автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Развитие исследовательских умений учащихся средней школы

Автореферат диссертации по теме "Развитие исследовательских умений учащихся средней школы"

РГ8 ОД

СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ. 13.00.02. - теория и методика обучения физике

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1997

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

Научный руководитель - действительный член РАО, доктор

физ.- мат.наук, профессор А.С.Кондратьев

Официальные оппоненты - доктор педагогических наук,

Зашита состоится "23" июня 1997 г. в 11 часов на заседании дне сертационного совета Д 113.05.09 по присуждению ученой степени док тора наук в Российском государственном педагогическом университете имени А.И.Герцена по адресу: 19П86, г.Санкт-Петербург наб.р.Мойки, 48, корп.1, ауд. 209

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотек« университета.

Автореферат разослан май 1997 г.

профессор, И.С.Батракова кандидат фнз.-мат. наук, доцент Зслсшш С.П.

Ведущая организация

Уральский государственный педагогичес кий университет

Ученый секретарь диссертационного сонета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Специфика современного этапа развития человеческой цивилизации определяется жесткой необходимостью осуществления глобальных научных исследований, связанных с решением проблемы выживания человечества в условиях надвигающихся экологических, социальных, технических, а возможно, и космических катастроф. Сложный, комплексный характер подобных проблем в сочетании с крайне ограниченным временем, отпускаемым на их решение, ставит на повестку дня вопрос о необходимости качественного скачка в подготовке необходимого количества исследователей, способных справиться с решением подобного рода задач. Это, в первую очередь, означает необходимость как можно более раннего выявления лиц, обладающих соответствующими способностями, и развития навыков и вкуса к исследовательской деятельности на раннем этапе развития личности. Во всяком случае, очевидно, что развитие полноценных навыков исследовательской деятельности должно начинаться на уровне средней школы, ибо иначе дефицит времени не позволит подготовить квалифицированных исследователей крупного масштаба, способных решать сложнейшие комплексные научные проблемы. Особенно актуальна проблема подготовки высококвалифицированных научных кадров для Израиля, крайне бедного природными ресурсами, основное направление промышленного развития которого - создание наукоемких предприятий высокой технологии.

В свете изложенного на повестку дня выдвигается необходимость последовательной реализации концепции "образование как учебная модель науки". Многое в этом направлении делается в свете развития новых информационных технологий обучения, внедрения электронно-вычислительной техники в процесс образования, создания специализированных школ и классов по интересам обучаемых и т.д. Однако, сами по себе эти факторы не в состоянии обеспечить решение задачи развития творческих способностей и, особенно, умений и навыков исследовательской деятельности. Здесь возникает извечная проблема педагогики, связанная с воспитанием эрудитов, лишенных творческого начала: одно лишь увеличение качества и количества сообщаемых знаний не приводит к развитию качественно новых свойств личности, связанных со способностью не только решать сложные научные проблемы, но и обнаруживать такие проблемы на стыках различных областей научного знания. Поэтому проблема организации обучения, обеспечивающего развитие навыков исследовательской деятельности, выдвигается сейчас в число основных педагогических проблем, имеющих решающее значение для самого существования цивилизации.

Сказанное определяет актуальность темы исследования.

В данной работе мы будем рассматривать развитие универсальных навыков исследовательской деятельности применительно к проведению комплексных теоретико-экспериментальных исследований по разработке физических и математических моделей явлений природы с последующим проведением вычислительного эксперимента и анализом полученных ре-

зультатов на предмет адекватного объяснения явлений и возможности теоретического предсказания изменения характера явления при изменении значений определяющих его параметров. Именно такие комплексные исследования характерны для современного состояния естественных и некоторых из социальных наук.

Объект исследования - процесс выявления и развития универсальных творческих умений и навыков исследовательской деятельности в единстве образовательной, развивающей и воспитывающей функций.

Предмет исследования - формирование и развитие универсальных умений и навыков исследовательской деятельности в процессе реализации учебной модели научного исследования в рамках деловой игры на базе физики.

Цель исследования - обоснование методологической основы выявления и развития творческих исследовательских умений и разработка методической системы ( цели обучения, содержания обучения, методов, формы и средств обучения), целенаправленной реализации процесса развития универсальных исследовательских умений.

При формулировке гипотезы исследования исходные положения заключаются в следующем:

1.Физика как учебный предмет обладает объективными возможностями для формирования умений и навыков исследовательской деятельности, основанной на построении физических и математических моделей сложного явления и проведения вычислительного эксперимента.

2.Формирование навыков исследовательской деятельности обеспечивается соответствием содержания учебной модели научного исследования и организации деятельности учащихся с учетом их возрастных особенностей.

3.Формирование навыков исследовательской деятельности способствует не только совершенствованию процесса обучения в целом, но и выявлению и подготовке лиц, обладающих соответствующими способностями к научной деятельности.

В целом гипотеза исследования на основе приведённых положений формулируется следующим образом: целенаправленное использование учебных моделей научного исследования приведет к ранней диагностике способностей и склонности обучаемых, развитию универсальных умений и навыков исследовательской деятельности, основанной на построении физических и математических моделей явления и проведению вычислительного эксперимента, к развитию творческих способностей и черт личности обучаемых, связанных с потребностью к самообразованию и самовоспитанию, если при их конкретной реализации будет обеспечено соответствие содержания материала учебной модели научного исследования, уровня знаний учащихся и их возрастных особенностей.

В процессе исследования решались следующие задачи: 1. На основе анализа философской, психолого-педагогической, физической и методической литературы проанализировать оптодидактические и ме-

тодико-методологические возможности и особенности целенаправленного развития творческих способностей учащихся.

2. Определить сущность, свойства и особенности начальных навыков исследовательской деятельности с позиций личностно-деятельного подхода к целостному процессу обучения.

3. Обосновать педагогическую целесообразность и необходимость формирования умений и навыков исследовательской деятельности с учетом взаимосвязи целей, средств и результатов в реальном процессе обучения.

4. Выявить и обосновать объективные возможности формирования исследовательских умений и методические условия оптимального выбора содержания материала и организации деятельности учащихся.

5. Разработать методические основы системы реализации учебной модели научного исследования с проверкой её эффективности в педагогическом эксперименте.

6. Разработать методику развития универсальных умений и навыков исследовательской деятельности, основанную на последовательном проведении вычислительного эксперимента с помощью персонального компьютера.

7. Проследить прямые и косвенные последствия, вносимые внедрением результатов исследования в компоненты школьного обучения.

Методологическую основу исследования составляют общие законы диалектики, методология физики, методологические обобщения общей и частной дидактики, положения возрастной психологии.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:

1 .Теоретический анализ философской, психолого-педагогической, методической литературы по теме исследования, теоретическо-методический анализ состояния проблемы.

2.3мпирический анализ организации занятий по развитию творческой активности учащихся, обобщение педагогического опыта. Экспериментальное обучение, наблюдение, тестирование, анкетирование, интервьюирование, статистическая обработка и методический анализ результатов.

Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечена:

• диалектическим подходом к выявлению противоречий обучения и их разрешению в синтезе теоретико-экспериментальных результатов исследования;

• внутренней непротиворечивостью результатов исследования и их соответствиям выводам и прогнозам сопредельных наук;

• использованием разнообразных методов исследования, адекватных поставленным задачам при соответствии выводов, полученных теоретическим и экспериментальным путями;

• положительным результатом педагогического эксперимента.

Логика исследования включала следующие этапы:

1. Общее ознакомление с проблемой исследования и определение её границ.

2. Изучение передового педагогического опыта по проблеме развития творческих способностей и исследовательских умений и навыков у учащихся.

3. Анализ педагогической и методической литературы и рассмотрение психологического, педагогического и методического аспектов проблемы.

4. Выбор адекватных методов исследования.

5. Исследование возможностей проведения занятий, позволяющих развивать универсальные исследовательские навыки, связанные с осуществлением вычислительного эксперимента.

6. Формирование целей работы и разработка гипотезы исследования.

7. Разработка критериев выбора комплексных проблем для реализации учебной модели научного исследования.

8. Разработка специальной методики проведения занятий по развитию исследовательских умений с учётом личностной направленности познавательной деятельности учащихся.

9. Разработка содержания отдельных занятий по исследованию выбранной комплексной проблемы.

Ю.Организация и проведение констатирующего и формирующего этапов

педагогического эксперимента. 11.Обобщение полученных теоретико-экспериментальных данных. Критериями эффективности разработанной методики являются:

• качество знаний и умений учащихся, полученных при практической реализации учебной модели научного исследования;

• устойчивость и универсальность развитых исследовательских умений и навыков;

• эффективность приобретенных умений и навыков при последующей исследовательской деятельности;

• высокая самооценка учащимися удовлетворения своих познавательных потребностей.

Новизна полученных в работе результатов определяется, прежде всего, тем, что проблема развития универсальных научно-значимых исследовательских умений и навыков на пути анализа сложных явлений впервые стала объектом специального исследования. В работе впервые обоснованы и исследованы приемы обнаружения и развития таких умений на пути создания физических и математических моделей рассматриваемого явления и проведения вычислительного эксперимента.

Автором впервые разработаны и обоснованы концепция и теоретическая модель реализации учебных моделей научного исследования для выявления и развития способностей обучаемых к исследовательской деятельности на основе анализа сложных проблем, изначально не относящихся к определенной области научного знания. Разработаны принципы методики организации соответствующих занятий в форме деловой игры, которые обеспечивают развитие универсальных исследовательских умений.

Теоретическое значение исследования определяется постановкой и решением новой для теории и методики обучения физике задаче о ранней диагностике и развитии умений и навыков исследовательской деятельности, связанной с разработкой физической и математической модели рассматриваемого сложного явления с последующим проведением вычислительного эксперимента. Обоснована доступность подобной деятельности на уровне средней школы на пути создания достаточно простых физических моделей при учете иерархии временных масштабов, что эквивалентно возможности развития научно значимых исследовательских умений в средней школе.

Практическое значение исследования заключается в разработке методики проведения занятий, позволяющих развивать универсальные творческие исследовательские умения и навыки с учетом психологических особенностей учащихся и их личностных и научных установок. Теоретические разработки доведены до уровня конкретных методических рекомендаций для учителей по проведению соответствующих занятий, которые внедрены в практику работы средней школы.

Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялось в процессе обсуждения на семинарах и педагогических советах Академической гимназии при Санкт-Петербургском государственном университете, средних школах № 181, 248, 444, 225, 399, школы-гимназии № 491 г. Санкт-Петербурга, гимназии "Рехавия" з Иерусалиме, в школе для одаренных детей им. И. Жаботинской в Беэр Яакове, на методических совещаниях и в отделе исследований педагогического колледжа им.Дж. Кей в Беэр Шеве. Во всех перечисленных выше школах проводились длительные деловые игры.

Основные положения и результаты исследования докладывались на Герценовских чтениях (г. Санкт-Петербург 1994-1996), на Международной конференции ФССО - 95 (г. Петрозаводск), на V Санкт-Петербургской Международной конференции "Региональная информатика - 96" ( г. Санкт-Петербург), в 1997 г, на 7-м Международном симпозиуме по сердечно-сосудистой фармакологии (г. Иерусалим), 1997.

Положения, выносимые на защиту.

1. Выявление и развитие творческого потенциала учащихся может быть достигнуто путем реализации одной из форм информационной технологии обучения - учебной модели научного исследования, обеспечивающей развитие универсальных умений и навыков исследовательской деятельности, связанной с построением физических и математических моделей сложных явлений и проведением вычислительного эксперимента с помощью персонального компьютера.

2.Соответствие научной значимости учебной модели научного исследования и дидактических принципов доступности и наглядности может быть обеспечено на пути построения и изучения простых физических моделей сложных явлений при последовательном учете иерархии временных масштабов, характеризующей физические процессы в реальных системах.

З.Реализация учебной модели научного исследования комплексной проблемы, связанного с выделением конкретных частных задач, относящихся к межпредметной области знаний, способствует выявлению и эффективному раннему развитию лиц, обладающих способностями к творческой исследовательской деятельности.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения и списка литературы, содержащего 141 наименование, всего 136 страниц машинописного текста. Работа содержит 17 рисунков, 7 таблиц и 2 компьютерных программы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Первая глава работы "Дидактические и методические функции самостоятельной исследовательской работы учащихся" состоит из четырех параграфов.

Первый параграф посвящен анализу вопроса о роли и месте физики в формировании мышления и научного мировоззрения учащихся, которые определяются ее непреходящей ролью лидера современного естествознания. Физика задает стиль научного мышления, отличающийся высоким совершенством и сбалансированностью качественного и количественного подходов к описанию явлений природы.

Эти качества физики, как науки, а также фундаментальный характер получаемых в средней школе знаний по физике, обуславливают её значимость, как универсальной базовой дисциплины для организации занятий по развитию навыков исследовательской деятельности.

В этом же параграфе рассмотрено значение мысленного, натурного и вычислительного экспериментов и влияние их применения на развитие научного мышления при обучении физике. Показаны принципиально новые возможности в организации изучения физики нелинейных явлений при помощи персонального компьютера и графического калькулятора. Проведен анализ учебно-методической литературы по изучению и использованию графического метода преподавания физики.

В §2 обоснован выбор комплексных проблем на начальном этапе развития навыков исследовательской деятельности.

Установлены критерии выбора научных проблем, которые могут эффективно использоваться для развития навыков исследовательской деятельности. В частности, выбираемая проблема должна быть современной, представлять несомненный интерес на данном современном этапе развития науки, её уже полученное решение должно содержать существенные научные результаты, и, в тоже время, эта проблема должна быть ещё далека от окончательного разрешения.

Комплексный характер научной проблемы представляет собой главное отличие предлагаемого подхода к развитию навыков исследовательской деятельности по сравнению с традиционными методами развития творческих способностей на основе решения учебных задач в определенной области знания. Выбранная в качестве примера конкретной реализации

модели научного исследования комплексная научная проблема лазер-индуцированного тромбообразования в микрососудах живых организмов изучается в течение последних лет в ряде научных центров США и Японии и на кафедре патофизиологии Санкт-Петербургского Медицинского Университета. Воздействие лазерным лучом, сфокусированным в плоскость объекта через микроскоп, рассматривается в настоящее время как один из наиболее перспективных способов моделирования повреждения микрососудов и формирования тромба в живых организмах (in vivo). Этот метод дает возможность получать воспроизводимые результаты при строго дозированном воздействии на микрососуд.

Из приведенного в работе анализа следует, что указанная проблема действительно представляет собой комплексную актуальную научную проблему, лежащую на стыке нескольких областей знания, представляющую исключительно высокий теоретический и практический интерес. Удовлетворяет эта проблема и остальным сформулированным выше условиям. Более сложным является вопрос о доступности этой проблемы для лиц,не имеющих специальной подготовки. Этот вопрос подробно рассмотрен в §3, после общего обсуждения вопроса о возможности перехода к более простому сокращенному описанию сложных систем при изменении характерных временных масштабов для рассматриваемого явления.

Далее в §2 рассматривается возможность разбиения общей комплексной проблемы на конкретные задачи, относящиеся к определенной области знания и устанавливаются основные этапы модели научного исследования:

а) Получение экспериментальных данных, или (что более реально) сбор и анализ уже имеющихся экспериментальных данных относительно какой-нибудь группы интересных явлений;

б) Расчленение общей возникающей проблемы на группу конкретных частных задач, имеющих самостоятельный интерес и допускающих различные подходы к их решению в рамках конкретных наук (областей знания);

в) Разработка физических моделей явлений, фигурирующих в рамках указанной комплексной проблемы, на основе феноменологического подхода с опорой на фундаментальные положения и законы физики и, возможно, других наук;

г) Разработка математических моделей отдельных возникающих задач и математической модели всей комплексной проблемы;

д) Проведение вычислительного эксперимента на основе развитых математических моделей.

Завершающим этапом проведенного исследования является обсуждение, анализ его результатов и формулировка новых возникающих проблем.

Параграф 3 работы посвящен анализу вопроса о физическом моделировании и иерархии временных масштабов в тесной связи с доступностью рассматриваемой комплексной проблемы для учащихся средней школы, не имеющих специальной подготовки и не владеющих развитым математическим аппаратом.

В организации и проведении научного исследования с применением вычислительного эксперимента четко просматриваются определенные этапы. На первом этапе для исследуемого объекта или явления строится модель: сначала физическая, фиксирующая разделение всех определяющих рассматриваемое явление параметров на главные, которые учитываются, и второстепенные, которые на данном этапе отбрасываются. Одновременно формулируются допущения, или рамки применимости модели, в которых будут справедливы полученные на ее основе результаты. Затем создается математическая модель - физическая модель записывается в математических терминах; как правило, при исследовании нелинейных явлений математическая модель формулируется в виде систем дифференциальных или интегро-дифференциальных уравнений вместе с определенными начальными и граничными условиями. Создание математической модели, вообще говоря, должно завершаться исследованием корректности постановки математической задачи, существования и единственности решения и т.д. Второй этап исследования связан с выбором или разработкой метода расчета сформулированной математической задачи.

Физическая модель изучаемого явления, независимо от его конкретной природы, должна основываться на фундаментальных положениях физики, а возможно, и биологии, геологии и других областей естественнонаучного знания. При этом развитое физического моделирования показало, что, по мере выработки все более реальных представлений о сложных нелинейных системах, у их моделей появляется все большая автономность: независимость от деталей начальных условий, от краевых условий и т.д.

Была выявлена определенная общность в поведении сложных систем, заключающейся в том, что заведомо упрощенные физические и математические модели часто дают ту же качественную картину, что и гораздо более полные и сложные модели. Объяснение этого может быть найдено на пути последовательного анализа идеи Н.Н.Боголюбова об иерархии временных масштабов, идеи, которая определила генеральное направление развития современной статистической физики неравновесных явлений. Эта идея послужила отправным пунктом обоснования возможности перехода к так называемому сокращенному описанию физических систем многих частиц.

В работе подробно рассмотрен пример такого перехода и отмечено, что одни и те же упрощенные модели могут описывать самые различные процессы в нелинейных системах, в том числе биологических.

Следует отметить, что идея разбиения переменных на быстрые и медленные возникла впервые в задачах небесной механики, послужив отправным пунктом для работ А.Пуанкаре и А.Ляпунова по развитию одной из модификаций теории возмущений - метода малого параметра. Эти работы, в конечном счете, вылились в новый методологический принцип физики, открывающий путь к углубленному пониманию и декомпозиции слоистых систем, основанный на последовательном использовании асимптотических методов. Появился даже новый термин - асимптотология, как обозначение универсального подхода, позволяющего с единой точки зрения рассмат-

ривать асимптотические явления, относящиеся к различным областям естествознания .

Асимптотический подход к сложной, "нерешаемой" задаче, состоит в трактовке исходной системы (как правило, недостаточно симметричной) как близкой к некоторой более простой системе (обладающей некоторой симметрией). При этом оказывается, что нахождение поправок, учитывающих отклонения от предельного случая, гораздо проще, чем непосредственное исследование исходной сложной системы.

Асимптотический подход в максимальной степени соответствует физической интуиции и, способствуя её развитию, часто приводит к формированию новых физических понятий. Поэтому очень важно обучать самим принципам "асимптотического мышления" начиная со средней школы, развивать способность к такому мышлению, причем осознанному, поскольку часто преподаватели-естественники используют элементы асимптотического подхода в своей работе, подчас не отдавая себе в этом отчета.

Осознанное использование иерархии временных масштабов при разработке моделей сложных процессов и систем, позволяющее последовательно проводить оценку условий справедливости модели, ставит на повестку дня вопрос о более широком использовании этой иерархии при рассмотрении различных вопросов курса физики, а не только при обосновании фундаментальных положений теории неравновесных систем. Фактически иерархия временных масштабов неявно присутствует во всех случаях, когда вместо динамического подхода используются законы сохранения. В ряде случаев целенаправленное использование этой идеи требует только определенной смены акцентов при изложении материала.

В параграфе 4 обсуждаются психолого-педагогические особенности познавательной деятельности учащихся при решении комплексных проблем. При этом особо важное значение имеет вариативность мышления для формирования разносторонне развитой личности. Сущность развития личности ребенка состоит в качественном изменении деятельности, в которой он выступает как субъект. Эти изменения происходят за счет усложнения целей, задач, предметных действий, и за счет изменений в конкретной деятельности самого ребенка, который становится более самостоятельным и активным. Особое место принадлежит творческой учебно-познавательной деятельности учащихся, поскольку именно творческая деятельность, как наиболее продуктивная, обладает большими возможностями для развития личности, как целостного образования. По нашему мнению, обсуждаемая комплексная проблема отвечает большинству критериев, необходимых для гармонического развитая творческой личности, и позволяет ставить вопрос о ранней "диагностике" творческих способностей обучаемых.

Вся совокупность этапов исследования исходной комплексной проблемы представляет собой цепочку последовательных "дифференцирований", при которых происходит выявление способностей и склонностей учащихся к определенному виду деятельности. Поэтому главным достоинством рассматриваемого подхода является не приобретение учащи-

мися определенной совокупности знаний, а выявление способностей и склонностей к определенному типу деятельности, т.е. способности находить приводящий к цели способ действий в сложной непонятной ситуации. Вместе с тем, осуществление действий по нахождению решений конкретных частных проблем вырабатывает четкую мотивацию самостоятельного получения необходимых знаний в определенной конкретной области, что, несомненно, имеет самостоятельное значение для становления личности обучаемого, независимо от характера его будущей деятельности. Умение и привычка самостоятельного добывания новых знаний, т.е. приобретения информации, в конечном счете определяют потребность в этом, что и характеризует высокий уровень интеллектуального развития индивидуума .

Критериями творческой активности при этом выступают:

• чувство иовизны, как психоэмоциональное состояние обучаемого, стимулирующее поисковую эвристическую деятельность;

• критичность мышления, отражающая способность к анализу, синтезу, рефлексии;

• направленность на творчество, характеризующая стремление к нестандартным действиям;

• способность к преобразованию объектов умственной деятельности.

В обсуждаемом конкретном примере учебной модели научного исследования учащиеся сталкиваются с явлением, в котором оказываются тесно переплетенными биологические, физические, химические и математические аспекты. В процессе проводимого исследования учащиеся могут сопоставлять предметы и методы исследования отдельных наук, что, несомненно, способствует не только накоплению конкретных знаний и умений, но и стимулирует психическое развитие личности. Самосознание приобретает качественно новый специфический характер, определяемый необходимостью оценить особенности своей личности с учетом конкретных жизненных устремлений, интересов и способностей. Здесь уже можно говорить о зарождении и развитии потребности к самовоспитанию, направленному не только и не столько на преодоление тех или иных недостатков или развитие положительных черт, сколько на развитие и формирование личности в целом.

Вторая глава "Методика развития универсальных умений и навыков исследовательской деятельности в средней школе" состоит из трех параграфов.

В первом из них (§5) рассмотрен вопрос построения физической и математической моделей изучаемого явления. Известно, что научное исследование предполагает выделение наиболее существенных черт в изучаемом явлении. Часто выделение тахих черт позволяет перейти к более простому объекту, который правильно отражает основные закономерности явления и дает возможность получить о нем новую информацию. Такой объект и представляет собой модель изучаемого явления. В рассматриваемом случае описываемый объект состоит из отдельных блоков, совокупность которых мы и называем обобщенной физической моделью.

и

Применительно к проблеме лазер-индуцированного тромбообразования, создание обобщенной модели приводит к выявлению следующих задач:

• лазерное излучение и его взаимодействие со стенками кровеносных сосудов;

• физические, биологические и химические следствия повреждения стенки сосуда лазерным излучением;

• основные характеристики кровотока, состав крови и механизм возникновения и роста тромба вблизи поврежденного участка стенки сосуда;

• гидродинамические закономерности кровотока и их изменение в результате возникновения и роста тромба;

В результате такого разбиения устанавливается последняя, заключительная задача в выбранном направлении исследования, решение которой потребует предварительного решения всех задач:

• физическая картина роста тромба и анализ влияния различных факторов на этот процесс, включающий его математическое описание.

Далее в §5 излагается методика построения физических и математических моделей явлений, рассматриваемых в отдельных частных задачах. При этом особое внимание уделяется изложению феноменологического подхода, позволяющего устанавливать количественные соотношения на основе фундаментальных законов физики и надежно установленных экспериментальных фактов.

Параграф 6 посвящен изложению методики построения математической модели комплексной проблемы на основе результатов решения рассмотренных выше конкретных задач на уровне, доступном учащимся средней школы. Полученная достаточно простая математическая модель содержит 4 феноменологических параметра.

До проведения вычислительного целесообразно провести аналитическое исследование свойств функций, входящих в развитую математическую модель. Такое исследование позволяет установить различные возможные режимы роста тромба со временем в зависимости от значений феноменологических параметров, входящих в развитую модель.

Особое внимание уделяется методике освоения учащимися концепции иерархии временных масштабов, позволяющей развить достаточно простые модели явления, и обсуждению условий применимости развитой модели и путей ее усложнения для описания более тонких деталей картины роста тромба. Отчетливое понимание учащимися данного вопроса является необходимым компонентом формируемого у них сознания своей способности к организации и проведению исследований комплексных явлений на основе развития физических и математических моделей.

В вычислительном эксперименте исследуегся влияние каждого из этих параметров на ход кривой зависимости размеров тромба и скорости его роста от времени, зависимости скорости кровотока от размеров тромба и их влияние на введенные моделирующие функции. Написаны программы для компьютерного построения графиков этих функций. Отмечено, что, во-первых, от развитой теории нельзя требовать слишком хорошего совпадения с экспериментальными данными и, во-вторых, введен-

ные феноменологические параметры не могут иметь однозначного точного физического смысла, т.е. не могут определяться только одной какой-нибудь характеристикой рассматриваемой системы. Ситуация с такими заведомо упрощенными моделями характеризуется идеей Н.Бора о "дополнительности" таких характеристик физической теории, как ясность и точность: физическая картина явления и его математическое описание дополнительны. Действительно, создание ясной и понятной физической картины явления требует пренебрежения второстепенными деталями и уводит от математической точности. Наоборот, погоня за точностью описания требует учета всех этих второстепенных деталей, что, конечно, делает общую картину менее понятной и наглядной.

Тем не менее, развитая теория оказывается способной передать все возможные режимы процесса тромбообразования, а введенные четыре параметра генетически связанными с определенными характеристиками системы - гидродинамическими и биологическими. Вместе с тем убедительно демонстрируется, что более подробная и совершенная теория рассматриваемого явления должна приводить к аналогичным результатам в условиях,, когда развитая грубая теория соответствует экспериментальным данным.

Третья глава диссертации посвящена изложению педагогического эксперимента, состоящего из двух этапов - поисково-констатирующего и формирующего. Его задачей являлось выяснение объективных (заложенных в школьных курсах физики и математики и, частично, - в курсах информатики и биологии) возможностей для реализации разработанной деловой игры - модели научного исследования, изучения экспертного мнения ученых физиков, а также мнения учителей средней школы и учащихся по данной проблеме и определения ее состояния в практике.

Принципиальным вопросом, определяющим актуальность проведенного исследования, явился вопрос о возможности и целесообразности развития универсальных умений творческой исследовательской деятельности в средней школе.

Опрос, проведенный среди учителей физики, показал, что 60% из них или проводят, или хотели бы проводить занятия подобные предложенной деловой игре; среди 40% учителей, считающих такие занятия нецелесообразными, 62,5% обосновали свое отрицательное отношение к ним недостаточной подготовкой учащихся или их перегрузкой, 12,5% считают, что развитие исследовательских умений и навыков целесообразно проводить строго е рамках отдельных учебных предметов, а остальные сослались на недостаточный уровень подготовки учителей и сложность подготовки к таким занятиям.

Таким образом, в целом, при выполнении ряда условий, порядка 75% общего количества учителей физики в школах с углубленным изучением этого предмета положительно оценивают целесообразность проведения занятий по развитию универсальных умений и навыков.

Формирующий этап педагогического эксперимента проводился в 9 школах, при этом основными экспериментальными школами являлись

Академическая Гимназия при Санкт-Петербургском университете и школы № 181 и № 491, а контрольными, в которых проводились занятия лекционного и семинарского типа по изложению хода деловой игры и результатов решения возникающих задач, но осталась нереализованной часть, отвечающая самостоятельной работе учащихся по выполнению вычислительного эксперимента, - школы № 444 и № 248.

Объективность результатов в экспериментальных и контрольных классах обеспечивалась равными условиями деловой игры: объемом и качеством сообщаемой учащимся информации, уровнем обсуждения постановки конкретных задач и результатов их решения и т.д. Различие состояло только в том, что в контрольных группах учащиеся не проводили самостоятельной работы по проведению вычислительного эксперимента на компьютере, в то время как в экспериментальных группах последовательно осуществлялась самостоятельная работа учеников.

Для анализа итогов эксперимента нами были выделены следующие знания и умения, проявляющиеся при проведении исследовательской деятельности и подлежащие проверке:

Знания.

1. Свойства лазерного излучения.

2. Взаимодействие лазерного излучения с живой тканью.

3. Состав крови и основные характеристики кровотока.

4. Механизм возникновения и роста тромба.

5. Концепция времени активации тромбоцитов.

6. Основы гидродинамики вязкой жидкости.

7. Изменение гидродинамических закономерностей при росте тромба.

8. Знание вопроса о иерархии временных масштабов для физических систем.

Умения.

9.Умение теоретически описать вычислительный эксперимент по исследованию поведения заданных функций по готовым программам.

Ю.Умение аппроксимировать заданные кривые аналитическими функциями.

11.Умение составлять простейшие программы для проведения вычислительного эксперимента на компьютере.

Для подтверждения положительной динамики развития исследовательских умений было проведено три среза. Эффективность предложенной методики определялась по трем критериям:

1. Коэффициент К полноты выполнения операций.

2. Коэффициент у успешности развития умений.

3. Коэффициент г) готовности к использованию знаний и умений в исследовательской деятельности.

Анализ результатов эксперимента по двум этапам, при всей условности и неоднозначности использованной методики оценок, позволил нам сделать следующие выводы:

1. Проведенный педагогический эксперимент подтвердил несомненную эффективность предложенной методики для обнаружения и развития способностей к исследовательской деятельности и формирование социально значимых черт личности учащегося.

2. Для наиболее успешного развития универсальных умений и навыков исследовательской деятельности и готовности к исследованиям, особое значение имеет самостоятельное получение результатов учащимися, которое вырабатывает особое психологическое состояние потребности проявления своих способностей и уверенности в своих силах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Рассмотренный в данной работе вопрос о практической реализации учебной модели научного исследования ориентирован, как уже отмечалось выше, на развитие универсальных умений и навыков исследовательской деятельности, связанных со спецификой научных исследований, основанных на проведении вычислительного эксперимента. Вместе с тем, как мы видели, развитие таких универсальных навыков на уровне, доступном учащимся средней школы, приводит к необходимости "проникновения" на школьный уровень и осознанного использования таких характерных для современной науки методологических принципов, как модельность всех наших представлений об окружающем мире, иерархический характер используемых моделей, асимптотический характер развиваемых теорий и приближений и т.д;

Возможность овладения на школьном уровне основами этих принципиальных признаков современных научных исследований представляет собой более ценный элемент интеллектуального развития личности, чем развитие конкретных навыков практической работы с персональным компьютером. Вместе с тем, именно в единстве этих компонентов заключается возможность добиваться действительной эффективности предложенного подхода, поскольку только в этом случае начинает работать психологический фактор получения морального удовлетворения учащихся результатами своей деятельности: достижение поставленной цели и, как следствие этого, расширение научного горизонта в плане осознанных пределов применимости в плане осознания пределов применимости полученных результатов, выявление направления дальнейшего исследования и постановки новых задач.

Одним из наиболее важных факторов, характеризующих уровень интеллектуального развитая личности, является способность проводить разбиение исходной комплексной проблемы на конкретные задачи, решение которых может проводиться в рамках определенной области научного знания, а затем "синтезировать" полученные результаты для решения исходной проблемы. Проведенный педагогический эксперимент несомненно указывает на осуществляющуюся в процессе реализации учебной модели научного исследования дифференциацию учащихся по характеру способностей, интересов и склонностей к той или иной разновидности исследовательской деятельности - от прослеживания целостного процесса

исследования, с разбиением его на отдельные этапы, и задачи с сопоставлением полученных результатов на каждом этапе и выбором направления дальнейшего исследования, до участия только в решении конкретных возникающих задач. Здесь открываются весьма интересные перспективы исследования соответствующих способностей учащихся к различным видам творческой деятельности в рамках возрастной психологии.

Предлагаемый в данной работе подход к развитию универсальных умений и навыков исследовательской деятельности может быть развит в направлении включения в рассматриваемую учебную модель научного исследования не только вычислительного, но и натурного эксперимента, по крайней мере, демонстрационного. Особенный интерес это может представить для школ и классов биологического и медицинского профилей. Разумеется, в этом случае необходима детальная разработка методики проведения соответствующих занятий.

Основное содержание исследования отражено в следующих работах автора:

1. Индивидуализация обучения физике при помощи компьютера. // Актуальные проблемы методики преподавания физики// М."ЭОС", 1996. с. 73 -75.

2. К вопросу о содержательной интерпретации графиков физических процессов. II Теоретические проблемы физического образования.// С.-Пб, "Образование", 1996. с.54 - 56

3. Математическое мышление. Учебное пособие. Педагогический колледж им. Дж.Кей. Беэр Шева, 1996. (на иврите).

4. Развитие познавательной активности учащихся. // Теория и методика обучения физике//. С.-Пб, "Образование", 1996, с.54 - 56.

5. Критерии выбора задач при физическом и математическом моделировании в средней школе. // Актуальные проблемы методики преподавания физики//. М., "ЭОС", 1996, с. 25-26.(В соавторстве).

6. Математическое моделирование тромбообразования. II Теоретические проблемы физического образования.// С.-Пб, "Образование", 1996. с.17 -19. (В соавторстве).

7. Тезисы доклада на V Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика - 96" С.-Петербург, 1996. (В соавторстве).

8. Иерархия временных масштабов и моделирование процессов природы. II Теория и методика обучения физике // - С.Пб. Образование. 1996. (В соавторстве).

9. Развитие универсальных умений и навыков исследовательской деятельности в средней школе. II Современные проблемы физического образования// - С.Пб. Образование. 1997. (В соавторстве).

10. Тезисы доклада на 7-м международном симпозиуме по кардиологической фармакотерапии. Иерусалим. 1997 (на англ. яз.).