Интеграция виртуального и натурного школьного физического эксперимента в процессе обучения физике

Заковряшина, Ольга Владимировна

Темы диссертаций по педагогике » Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)

автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Интеграция виртуального и натурного школьного физического эксперимента в процессе обучения физике

Автореферат

Автор научной работы: Заковряшина, Ольга Владимировна
Ученая степень: кандидата педагогических наук
Место защиты: Санкт-Петербург
Год защиты: 2014
Специальность ВАК РФ: 13.00.02

Диссертация недоступна

Автореферат диссертации по теме "Интеграция виртуального и натурного школьного физического эксперимента в процессе обучения физике"

На правах рукописи УДК 372.853

Заковряшина Ольга Владимировна

ИНТЕГРАЦИЯ ВИРТУАЛЬНОГО И НАТУРНОГО ШКОЛЬНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В ПРОЦЕССЕ ОБУЧЕНИЯ

ФИЗИКЕ

Специальность 13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания (физика, уровень общего образования)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

г ОКТ 2014

Санкт-Петербург 2014

005552955

Работа выполнена на кафедре общей и теоретической физики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Новосибирский государственный педагогический университет»

Научный руководитель

Борыняк Леонид Александрович

доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры общей физики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Официальные оппоненты

Петрова Елена Борисовна

доктор педагогических наук, доцент, профессор кафедры физики для естественных факультетов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский педагогический государственный университет»;

Филиппова Илзе Яновна

кандидат физико-математических наук, учитель физики Государственного бюджетного общеобразовательного учреждения средней

общеобразовательной школы № 138 Калининского района г. Санкт-Петербурга.

Ведущая организация

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный педагогический университет»

Защита состоится 13 ноября 2014 г. в 15 часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.199.21, созданного на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет им. А.И.Герцена», по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 48, корпус 3, ауд. 52.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Российского государственного педагогического университета им. А.И.Герцена, (191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 48, корпус 5) и на сайте университета по адресу: http://disser.herzen.spb.ru/Preview/Karta/karta OQOOOOQ83.html

Автореферат разослан «. сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук, доцент

Общая характеристика работы

Переход российского образования на новые образовательные стандарты нацелены на воспитание выпускника школы - критически мыслящего, активно и целенаправленно познающего мир, осознающего ценность образования и науки, владеющего основами научных методов познания окружающего мира, мотивированного на творчество и инновационную деятельность, готового к сотрудничеству, способного осуществлять учебно-исследовательскую, проектную и информационно-познавательную деятельность. В настоящее время доля экспериментальных исследований на уроках физики невелика и проблема повышения эффективности школьного физического эксперимента является актуальной.

Разрыв между кардинально новым уровнем развития современной техники, используемой в быту, и недостаточным уровнем теоретических представлений учащихся для понимания принципов работы этой техники, бессилие в решении возникающих технических проблем, затрудняет мотивацию детей к обучению физике.

Необходимость включения учащихся в экспериментальную деятельность, отражающую характер современной экспериментальной деятельности в физической науке привела к разработке и внедрению в практику обучения виртуального эксперимента. Виртуальные физические эксперименты в образовании - это относительно новое направление в образовании, обусловленное реализацией физических моделей средствами вычислительной техники.

Модернизация учебного физического эксперимента на основе компьютерной техники освещена в трудах многих исследователей (Л. И. Анциферов, В. А. Извозчиков, В.В. Клевицкий, A.C. Кондратьев, Н.Ю. Королева, В.В. Лаптев, A.B. Ляпцев, Р.В. Майер, В.И. Сельдяев, A.B. Смирнов и др.). В настоящее время в контенте цифровых образовательных ресурсов представлены разнообразные динамические объекты (видео, анимации, модели). Особое место в этом классе занимают компьютерные модели. Направления и способы использования компьютерных моделей в обучении предметам естественнонаучного цикла (физике, химии, биологии) определены в основном.

Актуальность темы исследования обусловлена тем, что в условиях информатизации образования происходит внедрение виртуального эксперимента в систему школьного физического эксперимента (ШФЭ), приводящее к изменениям в содержании образования, к поиску новых форм проведения занятий, способов и приемов работы. Анализ публикаций, исследований и разработок учебного программного обеспечения показывает, что теоретические основы интеграции виртуального и натурного учебного эксперимента еще только закладываются. Под интеграцией виртуального и натурного эксперимента будем понимать процесс и результат их взаимодействия в системе ШФЭ.

Плодотворность сочетания натурного и виртуального эксперимента при обучении физике в средней школе показаны в работах Ю.О. Лободы, O.E. Макаровой, Е.В. Оспенниковой, С.Е. Попова, В.И. Сельдяева, В.В. Смирнова, М.И. Старовикова, A.M. Толстика, А.И. Ходановича и др. Вместе с тем, требуется систематизировать приемы сочетания натурного и виртуального эксперимента, учитывая место виртуального эксперимента в учебном познании.

Актуальность исследования также продиктована необходимостью разработки элективного курса по физике, обеспечивающего вариативность обучения в соответствии с возможностями учащихся и независимость от конкретных «готовых» компьютерных моделей. Учебная программа по такому курсу, реализующему информационные технологии в физическом эксперименте, должна быть нацелена на формирование умений: анализировать процессы проведения исследований; составлять прогнозы на

основе имеющихся данных; интерпретировать научные факты и данные исследований; выявлять научные факты и данные исследований, лежащих в основе доказательств и выводов; интерпретировать графическую информацию; проводить оценочные расчеты и прикидки и др.

Проблема исследования состоит в поиске путей повышения мотивации учащихся к физике, развития их мышления и приобретения ими опыта экспериментально-исследовательской деятельности с использованием современных средств школьного физического эксперимента.

Объект исследования - процесс обучения физике школьников.

Предмет исследования - осуществление школьного физического эксперимента на основе интеграции виртуального и натурного эксперимента.

Цель исследования - выявить дидактические условия интеграции виртуального и натурного учебного физического эксперимента, разработать методические материалы по совместному использованию виртуального и натурного физического эксперимента для организации учебных исследований школьниками старших классов.

Гипотеза заключается в том, что результативность обучения физике на основе интеграции виртуального и натурного эксперимента повысится, если:

• использовать учебный виртуальный физический эксперимент для организации активной учебно-познавательной деятельности - поисковой, исследовательской;

• в качестве учебного виртуального эксперимента применять имитационный и вычислительный эксперименты, различающиеся специфичными функциями;

• принципами отбора компьютерных моделей для имитационного эксперимента считать требования: интерактивности; адаптивности; наличие прямых измерений, адекватных натурному эксперименту; оснащенность модели методическими рекомендациями и заданиями для диагностики знаний и умений учащихся; наличие родственных моделей с дополнительными усложняющими факторами, постепенно приближающих эти модели к реальному явлению; кратковременности эксперимента;

• выявить и использовать приемы сочетания виртуального и натурного учебного физического эксперимента.

Исходя из сформулированной гипотезы, для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи.

Задачи исследования:

• провести анализ научной, психолого-педагогической, методической литературы (учебных программ, планов, нормативных документов, методических руководств) и диссертационных исследований, посвященных проблеме эффективного использования учебного физического эксперимента, а также вопросам применения информационных технологий в школьном физическом эксперименте;

• рассмотреть значение системы ШФЭ в получении современных образовательных результатов;

• проанализировать имеющиеся методики использования компьютерных моделей по физике и конкретизировать понятие учебного виртуального физического эксперимента;

• выявить функции виртуального эксперимента в системе ШФЭ, обосновать применение виртуального эксперимента - определить специфичные для него цели, методы, организационные формы, условия и результаты обучения;

• выявить теоретические основы и условия, которые содействуют процессу интеграции виртуального и натурного эксперимента;

• обосновать необходимость и целесообразность применения в обучении физике приемов сочетания виртуального и натурного эксперимента;

• разработать и апробировать элективный курс «Информационные технологии в физике», включающий экспериментально-исследовательскую деятельность учащихся с использованием компьютерного моделирования;

• в ходе опытно-экспериментальной работы проверить гипотезу.

Теоретическую и методологическую основу исследования составляют: на философском уровне - закономерности и принципы диалектики, методология и методы психолого-педагогического исследования (В. И. Загвязинский, А. А. Кыверялг,

B. В. Краевский); основные принципы, законы и закономерности дидактики; научно-методические работы по вопросам учебной деятельности (Л.С. Выготский, В.В. Давыдов,

C. Л. Рубинштейн, Ю. А. Сауров и др.); результаты научно-методических исследований по проблемам информатизации образования и компьютерным технологиям обучения физике {Л.И. Анциферов, Г.А. Бордовский, В.А. Извозчиков, В.А. Кондратьев, В.В. Лаптев, Р.В. Майер, Е.В. Оспенникова, М.И. Старовиков, И.В. Роберт и др.); вопросы методологии физики, учебного и научного познания (А. С. Кондратьев, В.В. Майер, В.Н. Мощанский, И. И. Нурминский, В. Г. Разумовский, В. Я. Синенко, А. В.Усова и др.); дидактические основы построения системы школьного физического эксперимента (В. Я. Синенко).

Для решения задач исследования использовались следующие методы: анализ научной, психолого-педагогической, методической литературы; системный анализ; наблюдение, опрос и анкетирование, беседа; тестирование; моделирование; опытно-экспериментальная работа; обработка результатов опытно-экспериментальной работы методами математической статистики.

Базой исследования являлось муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение города Новосибирска «Инженерный лицей Новосибирского государственного технического университета».

Этапы исследования. На первом этапе исследования (2003-2005 гт.) был проведен анализ состояния школьного физического эксперимента (ШФЭ), сложившейся практики использования компьютера в ШФЭ, а также началось изучение дидактических возможностей применения информационных технологий в ШФЭ. В процессе изучения научной и методической литературы определены основные идеи исследования и разработана программа курса по выбору «Информационные технологии в физике» для 10-11 классов. Уточнены принципы отбора содержания для нового курса, выявлены приемы совместного использования натурного и виртуального эксперимента.

На втором этапе исследования (2006-2008 гг.) осуществлен поисковый этап -проверка эффективности фрагментов разработанного курса «Информационные технологии в физике». Опытная проверка показала, что организация виртуального эксперимента и сочетания его с натурным экспериментом в рамках курса «Информационные технологии в физике» приводит к ожидаемым положительным изменениям в деятельности учащихся по выполнению лабораторного эксперимента на уроках физики: в качестве оформления отчетов, правильности выводов по лабораторной работе, в повышении самостоятельности учащихся. Проводились разработка и оформление теоретического содержания диссертации.

На третьем этапе исследования (2008-2012 гг.) в формирующем этапе была проверена гипотеза исследования. В ходе собственного преподавания и преподавания другими учителями выявлена целесообразность применения методических материалов по элективному курсу «Информационные технологии в физике»; проверены результаты (в соответствии с гипотезой). По результатам апробации курса издано два учебно-методических пособия (для 10 и 11 классов).

Научная новизна исследования состоит в том, что в отличие от выполненных ранее работ:

1. Установлено, что процесс интеграции виртуального и натурного учебного физического эксперимента опирается на концепцию научного познания и наличие общих функций виртуального и натурного эксперимента (наглядности, источника знаний, содержание обучения и способ деятельности).

2. Разработана процедура ученического имитационного физического эксперимента и требования к компьютерным моделям для ученического имитационного эксперимента.

3. Определены дидактические условия интеграции виртуального и натурного эксперимента в системе ШФЭ:

• отражение в методике обучения физике модельного характера познания, включение моделирования в содержание среднего общего образования;

• выполнение требований к инструментам моделирования, реализованным на базе информационно-коммуникационных технологий;

• использование виртуального эксперимента для организации активной учебно-познавательной деятельности - поисковой, исследовательской.

4. Описаны три группы приемов сочетания виртуального и натурного эксперимента (первая группа приемов - когда виртуальный эксперимент предваряет натурный; вторая - когда очередность экспериментов не имеет значения и результаты виртуального и натурного эксперимента сравниваются; третья - когда стоится прогноз в вычислительном эксперименте по результатам натурного эксперимента).

Теоретическая значимость проведенного исследования заключается в следующем:

1. Обосновано место вычислительного и имитационного физического эксперимента в учебном познании.

2. Приемы сочетания виртуального и натурного эксперимента могут быть положены в основу разработки новых компьютерных моделей с целью получения современных образовательных результатов в школьном физическом эксперименте, а также для новых исследований по проблемам повышения критичности мышления учащихся.

Практическая значимость исследования состоит в том, что разработаны и внедрены в процесс обучения физике методические материалы (в том числе учебно-методическое пособие), позволяющие интегрировать виртуальный и натурный эксперимент в обучении физике. Авторское учебно-методическое пособие «Информационные технологии в физике» включает поурочные разработки с использованием совместного использования натурного и виртуального эксперимента, рекомендовано для классов с профильным (углубленным) изучением физики.

Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечиваются опорой на основные положения современных методологических, психолого-педагогических и научно-методических исследований; результатами экспериментальной проверки разработанной гипотезы. Критериями результативности предложенных организационно-методических разработок служили:

1) повышение мотивации к обучению физике (результаты анкетирования, выбор предмета «Физика» на Едином государственном экзамене (ЕГЭ), результаты поступления в вузы);

2) качество предметных знаний и умений учащихся (результаты ЕГЭ);

3) системность знаний по физике (результаты специальной контрольной работы);

4) количество и качество экспериментально-исследовательских работ (результаты участия учащихся в творческих конкурсах и научно-практических конференциях).

На защиту выносятся следующие положения:

- Учебный виртуальный физический эксперимент может быть разделен по месту в учебном познании на два вида: вычислительный и имитационный.

- Дидактическими условиями интеграции виртуального и натурного ШФЭ следует считать: отражение в методике обучения физике модельного характера познания; выполнение требований к инструментам моделирования, реализованным на базе ИКТ (доступности и качественного функционирования информационных сетей, вычислительных сред, наличие широкой базы имитационного эксперимента с возможностью легкого доступа к ней, ее передачи, тиражирования; соответствие учебных компьютерных моделей общедидактическим принципам, а также требованиям: интерактивности, адаптивности, наличие прямых измерений, адекватных натурному эксперименту; оснащенность модели методическими рекомендациями и заданиями для диагностики знаний и умений учащихся; наличие родственных моделей с дополнительными усложняющими факторами, постепенно приближающих эти модели к реальному явлению; кратковременности эксперимента); использование виртуального эксперимента для организации активной учебно-познавательной деятельности - поисковой, исследовательской.

- Процедура работы с готовой компьютерной моделью, имитирующей натурный физический эксперимент, должна состоять из следующих этапов: подготовительный, тестирование модели, практический, аналитический, рефлексия деятельности и её результатов.

Апробация исследования. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались автором: на XIX Международной конференции «Применение новых технологий в образовании» (Троицк, 2008); на ХП Международной научно-практической конференции «Инновационные ресурсы развития современного урока» (Новосибирск, 2009); на Всероссийской конференции «Системы обучения интеллектуально одаренных детей в российской школе» (Новосибирск, 2010); на шестнадцатой Всероссийской научно-практической конференции «Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения» (Глазов, 2011); на Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные процессы и технологии в образовании: стратегии, риски, перспективы» (Новосибирск, 2011); на Всероссийской научно-практической конференции «Содержание образования в аспектах реализации национальной образовательной инициативы «Наша новая школа» (Новосибирск, 2012); на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы эффективного внедрения федерального государственного образовательного стандарта общего образования» (Новосибирск, 2013); на Международной научно-практической конференции «Наука, образование, общество: тенденции и перспективы» (Мин-во обр. и науки, Москва, 2013).

По теме диссертационной работы опубликовано учебно-методическое пособие (в 2 частях) и 13 статей, из них 4 - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Диссертационное исследование объемом 128 страниц основного текста состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования, 9 приложений. Работа содержит 11 рисунков, 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследования, сформулированы проблема, цель и гипотеза исследования, определены объект, предмет, задачи и методы исследования, указана методологическая база, научная новизна,

теоретическая и практическая значимость работы, дано описание этапов исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Анализ состояния школьного физического эксперимента на современном этапе» включает 3 параграфа, в которых раскрыт понятийный аппарат исследования. Рассмотрены функции школьного физического эксперимента, выделены актуальные проблемы среднего общего образования, решение которых возможно в системе школьного физического эксперимента в условиях его информатизации.

В параграфе 1.1 «Функции школьного физического эксперимента» рассматривается роль и назначение системы школьного физического эксперимента (ШФЭ). Весь комплекс технических и психолого-педагогических аспектов школьного эксперимента приведен в дидактическую систему В.Я. Синенко. Под школьным физическим экспериментом понимается чувственно-предметная деятельность учителя и учащихся с реальными и мысленными объектами в условиях, позволяющих следить за ходом физических явлений и многократно их воспроизводить с целью решения учебно-воспитательных задач. С позиций роли ШФЭ выступает: как источник знаний, как метод обучения, как вид наглядности.

Для нашего исследования является актуальной позиция М.И. Старовикова о функциях эксперимента и его представлении в обучении. Школьный эксперимент должен раскрывать роль эксперимента в естественнонаучном познании: в эксперименте добываются новые, неизвестные науке факты; в эксперименте проверяется истинность гипотез, теорий; в эксперименте раскрывается сущность изучаемых явлений и на этой основе создаются новые или уточняются, дополняются известные теории.

Экспериментирование как деятельность - шире, чем просто работа с приборами, установками и т.п. В целом, это довольно сложный вид деятельности, который втягивает в себя знания, приёмы и др., в том числе такой фундаментальный и особый вид деятельности как моделирование, деятельность с моделями (Ю. А. Сауров).

В параграфе 1.2 «Значимость школьного физического эксперимента в получении современных образовательных результатов» выделены следующие проблемы: проблема моделирования в обучении, развитие познавательной самостоятельности учащихся и развитие критичности мышления учащихся.

Моделирование - это такой специфический метод познания, который включает построение моделей (или выбор готовых) и изучение их с целью получения новых сведений о рассматриваемых физических объектах. В работе представлена схема компьютерного моделирования (С. Е. Попова). Изучение явления начинается с построения физической, затем математической модели изучаемого явления, и далее следует получение результатов в вычислительном эксперименте. В основе организации процесса обучения - цикл познания.

Особого внимания в связи с моделированием в обучении заслуживает проблема несоответствия теоретических выводов, изучаемых школьниками на уроках физики, наблюдениям на практике (в действительности). В 2008 году с целью выявления условий и проблем школьного физического эксперимента нами были проанализированы затруднения, возникающие в лабораторном практикуме по физике у учащихся общеобразовательных учреждений. В ходе анкетирования учащихся лицея (150 десятиклассников, физико-математический профиль) обнаружено, что случаи несовпадения теоретических расчетов с результатами выполненного эксперимента вызывают у учащихся (45%) отрицательные эмоции, что не способствует мотивации учащихся к обучению физике. При обсуждении с учителями физики возможностей повышения результативности ученического эксперимента было выяснено, что проблемы, связанные с расчетом погрешности и трудоемкостью оформления отчетов по лабораторной работе, могут успешно решаться с применением информационных

технологий. А формирование представлений о модельном отражении действительности в научном познании, навыков мыслить моделями, оперируя ими, теоретически объяснять, предвидеть и с их помощью предсказывать, может способствовать снижению у учащихся тревожности, обусловленной сложностями количественной проверки теоретических выводов в физическом эксперименте.

Модель в качестве дидактического средства повышает наглядность обучения. При индуктивном пути наглядность является исходным пунктом обучения, а при дедуктивном - иллюстрацией к усвоенному общему положению.

Критическое мышление - это один из видов интеллектуальной деятельности человека, который характеризуется высоким уровнем восприятия, понимания, объективности подхода к окружающему его информационному полю. В системе школьного физического эксперимента могут формироваться следующие убеждения: наблюдения и эксперимент служат основой для выдвижения гипотез и построения научных теорий; эксперимент позволяет проверить истинность теоретических выводов; физическая теория дает возможность объяснять явления природы и научные факты; физическая теория позволяет предсказывать еще неизвестные явления и их особенности; при объяснении природных явлений используются физические модели; один и тот же природный объект или явление можно исследовать на основе использования разных моделей; законы физики и физические теории имеют свои определенные границы применимости.

Познавательная самостоятельность - это стремление и умение учащегося без посторонней помощи овладевать знаниями и способами деятельности, решать познавательные задачи с целью дальнейшего преобразования и совершенствования окружающего мира. Познавательная самостоятельность может быть присуща учащимся в различной степени. Поэтому выделяют уровни познавательной самостоятельности: репродуктивный, частично-поисковый, исследовательский. Наиболее высокий уровень самостоятельности может быть достигнут при наличии у учащегося умения самостоятельно планировать свою деятельность, сознательно использовать методы научного познания.

В параграфе 1.3 «Информационные технологии в школьном физическом эксперименте» приведен анализ научной, методической литературы, посвященной вопросам применения информационных технологий в школьном физическом эксперименте, использования компьютерных моделей и конкретизировано понятие учебного виртуального физического эксперимента.

Информационные технологии, как и многие достижения научно-технического прогресса, представляют собой новые условия для развития и формирования личности человека и характеризуются как позитивными, так и негативными для него последствиями. Был сделан вывод, что использование информационных технологий требует организации познавательной деятельности учащихся именно под руководством учителя, а также более широкого применения проектных и групповых способов работы.

В работе приведена схема использования компьютера в школьном физическом эксперименте (A.B. Ельцова). Достаточно широкая область применения компьютера в ШФЭ связана не с натурным экспериментом, а с его компьютерной реализацией. Компьютер выступает как средство (инструмент) для создания и исследования модели. Компьютерная модель - это созданный за счет ресурсов компьютера виртуальный образ, качественно и количественно отражающий внутренние свойства и связи моделируемого объекта, иногда передающий и его внешние характеристики. Компьютерные модели и эксперименты с ними позволяют исследовать явления и процессы на количественном уровне, тем самым приблизить школьный эксперимент к экспериментальным методам современной физической науки. Заметим также, что в нашем исследовании цифровые

лаборатории применяются как средства, позволяющие проводить количественный натурный эксперимент, при этом система ШФЭ дополняется новыми измерительными приборами, повышается наглядность обучения, появляются новые возможности в организации экспериментальных исследований.

В Словаре иностранных слов русского языка «виртуальный» определяется как «[ср. лат. упТиаПя] возможный; который может или должен проявиться», в энциклопедическом словаре Ф. Брокгауза и И. Ефрона - «возможный в идее». Т.е. виртуальный эксперимент - это такой эксперимент, который мог бы быть, который может возникнуть при необходимости (например, в обучении); идеал (норма), в соответствии с которым мы будем оценивать ход натурного эксперимента. В обучении мы намеренно натурному эксперименту противопоставляем эксперимент виртуальный, подчеркивая виртуальный характер результатов последнего эксперимента.

В Большой современной энциклопедии можно встретить следующее толкование слова «виртуальный» - «создаваемый средствами компьютерной графики и реализованный только в компьютере». В этом плане «виртуальный эксперимент» тождественен «компьютерному эксперименту». Учебный компьютерный эксперимент обладает высоким дидактическим потенциалом.

Опрос, проведенный нами в 2006 году, показал, что учителя и учащиеся считают необходимым внедрение в физический эксперимент компьютерных моделей. Однако в практике педагогов по работе с электронными образовательными ресурсами достаточно много сложностей. Нами представлен обзор научно-методической литературы по использованию виртуального эксперимента в обучении физике с выделением проблем, которые послужили ориентирами в нашей дальнейшей работе.

В настоящее время не существует устоявшейся классификации в области виртуального (компьютерного) эксперимента. В среде физиков, методистов-физиков, да и многих преподавателей физики наиболее часто используется термин «вычислительный эксперимент». Компьютерный симуляционный эксперимент, по мнению С.Е. Попова, следует рассматривать как «скрытое» проведение вычислительного эксперимента. Е.В. Оспенникова выделяет «возможные вариации виртуального эксперимента. Это могут быть как имитационный, так и численный эксперименты».

В нашем исследовании под учебным виртуальным физическим экспериментом понимается эксперимент, выполняемый на компьютерной модели какого-либо физического объекта, который сводится, в конечном счете, к варьированию параметрами модели, анализу и интерпретации результатов, организованный в процессе обучения физике по принципу дополнительности с целью реализации функций школьного физического эксперимента.

В составе учебного виртуального эксперимента можно выделить два вида в зависимости от того, компьютерная модель для эксперимента создается самим учащимся или она дается ему в готовом виде. Если компьютерная модель физического явления для его дальнейшего исследования создается самим учеником на языке программирования или в какой-либо вычислительной среде, будем говорить о вычислительном эксперименте. Если учеником исследуется готовая компьютерная модель, имитирующая натурный эксперимент, специально созданная для обучения, то это имитационный эксперимент. И тот, и другой являются виртуальным экспериментом, т.е. создаваемым средствами компьютерной графики.

В вычислительном эксперименте учащийся получает знания о моделируемом объекте в различных условиях, используя известные ему теоретические знания и вычислительные возможности компьютера. Имитационный эксперимент отличается от вычислительного эксперимента. Имитация (от лат. ¡тЦаио) - подражание, подделка. Интерактивная модель для имитационного учебного эксперимента показывает, как

протекает явление в природе или так, как это нужно учителю (если целью изучения является идеализированный объект). Имитационный эксперимент рассматривается нами как деятельность учащегося по исследованию готовой компьютерной интерактивной модели, имитирующей натурный физический эксперимент. При этом теоретическая (физическая и математическая) модель явления, положенная в основу имитационного эксперимента, скрыта от учащегося. При работе с такой моделью ученик, изучая явление, выводит (под руководством учителя) законы и осваивает принципы, что составляет базис физической теории, т.е. строит теоретическую модель явления и только затем может проверить эти теоретические знания в эксперименте.

Делаются выводы, что объективными предпосылками интеграции виртуального и натурного эксперимента в систему ШФЭ является наличие общих функций: вид наглядности, источника знаний, содержание и способ деятельности. Виртуальный эксперимент может быть включен в состав разнообразных методов обучения, может служить средством усвоения знаний и способов деятельности. Моделируя физический объект и изучая его поведение на модели, ученик может усваивать предметные знания, а также приобретать исследовательские умения, у него могут формироваться представления о роли компьютерного моделирования в научном познании. Специфическая функция виртуального эксперимента - прогнозирование (получение) новых фактов - дает более широкие возможности для организации исследовательской деятельности учащихся.

Вторая глава исследования «Теоретические основы интеграции виртуального и натурного школьного физического эксперимента» включает 3 параграфа, в которых рассматривается методологическая основа интеграции виртуального и натурного учебного физического эксперимента, а также выявляются дидактические условия, которые содействуют процессу интеграции виртуального и натурного эксперимента.

В общенаучном представлении под интеграцией (лат. integratio - восстановление, восполнение, от integer - целый) понимают с одной стороны, состояние связанности отдельных дифференцированных частей и функций системы, организма в целом, а с другой стороны, процесс, ведущий к такому состоянию и др. Под интеграцией виртуального и натурного эксперимента будем понимать процесс и результат взаимодействия виртуального и натурного эксперимента как структурных элементов системы ШФЭ.

В параграфе 2.1 «Концепция научного познания как основа для интеграции виртуального и натурного школьного физического эксперимента» рассматриваются положения концепции научного познания, сформулированной в работах В.Г. Разумовского и В.В. Майера.

В реальном учебном процессе формула «факты - модель - следствия -эксперимент» задает внутреннюю логику движения материала, мышления, деятельности. Интеграция виртуального и натурного школьного физического эксперимента в учебном процессе возможна при ясном понимании места виртуального эксперимента в учебном познании. Мы не ставим знака равенства между научным и учебным познанием. В первом случае творческая деятельность людей направлена на формирование тех знаний, которые ранее человечеству были неведомы. Особенность учебного познания в том, что оно направлено на формирование знаний, истинность которых уже установлена учёными, но пока ещё неведома школьникам.

В параграфе 2.2 «Место имитационного и вычислительного эксперимента в учебном познании» обосновано место виртуального эксперимента в обучении.

Два вида виртуального учебного эксперимента (имитационный и вычислительный) нами представлены как способы перехода от явления (внешней

стороны) изучаемого объекта к теоретической (концептуально физической) модели и от неё к рассматриваемому объекту в новых условиях (рисунок 1).

Рис. 1. Учебный имитационный и вычислительный эксперименты как способы перехода от явления (внешней стороны) изучаемого объекта к его теоретической модели и от модели к объекту в новых условиях

Объект изучения вначале предстает как явление. На начальном этапе обучения необходимо организовать наблюдения явления в естественных условиях или натурный эксперимент. Натурный опыт, показываемый учителем на демонстрационном столе, позволяет лишь познакомить с изучаемым явлением, но задача учителя состоит в том, чтобы построить абстрактные теоретические модели, раскрывающие его сущность.

При переходе от явления (внешней стороны) изучаемого объекта к теоретической (физической) модели применяется имитационный эксперимент - учебный вариант физического эксперимента, результаты которого составляют эмпирический базис изучаемого раздела физики, реализованный в компьютерной модели.

При выполнении имитационного эксперимента на этом этапе учащиеся могут учиться планировать и анализировать результаты эксперимента, знакомятся с оригинальными методами измерения и регистрации изучаемых объектов и явлений. Вместе с тем имитационный эксперимент можно представить одним из способов изучения научных фактов. Вслед за В.Я. Синенко используем термин «группа исходных фактов». «Кроме эмпирических, в группу исходных фактов включаются и законы, претендующие на их использование для выдвижения гипотезы, достоверность которых установлена на практике. Мотив подбора этих фактов выражен обобщённым вопросом: «Единично ли установленное противоречие, связано ли оно и как с другими предметами и явлениями, при каких условиях они взаимосвязаны и как влияют друг на друга, какие объективные закономерности данной области познания могут подойти для построения на их основе разумных умозаключений для решения проблемы?» На наш взгляд, накопление фактов - важнейшая и ответственная часть научного исследования. При ответе на поставленный вопрос в ходе подбора фактов уже в скрытом виде начинает формироваться модель. Чем полнее подобрана группа исходных фактов, тем объёмнее будет основание для концептуального построения» (В.Я. Синенко).

Имитационный эксперимент может обогатить группу исходных фактов, но лишь в достаточно ограниченной мере, т.к. убедительность виртуального эксперимента меньше натурного. Под убедительностью эксперимента понимается его неопровержимость, вескость, неоспоримость.

Вычислительный эксперимент на этапе возврата от теоретической (физической) модели к реальному конкретному явлению позволяет получить сведения о протекании явления в новых условиях.

Деление виртуального эксперимента на имитационный и вычислительный, на наш взгляд, имеет значение в обучении и для учителя, и для учащегося (таблица 1). Учителю важно знать, что имитационный эксперимент применяется при индуктивном пути, т.к.

следует формулирование логического умозаключения путем обобщения данных наблюдения и эксперимента, а вычислительный эксперимент - при дедуктивном пути, т.к. организуется переход от некоторых общих посылок к частным результатам, следствиям. Учащийся в имитационном эксперименте той информации, которая заложена в компьютерной модели, должен доверять, а в вычислительном - учащийся, создавая компьютерную модель, в опоре на концептуальные физические знания, принятую им теоретическую модель только проверяет (испытывает).

Таблица 1

Разделение понятий «имитационный» и «вычислительный» эксперимент в __обучении_

Основания для разделения Имитационный эксперимент Вычислительный эксперимент

Кто создает компьютерную модель Специалист Учащийся

Путь в обучении Индуктивный Дедуктивный

Специфическая функция в обучении Получение новых фактов для их обобщения Прогнозирование новых фактов, исходя из физической модели

Отношение ученика к компьютерной модели Ученик доверяет результатам эксперимента (после тестирования компьютерной модели) Ученик проверяет физическую модель, положенную в основу разработки компьютерной модели

Считаем, деление виртуального эксперимента на имитационный и вычислительный позволяет организовать деятельность учащихся в соответствии с концепцией научного познания. Результат интеграции заключается в формировании у учащихся более полного представления о функциях эксперимента в науке, что способствует развитию мышления учащихся и мотивации к физике.

В параграфе 2.3 «Дидактические условия интеграции виртуального и натурного школьного физического эксперимента» процесс интеграции как целенаправленной деятельности проанализирован с позиций системно-деятельностного подхода с учётом компонент: мотивационно-ценностный, целевой, операциональный и ресурсный планы анализа. Нами были выделены три группы дидактических условий.

Первая группа дидактических условий интеграции виртуального и натурного эксперимента (мотивационно-ценностный и целевой план анализа) способствует развитию мышления и самостоятельности личности учащихся, обеспечивает мотивы деятельности учащегося и педагога. Это отражение в методике обучения физике модельного характера познания, сознательное выделение педагогом в процессе обучения различных моделей, включение в содержание образования старшеклассников деятельности моделирования. Включение учебных виртуальных экспериментов в соответствии с определенным местом в учебном познании позволит не только решать проблему моделирования в обучении, но и обеспечивать процесс интеграции виртуального и натурного эксперимента.

Ко второй группе условий интеграции (ресурсный план анализа) относится выполнение требований к инструментам моделирования, реализованным на базе информационных и коммуникационных технологий. Это выполнение требований доступности и качественного функционирования информационных сетей, наличие широкой базы экспериментальных данных с возможностью легкого доступа к ней, ее передачи, тиражирования. Учебные компьютерные модели могут выступать полноправными объектами методики физики при условиях соответствия принципам

научности, доступности, наглядности, кратковременности, интерактивности. Желательно, чтобы совместимые модели, отличающиеся информационной емкостью, были объединены в систему моделей, использование которой позволит избежать фрагментарности и отрывочности усвоения информации, обеспечив связность и системность знания.

Для получения современных образовательных результатов важно обеспечивать продвижение учащегося к выполнению исследовательской деятельности. Если виртуальный эксперимент дает новые возможности в организации активной учебно-познавательной деятельности - поисковой, исследовательской, то он интегрируется в систему ШФЭ. Наконец, третья группа условий (операциональный план анализа), обеспечивающих продвижение учащегося к исследовательской форме выполнения экспериментов, требует определенного порядка в процессе обучения на основе современных образовательных технологий и методов, выделения приемов сочетания виртуального эксперимента с натурным.

Третья глава исследования «Методика интеграции виртуального и натурного школьного физического эксперимента» включает 5 параграфов, в которых описана практическая работа по интеграции виртуального и натурного школьного физического эксперимента в процессе обучения старшеклассников, как на уроках физики, так и на занятиях по элективному курсу «Информационные технологии в физике».

В параграфе 3.1 «Системное использование виртуального эксперимента в обучении физике» определены результаты обучения, организационные формы, условия и методы обучения при системном использовании виртуального эксперимента в обучении физике.

Под системным использованием виртуального эксперимента в ШФЭ будем понимать его систематическое включение в учебный процесс с целями повышения системности знаний учащихся и приобретения ими опыта экспериментально-исследовательской деятельности. Необходимым условием системности знаний является понимание учащимися логического статуса элементов физических знаний (понятие, факт, закон, принцип, гипотеза, модель, теория, следствия), а также понимание происхождения и природы научного знания (для естественно-научного знания - его модельный характер, вероятностно-статистический смысл законов, зависимость особенностей проявления закона от условий, наличие у всякого закона границ применимости).

Используя классификацию методов обучения, в основании которой лежит возрастание степени самостоятельности учащихся (И.Я. Лернер и М.Н. Скаткин), проанализированы результаты обучения с использованием виртуального эксперимента в связи с методами обучения в последовательности, отражающей движение ученика ко все большей самостоятельности: объяснительно-иллюстративный метод, репродуктивный метод, метод проблемного изложения, эвристический метод, исследовательский метод. Виртуальные эксперименты с компьютерными моделями при использовании разных методов обучения способствуют формированию определенных экспериментальных и исследовательских умений в различной степени.

В параграфе 3.2 «Ученический имитационный эксперимент» предложена общая процедура ученического имитационного эксперимента и рассмотрены требования к компьютерным моделям для имитационного физического эксперимента.

Чтобы организовать самостоятельное исследование учащимся компьютерной модели, учитель может использовать соответствующую процедуру. Термин «процедура» (от лат. procedo - иду вперед) означает порядок выполнения, ряд последовательных действий, необходимых для выполнения чего-нибудь. Для разработки общей процедуры имитационного эксперимента мы учитывали последовательность действий по

выполнению натурного учебного исследовательского эксперимента, предложенную М.И. Старовиковым.

Предлагаем следующую схему процедуры ученического имитационного эксперимента, организованного учителем на уроке (рисунок 2).

Рис. 2. Схема процедуры ученического имитационного эксперимента на компьютерной модели

Процедура работы с готовой компьютерной моделью, имитирующей натурный физический эксперимент, представлена в пять этапов: подготовительный этап, тестирование модели, практический этап (постановка задачи - планирование -осуществление манипуляций - получение информации), аналитический этап, рефлексия деятельности и её результатов.

Каждый этап процедуры представлен через составляющие: основной результат, деятельность учителя, деятельность учащегося. Следование этапам описанной процедуры ученического имитационного эксперимента позволяет учителю организовать активную познавательную деятельность учащегося на выявление причинно-следственных связей, использовать цифровые электронные ресурсы как дидактическое средство для формирования предметных знаний и умений. Включение в процедуру ученического имитационного эксперимента дополнительно к практическому этапу предварительного этапа, тестирования модели, аналитического и рефлексивно-оценочного этапов способствует осознанию учащимися совершаемых практических действий и мыслительных процессов, их результатов и оснований, границ своего знания и незнания.

Специфическими принципами отбора компьютерных моделей для имитационного эксперимента являются следующие требования: интерактивности; адаптивности; наличие прямых измерений, адекватных натурному эксперименту; оснащенность модели методическими рекомендациями и заданиями для диагностики знаний и умений учащихся; наличие родственных моделей с дополнительными усложняющими факторами, постепенно приближающих эти модели к реальному явлению;

кратковременности эксперимента. Следует учесть, что не все требования могут быть реализованы при создании каждой компьютерной модели физического эксперимента.

В параграфе 3.3 «Приемы сочетания виртуального и натурного учебного физического эксперимента» обосновывается необходимость и целесообразность применения в обучении физике приемов сочетания виртуального и натурного учебного эксперимента.

Сочетать, согласно словарю С.И. Ожегова - значит делать существующим вместе, одно наряду с другим в каком-нибудь единстве, согласовании. Учитывая место натурного опыта и виртуального (имитационного и вычислительного) эксперимента (рисунок 1), выделим приемы сочетания виртуального и натурного физического эксперимента. Основная задача применения приемов сочетания виртуального и натурного физического эксперимента - это организация активной мыслительной и практической деятельности учащихся.

В первую группу приемов сочетания можно отнести приемы, когда виртуальный эксперимент предваряет натурный эксперимент. Эти приемы применяют для обучения новым экспериментальным умениям, для подбора оптимальных условий проведения натурного эксперимента, проверки следствий, полученных из физической теории.

Вторая группа приемов сочетания объединяет приемы, связанные со сравнением результатов, полученных в разных видах эксперимента, при этом очередность экспериментов не имеет значения. В ходе сравнения результатов не только проверяются теоретические законы, но и уточняются границы применимости теоретической модели к описанию физического объекта. Приемы направлены на углубление предметных физических знаний, обучение способам получения новых знаний и их применения. В основе этих приемов лежит знание, что достоверность научной информации: фактов, их интерпретаций, теоретических моделей и выводов - неодинакова, и для получения целостного представления об исследуемом объекте необходимо использовать различные способы и средства получения информации о нем.

Третья группа приемов сочетания объединяет приемы, когда в натурном эксперименте имеются ограничения и искомые величины на основе анализа эмпирических данных могут быть найдены в вычислительном эксперименте, т.е. строится прогноз о предполагаемой величине. Приемы сочетания нацелены на освоение учащимися умений обрабатывать компьютерными средствами результаты измерений, обнаруживать зависимость между физическими величинами. В ходе такой деятельности формируются убеждения, что в основе познания лежат факты, полученные из опыта (эксперимента), что физические величины не открывают, а их вводят в процессе познания для описания явлений (объектов), развиваются способности учащихся составлять прогнозы на основе имеющихся данных.

В параграфе 3.4 «Экспериментально-исследовательская деятельность учащихся в курсе «Информационные технологии в физике» предложено решение проблемы организации экспериментально-исследовательской деятельности учащихся старщих классов в рамках элективного курса.

Нами разработан элективный курс «Информационные технологии в физике», который внедрен в учебный процесс муниципального общеобразовательного учреждения города Новосибирска «Инженерный лицей Новосибирского государственного технического университета» с 2003 года. Объектом изучения являются информационные технологии как процесс создания нового информационного продукта (таблица, диаграмма, график, отчет в разных формах) с использованием компьютеров и программного обеспечения. Курс адресован учащимся 10-11 классов, рассчитан минимум на 35 часов (один год обучения) аудиторных занятий. За основу курса были

взяты методы научного познания и средства информационных технологий по обработке информации (текстовой, графической, числовой) физического содержания.

Учащимся предлагаются учебные задания:

• с проведением натурного эксперимента: качественные задачи на составление описания наблюдений и объяснение результатов опытов, расчетные задачи на проверку теории экспериментом, конструкторские;

• с использованием компьютерного моделирования: задачи с экспериментальными данными на установление зависимостей или нахождение величин, уточнение границ применимости модели, на определение экстремума, с применением суммирования;

• работа с информацией физического содержания.

Во второй половине курса учащиеся выполняют базовый учебно-исследовательский проект (до 16 часов). Рекомендуемая литература и методические рекомендации к проведению данного курса приводятся в авторских учебно-методических пособиях.

В параграфе 3.5 «Организация и результаты опытно-экспериментальной работы» приводится описание опытно-экспериментальной работы по апробации методики интеграции виртуального и натурного школьного физического эксперимента, включающей два этапа: поисковый и формирующий.

Гипотеза, положенная в основу опытно-экспериментальной работы, заключается в том, что результативность обучения физике повысится на основе интеграции виртуального и натурного эксперимента, если:

• использовать приемы сочетания виртуального и натурного учебного физического эксперимента.

Проверялись следующие результаты:

• повышение мотивации к обучению физике (результаты анкетирования, выбор предмета «Физика» на Едином государственном экзамене (ЕГЭ), результаты поступления в вузы);

• качество предметных знаний и умений учащихся (результаты ЕГЭ);

• системность знаний по физике (результаты специальной контрольной работы);

• количество и качество экспериментально-исследовательских работ (результаты участия учащихся в творческих конкурсах и научно-практических конференциях).

Целью поискового этапа было уточнение условий интеграции виртуального и натурного эксперимента, проверка эффективности фрагментов разработанного элективного курса «Информационные технологии в физике». В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:

• в ходе собственного преподавания осуществить отбор содержания для виртуального эксперимента, оптимизировать его с позиций реализации функций ШФЭ;

• выработать принципы отбора компьютерных моделей для организации самостоятельных исследований учащимися и правила работы с компьютерной моделью;

• провести наблюдения за деятельностью учащихся при работе с компьютерными моделями физических экспериментов на занятиях по курсу «Информационные технологии в физике» и при выполнении ими лабораторных работ по физике;

• оценить заинтересованность учащихся в предлагаемых методах обучения в рамках курса «Информационные технологии в физике».

Этап проводился в период 2006-2008 гг.

При работе с компьютерными моделями физических экспериментов наблюдались следующие качества деятельности учащихся: их активность и результативность (завершенность деятельности). Для описания степени самостоятельности учащегося в выполнении учебного физического эксперимента введены следующие три уровня: 1 уровень - репродуктивный, 2 уровень - частично-поисковый, 3 уровень -исследовательский. По выбору исследовательского уровня хорошо определяется активность. Результативность работы с моделью эксперимента оценивалась при выполнении диагностических работ.

Перед работой с компьютерной моделью проводилась небольшая лекция с введением об исторических фактах и исходных проблемах в знаниях, сообщались цели проведения эксперимента. Затем ученики работали с моделью, при этом они могли пользоваться подробной инструкцией (репродуктивный уровень) и небольшим планом работы (частично-поисковый уровень). Исследовательский уровень предполагал самостоятельное исследование модели. Заканчивалась работа компьютерным тестированием, целью которого являлась диагностика результативности работы с моделью.

По результатам наблюдений сделаны следующие выводы. Большинству учащихся требуется небольшое время (2-3 минуты), чтобы осознать собственные возможности по изучению данной модели. Далее им следует предоставить выбор вариантов работы с моделью. Большинство учащихся выбирают выполнение работы на уровне 1 или 2. Начинают выполнять эксперименты на исследовательском уровне (3 уровень) наиболее успешные ученики, т.е. имеющие «4» и «5» по предмету «Физика», если при этом они ощущают уверенность в собственных силах. Обнаружено, что их деятельность может затянуться по времени или не достигнуть предполагаемого результата. Помощь со стороны учителя в этом случае должна быть направлена на коррекцию деятельности ученика для достижения цели эксперимента. При этом результативность работы с моделью эксперимента, определяемая при выполнении диагностической работы, как правило, была высокой, а сама деятельность приносила положительные эмоции. Учащиеся, показавшие высокую результативность при работе на уровне 2, в дальнейшем выбирали уровень 2 или 3. Независимо от успеваемости по физике, примерно восьмая часть учащихся выбирала только уровень 1, работа с компьютерными моделями их не увлекала, не вызывала интереса, и положительные эмоции испытывали они только в случае успеха на диагностической работе. Причинами постоянного выбора уровня 1 учащимися назывались недостаточная привлекательность компьютерной модели и желание выполнить работу быстрее.

В ходе традиционных лабораторных работ по физике наблюдались качество оформления отчета, самостоятельность и правильность выводов в лабораторной работе. Цель и задачи наблюдений - выявить затруднения и проблемы учащихся, их предпочтения. Изучение отчета по лабораторной работе дает сведения об отношении учащегося к экспериментальной деятельности, о достигнутом уровне умений применять информационные технологии для обработки результатов физического эксперимента. В

результате проведенных наблюдений в ходе традиционных лабораторных работ зафиксированы ожидаемые изменения в качестве оформления отчетов, повышение самостоятельности и правильности выводов в лабораторной работе.

Поисковый этап позволил сделать следующие выводы. Учащиеся проявляют большой интерес к элективному курсу. Они считают, что преимущество необходимо отдавать поисковым, исследовательским методам обучения, применению проектов, моделированию физического эксперимента. Программа курса «Информационные технологии в физике» периодически нуждается в доработке в соответствии с модернизацией программного обеспечения, с требованиями к освоению информационных технологий.

В формирующем этапе (2008-2012 гг.) была проверена гипотеза исследования. Задачи этапа:

• в ходе собственного преподавания и преподавания другими учителями выяснить целесообразность использования методических материалов по элективному курсу «Информационные технологии в физике»;

• проверить результаты обучения физике (результаты ЕГЭ, специальной контрольной работы, участия учащихся в конкурсах с работами исследовательского характера);

• выявить отношение учителей к элективному курсу «Информационные технологии в физике» в ходе бесед, обсуждений с экспертами и учительской общественностью.

Преподавание физики в двух экспериментальных классах осуществлялось в рамках предмета «Физика» (5 часов в неделю) и курса «Информационные технологии в физике» (1 час в неделю) в течение двух лет (10-11 класс). В двух контрольных классах программа по предмету «Физика» была рассчитана на 6 часов в неделю и не включала практическую работу за компьютером по использованию информационных технологий в физике. Количество стандартных лабораторных работ во всех классах являлось одинаковым (1 час в неделю). Таким образом, общее количество часов физики в экспериментальном и контрольном потоке было практически одинаковым.

Уровень мотивации и объем знаний в контрольных и экспериментальных классах до проведения эксперимента был практически одинаков. Было проведено анкетирование школьников (после 9 класса) для оценки уровня учебной мотивации к физике и тестирование для оценки объема знаний и умений по физике (100 чел.). Результаты тестирования позволяли охарактеризовать начальный объем знаний учащихся по физике. В конце 11 класса объем знаний по физике проверялся в ходе выполнения Единого государственного экзамена (ЕГЭ).

Для определения сформированности учебной мотивации по уровням (высокий, средний, низкий) проводилось анкетирование (автор анкет - Л.А. Осадчая) учащихся и контрольных классов, и экспериментальных. Анкетирование проводилось дважды: до начала занятий и в конце обучения. Результаты первого анкетирования свидетельствует о том, что средний уровень учебной мотивации имеют большинство учащихся, высокий -8% и низкий - 4%.

Системность знаний учащихся оценивалась по результатам специальной работы в конце обучения. Для всех испытуемых предлагалась одинаковая контрольная работа (время выполнения - 1 академический час). В работу были включены задания с выбором ответа и открытые задания. Контрольная работа проверяет понимание учащимися логического статуса элементов физических знаний, сформированность представлений о функциях физического эксперимента в научном познании, а также проверяет умение планировать эксперимент, умение делать соответствующие выводы на основе результатов физического эксперимента с учетом погрешности, знания о возможностях компьютерного моделирования в физическом эксперименте.

По окончании учащимися 11 класса (2009-2010 учебный год) было проведено их анкетирование на уровень учебной мотивации. Число учащихся с высоким уровнем мотивации в экспериментальном потоке увеличилось. В контрольном потоке наблюдалась иная картина: был заметен переход в категорию с низким уровнем мотивации.

По результатам ЕГЭ по физике можно судить об усвоении предметных знаний и умений, отметим также, что в ЕГЭ используются задания на понимание отдельных элементов научного исследования. Средний балл ЕГЭ 2010 г. учащихся экспериментального потока составил 66 баллов, а учащихся контрольного потока - 59 баллов. Сравнение результатов ЕГЭ контрольного и экспериментального потока показывает, что выбор физики для ЕГЭ в экспериментальном потоке составил 88% (44 чел.), в контрольном потоке - 74 % (34 чел.)

Проведено сравнение двух эмпирических распределений, в каждом из которых было протестировано в ходе ЕГЭ по физике (2010 г.) разное количество испытуемых: в экспериментальном потоке - 44 учащихся, в контрольном потоке - 34. Нулевая гипотеза Но: учащиеся экспериментального потока не превосходят учащихся контрольного потока по уровню предметных знаний, обнаруженных по результатам ЕГЭ по физике. Нулевая гипотеза Н].- учащиеся экспериментального потока превосходят учащихся контрольного потока по уровню предметных знаний, обнаруженных по результатам ЕГЭ по физике.

Для подтверждения сделанных нами выводов был использован (^-критерий Розенбаума. Критические значения для числа П|, п2>26:

(8 для р < 0,05 10 для р< 0,01

Различия между двумя распределениями могут считаться достоверными, если С? эмп. достигает или превышает (Зо.ск, и тем более достоверными, если О змп. достигает или превышает Оо.оь Подсчет статистики критерия (2 дает (2ЭМП. = 10, т.е. в соответствии с правилом принятия решения следует гипотезу Но отвергнуть и принять гипотезу Н1 о том, что распределение баллов на ЕГЭ по физике в двух выборках статистически значимо отличаются между собой и учащиеся экспериментального потока превосходят учащихся контрольного потока по уровню предметных знаний по физике.

Анализ результатов специальной контрольной работы показал, что учащиеся экспериментального потока значительно лучше выполняют открытые задания. Процент правильных ответов учащихся экспериментального потока выше, чем контрольного, на задания, проверяющие понимание учащимися логического статуса элементов физических знаний. Наибольшая разница наблюдается в умениях описывать эксперимент (в контрольном потоке - 35 %, в экспериментальном потоке - 68 %), в умениях делать соответствующие выводы на основе результатов физического эксперимента с учетом погрешности (в контрольном потоке - 56 %, в экспериментальном потоке - 75 %). Учащиеся экспериментального потока имеют представления о назначении компьютерного моделирования в физическом эксперименте (процент правильных ответов в экспериментальном потоке - 45%) в отличие от учащихся контрольного потока (12%).

На основе анализа результатов участия учащихся в творческих конкурсах и научно-практических конференциях школьников обнаружено, что в экспериментальных классах количество исследовательских работ больше. Также больше в экспериментальных классах количество лауреатов и победителей. Повышенный интерес учащихся экспериментального потока к исследовательской деятельности с использованием компьютерного моделирования свидетельствует о росте осознанности, осмысленности

предметных знаний по физике. Большинство учащихся (75%) экспериментального потока поступили в технические вузы, а также в университеты на специальности с профильным предметом «физика».

Таким образом, результативность экспериментального обучения выше по критериям: мотивации к физике, качества предметных знаний и умений, системности знаний. Кроме этого, наблюдения за учащимися в процессе выполнения ими лабораторных работ по физике показали, что в сравнении с учащимися контрольного потока учащиеся экспериментального потока: проявляют большую самостоятельность в проведении экспериментальных исследований; более осознанно и грамотно делают выводы в работе; умеют применять компьютерные средства для обработки результатов физического эксперимента.

В период 2010-2012 гг. занятия по разработанному курсу «Информационные технологии в физике» проводили другие учителя. Полученные результаты показывают, что применение разработанного курса «Информационные технологии в физике» дает положительные результаты независимо от личности. Ежегодно по курсу «Информационные технологии в физике» занимаются примерно половина учащихся старших классов (около 150 чел.) Инженерного лицея НГТУ. Таким образом, в ходе формирующего этапа опытно-экспериментальной работы была подтверждена гипотеза исследования. Обсуждение результатов данного исследования на семинарах и научно-практических конференциях выявило положительное отношение учителей к элективному курсу «Информационные технологии в физике».

В ходе непосредственной педагогической деятельности автором сделаны некоторые частные выводы о том, что условиями, влияющими на результативность системы ШФЭ и в целом школьного физического образования, являются: индивидуальная и групповая форма работы; активные методы и приемы обучения; наличие у учащихся склонностей (способности, желания) к работе на компьютере.

Выделены затруднения и проблемы, которые могут возникнуть в ходе реализации предложенных способов деятельности. Первое - это опасения, связанные со здоровьесбережением при работе за компьютером, второе - существует проблема доступности высококачественных интерактивных моделей для имитационного эксперимента, и третье - увеличение доли проблемного, исследовательского методов обучения, метода проектов требует дополнительного времени, следовательно, требуется согласованность объемов содержания обучения качественного и количественного характера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенного теоретического и экспериментального исследования установлено следующее:

1. Процесс интеграции виртуального и натурного школьного физического эксперимента (ШФЭ) опирается на концепцию научного познания и наличие общих функций виртуального и натурного эксперимента (наглядности, источника знаний, содержание обучения и способ деятельности).

2. Учебный виртуальный физический эксперимент может быть разделен по месту в учебном познании на два вида: вычислительный и имитационный. В имитационном эксперименте ученик добывает субъективно новую информацию (эмпирические факты) для ее обобщения с целью получения теоретической (физической) модели, а вычислительный эксперимент служит прогнозированию новых фактов, исходя из известной ученику физической модели.

3. Системно-деятельностный подход к процессу интеграции виртуального и натурного школьного физического эксперимента позволяет выявить дидактические условия,

которые содействуют интеграции: отражение в методике обучения физике модельного характера познания, включение моделирования в содержание среднего общего образования; выполнение определенных требований к инструментам моделирования, реализованным на базе информационно-коммуникационных технологий; использование виртуального эксперимента для организации активной учебно-познавательной деятельности - поисковой, исследовательской.

4. В процессе обучения физике могут быть использованы приемы сочетания виртуального и натурного эксперимента. Первая группа приемов - когда виртуальный эксперимент предваряет натурный; вторая - когда очередность экспериментов не имеет значения и результаты виртуального и натурного эксперимента сравниваются; третья - когда стоится прогноз в вычислительном эксперименте по результатам натурного эксперимента. Описанные приемы сочетания виртуального и натурного эксперимента могут быть использованы для разработки новых компьютерных моделей, а также для новых исследований по проблемам повышения критичности мышления учащихся.

5. Процедура экспериментирования на компьютерной модели (в форме ученического имитационного эксперимента) должна состоять из следующих этапов: подготовительный этап, тестирование модели, практический этап (постановка задачи - планирование - осуществление манипуляций - получение информации), аналитический этап, рефлексия деятельности и ее результатов.

6. Разработанный нами элективный курс для учащихся 10-11 классов физико-математического профиля «Информационные технологии в физике», включающий экспериментально-исследовательскую деятельность учащихся с использованием современных средств ШФЭ, обеспечивает повышение: качества предметных (физических) знаний и умений, мотивации к физике, системности знаний, качества экспериментально-исследовательских работ.

7. Проведенное исследование не исчерпывает полностью решение проблемы повышения результативности обучения физике школьников на основе интеграции виртуального и натурного учебного физического эксперимента. Перспективы дальнейшей разработки темы предполагают углубление (развитие личности и способностей учащихся в новых условиях), так и расширение (использование новых средств моделирования на базе ИКТ) исследовательской работы.

Содержание диссертации отражено в следующих публикациях автора:

1. Заковряшина, О. В. Имитационный физический эксперимент с помощью интерактивной компьютерной модели и личностные результаты / О. В. Заковряшина // Профильная школа. - 2012. - № 2. - С. 18-24.

2. Заковряшина, О. В. Дидактические условия интеграции виртуального и натурного физического эксперимента / О. В. Заковряшина // Физика в школе. -2012.-№7.-С. 23-29.

3. Заковряшина, О. В. Школьный физический эксперимент как средство развития критического мышления / О. В. Заковряшина // Физика в школе. - 2013. -№ 4. - С. 34-38.

4. Заковряшина, О.В. Виртуальные проекты студентов в физическом лабораторном практикуме профильного лицея / Баранов Л. В., Борыняк Л. А., Заковряшина О.В. // Открытое и дистанционное образование. - 2014. -№2(54), - С. 40-45.

5. Заковряшина, О. В. Информационные технологии в физике : учеб.-метод. пособие / О. В. Заковряшина. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. - 72 с.

6. Заковряшина, О. В. Информационные технологии з физике. 11 кл. : учеб.-метод. пособие / О. В. Заковряшина. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2011. - 36 с.

7. Заковряшина, О. В. Виртуальный учебный физический эксперимент / О. В. Заковряшина // Применение новых технологий в образовании : материалы 19 междунар. конф., (Троицк, 26-27 июня 2008 г.). - Троицк, 2008. - С. 123-125.

8. Заковряшина, О. В. Электронное обучение в довузовской подготовке / О. В. Заковряшина, И. Н. Пятаева // Ежеквартальный бюллетень НГТУ и ассоциации «Сибирский открытый университет». - 2009. - № 1 (17). - С. 18.

9. Заковряшина, О. В. Использование сочетания виртуального и реального эксперимента в обучении физике / О. В. Заковряшина // Инновационные ресурсы развития современного урока : материалы 17 междунар. науч.-практ. конф. : в 3 ч., (Новосибирск, 21-23 апр. 2009 г.) - Новосибирск : Изд-во НГПУ, 2009. - Ч. 3. - С. 59-63.

10. Заковряшина, О. В. Элективный курс «Информационные технологии в физике». Информационно-коммуникационные технологии в подготовке учителя технологии и учителя физики : сб. материалов науч.-практ. конф. / О. В. Заковряшина. - Коломна : Моск. гос. обл. социал.-гуманитар, ин-т, 2010. - Ч. 1. - С. 159-162.

11. Заковряшина, О. В. Подготовка будущих инженеров-исследователей в Инженерном лицее НГТУ / О. В. Заковряшина // Системы обучения интеллектуально одаренных детей в российской школе : Всерос. конф., Новосибирск, 2010 г. -Новосибирск : Изд-во ИПИО РАО, 2010. - С. 30-32.

12. Заковряшина, О. В. Учебный физический эксперимент в элективном курсе «Информационные технологии в физике». Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы / О. В. Заковряшина // Современные решения: программа и материалы 16 Всерос. науч.-практ. конф. - Глазов : 1ТПИ, 2011. - С. 50-51.

13. Заковряшина, О. В. Компьютерные технологии в учебном физическом эксперименте / О. В. Заковряшина И Инновационные процессы и технологии в образовании: стратегии, риски, перспективы: сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф., г. Новосибирск, 22-23 марта 2011 г. - Новосибирск : Изд-во НИПКиПРО, 2011. - Т. 1. -С. 290-292.

14. Заковряшина, О. В. Место виртуального эксперимента в обучении физике / О. В. Заковряшина // Сборник научных трудов по материалам научно-практической конференции, 31 авг. 2013 г. В 3 ч. - Москва : Ар-Консалт, 2013. - Ч. 2. - С. 95-97.

15. Заковряшина, О. В. Студенческие проектные разработки в формировании общего образовательного пространства по физике в системе «Профильный лицей - технический университет» / А. В. Баранов, Л. А. Борыняк, О. В. Заковряшина // Информационные технологии в образовании XXI века : 3 Всерос. науч.-практ. конф.: сб. науч. тр. - Москва : НИЯУ МИФИ, 2013. - С. 313.

Личный вклад автора. Работы 1-3, 5-7, 9-14 выполнены и написаны лично автором. И. Н. Пятаева в работе 8 участвовала в обсуждении и реализации предлагаемой методики. А. В. Баранов в работах 4 и 15 осуществлял постановку задач, принимал участие в обсуждении результатов и выводов работы. Научный руководитель Л. А. Борыняк принимал участие в постановке задач, определении направлений исследования, а также в обсуждении полученных результатов. В опубликованных работах полно отражены основные положения, результаты и выводы диссертационного исследования. Текст автореферата правильно отражает основное содержание диссертации.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, телУфакс (383) 346 - 08 - 57 формат 60x84/16, объем 1,5 п.л. тираж 100 экз. заказ № 2225, подписано в печать 03.09.14 г.