Проблемное обучение физике учащихся основной школы на основе информационной модели внутрипредметных связей

Проводимые изменения в системе образования позволяют говорить о том, что школа сегодня реально ориентируется на многообразие образовательных потребностей, на личность обучаемого. Формирование целостной системы знаний помогает школьникам обрести новые пути понимания этих знаний в изменяющемся мире. Современному ученику нужно передавать не столько информацию, как собрание готовых фактов, сколько метод их получения, анализа и прогнозирования интеллектуального развития личности.

В настоящее время по ряду причин снижается глубина изучения учебного материала по физике, теряется целостность восприятия учащимися картины окружающего их Мира, что вызывает снижение их интереса к изучению физики. В этих условиях активизировался поиск путей повышения эффективности учебного процесса по физике. • Учитывая, что суть физического образования, как и способность к самостоятельной деятельности, непосредственно связана с умением находить оптимальные решения, к перспективным можно отнести исследования, направленные на организацию самостоятельной познавательной деятельности учащихся в условиях активного обучения физике в основной школе, являющейся первым и очень важным этапом изучения физики.

Несмотря на то, что существует исследования, предлагающие определенные подходы к конструированию содержания физики и разработке технологий активного обучения физике в основной школе, проблему нельзя считать до конца решенной, прежде всего потому, что эти подходы не опираются на количественные методы, позволяющие быстро проводить научно-обоснованный анализ и менять объем учебного материала без нарушения его целостности в соответствии с регламентированным учебным планом числом часов.

Неоспорим большой вклад активных методов в обеспечение мотивированности учащихся при изучении физики. Проблемное обучение будит и формирует интерес к учению, развивает инициативу ученика в познании, способствует пониманию внутренней сущности явлений и процессов, формирует умение видеть проблему. Сущность проблемного обучения состоит в создании учителем учебных проблем и управлении деятельностью учащихся по самостоятельному решению этих проблем.

Проблемное обучение физике с ориентацией на самостоятельную деятельность учащихся основной школы, в первую очередь, требует специальной организации процесса обучения, отраженной в технологии обучения физике.

Вопросам организации учебного процесса посвящены работы: Ю. К. Бабанского, В. И. Загвязинского В.В. Краевского, И. Я. Лернера, М. И. Махмутова, И. М. Чередова, П. М. Эрдниева. На их основе сформировались и успешно развиваются личностно-ориентированный (Н.Д. Гальскова, И. А. Зимняя, Г. А. Китайгородская, A.A. Леонтьев, Е. С. Полат, С.Л. Рубинштейн) и проблемный (В.Т. Кудрявцев, И. Я. Лернер, М. И. Махмутов, С.Л. Рубинштейн) подходы к обучению. Вопросы теории и методики обучения физике исследовались в трудах C.B. Бубликова, А. С. Кондратьева, С. Е. Каменецкого, И. С. Карасовой, В. В. Лаптева, Н. С. Пурышевои, В. Г. Разумовского, В. И. Тесленко, A.B. Усовой и других. На основе результатов их работ решен ряд задач, связанных с организацией проблемного обучения физике в школе.

Понимая, что целостность процесса обучения физике определяется взаимосвязями элементов внутрипредметного содержания и элементов технологии обучения — форм, методов, дидактических процессов (способов реализации учебного процесса по В.П. Беспалько), построение процесса обучения, как это уже отмечалось В. В. Краевским, должно предваряться установлением системы внутрипредметных связей (ВПС) в содержании учебного материала. Здесь на первый план выходит проблема структурирования учебного материала по физике, установления внутрипредметных связей между элементами структуры. Это нашло свое отражение в новых курсах физики основной школы, каждый из которых отличается последовательностью разделов и изложением материала в них, например, в курсе, разработанном Н. С. Пурышевой, Н. Е. Важеевской, а также курсе, предложенным A.A. Пинским, В. Г. Разумовским, рекомендованными Министерством образования и науки. Общим для этих курсов физики является структурное представление параграфов, однако, принципы структурирования различные. В то же время переиздаются и рекомендуются для того же образовательного уровня давно апробированные и хорошо известные курсы физики, например, A.B. Перышкина, Е. М. Гутник, где минимальным структурным элементом учебного материала является параграф.

Выбор курса физики, адекватного проблемному обучению с упором на самостоятельную деятельность учащихся, где учебные проблемы должны быть посильны для самостоятельного решения учащимися, следует осуществлять с учетом информационного объема порций учебного материала.

Для быстрой оценки информационного содержания курсов физики необходимо привлечение количественных методов. Такими возможностями обладает количественный механизм информационной модели внутрипредметных связей, предложенный Т. Н. Гнитецкой, с помощью которого появляется дополнительная возможность по необходимости быстро, без нарушения целостности учебного материала, изменять его изложение внутри структурных элементов. Кроме того, аппарат информационной модели внутрипредметных связей позволяет включать учебную проблему в учебный процесс без формирования проблемных ситуаций.

Под учебной проблемой мы понимаем разрыв внутрипредметной связи в содержании учебного материала по физике, приводящий каждого учащегося к собственному интеллектуальному затруднению. В приведенном контексте, исследований учебной проблемы до сих пор не проводилось.

На первый взгляд, кажется неверным отказ от создания проблемной ситуации. Однако, как правило, средиучащихся всегда выделяются группы хорошо и менее хорошо подготовленных. Интеллектуальное затруднение у первой группы учащихся снимается при формировании определенной проблемной ситуации с одним набором вопросов учителя. Интеллектуальное затруднение у менее подготовленных учащихся требует формирования проблемной ситуации с другими проблемными вопросами. Очевидно, что индивидуализировать такой процесс довольно сложно. Вместе с тем, в рамках реализуемого в структуре взаимосвязанных элементов современной педагогической системы «субъект-субъектного» взаимодействия учителя и учащихся, последние рассматриваются в качестве активных субъектов учебного процесса, каждый из которых в той или иной степени участвует в выборе образовательной технологии, что реализуется, с одной стороны, через цели и содержание, а с другой — в результате взаимодействия с учителем (педагогическая система по В. П. Беспалько с новым взаимодействием элементов системы введена как современная педагогическая система в работе Т.Н. Гнитецкой).

Известно, что успешность самостоятельной деятельности учащихся зависит от индивидуальных особенностей их когнитивных стилей. Самостоятельное решение учебной проблемы — восстановление учащимся звена в предварительно намеренно разорванной учителем связи — существенно способствует раскрытию потенциальных возможностей каждого учащегося в соответствии с индивидуальными особенностями их когнитивных стилей.

В связи с тем, что физика — одна из немногих дисциплин, где сильно выражены причинно-следственные связи, то информационная модель внутрипредметных связей может быть результативно реализована при организации проблемного обучения именно физике.

Если учесть, что связь — это «. субстрат, ответственный за перенос информации"1, то учебный процесс можно моделировать как процесс дискретного переноса информации из одной учебной задачи в другую с.

Философский энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. 1983. — 840 с. помощью скрытых в учебном материале внутрипредметных связей, в структуру которых входит учебная информация и технология ее переноса. Причем, содержание, которое в одной задаче является целью действия, должно войти в последующую как способ или часть способов ее решенияразмер порции меняется от раздела, параграфа, учебной задачи до элемента учебного материала (например, понятия) — система внутрипредметных связей формируется на основе их графовой моделиизучение каждой порции осуществляется в виде единого дидактического цикла по ее смысловой структуре, построенной на основе информационной модели внутрипредметных связейучебная проблема создается с помощью разрыва звена внутрипредметной связи и решается учащимися индивидуально. Несмотря на очевидность приведенной точки зрения, в литературе не выявлено разработок проблемного обучения физике с таким подходом.

На основании вышеизложенного были выделены противоречия между:

— внутри предметным характером учебной проблемы и отсутствием подходов к проблемному обучению, базирующихся на внутрипредметных связях;

— информационным содержанием внутрипредметных связей и неразработанностью технологий проблемного обучения, опирающихся на информационные модели внутрипредметных связей.

Вышеуказанные противоречия определяет актуальность исследования на тему «Проблемное обучение физике учащихся основной школы на основе информационной модели внутрипредметных связей».

Проблемой исследования является поиск ответа на вопрос, какой должна быть технология проблемного обучения физике учащихся основной школы, опирающаяся на внутрипредметные связи.

Объект исследования: процесс обучения физике учащихся основной школы.

Предмет исследования: проблемное обучение физике учащихся основной школы на основе информационной модели внутрипредметных связей.

Цель исследования: теоретическое обоснование и разработка технологии проблемного обучения физике учащихся основной школы на основе информационной модели внутрипредметных связей.

Гипотеза исследования состоит в том, что процесс проблемного обучения физике учащихся основной школы будет эффективным, если:

— вместо создания проблемной ситуации представить учащимся учебную проблему в виде разрыва звена внутрипредметной связи, которая предварительно строится учителем в виде смысловой структуры содержания учебного материала на основе информационной модели внутрипредметных связей;

— обеспечена систематическая и целенаправленная самостоятельная деятельность учащихся, мотивированность которых обусловлена активными методами обучения, ориентированными на индивидуальные когнитивные особенности учащихся, и использованием интерактивных средств обучения.

Для достижения цели исследования и проверки гипотезы решались следующие задачи.

1. Изучить состояние проблемного обучения физике в дидактической теории и педагогической практике, проанализировать подходы к формированию учебной проблемы, вскрывающие её внутрипредметную природу.

2. Исследовать возможность приложения графовой и информационной моделей внутрипредметных связей к проблемному обучению физике.

3. Разработать модель технологии проблемного обучения физике на основе графовой и информационной моделей внутрипредметных связей, в которых учебная проблема возникает как следствие разрыва звена внутрипредметной связи.

4. В рамках технологии проблемного обучения разработать методы реализации проблемного обучения на занятиях разных форм организации. Разработать адекватную предложенному подходу технологию проблемного обучения физике, эффективность которой обеспечивается ориентацией на самостоятельную деятельность учащихся и организацией дидактических процессов на основе информационной модели внутрипредметных связей.

5. Разработать информационный учебно-методический комплекс для организации проблемного обучения физике учащихся 7-х классов.

6. Провести педагогический эксперимент с целью проверки эффективности разработанной технологии проблемного обучения.

В качестве методологической основы исследования явились:

• исследования в области теории и методики обучения физике (Н.Е. Важеевская, Т. Н. Гнитецкая, Г. М. Голин, В. Ф. Ефименко, И. С. Карасова, В. Н. Мощанский, В. В. Мултановский, Н. С. Пурышева,.

A.B. Усова, Н. В. Шаронова и другие);

• теория учебной деятельности (П.Я. Гальперин, В. В. Краевский, И. Я. Лернер, Н. Ф. Талызина, Д. Б. Эльконин и другие) — концепция системно-целостного подхода к организации учебно-воспитательного процесса (Е.П. Белозерцев, В. П. Беспалько, E.H. Ильин,.

B.В. Краевский и другие) — концептуальные идеи личностно — ориентированного образования (Е.В. Бондаревская, A.A. Вербицкий, Л. Г. Вяткин, В. В. Сериков и другие) — исследования в области проблемного обучения (Ю.К. Бабанский, В. И. Загвязинский, И. Я. Лернер, A.M. Матюшкин, М. И. Махмутов, В. Оконь, М. Н. Скаткин, A.B. Хуторской и другие) — дидактическая концепция активизации учебной деятельности (Л.В. Занков, П. И. Пидкасистый, Г. И. Щукина) — теория развивающего обучения (В.В. Давыдов, В. В. Репкин, Д. Б. Эльконин и другие);

— современные диссертационные исследования по организации проблемного обучения (В.В. Ларионов, О. С. Виноградова, М. А. Шаталов и другие) — труды, в которых предлагаются количественные подходы к решению педагогических задач (С.И. Архангельский, В. П. Мизинцев, A.M. Сохор) — дидактические исследования вопросов построения и оптимизации учебного процесса (С.И. Архангельский, Ю К. Бабанский, В.В. Краевский);

— исследования в области конструирования содержания курса физики (Д.А. Исаев, С. Е. Каменецкий, Н. С. Пурышева и другие).

Методами исследования являлись: теоретические — изучение и анализ психолого-педагогической, методической, нормативной литературы, диссертационных исследований по проблемному обучению физике, моделирование проблемного обучения физике на основе графовой и информационной моделей внутри предметных связей, методы количественного описания педагогических явленийэкспериментальные ~ анкетирование, наблюдение, анализ ответов учащихся, изучение опыта работы школ, практикующих проблемное обучение, констатирующий, поисковый и обучающий этапы педагогического эксперимента, личное преподавание, статистическая обработка результатов педагогического эксперимента.

Основные этапы исследования. Исследование проводилось в течение 6 лет с 2003 по 2009 г. и осуществлялось в три этапа (первый этап — 2003;2005 гг.- второй этап — 2005;2007 гг. и третий этап — 2007;2009 гг.).

На первом, констатирующем этапе (2003 — 2005 гг.) осуществлялось накопление эмпирического материала. Проводился анализ диссертационных исследований по изучаемой проблеме, сравнительный анализ психолого-педагогической, учебно-методической литературы, нормативных документов с целью выяснения состояния проблемы использования проблемного обучения учащихся основной школы при изучении физики. Для анализа состояния рассматриваемой проблемы в практике обучения физике был организован констатирующий этап педагогического эксперимента. Результаты этого этапа подтвердили актуальность проблемы нашего исследования.

На втором, поисковом этапе (2005 — 2007 гг.) производились систематизация и обобщение теоретического и эмпирического материала по проблеме исследования. Определялись основные идеи, принципы построения технологии проблемного обучения физике на основе разрыва внутрипредметной связи учащихся основной школы, разрабатывались ее элементы, анализировались различные формы, методы обучения, проводился поисковый этап педагогического эксперимента.

На третьем, обучающем этапе (2007 — 2009 гг.) была определена технология проблемного обучения учащихся основной школы при изучении физики учащимися основной школы, проведен обучающий экспериментобщая проверка эффективности предложенной технологии проблемного обучения на основе разрыва внутрипредметных связей в основной школе.

Научная новизна исследования состоит в следующем.

1) Обоснован и предложен новый методический подход к организации проблемного обучения физике. В отличие от существующего, при котором выявляется противоречие в ходе теоретического или экспериментального исследования и формируются исходя из этого проблемы, предлагаемый подход базируется на идее формирования учебной проблемы в виде разрыва внутрипредметной связи, отражающей причинно-следственную связь внутри структурного элемента содержания курса физики. Внутрипредметная связь установлена через конкретный элемент учебного материала — понятие, закон, теорию, модель и принцип. Связь представляется смысловой структурой на основе информационной модели внутрипредметных связей, а проблемная ситуация формируется автоматически в процессе заполнения учащимися ячеек смысловой структуры.

2) Предложена модель технологии проблемного обучения физике в основной школе, которая отражает: внутрипредметное пространство содержания курса физики, установление иерархии элементов учебного материала с помощью количественных характеристик внутри предметных связей, выделение фундаментального ядра с последующим представлением смысловых структур содержания фундаментальных понятий в виде графов и расчетом соответствующих информационных характеристик.

3) Разработана технология проблемного обучения физике, которая содержит частные методики проблемного обучения: на занятиях по изучению нового материалапо решению физических задачпо проведению лабораторных работ по физике. В основу приведенных методик положен разработанный нами метод «Разомкнутой модели», подразумевающий разрыв смысловой структуры содержания понятия, построенной на основе информационной модели внутрипредметных связей в месте создания учебной проблемы. Предлагается механизм размыкания структуры.

4) Разработаны новые дидактические средства проблемного обучения физике — смысловые структуры содержания учебного материала по физике, построенные на основе информационной модели внутрипредметных связей и отражающие семантику содержания раскрываемого в элементе структуры понятия. Структуры содержат разомкнутые звенья в местах, где формируется учебная проблема, и применимы к разным методам организации занятий по физике (объяснение нового материала, лабораторные работы, решение задач).

Теоретическая значимость исследования состоит в следующем. 1. Результаты исследования вносят вклад в развитие теоретических основ проблемного обучения физике за счет:

— обоснования' и развития идеи организации проблемного обучения физике в основной школе на основе внутрипредметных связей;

— разработки модели проблемного обучения физике, в процессе реализации которой на основе теории межпредметных и внутрипредметных связей уточнено понятие внутрипредметных связей в части объекта связи;

— создания технологии проблемного обучения физике, реализованной через информационную модель внутрипредметных связей, позволяющей конструировать содержание проблемного обучения физике учащихся основной школы;

— развития теоретических основ содержания учебного предмета, в частности физики, за счет предложенного подхода к сравнению учебников физики и выбора в наибольшей степени соответствующего идее проблемного обучения.

Практическая значимость исследования заключается в следующем. Технология проблемного обучения физике включает разработку деятельности учителя физики, планирующего изучение курса физики для 7−9-х классов с учетом задачи организации проблемного обучения на основе информационной модели внутрипредметных связейинформационный учебно-методический комплекс, который состоит из: 1) поэтапных дидактических маршрутов изучения тем учащимися, представленных в виде комплексных самостоятельных заданий, содержащих планы-вопросники со ссылками на литературу, выполнение опыта, составление конспекта, по вопросам темы, решение задач- 2) набора смысловых структур содержания параграфа, лабораторной работы и решения физических задач с выделенными учебными проблемами.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Проблемное обучение физике может строиться на основе информационной модели внутрипредметных связей. При этом учебная проблема возникает как результат разрыва звена внутрипредметной связи, отражающей логическую последовательность структурных элементов учебного материала и обеспечивает «субъект-субъектное» взаимодействие учителя и учащегося.

2. При проблемном обучении, построенном на информационной модели внутрипредметных связей, технологизация деятельности учителя обеспечивается за счет метода размыкания внутрипредметной связи. Применение этого метода основано на том, что существует два способа размыкания внутрипредметной связи:

— разрыв в узлах внутрипредметной связи, где расположено одно из семантических состояний рассматриваемого в параграфе понятия;

— разрыв внутрипредметной связи в узлах, где встречаются два противоположных заключения, для чего содержание параграфа перестраивается так, что выделяются две логически противоположные цепочки рассуждений.

3. Деятельность учащихся в рамках предлагаемого подхода к проблемному обучению технологизируется с помощью комплексного домашнего задания, включающего план-вопросник, экспериментальное задание, вопросы и задачисмысловую структуру изучаемого параграфа. Па уроке в процессе обсуждения вопросов, возникших у учащихся при самостоятельном выполнении комплексного домашнего задания, осуществляется совместное заполнение смысловой структуры учителем и учащимися до места разрыва внутрипредметной связи, который учащиеся заполняют самостоятельно.

4. Совместная деятельность учителя и учащихся в рамках технологии проблемного обучения физике может быть реализована через дидактический цикл изучения темы, представляющий собой последовательность действий каждого из участников учебного процесса и включающий контроль и коррекцию самостоятельной деятельности учащихся на каждом этапе изучения темы.

Результаты исследования опубликованы в 9 научно-методических работах общим объемом 1,67 п.л. в том числе в одной статье в журнале «Философия, образования» из перечня ВАК.

Апробация результатов исследования проводилась на Всероссийскойконференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Владивосток (2007 — 2009) — на научно-практической конференции, Челябинск (2008) — на научно-методической конференции, Москва (2009) — на международной научно-технической конференции, Пенза (2007) — на международной конференции, Москва, Владивосток (2008).

По теме диссертации с 2005 года ведется систематическая работа с учителями физики г. Уссурийска, со студентами Уссурийского государственного педагогического института. Основные результаты исследования внедрены в практику работы общеобразовательных школ №№ 11, 14, 25, 29, 133 г. Уссурийска.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии (195 наименований), 19 приложений. Работа содержит 138 страниц основного текста, 30 рисунков, 18 таблиц. Полный объём 182 страницы.

Выводы по третьей главе.

Полученные результаты, подтвержденные методами математической статистики, свидетельствуют о том, что величина успеваемости экспериментальной группы, выше, чем у учащихся контрольной группы.

Следовательно построение учебного процесса с использованием технологии проблемного обучения основанного на разрыве внутрипредметных связей позволяет формировать целостные представления о физических понятиях, законах и явлениях, выраженные в умениях решать физические задачи различного уровня сложности.

Успешность учащихся в обучении зависит от присущих им характеристик когнитивного стиля индивидуального поведения.

Таким образом, результаты эксперимента подтвердили выдвинутую в исследовании гипотезу. Это позволяет сделать вывод о том, что технология проблемного обучения физике на основе разрыва внутрипредметных связей обеспечивает эффективность учебного процесса по физике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ психолого-педагогической литературы по проблемному обучению показал, что данный метод как компонент процесса обучения неоправданно считается одним из наиболее изученных вопросов в современной дидактике.

Как показали результаты анкетирования преподавателей вузов и учителей школ, а так же анализ психолого-педагогической литературы, посвященной этой проблеме, в современной педагогической теории и практике обучения в школе сложилось понимание проблемного обучения как обучения, основанного на создании проблемных ситуаций. И в настоящее время, большинство исследователей осуществляет поиск способа построения проблемной ситуации, это говорит о том, что механизм постановки проблемной ситуации разработан недостаточно, что затрудняет системное практическое применение проблемного обучения физике.

В создавшейся ситуации необходим научно обоснованный комплекс условий, способствующий реализации проблемного обучения физике в основной школе.

Рассматривая педагогический процесс как субъект-субъектное взаимодействие всех его участников, мы предлагаем технологизировать проблемное обучение физике. Для этого разработан универсальный метод формирования учебных проблем, который может быть использован на лабораторных работах, при решении задач и объяснении нового материала.

Предложенный метод организации проблемного обучения на основе внутрипредметных связей, который предполагает построение учебного процесса в виде взаимосвязанных учебных задач, формирование учебной проблемы в виде разрыва внутрипредметных связей, самостоятельное разрешение учебной проблемы учащимися.

Исходя из вышесказанного можно утверждать, что выбранное направление исследований, развитое в данной работе, является перспективным. Основные результаты, полученные в диссертации;

1. На основе анализа научной литературы выявлена значимость и необходимость развития подхода к проблемному обучению физике, опирающемуся на внутрипредметный характер понятия учебной проблемы.

2. Выявлена, вызванная разной природой понятий информации и знания, некорректность в определении, лежащем в основе информационной модели внутрипредметной связи. В связи с чем трактовка объекта связи, как элемента знаний, навыков и умений, дополнена представлением объекта связи как элемента учебного материала.

3. Определена модель проблемного обучения физике на основе внутрипредметных связей («Разомкнутая модель»), которая включает: построение внутрипредметного пространства курса на основе графовой модели внутрипредметных связейустановление иерархии и выделение фундаментальных элементов учебного материала на основе расчета количественных характеристик вскрытых связейпредставление внутрипредметных связей, реализованных через выделенные объекты связи, с помощью информационной модели внутрипредметных связейвыделение в информационном содержании, представленном смысловой структурой, проблемных звеньев и формирование проблемы с помощью разрыва внутрипредметной связи.

3. Разработана технология проблемного обучения, как последовательность действий учителя и учащихся при проблемном обучении физике в 7−9-х классах общеобразовательной школы на разных формах организации занятий по физике (лабораторные работы, решение задач, уроки — объяснения и пр.).

5. Сформирован и апробирован УМК по обучению физике методом «Разомкнутой модели» в 7-х классах общеобразовательной школы.

6. В ходе педагогического эксперимента подтвердилась эффективность разработанной технологии проблемного обучения. Результаты, полученные в ходе педагогического эксперимента, подтвердили гипотезу исследования.

Таким образом, цель реализации технологии проблемного обучения состоит в том, чтобы обучить учащихся не отдельным мыслительным операциям в случайном, стихийно складывающемся порядке, а системе умственных действий для решения не стереотипных учебных проблем. Идея заключается в том, что ученик, анализируя, сравнивая, синтезируя, обобщая, конкретизируя фактический материал, сам получает из него новую информацию, то есть восстанавливает разорванную связь.

В условиях педагогического эксперимента получена количественная оценка эффективности разработанной технологии проблемного обучения физике. Эта оценка свидетельствуют о его существенном положительном влиянии на овладение учащимися физическими знаниями и повышении уровня успеваемости по физике.

В дальнейшем целесообразно исследовать проблему расчета объема сложности учебных проблем, так как учебные проблемы, как и задачи имеют различный уровень сложности. Такой расчет позволит учителю определить сложность каждой отдельной проблемы и её место в процессе обучения. Универсальный характер предложенного метода формирования проблем позволяет использовать его в других образовательных областях и учебных предметах.