CC BY
81
ПЕДАГОГИКА И МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ
Вестн. Ом. ун-та. 2013. № 3. С. 260-264.
УДК 378
Ю.П. Дубенский
КОНСТРУИРОВАНИЕ МЕТОДИК ФОРМИРОВАНИЯ
ФИЗИЧЕСКИХ ПОНЯТИЙ
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УЧЕБНЫХ ТЕКСТОВ
Рассматривается последовательность методического конструирования, направленного на формирования физических понятий. Источником формирования физических понятий являются учебные тексты. Учебные тексты хранят в себе (консервируют) исследовательскую деятельность ученых-физиков. Задача учителя - создать ситуации, в которых ученик сможет овладеть способами (методами) деятельности ученого-физика.
Ключевые слова: методика, конструирование, физическое понятие, исследование, задание, текст, учебное действие.
В методике обучения физике определенное внимание уделяется обучению учащихся работе с учебной литературой. Выделяются умения, которыми должны овладеть учащиеся, работая с учебными текстами: выделять главное в тексте, рисунке, таблице; устанавливать логическую связь и зависимость между сведениями, изложенными в параграфе учебника; сравнивать изучаемые явления; делать обобщения, выводы по одному или нескольким параграфам учебника; составлять схемы, таблицы, графики по тексту учебника; делать анализ содержания рисунков; составлять словарь по теме; самостоятельно изучать отдельную тему учебника; составлять план по тексту учебника; уметь составлять задачи, используя текст учебника; писать конспекты, сочинения; выполнять опыты, описанные в учебнике. Нет основания для выделения именно этой группы умений, нет методики обучения данным умениям, она сводится к пожеланиям следующего типа: «учитель просит ребят озаглавить части параграфа», «учащиеся, работая с учебником, должны систематически вести словарь».
Нет конструкторов методик обучения учителей и студентов методике обучения учащихся самостоятельной работе с различной литературой.
Мы конструируем методику формирования физических понятий с рефлексивной ситуацией для студентов или педагогов. Студентам дается задание: в позиции ученика прочитать и запомнить фрагмент из учебника для 10-х классов Г.Я. Мякишева, Б.Б. Буховцева «Физика» [1]. Далее следуют задания на выделение схемы действий, которой должны овладеть учащиеся.
Задание 1. Из предложенного фрагмента текста выделите признак (средства логического действия с объектами в идеальной форме), который предлагается для различения тел.
В указанном выше учебнике введено понятие макроскопических тел: «В физике макроскопическими телами называются большие тела, состоящие из огромного числа молекул» [1, с. 4].
Студенты выделяют признаки - малое количество молекул; большое (огромное) количество молекул.
Задание 2. Взяв за основу логику построения выделенных признаков, придумайте тексты, аналогичные анализируемому.
Студенты приходят к выводу о неинструментальности предложенного способа различения и отсутствии возможности научить действовать данным способом [2].
© Ю.П. Дубенский, 2013
Задание 3. Оставив понятие «количество», сделайте данное различение инструментальным и проверяемым.
Один из предлагаемых вариантов -формальное проведение границы, например, по количеству вещества в 0,5 моля. Если меньше 0,5 моля, то микромир, если больше, то макромир. Нужно только научиться определять количество вещества.
Задание 4. Существует ли природное деление миров?
Вывод студентов: природа не разделяет миры, для нее нет микромира и макромира, для нее есть один мир - мир существования. Миры пытается разделить человек по собственным причинам.
Задание 5. В чем эти причины?
Результат исследования: Человек живет и может чем-то непосредственно пользоваться: камнем, палкой и т. д. Но вдруг обнаруживает, что есть то, чем он не может пользоваться непосредственно как камнем, даже не может увидеть глазом без микроскопа (например, броуновское движение). Возможности человека определяют границу его непосредственных действий, данная граница и является делителем целого мира на части: микромир и макромир. Значит, данная граница подвижна. Если человек будет расширять свои непосредственные возможности, например, сможет взять в руки молекулу и что-то с ней сделать, то макромир для него расширится. Граница исчезнет вовсе, если человек сможет самостоятельно передвигаться по всему, что существует, и непосредственно этим пользоваться.
Основной результат работы в позиции ученика, который необходим для конструирования обучения: «Для определения границы между микромиром и макромиром учащиеся должны научиться определять свои непосредственные возможности».
Студенты, поработав в позиции ученика, могут переходить к конструированию методики обучения.
Схема обучения в этом случае: действия в предметном мире (макромире); фиксация своих возможностей; изменение предметного мира (движение к границе микромира); фиксация изменений своих возможностей.
Задание 1. Соберите кусочки мела. Напишите одним из них на доске какое-нибудь слово.
Действие фиксирует возможность человека.
Задание 2. Измельчите кусочек мела в порошок. Попробуйте собрать порошок. Напишите на доске одной порошинкой.
Фиксируется затруднение, которое возникает при выполнении задания, но что-то еще можно делать.
Задание 3. В определенном объеме газа видно движение пыли.
Почему она движется? Как ее можно собрать? Что можно сделать одной пылинкой?
Собрать пыль - возможное действие. Можно обсудить достоинства и недостатки различных способов сбора пыли. Но одной пылинкой сделать уже ничего нельзя. Мы продвигаемся к границе своих возможностей.
Ученики знают, что если тело меняет свой характер движения, то это результат его взаимодействия с другими телами. Поставьте перед ними вопрос: «Какое свойство этих тел обнаруживается при непосредственном наблюдении?» (Ответ: «Они невидимы»). Второй вопрос: «Можно ли эти тела собрать аналогично пыли? Можно ли что-то сделать с одним телом?» Такой возможности нет. Пояснение учителя: это граница является объективацией возможностей человека и разделяет для человека мир на микро- и макромир.
Остановимся на примере исследования и конструирования методики для освоения понятий «тепловое равновесие» и «температура».
Вначале студенты работают в режиме классического обучения: получают задание по усвоению части учебного материала и созданию отчета по данному усвоению. После ответа преподавателю по изученному материалу им предлагается для освоения газетный текст любого содержания. Дается задание: сравнить логику построения текстов и логику своего освоения текстов [3].
Выводы студентов: тексты учебника, содержащие информацию о названных понятиях, носят информационный характер. Они информируют учащихся о наличии макроскопических параметров и перечисляют их, но как с ними можно действовать -об этом в текстах ничего нет. Данные тексты нужно прочитать и запомнить. Способы понимания, осмысления, методика обучения (кроме запоминания) в тексты не заложена. Это газетный вариант текста.
Переход к содержательному исследованию: для того чтобы произошло понимание и обучение, необходимо организовать деятельность студентов в роли учащихся с материальными и идеальными учебными объектами, а для этого нужно выделить их, а также способы действий с ними (шаги по преобразованию).
Задание. Выделите из предложенного учебного материала: объекты, предметы,
средства, цели, продукты, шаги по преобразованию.
Студенты работают инструментально со схемой процесса.
Результат выполнения задания.
Объект: газ в ограниченном объеме.
Предмет: микро- и макроскопические параметры газа (Р, Е, т, V).
Средство: способы изменения внешних условий и способы фиксации этих изменений.
Цель: нахождение способа перехода из одной шкалы измерений в другую.
Продукт: Е = 3/2кТ.
Шаги по преобразованию:
1. Работа с реальным объектом (газом) и с идеальным объектом (формулой р = 2/3пЕ) для фиксации зависимости р от Е с использованием формулы Е = ту2/2.
2. Способы изменения Е (теплопроводность, конвекция, излучение).
3. Действия с телами относительно их состояния теплового равновесия и математическая запись данного состояния: ру/п = 2/3Е.
4. Способ определения одних величин через другие.
5. Аналогия с предыдущими рассуждениями.
6. Перевод одних единиц измерения в другие.
7. Вывод: Е = 3/2кТ.
Конструируя методику обучения учащихся с опорой на данный результат исследования, получаем следующее.
Задание 1. Подсоедините сосуд с воздухом к манометру. Нагревайте сосуд. Что происходит с давлением?
Учащиеся фиксируют изменение давления газа и причину этого изменения.
Задание 2. Проанализируйте формулу: Р = 2/3пЕ и объясните, почему изменилось давление газа.
Анализ предполагает нахождение постоянных и изменяющихся величин. В правой части п = М-число частиц не изменяет-
ся, V-объем газа не меняется, значит, п -постоянная величина. Соответственно, давление газа изменилось по причине изменения энергии молекул, которая определяется по формуле: Е = ту2/2.
Задание 3. Предложите действия для предыдущей установки, с помощью которых можно добиться уменьшение энергии молекул. Как удостовериться, что энергия уменьшилась?
Ситуация очевидна, если при увеличении Е увеличивается и Р и это происходит при нагревании газа, то для уменьшения Е газ нужно охладить, а значит, Р уменьшится.
Задание 4. Вам нужно равномерно нагреть длинный металлический стержень, но нагревать его можно только с одной стороны. Как быть?
Учащиеся осваивают свойство теплопроводности. Для равномерного нагрева нужно подождать некоторое время.
Задание 5. Нагрейте сосуд с водой. Нагреватель может быть только сверху. Воду трогать нельзя.
Фиксируется невозможность нагрева воды за счет теплопроводности.
Задание 6. Нагрейте сосуд с водой, предварительно положив на дно сосуда кристаллик марганцовки. Объясните наблюдаемое явление.
Движение частиц красителя можно объяснить только движением частиц жидкости. Новое физическое явление: конвекция.
Задание 7. У вас есть сосуд с воздухом, присоединенный к манометру (установка из задания 1), и твердое нагретое тело, например, утюг. Нужно нагреть воздух в сосуде, не прикасаясь к нему нагретым телом.
Учащиеся производят действия по использованию способа передачи тепла излучением.
Можно дать специально задание или дополнительно для заданий 4, 5, 7 по измерению времени нагрева тел. Можно ли произвести нагрев за доли секунды, за десятки секунд и т. д.? Ученики приходят к выводу, что время нагревания тел зависит от размеров, свойств тел и способностей нагревателя. Но во всех случаях время измеряется порядком минут.
Задание 8. У вас есть два тела. У одного внутренняя энергия E, у другого L. Известно, что E больше L. Предложите варианты выравнивания энергий.
Нужно дать учащимся возможность использовать разные варианты: теплопроводность, конвекцию, излучение. Действие приводит к получению состояния теплового равновесия.
Задание 9. Как вывести систему тел из состояния теплового равновесия?
Так же, как и в предыдущем задании, учащиеся должны проверить все возможные варианты.
Задание 10. Проанализируйте формулу p = 2/3E • N/V. Выразите энергию. Запишите формулу определения энергии для тел, участвующих в теплообмене. Запишите математически физическое состояние равенства энергий.
Учащиеся получают формулу P • V/N = = 2/3E. Учащиеся подведены к возможности вывода: энергию можно использовать для характеристики состояния системы.
Задание 11. Подсчитать энергию различных газов в различных состояниях.
Учащимся даются расчетные задачи. Цель одна - получить количественный результат, который имеет порядок десять в минус десятой. Обсуждаются с учащимися практические неудобства работы с такими числами.
Задание 12. Объем куба определяется формулой V = SH. Как можно измерить V, если S - постоянная величина? Как можно измерить V, если H - постоянная величина?
Ученики осваивают способ практического определения одних величин через другие. Это подводит к возможности построения различных методов измерения. Но для этого нужно решить физический пример, так как геометрический пример дает только принцип построения метода, но не сам метод. Физический пример может быть простейшим, например S = Vt. При V = const
пройденный путь можно определять не линейкой, а часами, а при постоянном времени пройденный путь можно определять показаниями спидометра автомобиля.
Задание 13. Из формулы p = 2/3E • N/V выразите, чему равна энергия, и опишите, через какие величины ее можно определить. Как это осуществить практически? Учащиеся по аналогии с предыдущими заданиями определяют, что при постоянном объеме и постоянном числе частиц в газе энергию можно определить через давление, далее нужно предложить им воспользоваться прибором из первого задания. При p = const и N = const энергию можно определить через объем (для этого используется обыкновенный термоскоп).
Учащиеся осваивают различные варианты конструирования приборов для измерения энергии молекул. Обсуждаются их практические достоинства и недостатки, в том числе и неудобство пользоваться числами, полученными при расчете энергии.
Задание 14. Ярд (английская единица измерения длины) равен 0,9144 м. Запишите переводную формулу из ярдов в метры. Определите по формуле длины отрезков в метрах, если они даны в ярдах: 2,5 ярда; 17,8 ярда; 31,28 ярда.
Смысл работы состоит в том, что ученики записывают формулу L^) = к1(я), находят к = 1,094. Можно предложить аналогичные задания по переводу расстояний из старорусской мили (7,468 км) в километры или из сухопутной мили (1,609 км) в километры.
Также можно подсчитать энергию газа при температуре таяния льда и при температуре кипения воды. Далее сказать, что была предложена другая шкала измерений энергии, в которой энергия газа при таянии льда соответствует новой величине t = 0, а при кипении воды t = 100 единицам. Единица измерения в новой шкале была названа градусом.
Задание 15. Запишите соотношение между E и T.
Имея опыт выполнения аналогичных заданий, учащиеся без труда (все необходимые действия освоены) запишут E = 3/2 kT. Известно, что расстояние на шкале температур от точки таяния льда до точки кипения воды равно (5,14-3,76) • 10-21 Дж, а по другой шкале 100 С. Можно подсчитать к.
Все выделенные действия выделенные по поводу понятий «температура» и «тепловое равновесие» в естественном и искусственном мире освоены учащимися, они приобрели собственный опыт деятельности в «искусственной природе» (псевдоисследователи), выделили из этой природы идеальный мир, который освоили, а значит, научились.
Рассмотрим способы конструирования обучения понятиям параллельного и последовательного соединения проводников, ко-
гда результат исследования уже получен студентами в позиции ученика.
Таким результатом является инструмент различения соединений - правила Кирхгофа, которые явно не изучаются в курсе физики средней школы. Но данные правила основаны на свойствах электрических цепей: 1) постоянство токов в цепях (по этой причине алгебраическая сумма токов в участках цепи, сходящихся в любой точке разветвления, равна нулю); 2) электрическое
напряжение по замкнутому контуру равно нулю.
Задание студентам по конструированию методики обучения: пользуясь понятием
«точки разветвления» и «точки схождения», можно научить учащихся различать последовательное и параллельное соединения. Для этого нужно выделить существенные признаки, пользуясь которыми можно в действиях определять те и другие точки.
Выделяются существенные признаки: сохранение количества потоков движущихся элементов; в одних точках поток разъединяется, в других объединяется.
Следующее задание для студентов: предложите ситуации для учащихся, в которых они с помощью действий и аналогий могут усвоить выделенные признаки.
Результат выполнения задания.
Ситуация 1. Измерьте количество воды, вошедшей в систему стеклянных трубок и вышедшей из нее за определенный промежуток времени.
Ученики делают вывод о сохранении количества воды, движущейся в системе. Им нужно предложить аналоги последовательного и параллельного соединений.
Ситуация 2. Соберите цепь по схеме и измерьте силу тока и напряжение. Сделайте выводы.
Даются схемы последовательного и параллельного соединения проводников. Далее учениками выделяются отличительные признаки последовательного и параллельного соединений. У последовательного соединения отсутствуют точки разветвления, параллельное соединения начинается с точек разветвления. Полезны варианты заданий по различению точек поворота проводников в точке их разветвления.
Ситуация 3. Определите тип соединения проводников (последовательное и параллельное), изображенного на схемах.
Предлагаются более сложные схемы по сравнению с предыдущим заданием.
Следующий шаг - использование сложных схемных конструкций и понятие эквивалентного сопротивления.
Такие упражнения полезны не только для обучения различению последовательного и параллельного соединений проводников, но и для осмысления того, что любое соединение проводников в конечном итоге сводится к одному проводнику (эквиваленту).
Метод различения последовательного и параллельного соединений имеет границы применения и может стать устойчивым образованием для учащихся. Они будут с затруднением осваивать более общий метод, основанный на свойствах электрических цепей и выраженный в правилах Кирхгофа.
Обучение более общему методу анализа цепей может быть сконструировано с опорой на правила Кирхгофа.
Задание студентам: сконструируйте ситуации для освоения учащимися правил Кирхгофа. Правила осваиваются на основе закона Ома и законе сохранения.
Результат выполнения задания.
Ситуация 1. Обозначьте силу тока в резисторах. Запишите закон Ома для различных участков цепей.
Предлагается схема со смешанным соединением: последовательным и параллельным.
Ситуация 2. Определите точки разветвления токов. Запишите для них законы сохранения токов и напряжений.
Для данного задания используются схемы из первого задания.
Теперь можно использовать упражнения более сложного устройства для закрепления полученных знаний.
Учитель проделывает работу, которую впоследствии должны проделать ученики, т. е. учитель обучает вначале себя. Не умея самообучаться, нельзя научить других.
Полезной является работа с текстами популярного направления.
Например, возьмем два фрагмента: «Центральная идея законов движения Ньютона такова: изменение состояния движения (т. е. скорости) тел вызывается взаимным действием их друг на друга»; «Начиная с Аристотеля, на протяжении почти двадцати веков все были убеждены, что движение с постоянной скоростью нуждается для своего поддержания в воздействии извне, в некоторой активной причине. Без такой поддержки тело обязательно остановится» [4].
Работая с первым фрагментом, студенты получают задание по выделению объектов, связей между ними, системы понятий. Затем нужно перевести выделенные элементы на другие языки, а фактически - описанную ситуацию представить в новом языковом описании.
Результат выполнения работы по обучению - объекты: тело-1; тело-2; движение.
Связь объектов: механическое взаимодействие.
Система понятий: тело, движение, скорость, взаимодействие, изменение.
Можно данную ситуацию описать литературным языком, языком физических формул, графическим языком и языком рисунка.
Учебные действия, которыми должны овладеть учащиеся:
- опредмечивать описанную ситуацию;
- выделять из ситуации объекты;
- выделять связь между объектами;
- описывать ситуацию в разных языковых формах (схема, формула, слова, рисунок).
Из текста выделяются: объекты, связи между объектами, система понятий, которая описывает данную физическую ситуацию, возможные языки для описания данной ситуации.
При использовании результата проведенного исследования конструируется методика обучения для организации деятельности учащихся: с физическими объектами; со связями между объектами; системой понятий; языками [5].
Учебные тексты хранят в себе (консервируют) исследовательскую или конструкторскую деятельность ученых-физиков. Задача учителя - создать ситуации, в которых ученик сможет овладеть способами (методами) деятельности ученого-физика, т. е. ситуации, рождающие ученика-исследова-теля. Если исследователь не появляется, то обучение не происходит по содержанию.
Используя в обучении учебные тексты, учитель должен извлечь из них объекты в материальной или идеальной формах, связи между объектами и действия, которыми должен овладеть ученик, работая с выделенными системами. После этого конструируется учебная ситуация с использованием учебного текста.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика : учеб. для 10 кл. общеобразовательных учреждений. 6-е изд. М. : Просвещение, 1998.
[2] Дубенский Ю. П. Исследование методологического различия терминов «мнения», «понятия», «знания» // Научные понятия в учебновоспитательном процессе школы и вуза : тез. докл. межвуз. науч.-практ. семинара. Челябинск : ЧГПУ, 1995.
[3] Дубенский Ю. П. Структурный анализ // Физика в школе. 1990. № 6.
[4] Ахутин А. В. История принципов физического эксперимента от античности до ХУИ в. М. : Наука, 1976.
[5] Дубенский Ю. П., Кожухова О. Б. Движение жидкостей и газов : метод. указ. для студентов-практикантов физического факультета / под ред. М.П. Ланкиной. Омск : ОмГУ, 1994.
