Формирование экспериментальных умений школьников Сингапура при обучении физике Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

1УДК 372.853 ББК 74.262.22

ФОРМИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УМЕНИЙ ШКОЛЬНИКОВ СИНГАПУРА ПРИ ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ

Н. С. Пурышева, К. П. Доценко

Аннотация. В статье рассмотрена методика формирования у школьников Сингапура экспериментальных умений в процессе выполнения фронтальных лабораторных работ. Описаны основные отличия этой методики от той, которая используется в российской школе. Рассмотрены особенности структуры и содержание пособия для учащихся по лабораторному эксперименту.

Ключевые слова: экспериментальные умения, методика, цели лабораторных работ, процедура выполнения работы, графики зависимостей.

FORMATION OF EXPERIMENTAL SKILLS AT SINGAPOREAN STUDENTS WHEN TEACHING PHYSICS

N. S. Purysheva, K. P. Dotsenko

Abstract. The article deals with the methods of forming experimental skills in the process of implementing laboratory works. The main differences between these methods and the methods used in a Russian school are described. The peculiarities of the structure and content of the manual for students in a laboratory experiment are discussed.

Keywords: experimental skills, methodology, objectives of laboratory work, work procedure, dependency graphs.

В ведение. В последние годы школьники Сингапура демонстрируют высокий уровень подготовки как по гуманитарным, так и по естественно-математическим дисциплинам. Об этом красноречиво свидетельствуют данные международных исследований, в частности исследования PISA. Так, по результатам исследования естественнонаучной грамотности, в 2009 г. Сингапур занимал 4-6-е места (средний балл - 542), в 2012 г. - 2-4-е места (средний балл - 551), в 2015 г. - первое место (средний балл - 556). В то же время российские учащиеся, по итогам этого исследования, занимают весьма скромное место - ниже середины таблицы: в 2006 г. - 33-38-е место (средний балл - 479), в 2009 г. - 38-40-е место (средний балл - 478), в 2012 г. - 34-38-е место (средний балл - 486), в 2015 г. - 38-40-е место (средний балл - 487). Такие результаты школьников Сингапура не случайны, они определяются целым рядом факторов, и прежде всего методиками обучения учащихся, которые зачастую отлича-

ются от методик обучения учащихся, используемых в российских школах. Это относится, в частности, как к методике формирования умений решать задачи, так и к методике формирования экспериментальных умений. Рассмотрим некоторые методические приемы формирования экспериментальных умений школьников Сингапура при обучении физике.

Система школьного образования Сингапура. Система школьного образования в Сингапуре предусматривает три уровня обучения: начальный, средний и предуниверситетский.

• Начальный уровень рассчитан на шесть лет. За время обучения дети проходят углубленный курс по математике, английскому и китайскому языкам. После завершения курса школьники сдают экзамены и получают свидетельство РБЬБ. На основании результатов экзаменов после окончания начальной школы дети поступают в средние школы.

• Средний уровень. В зависимости от знаний, полученных за время начального обуче-

ния, детей распределяют по группам, образование в которых осуществляется по специальным курсам.

Это следующие курсы:

• Специальный, предполагающий углубленное изучение родного языка; в остальном обучение схоже с экспресс-курсом.

• Стандартный, предполагающий доскональное изучение технических предметов на техническом направлении, тогда как на академическом направлении студенты изучают, например, бухгалтерское дело. На стандартных курсах по их окончании принято было сдавать экзамен для получения N-уровня, но в 2004 г. Минобразования Сингапура приняло решение о предоставлении возможности некоторым студентам пробовать получать О-уровень без предварительной сессии на N-уровень.

• Экспресс-курс. Срок обучения - 4 года и сдача экзамена на право получения О-уровня, то есть ординарного (обычного, посредственного). Поверхностное изучение смеси креольского, английского и родного для жителей страны языка.

• Нормальный академический курс отличается от других сроком обучения в 5 лет.

• Предпрофессиональный. Этот курс не предполагает возможность получения сертификата Advanced-level и участия в спецпрограмме интеграции обучения. На этом уровне студенты вправе выбрать 6-10 предметов с последующей сдачей экзамена на Ordinary-level, но в этом списке обязательно должны присутствовать математика, по одному естественному и гуманитарному предмету, а также языки -родной и английский.

• Предуниверситетский уровень. После окончания курса дети получают сертификат класса GCE «А», что дает право для бесплатного обучения в профильном университете.

Ниже рассмотрен лабораторный практикум по физике для обычного уровня (Ordinary-level или 0-level).

Учебные пособия. Школьники Сингапура имеют три основных учебных пособия: учебник физики [1], рабочую тетрадь (Work book) [2] и пособие для лабораторных работ (Practical book) [3]. Экспериментальные задания содержатся в пособии для практических работ. В российских учебно-методических комплектах ра-

бочая тетрадь и пособие для лабораторных работ обычно совмещены и представлены в одной книге. Это нельзя признать рациональным, поскольку выполнение лабораторных работ требует предварительного знакомства учащихся с приборами, правилами их использования, способами учета погрешностей измерений, техникой безопасности и пр. Этот материал сложно вписать в контекст объединенного пособия, и он, как правило, отсутствует в рабочих тетрадях для российских школьников. Кроме того, компактное представление лабораторных работ в отдельном пособии обеспечивает более четкое представление учителя о динамике развития экспериментальных умений учащихся, создает условия для оперативной коррекции их подготовки. Именно это пособие является в данном случае предметом анализа.

Содержание пособия для лабораторных работ. В отличие от пособия для российских школьников пособие для лабораторных работ для школьников Сингапура включает правила техники безопасности, введение, в котором рассмотрены приборы, используемые в эксперименте по разным темам курса физики, и правила работы с ними, перечислены практические умения, которыми должны овладеть учащиеся при выполнении эксперимента, приведены описания двадцати лабораторных работ и двух конструкторских работ.

В первой части пособия для лабораторных работ рассмотрены измерительные и другие приборы, используемые при изучении разных классов физических явлений, и правила работы с ними.

Приводятся алгоритмы процесса выполнения измерений. Например, приведены фотографии штангенциркуля и порядок выполнения измерения (в данном случае диаметра шарика):

1. Поместите объект, который вы измеряете (в данном случае шарик), между ножками штангенциркуля. Аккуратно зажмите его ножками штангенциркуля.

2. Прочитайте показание главной шкалы напротив нулевой отметки дополнительной шкалы. В данном случае показание главной шкалы составляет 31 мм (3,1 см).

3. Установите, какое деление дополнительной шкалы точно совпадает с делением главной шкалы. В данном случае четвертое деление

дополнительной шкалы точно совпадает с делением на главной шкале. Число 4 читается как четыре десятых миллиметра или 0,04 см.

4. Таким образом, диаметр шара находится путем сложения показаний главной и дополнительной шкал, то есть (3,1 + 0,04) см = 3,14 см.

Здесь же для самопроверки учащимся предлагаются задания с выбором ответа.

Далее в пособии подробно рассматриваются экспериментальные умения, которыми должны овладеть учащиеся. При этом важно не только то, что ученик выступает субъектом процесса обучения, о чем свидетельствует даже заголовок раздела, в котором рассматриваются практические умения: «Создание твоих практических умений», но и то, что четко и определенно обозначена общая цель его экспериментальной деятельности. Наличие таких указаний приводит к тому, что деятельность учащихся становится осмысленной. Так, написано, что учащиеся в процессе выполнения эксперимента должны приобрести следующие умения:

• измерения и определения единиц величин;

• перевода единиц величин;

• вычисления величин;

• построения графиков (графическое представление полученных данных);

• интерпретации графиков;

• планирования исследования.

Подробно описывается и поясняется на

примерах каждое из выделенных действий, которые учащиеся должны научиться выполнять, и по каждому из них приводятся задания и вопросы закрытого типа для самопроверки.

Следует отметить специальным образом организованное обучение учащихся правилам графического представления полученных в эксперименте данных. Это то, чему в отечественной школе не уделяется должного внимания. Сначала даются указания, которые должны выполняться при построении графиков: на координатных осях должны быть поставлены обозначения величин и их единицы, использован масштаб, позволяющий изобразить на графике как можно больше точек и т. п.

Особый интерес представляют указания, касающиеся правила построения экспериментальных линий: «Не пытайтесь соединить линией все представленные на графике точки; со-

всем необязательно, что вы при этом получите прямую линию или плавную кривую, соединяя все точки, поскольку измерения в эксперименте выполняются с погрешностью. Поэтому используйте линейку, чтобы изобразить прямую линию, или лекало для вычерчивания гладкой кривой» [3, с. 24]. И далее: «Чтобы получить правильную прямую или кривую, проведите ее через середину расстояний между точками так, чтобы справа и слева от линии находилось одинаковое число точек. Нет необходимости соединять линией все точки графика» [3, с. 24]. После знакомства с этими указаниями учащиеся должны выполнить задание, в котором им предложено из 10 представленных графиков экспериментальных кривых выбрать верные.

Формирование графических умений учащихся, связанных с экспериментальной деятельностью, продолжается при обучении их интерпретации графиков и извлечения из них определенной информации. Например, описание характера зависимости между величинами, вычисление постоянных коэффициентов, сравнение графиков и пр.

Детально описано умение планирования исследования. Представлены этапы выполнения эксперимента и соответствующая каждому этапу деятельность учащихся (таблица).

Учащимся предлагается выполнить 20 лабораторных работ по разным темам курса физики. Пособие включает четыре типа лабораторных работ: наблюдение явления, прямое измерение физической величины, косвенное измерение физической величины, исследование зависимостей между физическими величинами.

К работам первого типа можно отнести такие эксперименты, как «Наблюдение влияния примесей на температуру плавления вещества», «Глубина погружения тела в разные жидкости», «Изучение магнитного поля полосового магнита», «Наблюдение влияния силы тока в катушке на подъемную силу электромагнита», «Наблюдение преломления света в призме».

Работы второго типа выполняются в начале практикума при формировании общих измерительных умений. Например, «Использование метровой линейки, штангенциркуля и микрометра для измерения длины», «Измерение периода колебаний математического маятника» (периодическое движение как способ измере-

Таблица

Этапы планирования выполнения эксперимента

Этап Содержание деятельности

1. Определите проблему - Определите независимые и зависимые переменные; - определите способ контроля зависимых варьируемых переменных; - четко сформулируйте проблему

2. Опишите способ получения данных Приведите четкое и логическое описание выполнения эксперимента, включая описание того, - как будут изменяться независимые переменные; - как будут измерены независимые и зависимые переменные; - как будут контролироваться другие величины; - каково устройство используемых приборов

3. Выполните анализ собранных данных и опишите его Опишите, насколько собранные данные соответствуют цели эксперимента

4. Подумайте о соответствующих мерах безопасности Предложите меры безопасности, которые должны быть приняты

ния времени). Ряд работ, связанных с прямыми измерениями, выполняется в связи с изучением физических явлений: «Отражение света в плоском зеркале», «Измерение фокусного расстояния линзы».

Примерами лабораторных работ третьего типа могут служить такие работы, как «Измерение плотности вещества твердых тел правильной и неправильной формы», «Измерение показателя преломления стекла», «Измерение сопротивление резистора», «Общее сопротивление последовательно соединенных резисторов», «Общее сопротивление параллельно соединенных резисторов».

К исследовательским работам можно отнести такие, как «Взаимосвязь ускорения тела и приложенной силы», «Проверка правила моментов сил», «Влияние температуры на скорость кристаллизации жидкости», «Зависимость сопротивления проводника от его длины», «Зависимость сопротивления термистора от температуры», «Зависимость периода колебаний пружинного маятника от массы груза».

В конце пособия приведены две работы по конструированию трехконтактного переключателя и модели электрического двигателя.

Особенности описаний лабораторных работ. Структуру описания и некоторые его особенности рассмотрим на примере лабораторной работы «Измерение плотности вещества твердого тела неправильной формы» [3, с. 51-56].

Структура описания включает следующие позиции:

• «ты научишься»;

• название работы;

• цель работы;

• процедура (план) измерения величин;

• вычисления;

• вопросы;

• вывод/рефлексия;

• вызов самому себе.

Особенности методики формирования экспериментальных умений учащихся

1. В начале описания определяются умения, которые учащиеся приобретут в процессе ее выполнения: «вы научитесь». В данной работе - это «вы научитесь выполнять эксперимент по измерению плотности вещества твердого тела» [3, с. 49]. В других работах приводятся такие умения, как «вы научитесь собирать установку так, чтобы она была безопасной и устойчивой; фиксировать постоянство температуры вещества в процессе его агрегатного превращения» [3, с. 61]; «вы научитесь планировать исследование, выполнять исследование, оценивать и корректировать план выполнения эксперимента» [3, с. 95].

2. Цель работы формулируется с точки зрения результата данного конкретного эксперимента: определить плотность вещества стеклянной пробки. Важно, что при выполнении любой экспериментальной работы решаются две задачи: с одной стороны, приобретение учащимися экспериментальных умений («вы научитесь»), с другой стороны, получение определенного результата именно экспериментальной деятельности по изучению физических явлений - значений физических величин, закономерностей, конструкций и пр. («цель работы»). Понятно, что эти задачи связаны и решаются совместно, однако учащимся более понятна и интересна цель получения физического результата.

3. В плане работы перечислены все действия, которые должен выполнить учащийся. При этом учащимся даются рекомендации, касающиеся правил работы с приборами и техники выполнения эксперимента. В данном случае они следующие: «измеряя объем жидкости с помощью измерительного цилиндра, не допустите ошибку, связанную с параллаксом, и удалите из воды все пузырьки воздуха».

4. У учащихся формируются представления о погрешностях измерений, в частности о погрешности среднего арифметического. Так, определяя объем стеклянной пробки, учащиеся должны выполнить три измерения и найти среднее арифметическое полученных значений объема стеклянной пробки. Понятия о погрешностях достаточно четко формируются при построении графиков экспериментальных кривых, что должно быть учтено и в отечественной методике формирования экспериментальных умений учащихся. Это особенно важно, учитывая то, что контрольно-измерительные задания ЕГЭ включают подобные задания.

5. После выполнения работы учащимся предлагается выполнить два задания, одно из них - вопрос, ответ на который непосредственно связан с выполненным экспериментом: «Какие два обстоятельства нужно принять во внимание при использовании в эксперименте измерительного цилиндра?» Второе задание носит творческий характер: «Внесите изменения в план выполнения эксперимента при определении плотности вещества твердого тела, растворяющегося в воде (например, куска сахара)».

6. Интересен этап «Вызов самому себе». Учащимся предлагается самостоятельно разработать и записать план более сложного эксперимента на основе уже приобретенных знаний и умений. В данном случае - эксперимента по измерению плотности куска пробки неправильной формы. Важно, что, с одной стороны, учащимся уже известен способ измерения плотности вещества твердого тела неправильной формы, а с другой стороны, новым в предлагаемом эксперименте является то, что твердое тело не тонет в воде, а плавает в нем. Соответственно, учащиеся должны предложить способ измерения его объема. Подобная организация экспериментальной деятельности обладает несо-

мненными достоинствами. Реализация этого подхода позволяет развить креативность учащихся, их исследовательские способности. Важно также, что это происходит не на пустом месте и учащийся не поставлен в положение человека, брошенного в воду и не умеющего плавать, а он уже приобрел опыт выполнения простой работы на данную тему, его уже обучили общему приему измерения плотности вещества твердого тела неправильной формы.

Такого рода задания постепенно усложняются. Так, при выполнении первой работы по измерению длины в рубрике «Вызов самому себе» они получают задание описать и показать на рисунке, как бы они измерили внутренний и внешний диаметры сосуда вместимостью 50 мл, не используя штангенциркуль (указание: вы можете использовать линейку и квадраты) [3, с. 40].

После выполнения по плану работы по измерению периода колебаний математического маятника учащимся предлагают описать эксперимент по измерению ускорения свободного падения. В работе по изучению условий равновесия рычага учащиеся должны описать эксперимент по измерению массы линейки, используя правило моментов сил. Указывается, что пользоваться в этом эксперименте можно только стеклянной призмой и грузом массой 50 г.

Таким образом, учащиеся сначала выполняют работу по плану, а после освоения методики основного эксперимента переходят к заданию, которое предлагает им разработать самостоятельно процедуру выполнения аналогичного, но более сложного эксперимента, то есть исследовательские экспериментальные умения формируются тогда, когда для этого создана определенная база.

Такие задания предлагаются к первым семи работам, при выполнении которых у учащихся формируются умения собирать установки, соблюдать правила работы с приборами, читать показания приборов, представлять результаты измерений в таблице и пр. Начиная с восьмой работы в рубрике «Вы научитесь» приводятся такие умения, как планировать исследование, разрабатывать процедуру исследования, оценивать процедуру исследования и модифицировать план исследования. Описание работы в этом случае включает цель, обязательно про-

блему исследования, которая формулируется обычно как «создать лабораторный эксперимент», например, «для исследования влияния температуры на скорость охлаждения». Учащиеся должны составить список приборов, которые необходимы для реализации их плана, при этом они получают список некоторых необходимых приборов.

В инструкции перечисляются шаги, которые должен выполнить учащийся:

1. Проанализируйте проблему и составьте примерный план вашего исследования. Ваш план должен включать:

• специфическую цель эксперимента;

• список факторов, влияющих на протекание явления (отметьте факторы, которые будут изменяться);

• список приборов, которые будут использоваться;

• предложенную вами процедуру как пошаговую инструкцию;

• описание способа представления данных;

• рисунок установки, если это необходимо.

2. Согласуйте свой план с учителем.

3. После этого проведите исследование. Если необходимо, вы можете внести изменения в план исследования во время его проведения.

4. Запишите результаты в наиболее удобной форме. Выполните необходимые вычисления прежде, чем сделать вывод.

5. Оцените свое исследование. Ваша оценка должна включать:

• обсуждение реальности результатов;

• изменения или исправления, которые должны быть внесены в эксперимент;

• сильные стороны вашего эксперимента, если отсутствуют изменения.

Подобным образом организуется деятельность учащихся при выполнении всех работ, в которых требуется установить зависимость между физическими величинами или исследовать влияние определенных факторов на протекание явления.

7. В пособии для лабораторных работ приведены рисунки всех приборов и экспериментальных установок, в том числе даже самых простых, например, твердое тело неправильной формы в воде, налитой в измерительный цилиндр. Более того, на рисунках указаны и названы все детали используемых приборов. Ис-

ключением являются случаи, когда учащиеся получают задание самостоятельно сконструировать экспериментальную установку и сделать соответствующий рисунок. Выполнить это задание после того, как учащимся показали образец оформления рисунка экспериментальной установки и научили по рисунку эту установку собирать, позволяет более успешно в дальнейшем осуществлять учащемуся самостоятельно аналогичную деятельность. Для российских школьников необходимость владения умениями конструировать экспериментальную установку и изображать ее на рисунке определяется, кроме всего прочего, еще и наличием в контрольно-измерительных материалах ОГЭ соответствующих заданий.

8. Во всех работах, кроме самостоятельных исследований, содержатся указания, касающиеся правил работы с приборами и техники проведения эксперимента. Например, в работе «Измерение удельной теплоемкости металла» указывается, что металлический брусок и термометр должны постоянно находиться в воде и не касаться дна сосуда; учащиеся должны быть осторожны и не должны касаться горячего металлического бруска, когда его высушивают и т. п. Эти указания в описаниях лабораторных работ, используемых в российских школах, как правило, отсутствуют.

9. Особого специального внимания заслуживает обучение учащихся работе с графиками в процессе экспериментальной деятельности, что практически не осуществляется в российской школе. Уже во второй работе «Измерение периода колебаний математического маятника» учащиеся должны на основании полученных экспериментальных данных построить график зависимости периода колебаний от длины нити и, используя график, записать формулу этой зависимости. В работе «Проверка правила моментов сил» учащиеся строят график зависимости плеча d1 силы F1 от плеча d2 силы F2 и определяют градиент графика массы m2 от d2. При выполнении работы по измерению показателя преломления стекла учащиеся строят график зависимости синуса угла преломления от синуса угла падения и, используя его, определяют значение показателя преломления. Подобные задания выполняются и в других работах. В тетради для практических ра-

бот содержатся специальные листы с миллиметровой сеткой для работы учащихся.

Заключение. Таким образом, можно отметить целый ряд достоинств методики формирования экспериментальных умений школьников Сингапура, которые могут быть перенесены в российскую методику. Это, прежде всего, постепенное формирование экспериментальных умений (сначала научить, а на этой базе включать учащихся в самостоятельную деятельность), широкое использование графического метода в экспериментальных исследованиях, включение разного рода вопросов и заданий, связанных с выполняемым экспериментом, заданий по разработке процедуры выполнения экспериментов, развивающих проделанный эксперимент, наличие в инструкциях по выполнению работ указаний, связанных с техникой эксперимента.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Charles Chew, Chow Siew Foong, Ho Boon

Tiong. Physics. GCE 'O' Level. - 4th Edition.

- Singapore: Marshall Cavendish Education, 2014. - 465 p.

2. Charles Chew, Chow Siew Foong, Ho Boon Tiong, Tan Peng Yeon. Physics matters. Workbook. GCE 'O' Level. - 4th Edition. - Singapore: Marshall Cavendish Education, 2014. - 218 p.

3. Charles Chew, Ho Boon Tiong. Physics. Practical book. GCE 'O' Level. 3th Edition. - Singapore: Marshall Cavendish Education, 2014. -116 p.

REFERENCES

1. Charles Chew, Chow Siew Foong, Ho Boon Tiong. Physics. GCE 'O' Level. 4th Edition. Singapore: Marshall Cavendish Education, 2014. 465 p.

2. Charles Chew, Chow Siew Foong, Ho Boon Tiong, Tan Peng Yeon. Physics matters. Workbook. GCE 'O' Level. 4th Edition. Singapore: Marshall Cavendish Education, 2014. 218 p.

3. Charles Chew, Ho Boon Tiong. Physics. Practical book. GCE 'O'Level. 3th Edition. Singapore: Marshall Cavendish Education, 2014. 116 p.

Пурышева Наталия Сергеевна, доктор педагогических наук, профессор, заведующий кафедрой теории и методики обучения физике Московского педагогического государственного университета e-mail: npurysheva42@rambler.ru

Purysheva Natalia S., ScD in education, Professor, Chairperson, Theory and methods of teaching Physics Department, Moscow State University of Education e-mail: npurysheva42@rambler.ru

Доценко Константин Петрович, проректор Московского педагогического государственного университета e-mail: kp.dotsenko@mpgu.edu

Dotsenko Konstantin P., Vice rector, Moscow State University of Education e-mail: kp.dotsenko@mpgu.edu