CC BY
23
А. Ю. Сергиенко
СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МИССКОНЩШЩЙ ПО МЕХАНИКЕ У АМЕРИКАНСКИХ И РОССИЙСКИХ УЧАЩИХСЯ
Работа представлена кафедрой методики преподавания физики.
Научный руководитель - доктор педагогических наук, профессор В. В. Лаптев
Статья посвящена сравнительному исследованию неверных представлений (миссконцепцнй) по механике у американских и российских учащихся. Появление миссконцепцнй анализируется с точки зрения каждодневного опыта учащихся, метода обучения физике и содержания курса физики. Приводится список выявленных в ходе эксперимента миссконцепцнй.
Ключевые слова: США, механика, миссконцепцнй, сравнительное исследование, законы движения, обучающий цикл.
The article is dedicated to the comparative study of misconceptions in mechanics among Russian and American students. The nature of misconceptions is analyzed from different perspectives: student everyday experience, teaching method used to teach mechanics, content of physics course etc. The list of identified misconceptions is enclosed.
Key words: American education, misconceptions, mechanics, comparative study, learning cycle.
Российская и американская системы образования значительно отличаются друг от друга по многим параметрам. Различные дидактические системы, сложившиеся в США и России, стали основой для типичных подходов к методам и формам обучения. Технический прогресс США сделал возможным широкое распространение там технических средств обучения и прикладных учебных программ, по применению которых на всех уровнях обучения США ушли далеко вперед от России, где традиционные формы и методы обучения, включая лекции и лабораторные работы, все еще преобладают в естественнонаучном образовании, а современные информационные технологии в предметных областях только начинают массово применяться. Гуманистическая педагогика, с трудом, но все активнее в последние годы пробивающая себе путь в российские школы, уже несколько десятилетий оказывает влияние на американское образование, ориентируя его на ученика, его внутренний мир, его персональные интересы, потребности и способности.
В нашем исследовании мы постарались ответить на следующие вопросы: одинако-
во ли воспринимают физические явления российские и американские студенты? Какое влияние оказывает на их понимание окружающей действительности (в частности, основ механики) изучение курса общей физики в рамках первого семестра? Есть ли реальное преимущество в знаниях механики у российских студентов по сравнению с американскими до изучения физики в университете, т. е. практически сразу после школы? Каковы самые распространенные заблуждения (миссконцепцнй) относительно основ механики у американских и российских студентов? Имеет ли методика преподавания курса физики влияние на преодоление этих миссконцепций?
Некоторые исследования показывают, что студенты начинают изучать физику с прочными системами представлений о физических понятиях, которые кажутся им вполне логичными и верными, и часто студентов невероятно трудно переубедить. Миссконцепция - это понимание физического явления, не соответствующее общепринятой физической картине мира. Значение этого понятия соответствует непониманию, неверной интерпретации, подсозна-
Сравнительное исследование миссконцепций по механике у американских и российских учащихся
тельной ошибке. Объектом данного исследования стали миссконцепций в механике Ньютона, а именно понимание студентами типов движения, скорости, времени, расстояния, ускорения, сил и свободного падения тел.
Понятие миссконцепций тесно связано с конструктивизмом в образовании. В основе конструктивистского подхода лежит идея о том, что ученик вступает на путь познания, имея при себе весь прошлый опыт, организованный в схемы или так называемые мини-теории (Клакстон) - смесь сознания, чувств и навыков. Опыт по изучению чего-либо начинается с интерпретации и понимания с точки зрения уже существующей когнитивной структуры. Если имеющиеся схемы не в состоянии объяснить новый опыт, учащийся перемещается в неравновесное состояние, итогом которого возникает затруднение и желание решить возникший конфликт между новым опытом и существующей в сознании схемой (Пиаже). Учащийся пытается объяснить опыт и находит мини-теорию, которая позволит это сделать лучше других. Когда какое-то соответствие достигнуто, выбранная мини-теория модифицируется с учетом нового опыта. Во многих случаях для того, чтобы ученик пришел к верному пониманию, требуется помощь учителя. Неверное изначально понимание учащимися явлений может помешать концептуальному пониманию физики и остаться все тем же, несмотря на усилия преподавателя и достоинства методики преподавания. Для российской образовательной системы понятие миссконцепций ново, в то время как в современном американском образовании миссконцепциям уделяется значительное внимание, разрабатываются методы, направленные на выявление и преодоление миссконцепций. Например, в методике обучающего цикла эту роль выполняет первый его этап - исследование.
Миссконцепций очень сложны по природе, что вызывает трудности для учителей,
и больше всего для учителей естественных наук. Наиболее часто встречаются в литературе следующие миссконцепций, имеющие отношение к механике Ньютона: ускорение и скорость всегда направлены в одну сторону; скорость - это сила; если скорость равна нулю, значит, и ускорение должно быть равно нулю; скорость абсолютна и не зависит от системы координат; более тяжелые объекты падают быстрее, чем легкие; свободно падающее тело может двигаться только вниз; ускорение свободно падающего тела зависит от его массы; гравитация действует только на падающие тела; для движения тела с постоянной скоростью необходимо действие сил; все тела самопроизвольно останавливаются, когда действие силы прекращается; произведение массы и ускорения есть сила; инерция связана с видом движения тела; инерция - это сила, которая поддерживает движение тел; силы действия-противодействия действует на одно и то же тело; равновесие означает, что все силы, действующие на тело, равны; сила действует только на движущиеся объекты; на покоящиеся объекты сила не действует.
В эксперименте участвовали две группы студентов. Американские студенты (29 человек) изучали курс физики в Университете Северной Айовы (УСА), так как это было необходимо для получения степени по выбранной ими специальности (для 80% студентов этой группы это биология, химия или география). Вторую группу (19 человек) составили студенты первого курса РГПУ им. А. И. Герцена факультета физики по специальности «Физика и иностранный язык». С основами механики обе группы знакомились в течение одного семестра. Курс общей физики в Университете Северной Айовы состоял из 2-часовых занятий и одного часового 2 раза в неделю. Преподаватель этого университета использовал методику обучающего цикла, состоящего из трех этапов: исследование, представление понятия, применения понятия.Эти занятия проходили в атмосфере личностно ориен-
тированного обучения с большой долей взаимодействия учитель - ученик - учитель и ученик - ученик. Студенты РГПУ посещали 3 часа лекций и 3 часа лабораторных работ в неделю. Примерно половина американской группы вообще раньше не изучала физику. Российские студенты изучали физику в школе в течение пяти лет.
Изученный обеими группами студентов материал включал в себя концепции силы и инерции, три закона Ньютона, различные виды движения - движение тела, брошенного под углом к горизонту и по окружности. В содержание американского и российского курсов входило знакомство с векторным и координатным способами описания движения, анализ графиков зависимости координаты, проекции скорости и ускорения от времени и др.
В качестве инструмента для выявления миссконцепций был выбран тест «Движение и сила», разработанный американскими педагогами Р. Торнтоном и Д. Соколовым в 1998 г. для оценивания знаний студентов по механике. Этот тест был предложен студентам до (пре-тест) и после (посттест) изучения курса механики. Тест «Движение и сила» состоит из 43 вопросов,организованных в следующие группы: 1) вопросы, оценивающие понимание базовых концепций динамики - силы, ускорения и направления движения под действием силы; 2) вопросы, оценивающие понимание характеристик сил, действующих на тело, движущееся по наклонной поверхности; 3) вопросы, оценивающие понимание характеристик свободного падения тела; 4) вопросы, оценивающие понимание графиков зависимости силы от времени для различных видов движения; 5) вопросы, оценивающие понимание графиков зависимости ускорения от времени для различных видов движения; 6) вопросы, оценивающие понимание третьего закона Ньютона; 7) вопросы, оценивающие понимание графиков зависимости скорости от времени для различных видов движения.
Анализ данных показал, что учащиеся обычно полагаются на свой личный опыт, свои наблюдения окружающей действительности. Например, мы часто видим, что объект, который толкнули, рано или поздно останавливается, но не ассоциируем эту остановку с действием силы трения. Конечно, если бы на объект не действовали силы, он продолжал бы движение в соответствии с первым законом Ньютона, но экспериментальное подтверждение этому практически нельзя наблюдать в обычной жизни, поэтому задача объяснять такие явления целиком ложится на плечи учителя. Посредством анализа полученных данных пре-теста был выделен ряд миссконцепций, типичных для обеих групп:
• действие растущей по величине силы необходимо, чтобы тело двигалось с растущей скоростью;
• действие постоянной по величине силы необходимо, чтобы тело двигалось с постоянной скоростью;
• уменьшение по величине силы вызывает замедление движение тела;
• результирующая сила, действующая на тело, имеет то же направление и величину, что и скорость тела;
• трудность уловить разницу между ускорением и скоростью;
• объект большей массы действует с большей силой при взаимодействии;
• объект с большей скоростью в момент взаимодействия действует с большей силой на другой объект при их взаимодействии.
Согласно результатам пре-теста, первоначальный уровень знаний по механике оказался выше у российских студентов по всем группам вопросов. Однако число правильных ответов на вопросы, посвященные основным понятиям динамики, оказалось небольшим. Данные показали, что большинство российских и американских студентов полагают, что на тела, движущиеся с постоянной и растущей скоростями, действуют соответственно постоянная и растущая по величине силы. Оказалось, что сту-
Сравнительное исследование миссконцепций по механике у американских и российских учащихся
денты путают характеристики результирующей силы, действующей на тело, и скорости тела, а также характеристики скорости и ускорения. Большинство студентов склонны воспринимать скорость как более реальную, видимую, конкретную величину. Это связано с наглядностью измерения скорости, значение которой можно увидеть, например, на спидометре. Концепции результирующей силы и ускорения более абстрактные, их труднее представить, а их характеристики труднее понять. Очевидно поэтому, если преподаватель не ставит акцента на различиях характеристик этих величин, студенты просто заменяют более трудные характеристики результирующей силы и ускорения более простыми для понимания характеристиками скорости.
Почти все студенты столкнулись с трудностью, отвечая на вопрос о замедляющемся теле, имея информацию о направлении ускорения. Ответы студентов показали, что они не владеют знаниями характеристик ускорения тела в зависимости от типа его движения. Ответы на вопросы, проверяющие понимание графиков, показали, что студенты из обеих групп довольно хорошо умеют читать графики. Большинство студентов РГПУ и УСА выбирали правильный вариант ответа на вопросы о графиках зависимости скорости от времени как на пре-, так и на пост-тесте. Однако оказалось, что студенты из обеих групп путают характеристики скорости с характеристиками ускорения, когда рассматривают графики зависимости силы и ускорения от времени.
Интересные результаты были получены при анализе ответов на вопросы о третьем законе Ньютона. Согласно мнению большинства российских и американских студентов, тело большей массы действует с большей силой на другое тело при взаимодействии. Большинство студентов также уверены в том, что если силы со стороны одного тела достаточно, чтобы сдвинуть другое с места, значит, это первое тело действует с большей силой на второе тело, нежели
второе тело на первое. В то же время, по мнению студентов, если первому телу не удалось сдвинуть с места второе, значит, сила действия его на второе меньше, чем второго на первое.
Процент правильных ответов на весь тест составил 31% для студентов РГПУ и 17% для студентов УСА на пре-тесте и 49% для РГПУ и 44% для УСА на пост-тесте. Поэтому общий прирост для студентов РГПУ составил 18%, а для группы УСА -27%. Исследование также показало, что после изучения курса механики у студентов все еще присутствовал значительный пробел в знаниях и понимании концепций механики. Традиционная методика обучения (лекции, решение задач и лабораторные работы), применяющаяся в РГПУ, как и практико-ориентированный подход в УСА, оказались не в состоянии заполнить этот пробел в знаниях студентов, как показали результаты эксперимента. Тем не менее интересно то, что американские студенты на итоговом тестировании получили почти такие же результаты, как и студенты РГПУ (44 и 49%). Этот факт стал неожиданным, учитывая столь небольшое предварительное знакомство большинства американских студентов с физикой. Его можно объяснить только отсутствием традиционной специальной работы по устранению миссконцеп-ций в российской методической традиции и непривычностью такого тестирования для российских студентов.
Результаты пре-теста показали, что все миссконцепций, выявленные в исследовании, характерны как для американских, так и для российских студентов. Наибольший скачок знаний после прохождения курса американские студенты показали в концепциях свободного падения тела, третьего закона Ньютона, а также в интерпретациях графиков зависимости ускорения от времени. Для студентов РГПУ наиболее успешными на пост-тесте оказались вопросы об основных понятиях и концепциях динамики, а также графики зависи-
ПЕДАГОГИКА И ПСИХОЛОГИЯ, ТЕОРИЯ И МЕТОДИКАОБУЧЕНИЯ
мости силы от времени. Эти результаты свидетельствуют об акцентировании внимания преподавателями на конкретных концепциях механики. Тем не менее обнаруженные на пре-тесте миссконцепций оказались сходными, что указывает на общую природу миссконцепций - бытовой опыт наблюдений за окружающим миром. И хотя
число правильных ответов российских студентов в целом было выше по сравнению с ответами американцев, тем не менее мис-сконцепций не были устранены. Исследование подтвердило, что преодоление мис-сконцепций в механике является специальной задачей и требует специфических методик.
