автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Формирование понятия температуры в естественнонаучных предметах средней школы

Автореферат диссертации по теме "Формирование понятия температуры в естественнонаучных предметах средней школы"

Академия педагогических наук СССР Раучно-ксследователъский ¡шсхигут общего среднего образования

На правах рукописи

Гребенеь Игорь Васильевич

Формирование понятия 1емпературы в естественнонаучных предметах средней ыг.окы

13.00.02 -методика преподавания физики

Автореферат диссертации на сснскание ученой степени кандидата педагогических наук

Косква 1591

Работа выполнена б КМ общего среднего образования АПН СССР

Научный руководитель доктор педагогических нзук

профессор шшскйГ. k.ki

Официальное-оппоненты доктор педагогических наук

профессор Голлн Г.-',:.

кандидат педагогических каук доцент Ъажеевская M.S.

Ведущее учереждение научно-исследовательск»п: институт педагогики УССР

'Заiuiта состоится 25 октноря 1991 т. на заседании специализированного совета К 018.06.04 в HZI3 общего среднего образования АПН СССР по адресу: 129243, Москва, ул. Космонавтов, 16, корп. 1.

С диссертацией ксгно ознакомиться ъ библиотеке института«

Автореферат разослан "_" ___ I9SI г.

Ученик секретарь совета кандидат педагогических каук _-J.__;iecHCBCKKli A.C.

Поднизано Б печать 2.Q7.9I. Формат 60xS0 I/F-. Бумага пиочая. Печать о оетна/,. Усл. печ. л. 1,0. Заказ 230. Тирах 100 экз.

Ротапринт НШИ 2«. И. Горького. 603600, Н.Новгород, ул. Ульянова,I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования» Результативная познавательная деятельность учащихся возможна лишь при условии овладения иКи логическим познавательным аппаратом изучаемого предмета и приемами зго применения. Важнейшей частью ье только языка, но и содержания каждой науки является система понятий, которые входят в основания.теорий,служат средством выражения законов, образующих ядро теории. Только усвоив понятие,учащийся может понять закон, овладеть теорией на уровне применения её. Эволюция содержания понятия в сознании учащегося отражает развитие теории в ходе обучения,уровень проникновения в сущность изучаемого предмета.

Создание целостной картины мира,научных основ мировоззрения невозможно без формирования системы ведущих естественнонаучных понятий, соблюдая единуо трактовку в различных предметах и единообразные навыки применения их учащимися. Необходимость и возможность эффективной межпредметной координации и генерализации учебного материала на базе ведущих понятий показана в работах А.Ф.Баранова,Л.В.Загрековой, Т.В.Кохекиной.А.А.Иинского,Б.В.Фирсова,В.Д.Щукина и др, Доказана необходимость организации специальной деятельности учащихся по отработке навыков применения понятий.установленных в смежных дисциплинах, для получения важных в учебном процессе выводов и следствий.

Ведущая роль понятий в изучении предметов позволила A.b.Усовой сформулировать утверждение,что построение учебных предметов должно отвечать задачам и закономерностям формирования важнейших понятий, b исследовании Г.И.Кару показано положительное влияние такого способа изучения физики на развитие интелектуальной сферы личности учащихся.

Физика,как объективная база естественных наук,должна обьспечить' фундаментальным содержанием и предмета естественнонаучного ^икла в школэ,определяя в известной мере и методы обучения в соответствии с установленными закономерностями формирования в учебном процессе используемых этими предметами физических понятий.

Одним из ведущих понятий,используемых всеми естественнонаучными предметами на всем протяжении обучения в школе,является понятие темепературы. ¡это объясняется тем, что температура является одной из фундаментальных физических величин,играющей определенную роль в большинстве природных явлений. Понятие температуры активно используется в курсах природоведения,физической географии,химии до установления физического содержания его. На фоне обыденною пласта представлении учащихся это приводит % упрощенным и подчас ошибочным взглядам на сущность этого сложного понятия,которые не удается

до конца преодолеть в последующих курсах.

Ь курсе физики понятие температуры и правде всего молвкулярнв-кинетическая трактовка его не вполне удовлетворительно усваивается учениками. Лишь 52% учащихся могут раскрыть понятие температуры на этом уровне? До сих пор не выработана в методике преподавания физики обоснованная общепризнанная' позиция на последовательность формирования данного понятия и необходимый уровень изучения его в шкоде. В активной дискуссии различные, порой взаимоисключашцие точки зрени; высказали О.Ф.Кабардин, И.К.Кикоин, Ь.Б.Мултановский,1.11.Свитков, С.|1. ВиЫаш, Н.М.шахмаев.З.Ь'.Звенчик. Основной вопрос заклвчен в возможности определения температуры, не прибегая к идеально-газовой эмпярии, поскольку "только определив это понятие,можно методически грамотно рассмотреть газовые законы и,вообще все тепловые явления^",

Термодинамическое определение температуры 1/1= , которое

посредством понятия энтропии вклвчает в себя и статистическве содержание, не адаптировано к средней вколе. Серьезной трудностью для методики формирования изучаемого понятия является и отсутствие прямых опытов наблвдения за микроскопическими процессами.которые могли бы привести к формирование молекулярно-кинетиЬеского и статистического содержания понятия температуры, пак отмечает О.Ф.Кабардин,используемые механические модели и опыты с разреженными газами не восполняют этот пробел,

Закономерности формирования понятия температуры не были еае сбъе том специального педагогического исследования, хотя, в работах Б.А.А лахунова, Г.И.Батуриной, Т.И.демьяновой,И.а.¿фрековой,Л.Н.Кузнецовой, А.Б.Маженовой, А.В.Иознякова.Р.Е. Тимофеевой, Я.С.Щурыгнной за тронуты различные аспекты этого процесса, в том числе высказаны раз личные точки зрения на содержание и методику формирования понятия температуры в средней школе, дальнейшее продвижение должно быть свя зано, на наш взгляд, с научно-методическим анализом самого понятия, выделением важнейшего содержания, его, определением требуемых уровней усвоения на различных этапах обучения естественнонаучным предмета»! в средней школе. Следует учесть как историческув логику развития самого понятия в рамках различных теорий, так и основное содержание его в современной физической парадигме, адалтировав выявленные закономерности развития понятия, к методике средней школы.

1. Совершенствование содержания обучения физике в средней вколе. /под ред.В.Г.ЗубоБа,В.Г.Разумовскэгв,Л.С.Хилг1яковой,-М,Педагогика

1978. - С.110/,

2. Научные основы школьного курса физики./Под ред.С.Й.Шамапа, Э.Е.'Лвенчик. - К..Педагогика, 1985. -С.84/.

Следует реализовать в конкретной методика требования "сихологки /Н.А.Кенчинская/о единстве усэоекия понятия с прменениек его содержания. Следует учесть и результаты исследования И.И.Нурминского о существовании порогового числа применения элемента содержания в учебной деятельности учацихся,после достижения которого это содер-кание начинает усваиваться.

Таким образом,актуальной является проблема отбора содержания понятия и выбора оптимальной методики изучения температуры в естествен» ионаучных предметах и связанная с этим возможность повышения уровня научности обучения на основе межпредметной коор1Инацин и генерализации содержания.

Целью исследования явилось установление объективных закономерностей рормирования знаний учащихся о температуре и умений применять их на «атериале различных предметов;определение оптимального уровне и объе-<а содержания обучения и эффективной методики изучения этого понятия «я различных естественнонаучных предметов.

Объектом исследования взят процесс обучения естественнонаучным |редметам в той части,где формируется или используется понятие температуры,а предметом является содержание учебного материала, »беспечивающее необходимый уровень усвоения псдятия.и соответствующе этому содержании и возрастным особенностям учащихся методы обу-шния.

Мы исходим из гипотезы,что на оскиве научно-методического анали-а понятия темпера.уры возможно существенное изменение содержания чебного материала по физике и единообразная трактовка понятия в стественнонаучных предметах средней школы.что приведет к более лубокому усвоении понятия температуры и повлечет за собой возрос-ие умения учащихся применять его,поскольку процесс обучения будет олее соответствовать логике развития понятия и объективным законо-ерностям его усвоения.

Конкретные задачи исследования:

1. Провести научно-методический анализ понятия температуры,опре-елить возможные уровни его усвоения для различных ступеней обуче-ия в средней школе, а также последовательность формирования еиж-ейиих компонентов понятиг. в ходе изучения естественнонаучных пред-етов.

2. Определить оптимальный объем содержания понятия для основной ёвятилетней школы и профилированного обучения физике,разработать этодику его формирования.Проверить доступность предложенное о со-эржания и эффективность разработанной методики.

3. Разработать методические рекомендации учителям природоведения физической географии,химии,исходя из определенных в исследовании закономерностей формирования понятия температуры.

4. Разработать вариант формирования молекулярно-кинетического и статистического содержания понятия температуры с использованием мо-делирувцих программ для школьных ЭВМ,

Теоретическая значимость исследования состоит в определении закономерностей формирования понятия температуры в средней школе во всей совокупности естественнонаучных предметов.

научная новизна результатов исследования заклинается в разработке последовательности изучения понятия температуры в соответствии с закономерностями формирования и накоплением содержания его в ходе изучения соответствующих тем выбранных предметов. Предложен новый методический подход к изучении раздела "Молекулярная физика" в основной девятилетней школе и в процессе профилированного обучения фи зике.

Практическая ценность результатов исследования состоит в разрабо танных методических рекомендациях учителям природоведения,физической географии,химии,физики по большому числу уроков в различных' классах,а также в разработанных моделях и программах для.школьных оШ,моделируюких тепловые процессы методики молекулярной динамики.

В ходе исследования применялись следующие методы:анализ литературы по истории физики,современных курсов общей и теоретической физике; изучение методической литературы с целью выяснить состояние проблемы в методике:анализ результатов наблюдения, анкетирования, фиксирующего педагогического эксперимента;теоретическая разработка последовательности формирования понятия и оптимальной методики ' его изучения;обучающий педагогический гксперинент и обработка его результатов методами математической статистики.

Исследование проводилось в 1982-91г.г. в школах Н.Новгорода и Нижегородской области.

На защиту выносятся - закономерности и последовательность формирования понятия температуры в естественнонаучных предметах средней школы;

- методи:.:. формировал понятия температуры на первой и второй ступенях обучения физике;

- методика использования школьных ЭЕМ при формировании понятия температуры.

Результаты исследования докладывались автором ваг - всероссийской научно-практической конференции "Вопросы мето»

■ - 5 - '

дояогнн а методики формирования научных понятий у учааихся вкол г. студентов вузов" - Челябинск, 1968.

Всесовзной конференции "Теория и практика соэдашя окольных учвб~ ников" - Москва, 19ЫЗ.

- ¿сесоозной научно-практической конференции "Идейное насладив Н.К.Крупской и проблемы перестройки современной школы" - Моею»,19В9,

- 1'орьковских областных педагогических чтениях. 1967.

- Горьковской региональной научно-практической конференции "Н.К.Крупская и проблемы современной советской шкилн" -Горький,1У69«

- научных и научно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава ГГПИ им. М.Горького в 1У87-у1г.г,

Результаты исследования внедрена в учебный процесс преподавания методики физики в Нижегородском педагогическом институте,Нижегородском Государственном университете,областном институте усовершенствования учителей, на Всесоозном факультете повышения квалификации преподавателей физики ССУЗ. Часть результатов использована в содержании экспериментального учебника "Физика и астрономия"поА ред.А.А." Минского и В.Г. Разумовского.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Диссертация состоит из введения,трех глав, заклвчения и приложений, Во введении обоснована актуальность исследования,сформулированы цели и задачи,определены объект,предмет и гипотеза исследования,

В первой главе лроведен научнс-кетодический анализ понятия температуры на уровне средней школы. Показано,что методика формирования юнятий в процессе обучения определяется рядом факторов, связанных :о структурой самого поянтия, способом его определения в базовой науке и логикой теоретической концепции,в которой функционирует данное понятие. Следует учитывать диалектически противоречивый характер развития понятия в науке и сложный,объективно противоречивый сарактер содержания его,отраженный в сегодняшнем уровне знаний. Хоря учебный предмет и не может полностью повторять историю науки, но юторическая логика развития важнейших понятий и теорий должна най-ги отражение в индивидуальной познавательной деятельности каждого гчащегося, облегчая ему постижение принципиально новых положений. 1огическая структура курса долгна быть,кроме того,изоморфной об-1епринятой системе взглядов,физической парадигме, чтобы но созда-зать разрывов в восприятии предмета между нашими выпускниками и их ¡удущими учителями и коллегами.

Анализ истории развития понятия температура позволил нам выделить

основные этапы»связанные со становлением интервальных термометрических шкал, и установить связь их с принципом эквивалентности теплоты и работы - первым началом термодинамики. Проанализирована роль второго начала в становлении шкалы Кельвина как шкалы отношений и установлении молекулярно-кинетической трактовки температуры.

Сделан вывод о ключевой роли'опытов Джоуля и принципа эквивалентности в энергетической трактовке температуры и распространении её на кинетическую теорию вещества. Показано взаимоотношение калоримет рических и молекулярно-кинетических представлений о температуре. Рассмотрена роль нулевого начала термодинамики в становлении термометрических шкал и показаны взаимоотношения термометрических, Кал-pi 3 era l^K+i^

лориметрических и молекулярно-кинетических, вытекающий из механистической модели строения вещества, MKT.

Показано^правильнее понимание температуры получается лишь при учете определенных статистических соображений, эквивалентных в конечном счете второму началу термодинамики. В частности, механистичность модели строения веиестЕа и постулат о равновероятности всех микросостояний приводят к рапределению Максвелла-Больцмана и молекулярно-кинетическому определению температуры Е ¿-^кТ. Утвержде ние о существовании хаоса в распределении энергии теплового излучения 'дает возможность применить к нему понятие температуры и получить в силу этого распределение Планка для поля излучения, дополнив классические представления квантовым постулатом.

Подчеркнуто, что сама статистика не располагает процедурой измерения температуры, считая её определенной и измеренной в термодинамике, что требует в учебном процессе постоянной опоры на результаты термометрии.

При анализе современной физической парадигмы в части, относящейся к понятии температуры, мы зыделили систему взглядов К.Каратео-дори и М.Ьорна о необходимости формулировать первое начало термодинамики без использования понятия "количество теплоты". Было еще раз поручено подтверждение Еызэда с необходимости рассмотрения в той или иной форме первого начала для получения интервальной шкалы и второго начала для получения шкалы отношений. Ценность для нашего исследования представляет вывод К.Каратаодори о том, что уже сам факт существования теплообмена, как способа неадиабатического обмена энергий, позволяет построить температурную шкалу отношений.

При,анализе статистических аспектов понятия температуры обращает на себя внимание связь между энергетическим содержанием понятия, применяемого к системам частиц различных статистик:средняя энергия

■еплового возбуждения частиц различных систем,отсчитаннрч о* основ» toro состояния, составляет кТ. Это погволяет не только обосновать [рименииость термометрических принципов для систем лвбых частиц, о и устанавливает границы применимости классической статистики, ак наиболее легкой для изучения, к значительному числу неклассичес-их систем, например, электронному газу в металле,дискретной систе-е энергетических уровней полупроводника.

В результате проведенного научно-методического и онтодидактичес-ого анализа понятия температуры выделено пять уровней, на которых сследуемое понятие может быть сформировано в средней школе: термо-етрический,калориметрический, молекулярно-кинетический,статисти-еский и термодинамический. На каждом уровне возможно, вообще говоря, вое понимание и даже свое определение температуры, каждый уровень меет свой круг рассматриваемых вопросов.

Каждому уровне сформированности понятия температуры поставлены в эответствие определенные уроки естественнонаучных предметов средней <олы, определенные этапы учебного процесса. Термометрические пред-гавления учащихся появляются на первых уроках природовденеия при ,'щественном пласте обыденных представлений, развиваются в курсе »зики первой ступени и заканчивают свое.разгтие после формирова-1я шкалы Кельвина. Калориметрические представления о температуре пинают также формироваться в курсе природовдэдения на фоке обыден-1х знаний учащихся, развиваются в i^'pce физической географии,фи-!ки первой ступен"., химии и завершаются установлением интервальнос-[ термометрических окал на основе первого начала термодинамики.

Молекулярно~кинетический уровень усвоения понятия температуры ютигается после уроков физики первой ступени, уроков химии 9-го асса, изучения МКТ в старших классах. На основе молекуляр^-ки-тических представлений на второй «тупени обучения физике разви-ются статистические и термодинамические, в соответствии с которыми ациеся связывают температуру с распределением частиц системы по ергаяк.

Б дивсертации для каждого уровня, каждого этапа учебного пронес, важнейших уроков определены задачи обучения и требования к зна-ям и умениям школьников,положенные затем п педагогическом эксие-менте в основу критериев усвоения понятия на каждом уровне.

Необходимо подчеркнуть, что рассматриваемые этапы не являются poro хронологическими, они перекрываются во времени, поскольку повременно идет формирование и усвоение учащимися различных вза-эсЕЯзанных аспектов понятия. Однако логически этапы процесса выкают один из другого.

^родуетанаыв калориметрические,энергетические представления уча-¡щлхся аоамокны яшь при учете ряда факторов,установленных на ocho-so термометрии, в частности, интервальности шкалы Цельсия. В своп очередь, иолекулярно-кинетическое понимание температуры,включая её иолекулярно-кинетическое определение В " \ кТ, возможно лишь при ус ловии усвоения учащимися энергетической трактовки температуры на предыдущем этапе и установлении шкалы отношений. Статистические представления о температуре возникают в развитие иолекулярно-кинет* ческого понимания, а термодинамическое определение возможно в процессе профилированного обучения физике лишь на основе статистическ! знаний учащихся об изменении распределения частиц по энергиям, cocí яниям при изменении температуры тела.

В диссертации показано, что при нарушении указанной последовате! ности формирования понятна происходит образование искаженных и упрощенных, представлений у учащихся. Властности, в эксперименте обнг ружено, что принятый на первой ступени обучения физике подход, игнорирующий термометрические и калориметрические аспекты понятия, приводит к формированию по преимуществу атавистических теплородных представлений, в результате чего учащиеся не могут правильно применять понятие температуры; кроме того,отсутствие перехода на второй ступени обучения физике к статистическим соображениям и игнорирава-ние калориметрического, энергетического компонента понятия температуры приводит к коку, что оно практически не применяется в учебном процессе для получения нового знания," а у учащихся нэ образуется требуемого прироста в уровне усвоения понятия.

Поэтому мы считаем, что установленная нами последовательность уровней усвоения понятия температуры образует основу закономерностей его формирования. Важно отмэтить, что установлена такая иерархия уровней, согласно которой переход на более высокий уровень не отменяет содержанке предыдущего, но лишь развивает и дополняет его. Установленная последовательности определяет и систему межпредметных координации естественнонаучных предметов в соответствии с содержанием изучаемых наук и возростными особенностями учащихся. При эхом обеспечивается поступательность, непротиворечивость и преемственность зз -чзштии понятия в различных дисциплинах.

Конечный результатом усвоения учащимися исследуемого понятия для основной девятилетней школы определен нолекулярно-кинвтический , уровень, поскольку именно это содержание понятия имеет наибольшее применение в дальнейшем, а в профилированной школе возмовен выход либо на'статистический, либо на термодинамический уровни в зависи-- ыо.сти от целей обучения.

В диссертации рассмотрены предложенные в литература различные методики формирования понятия температуры, глазным образом на лвкудярно-кинетичзском и статистическом уровнях, где имевтся наибольшее разногласия. Выделено восемь различных способов формирования соответствующих представлений учащихся, которые сгруппированы нами в три направления. Во-первых, получение идеально-газовой шкалы и на её основе молекулярно-кинетического определения для частиц идеального газа, которое затем по индукции распространяется на иные молекулярно-атомные системы. Во-вторых, постулирование связи В = | кТ как определение температуры в составе MKT вещества, исходя из определенного круга опытных фактов и модельных представлений» В-третьих, установление существование распределения Максвелла и его зависимости от температуры на основе опытных фактов, модельных экспериментов с получением из него молекулярио-кинетического и оФа>-тистического определения температуры.

В диссертации указаны достоинства и недостатки выделенных па-правлений и способов. В соответствии с установленными закономерностями формирования понятия температуры указаны резервы методики, связанные в аервув очередь в использованием калориметрических в энергетических представлений учащихся, принципа эквивалентности теплоты и работы, а также определенными модельными представлениями о движении и взаимодействии частиц.

Глава вторая раскрывает предлагаемую методику формирования понятия температуры. Прежде всего устанавливается необходимость взаимной адаптации и модификации предметов естественнонаучного цикла, {сходя из установленных в гл.1 закономерностей формирования иссл^-оуемого понятия, что должно привести к более высокому уровню меж-1редметной координации и большей генерализации учебных предме-ов. 1ри зтом мы опирались на выводы А.В.Усовой и В.Б. Давыдова о не-)бходимости сдвига в начальные классы первых этапов формирования эедущих понятий, если требуется обеспечить поступательность развития их содержания, ото не означает увеличение объема материала 1ля заучивания, возрастает лишь роль учителя в белее логичном и ручном представлении, установлении причинно-следственных связок.

Для курса природоведения рекомендуется наибольшее внимание уделить ;зучению принципа построения шкалы- Цельсия, тепловым свойствам юда, связям изменений в живой и неживой природе с изменениями емпературы. Затем отмечено, что такие основополагающие знания, ак установление реперных точек шкалы Цельсия,равномерность гэлз-ия шкалы, свойство температуры выравниваться в результате тепло-еродачи сообщавтся, явно или неявно, именно в курсе природоведе-

- ю

ния» нигде более ие дублируясь и активно используясь в иных предке» тахе Поэтому во избежание формирования у учащихся упрощенных, охи» Сочных, чаще всего теплородных по сути представлений» физика должна оказать существенное влияние на преподавание этих предметов. В диссертации предложены конкретные методические рекомендации по названным предметам. Развитие и использование термометрических и простейших калориметрических представлений предусмотрено в курсе физической географии.

Для первой ступени обучения физике и девятилетней школы в соответствии с вашими предложениями основной является проблема формирования калориметрических и молекулярно-кинетических представлений и навыко применения содержания понятия температуры. Кроме тредиционно изучаемой калориметрической зависимости 0.-С г* предлагается рассмотреть адиабатические опыты, эквивалентные опыту Джоуля, с тем, чтобы связать изменение температуры с изменением внутренней энергии системы. При отсутствии фазовых переходов это позволяет придать температуре прямое энергетическое содержание, мотивировать при этом интервальные свойства шкалы Цельсия. Таким образом существенно дополняются кинетические и простейшие калориметрические представления учащихся, составлявшие основу понятия температуры в традиционной методике первой ступени.

В дополнение к предложенному материалу курса физики предусмотрено повторение и развитие ке новом уровне термометрических представления, обоснование использования шкалы Цельсия как интервальной по отношению к энергии, а также получение основных черт ндеильио-газо-гой шкалы, включая получение определения £ ^кТ. Необходимость этого влтеказт из обязательности соответствующих знаний для дальнейшего изучения естественных наук, йстивкровхой введения идеально-газовой икала должны служить соображения о необходимости получения шкалы отношений, то есть следует найти такой макроэффект, который был 6и прямо пропорционален средней .кинетической энергии движения частиц вещества.

Первый объектом применения сформированного на данном уровне по* нятия является курс химии девятого класса. Опираясь на энергетический и молекух.:рно-ккнетические представления о температуре, дается бз^ео полная и точная трактовка энергетики и элементарной кинетикь химических реакций по сравнение с традиционно приводимыми в учебниках соображениями, проведенный в диссертации анализ взаимосвязи курсов физики и химии девятилетней школы показываэт, что именно предлагаемый нами уровень усвоения учащимися понятия температуры обеспечивает необходимые знания и умения для изучения вахнейанх

химических закономерностей и в сед/ этого должен быть обеспечен курсом физики. В то же время изучение энергетики и кинетики химических реакций в курсе химии 9 класса вносит, при использовании наших рекомендаций, существенный вклад в формирование понятия температуры, заполняя временной и понятийный интервал между I и .2 ступенями обучения физике.

Главной задачей обучения в старпих классах в части формирования исследуемого понятия, согласно нашим предложениям является развитие сформированных в девятилетней вколе знаний учащихсч до статистических представлений о температуре, как параметре распределения частиц вещества по энергиям или скоростям. Молекулярно-кинетические представления на этом этапе следует довести до понимания мэлекуллр-ного механизма теплообмена и установления равенства средних кинетических энергий частиц одновреиенно с установлением максвелловско-го распределения. Существенное отличие предлагаемой методики от традиционной состоит также в отказе от идеально-газовой эмпирии как единственнго основания для выбора определения температуры«

В результате анализа всей совокупности известных учащимся сведений, в том числе калориметрических и статистических представлений, результатов модельных экспериментов мотивируется выбор определения температуры и её статистическая трактовка, '¿то содержание входит в состав ядра школьной молекулярной физики, не опираясь ни на какие свойства конкретных веществ, в том числе идеальных газов. Уравнение состояние идеального газа выступает поэтому как следствие принятого определения температуры.

Кроме идеальных газов мы предлагаем в качестве объектов примене-. ния сформированного понятия расс ютреть являения теплового расвн-рзния, агрегатных превращений тока в полупроводниках, излучения и поглощения света веществом, мутации под действием теплового движения. В диссертации предложены методические рекомендации по изучении названных вопросов. Сформулированы некоторые предложения по расниренив эксперимента, прежде всего фронтального, используемого в учебном процессе для закрепления сформированного понятия. На основе изучения процесса изменения сопровивления полупроводников с температурой' предлагается сформировать представления о распределении сольцмааа. Рассмотрены опыты с использованием хариктериографа для быстрого изучения характера температурной зависимости сопротивления различных веществ. Изучены методические возможности прямого определения средних кинетических энергий частиц идеального газа в качестве под-

ччьерждення обоснованности принятого определения температуры.

Специальный параграф диссертации посвящен возможностям использования окольных ЭВМ при формировании понятия температуры. Прежде В5«го это модельные эксперименты по столкновению небольшого числа чаетиц (десятки), хаотически движущихся в соответствии с модэлируе-иам состоянием вещества, В ходе наблюдений за результатами эксперимента каждый учащийся может изменить Параметры модели, начальные состояния, рассмотреть реализуемый в модели характер движения и столкновений частиц и убедиться , что при любом начальном состоянии и-для Любого веиества в рамках MKT хаотические столкновения частиц приводят к выравнивании средних кинетических энергий их движения и установлению максвелловского вида распределения их по энергиям. Наглядную трактовку получает в этом случае процесс теплообмена, приводящий к выраниванию температур» что открывает возможность элементарной статистической трактовки второго начала термодинамики.

Численный эксперимент применен также для моделирования движения броуновской частицы, причем хаотичность дЕйкония не навязывается ей, как это делается обычно, но получается как результат применения положений MKT, как проверяемое в эксперименте следствие теории. Приведены также программы, позволяющие численно моделировать явление теплового расширения, для обработки результатов эксперимента по введения распределения Больцмана,

Глава третья посвящена изложению методики и результатов педагогического эксперимента, Эксперимент проводился в ¡пколах К 76 и 180 г. Нижнего Новгорода, школах К 14, 18, 19 г. Балахны Нижегородской области и Хахальской сродней школе Семеновского района. В силу больного числа учебных предметов и классов, в которых формируется и применяется понятие температуры, эксперимент носил фрагментарный характер, охватывая наиболее Еажные с Нашей точки зрения этапы учебного процесса, на которых происходит приращение, существенное развитие понятия.

Критерием результативности учебного процесса использован предложенный А.В. Усовой коэффициент полноты усвоения понятия: |<-JL£i_- . Здесь - общее число признаков понятия,

^ * Л/ ' ' /

которые должны быть усвоены учащимися на данном этапе.,{,/ - общее число учащихся в эксперименте, а»; - число правильно сформированных признаков у i - того учащегося. Для каждого si¿па обучения, охваченного экспериментов, требовалось определить ааашейшие признаки сформированное™ понятия, исходя чз определенных нами уровней

усвоения его,и детализировать их в виде вопросов и заделий для учащихся,

Рассматриваемый показатель "уровень усвоэния понятия" фактически совпадает с частотой верных ответов учащихся, усредненных по всей выборке и по всей совокупности вопросов. Все предлагаемые вопросы представляли собой небольшие качественные задачи, не сводящиеся к репродукции знаний. При этом условии частотный показатель правильных ответов учащихся образует интервальную шкалу,

В курсах природоведения, физической географии, химии приводился лишь эксперимент по выявление уровня сформированное™ понятия, без выделения контрольного и обучающего эксперимента. Преподаватели природоведения и физической географии, участвовавшие в эксперименте, использовали наши методические рекомендации, поэтому полученные знания коэффициента полноты усвоения понятия температуры следует рассматривать как возможный для достижения. В курсах физики первой и второй ступени проводилгя как контрольный, так и обучавший эксперимент, что позволило выявить эффективность предлагаемой методики,

¡экспериментом в начальной школе было охвачено 135 учащихся, по курсу физической географик б класса охвачено 110 учащихся, по курсу химии 9 класса - 89 учащихся. Контрольным экспериментом а курсе физики первой ступени охвачено 372 ученика, обучавшим экспериментом - 75 учащихся. На второй ступени обучения, в IU классе в обучающем эксперименте участвовало 293 ученика, в контрольном -120 учащихся. Динамика изменения коэффициента полноты усвоения понятия температуры и уровни усвоения отдельных признаков его в выбранных нами предметах отражена з таблице.

:коэффициент пол- : уровни усвоения отдельных

класс предмет :ноты усвоения поня-: :тип : признаков максим. ми ним

4 природоведение G,57 0,76 0,43

б география 0,74 0,89 0,48

8 физика

а)контроль 0,41 0,61 0,17

б)обучающий 0,62 0,93 и, 48

9 химия 0,36 и, 42 0,32

10 физика

а)контроль 0,47 U,72 0,24

б)обучавщий 0,71 0,81 0,55

'•зги данные позволяет сделать следующие выводы. Ьо-первих,уровень усвоения понятия температуры без использования специальной методики , направленной на формирование его в процессе применения в различных предметах, низок ишеет тенденцию к снижению по мере усложнения содержания понятия. Во-вторых, хуже всего усваиваются те признаки понятия, которые требуют навыков применения его. Б нашем эксперименте таким признаком бвло умение применять понятие температуры к явлениям агрегатных превращений. Причем уровень усвоения этих признаков и в обучающем эксперименте низок. Мы рассматриваем этот факт как указание на необходимость взаимосвязанного изучения нескольких ведущих понятий, в данном случае понятия энергии.

Наконец, сравнение результатов обучающего и контрольного эксперимента показывает, что на уровне достоверности 0,05 предлагаемая нами методика, основанная на выявленных закономерностях формирования понятия температуры, дает более высокий уровень усвоения понятия температуры и умений применять его. причем наиболее высокие значения Получены для усвоения новых, предложенных нами элементов содержания понятия - колекулярно-кинетических для Ь класса и статистических для 10. В контрольном эксперименте содержание заданий не включало введенные вновь элементы, соответствовало требованиям программ, чем обеспечивалась сопоставимость результатов. Методами математической статистики показана значимость наблюдаемых различий в контрольном и обучающем эксперименте.

Б ходе исследования проводился и камерный эксперимент по исполь зозанию предложенных в диссертации моделей и программ в процессе изучения молекулярной физики. Показано, что возможно получение учащимися нового существенного знания в результате выполнения ими работ с использованием ЭВМ. Так, в результате работы программы моделирующей тепловой контакт двух тел, происходит формирование статистических представлений о температуре и устанавливается статк тическая основа Еторого начала- термодинамики.

В заключении изложены основные результаты исследования, которые могут быть сформулированы следующим образом:

1. Проведен научно-методический анализ понятия температуры, выделены необходимые уровни его усвоения в различных учебных предметах и в разных классах средней школы. Это позволило структурировать содержание и цели обучения для естественнонаучных предметов средней школы, с целью наиболее полного и точного изучения всеге круга вопросов, связанных с понятием температуры.

2. Установлены закономерности формирования понятия -емпературы, включающие: уровни усвоения понятия температуры ни различных ступенях обучения - термометрический, калориметрический, молекулярно-кинетический и статистический; последовательность формирования понятия температуры в ходе изучения естественнонаучных предметов, соответствующая последовательности указанных уровней; систему меа-предметной координации естественнонаучных предметов в соответствии с содержанием изучаемых наук и возрастными особенностями учащихся.

Показано, что исследуемое понятие последовательно развивается и формируется на термометрическом, калор&етрическом, иолекулярно-кинетическом, статистическом и термодинамическом уровнях, причем каждый последующий уровень во всей совокупности изучаемых предметов р-звивает и дополняет, но не отменяет содержание предшествующих, чем и обеспечивается поступательность и преемственность в развитии понятия.

3. для основной девятилетней школа обоснована необходимость ч возможность изучения понятия температуры на молекулярно-кинетичес- ■ ком уровне. Предложена и опробованы в эксперименте соответствующие мотодики, опиравшиеся на более полное .^пользование принципа эквивалентности теплоты и работы, интервальных .войств температурных шкал, для профилированного обучения физики в 10-11 классах средней школы установлена необходимость и доступность изучения понятия температуры ка статистическом уроь^е. Разработана и опробована в эксперименте меюдика, реализующая формирование понятия температуры на указанном уровне, причем сформированное понятие активно используется при дальнейшем изучении естественнонаучных предметов

для получения ва&ных в познавательном отношении результатов.

Рекомендуемая методика включает направления формирована, поня- • тая на каждом из указанных уровней, определяет систему учебного эксперимента по теме, з том числе с использованием характерипгра-фов и школьных ЗВМ.Яредложен новый методический подход к изучению явлений теплового расширения и агрегатных превращений, основанный на анализе сил межмолекулярного вз&ямодеЯстЕия, показана возможность экспериментального изучения распределения Больцмана с использованием терморезистора и ЭВМ.

Показана возможность единообразного подхода к формированию и применению понятия температуры в естественнонаучных предметах средней школы на ссновэ проведенного в диссертации научно-методического анализа понятия и закономерностей его усвоения. З.о позволяет в большей степени генерализовать содержание учебных предметов, установить мелпредметную координацию, а также повысить уровень на-

учности преподавания природоведения, физической географии е химии в средней яколе»

5. Рассмотрена возможность использования моделирующих программ для школьных ЭВМ для изучения вопросов школьного курса физики, где формируется или используется понятие температуры. Показана перспективность моделирования тепловых процессов на небольшом числе частиц что позволяет исследовать важнейшие явления молекулярной физики, в том числе ввести статистическую трактовку температуры при активной познавательной деятельности учащихся.

достоверность результатов исследования обеспечивается охватом в педагогическом эксперименте наиболее важных этапов формирования понятия температуры при изучении природоведения, физической географии химии, физики на первой и второй ступенях обучения.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях;

1. Формирование понятия температуры в предметах естественнонаучного цикла. Методические рекомендации.-М.,ШШСиМ0 АПН СССР,1985.-30с.

(в соавт. с В.Б. Усановым и Ю.М. Нинаргиным).

2. диалектико-материалистическое воспитание в создание систем межпр метных связей при изучении школьного курса естественных наук. (Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции "Вопросы методологии и методики формирования научных понятий у учащихс школ и студентов вузов. Часть 2.-Челябинск, 198ь. - С.Ч2-43.

3. Организация теоретического материала в учебнике физики.(Тезисы всесоюзной конференции.на тему:"Теория и практика создания школьных учебников". - М., 1У66, - С.296-301,

4. Методические рекомендации по осуществлению межпредметных связей в процессе подготовки и проведении уроков. На примере естественно-Математических предметов.-Горький, ГПШ, 1Уо9,-20с.Св соавт. с

Я,И. Псздяевым).

5. Реализация идей Н.К. Крупской о диалектическом подходе к построе ник учебных дисциплин в современной школе,(материалы научно-прахти-ческой конференции "Н.К.Крупская и проблены современной советской школы". - Горький, 1У69. - С.31-33.

6. школьные лекции и семинары го физике. Методические рекомендации студентам педагогических специальностей. -Горький,ГГУ, 1У90. 45с.

7. Организация межпредметных связей в системе управления учебным процессом.(Бнутришкольное управление в условиях перестройки. Межвузовский сборник научных трудов.-Н.Новгород, НГЛИ, 1у90. С.175-189. 6. Использование школьных пЗВМ для формирования важнейших понятий молекулярной физики.//$иаика в^школе, 1990, -С.44-48.