования, - СПб.;

• Образование, 1995, стр. 19-20. (в соавторстве с Кулаковш В.Е.)

7.Физические парадоксы как средство развития физического мышления учащихся средней школы.-Физическое образование в школе и вузе.-СПб.:Образование, 1997, стр.13-15.

В работах 1,3-6 соавтор В.Е.Кулаков участвовал в постановке

задачи и обсуждении полученных соискателем результатов *

Подписано к печати 16.09.97 р. Формат издания 60x64 I/16. Пвч. л. 1,0. Усл. печ. я. 0,93. Заказ 1976/р. Тираж 100 экз.

Типография ГУКПК, г. Иваново, ул. Ермака, 41