Книги, научные публикации
На правах рукописи
КАСАТКИНА АЛЕКСАНДРА ВЛАДИМИРОВНА ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ ОБУЧЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ В ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ И ГУМАНИТАРНЫХ КЛАССАХ Специальность 13.00.02- теория и
методика обучения физике
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук
Москва 2000
Работа выполнена на кафедре физики для естественных факультетов Московского педагогического государственного университета
Научный консультант:
кандидат физико-математических наук, доцент Бабурова О.В.
Официальные оппоненты:
доктор педагогических наук, профессор Хижнякова Л.С.
кандидат педагогических наук, доцент Овчинников О.Ю.
Ведущая организация: Институт общего среднего образования РАО
Защита состоится 15 05 2000 года в 15 часов на заседании диссертационного Совета Д.053.
01.16 в Московском педагогическом государственном университете по адресу: 119435, г.
Москва, ул. М.Пироговская, дом 29, ауд.ЗО.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МПГУ по адресу: 119882, ул.М.Пироговская, дом 1.
Автореферат разослан 07 04 2000г.
Ученый секретарь диссертационного Совета Шаронова Н.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В настоящее время отечественное школьное образование вступило на новый этап своего развития. Создание дифференцированной школы, идея организации непрерывного образования в системе школа-вуз и набирающая темпы и размах информационная революция вызывают и предполагают глубокие изменения в сфере как всего школьного образования, так и физического образования, в частности. В связи с этим возникает необходимость в обеспечении учителей новым методическим материалом, отвечающим современным педагогическим и информационным тенденциям в образовании, означающих среди прочего реализацию принципов дифференцированного обучения и использование всего арсенала современных средств компьютерных технологий. Все это касается и методики обучения специальной теории относительности в старшей школе.
Специальная теория относительности (СТО) - раздел физики, который играет важную роль в формировании научного мышления и мировоззрения школьников, современных представлений о пространстве и времени. Поэтому, педагогическая целесообразность включения в школьный курс физики СТО не подвергается сомнению. Несмотря на то, что СТО в отечественной средней школе начали изучать с 1972 года, до настоящего времени существует множество методических проблем обучения СТО в школе. Это связано со специ фикой этой фундаментальной физической теории, а именно, сложный понятийный аппарат, предполагающий наличие определенных навыков абстрагирования, математическое описание, требующее высокого уровня подготовки учащихся и сложность представления и визуализации процессов и экспериментов, объясняемых с позиций теории относительности.
Учеными-методистами проделана огромная исследовательская работа по разработке методики обучения СТО в школе. Частично ее результаты воплощены в действующих программах, учебниках и учебных пособиях по физике. Они различаются по объему, структуре и толкованию рассматриваемых вопросов. Соответствующие разделы есть в школьных учебниках и пособиях по физике А.Т. Глазунова, О.Ф. Кабардина, Л.Н. Малинина, В.А. Орлова, А.А. Пинского;
ГЛ. Мякишева, Б.Б. Буховцева;
И.И. Нурминского;
Н.М.
Шахмае-ва, С.Н. Шахмаева, Д.Ш. Шодиева;
Б.М. Яворского и других.
Проблемам совершенствования обучения СТО в средней школе посвящены кандидатские диссертации Г.Б. Аверьянова, Ш.М. Валиходжаева, Г.М. Голина, А.С. Дробата, Н.М.
Зверевой, Л.Я. Зориной, З.К. Исмаилова, В.И. Коломина, Р.Э. Нудельмана, О.С. Руденко, А.С. Сиэппи, Г.А. Яшиной, а также докторская диссертация А.А. Пинского. Однако, несмотря на большое количество исследований, к настоящему моменту отсутствует единая точка зрения на методику обучения СТО в школе.
Более того, в настоящее время, когда происходит активное развитие школы с учетом современных педагогических и информационных тенденций в образовании, когда идет широкомасштабная профильная дифференциация, организация непрерывного образования в системе школа-вуз и активное внедрение в образовательный процесс элементов новых компьютерных технологий, существующие проблемы обучения СТО в школе особенно обострились и приобрели новую направленность.
Среди многочисленных профилей обучения достаточно четко выделены физико математический и гуманитарный. Они являются одними из наиболее массовых и, одновременно, полярно-противоположных профилей, в плане специфики учебно познавательной деятельности и конкретных способностей учащихся. Поэтому мы выбрали именно эти профили для исследования.
Как показал проведенный констатирующий этап педагогического эксперимента, большинство учителей физики в гуманитарных классах за основу содержания обучения релятивистской физике берут программу курса физики для средней общеобразовательной школы и, лишь немногие из них вносят в эту программу незначительные коррективы. Более того, некоторые учителя, работающие в гуманитарных классах, существенно сокращают или вообще исключают соответствующую тему из курса физики, считая ее слишком сложной и отвода ей второстепенную роль. При таком подходе не учитываются цели обучения СТО учащихся классов гуманитарного профиля и специфика их учебно-познавательной деятельности, их интересы и профессиональные намерения, что не позволяет в должной степени сформировать у них представления об естественнонаучной картине мира и естественнонаучное мышление. С нашей точки зрения, значение изучения СТО в гуманитар ных классах не только не меньше, но даже больше, чем в физико-математических классах.
Это связано с тем, что для учащихся гуманитарных классов физическое образование, как правило, ограничивается исключительно школьным курсом, и сформированные в школе представления о пространстве и времени, об импульсе и энергии остаются почти неизменными на всю жизнь. Кроме того, пространство и время являются фундаментальными категориями в физике, философии и других науках. Поэтому расширение и углубление знаний о мире неотъемлемо связано с учениями о пространстве и времени, современные представления о которых раскрываются при изучении СТО. Таким образом, важное значение этой физической теории относительности в процессе формирования мировоззрения, ее философский аспект действительно интересны гуманитариям.
В классах физико-математического профиля учителя при организации процесса обучения СТО в основном руководствуются учебниками и учебны- ми пособиями для физико-математических классов. В соответствующих разделах этих учебников СТО представлена достаточно полно и развернуто. Однако наряду с несомненными достоинствами содержания СТО в них, они не свободны от недостатков.
Изложение как релятивистской кинематики, так и динамики носит дискретный характер, в разных учебниках ставятся разные акценты, различен круг и объем рассматриваемых понятий, их структура и толкование. Релятивистская физика не представлена в них законченной и последовательной в своем развитии, что ведет к отсутствию системности знаний и представлений о логической структуре и целостности специальной теории относительности, в значительной мере нарушает связь и непрерывность в процессе формирования основных понятий СТО в системе школа-вуз. Это же можно сказать и относительно учебников для общеобразовательных классов, в основном использующихся для обучения физике в гуманитарных классах.
Кроме того, большинство учителей физики, работающих в классах физико-математического и, особенно, гуманитарного профилей, испытывают трудности в реализации принципа наглядности при изучении элементов специальной теории относительности. Это связано с тем, что невозможным является осуществление экспериментов этой физической теории в условиях школьной лаборатории, тем более, что часть из них вообще относится к разряду мысленных.
Таким образом, как показывает практика, учитель физики испытывает недостаток учебно методических пособий и вспомогательных средств, созданных по таким методикам обучения СТО в физико-математических и гуманитарных классах, которые учитывали бы принципы дифференцированного обучения, системный подход и идею организации непрерывного образования в системе школа-вуз, применительно к обучению СТО.
Вместе с тем, общеизвестно, что сегодня в мире наблюдается новый этап компьютеризации различных видов образовательной деятельности, вызванный развитием компьютерных технологий. Графика, анимация, фото, видео, звук, текст создают интегрированную информационную среду, в которой учитель и обучаемый обретают качественно новые возможности. Компьютерные технологии в образовании находят применение - от детского до пожилого возраста и от вузовских аудиторий до домашних условий. Результаты иссле дований института ЮНЕСКО по информационным технологиям в образовании показывают, что эти технологии существенно повышают интерес к обучению.
К настоящему времени выполнен ряд исследований, посвященных проблеме применения элементов новых компьютерных технологий в школе Г.Н. Александров И.Н. Антипов, Н.Б.
Бальцюк, Е.П. Велихов, Б.С. Гершун-ский, Л. Гинзбург, Ю.А. Дробышев, И.В. Роберт и другие. Однако вопрос использования элементов компьютерных технологий в качестве одного из средств обучения СТО в школе в условиях системного подхода изучен недостаточно.
Таким образом, необходимость совершенствования методики обучения СТО в физико математических и гуманитарных классах с учетом современных педагогических и информационных тенденций в образовании определяют актуальность выбора темы исследования.
В результате анализа сложившейся практики обучения СТО в школе, анализа научно методической литературы, диссертационных исследований, анкетирования учителей, ведущих занятия в классах рассматриваемых профи-лей было выявлено противоречие между необходимостью совершенствования методики обучения СТО с учетом современных педагогических и информационных тенденций в образовании и сложившейся практикой обучения СТО в классах физико-математического и гуманитарного профилей.
Выявленное противоречие обуславливает проблему исследования, которая заключается в необходимости совершенствования методики обучения СТО как в физико-математических, так и гуманитарных классах с учетом современных педагогических и информационных тенденций в образовании.
Объект исследования: процесс обучения физике в средней школе.
Предмет исследования: методика обучения специальной теории относительности в классах физико-математического и гуманитарного профилей.
Цель исследования заключается в разработке теоретически обоснованной методической системы (целей, содержания, методов и средств) обучения специальной теории относительности учащихся классов физико-математического и гуманитарного профилей с учетом современных педагогических и информационных тенденций, а именно:
- профильной дифференциацией школы;
- идеей организации непрерывного образования в системе школа-вуз;
использования элементов новых компьютерных технологий в образовательном процессе.
Методологической основой исследования является методология физики, современные педагогические теории активизации познавательной деятельности учащихся в условиях профильной дифференциации и формирования системности знаний;
методология использования новых компьютерных технологий в образовательном процессе.
При разработке гипотезы исследования мы опирались на результаты работ психологов, посвященных развитию интеллектуальных способностей учащихся (Л.С. Выготский, В.В.
Давыдов, З.И. Калмыкова, С.Л. Рубинштейн и др.);
теоретическим основам психологии личности (А.А. Бодалев, А.Н. Ле-онтьев и др.);
структуре общих и специальных способностей (В.А. Крутецкий, Т.В. Кудрявцев, Н.С. Лейтес, В.П. Ягункова, П.М. Якобсон и др.).
Также в ходе работы над диссертацией учитывались результаты дидактических исследований, посвященных проблеме индивидуализации и дифференциации обучения (Н.К.
Гончаров, В.М. Монахов, Е.С. Рабунскнй, И. Унт, Н.М. Шахмаев и др.).
Вместе с тем данное исследование опиралось на работы отечественных ученых, относящиеся к содержанию школьного курса физики (Г.М. Го-лин, Л.Я. Зорина, С.Е.
Каменецкий, В.В. Мултановский, А.В. Перышкин, А.А. Пинский, В.Г. Разумовский, Н.А.
Родина, Л.С. Хижнякова, Э.В. Эвенчик и др.). Кроме того, в своей работе мы опирались на теоретические основы методики преподавания физики, отбора содержания школьного курса физики и его конструирования в условиях дифференцированного обучения, разработаные Н.С. Пурышевой.
Гипотеза исследования: качество знаний по специальной теории относительности у учащихся классов физико-математического и гуманитарного профилей можно повысить, если методика обучения СТО в каждом из рассматриваемых профилей будет учитывать:
1) особенности профилей обучения: специфику целей, структуру конкретных способностей и характер учебно-познавагельной деятельности учащихся рассматриваемых профилей;
2) системный подход при обучении СТО в классах обоих профилей с целью раскрытия становления и целостности СТО, законченности и последовательности в ее развитии;
3) идею организации непрерывного процесса формирования фундаментальных понятий СТО в системе школа-вуз;
4) возможность использования компьютерных демонстраций с анимационными эффектами, созданных при помощи новых компьютерных технологий, в качестве средства обучения.
Цели и гипотеза исследования определяют задачи исследования.
1. Изучить опыт и проанализировать состояние проблемы обучения теории относительности в классах физико-математического и гуманитарного профилей на современном этапе.
2. Проанализировать особенности учебно-познавательной деятельности и конкретных способностей учащихся физико-математических и гуманитарных классов.
3. Сформулировать теоретически обоснованные основные положения методики обучения релятивистской физике в классах физико-математического и гуманитарного профилей с учетом современных тенденций в образовании.
4. Разработать методическую систему для обучения специальной теории относительности в классах физико-математического и гуманитарного профилей, то есть, для каждого профиля:
- определить общие и специфические цели обучения специальной теории относительности;
- определить логическую структуру курса специальной теории относительности;
- осуществить отбор и конструирование содержания темы Основы СТО в классах физико математического и гуманитарного профилей с позиций системного подхода и с учетом организации непрерывного образования в системе школа-вуз;
- определить методы и средства обучения СТО в классах рассматриваемых профилей;
- создать программно-методический комплекс, включающий конкретные учебные материалы, компьютерные демонстрации по СТО с анимационными эффектами и методические рекомендации.
5. Экспериментально проверить разработанные методику обучения СТО в каждом из рассматриваемых профилей.
Методы исследования:
- изучение и анализ психологической, педагогической и научно-методической литературы по теме исследования;
- изучение содержания и организации учебного процесса обучения СТО в классах физико-математического и гуманитарного профилей;
- наблюдение за работой учителей физики в процессе обучения СТО в классах рассматриваемых профилей;
- теоретический анализ и синтез;
- организация и проведение педагогического эксперимента. Исследование проводилось в несколько этапов.
На первом этапе исследования (1994-1996г.г.) был проведен констатирующий эксперимент и проанализировано состояние рассматриваемой проблемы на основе изучения литературы, диссертационных исследований и опыта работы.
На втором этапе (1996-1998г.г.), который носил поисковый характер, разрабатывались методические пособия и рекомендации, с использованием которых впоследствии велось преподавание темы Основы СТО в гимназии №1515 г.Москва, школах №718, № 845 г.
Зеленоград и школы №14 г.Химки, Московской области.
На третьем этапе (1998-1999г.г.) проводилось экспериментальное преподавание в физико математических и гуманитарных классах с использованием созданного программно методического комплекса в гимназии №1515 г.Москва, школах №718, № 845 г. Зеленоград.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования состоят в том, что:
-с учетом современных тенденций в образовании теоретически обоснованы основные положения методики обучения СТО в физико-математических и гуманитарных классах:
- обучение СТО в условиях профильной дифференциации и организации непрерывного образования в системе школа-вуз;
- обучение СТО с позиций системного подхода;
- использование элементов новых компьютерных технологий при обучении СТО в школе;
- разработана методическая система (цели, содержание, методы и средства) обучения СТО в физико-математических и гуманитарных классах в рамках предлагаемой методики;
создан программно-методический комплекс по теме Основы СТО, включающий:
конкретные учебные материалы для обучения СТО в классах каждого из рассматриваемых профилей по предлагаемой методике;
компьютерные демонстрации по теме Основы СТО с анимационными эффектами;
методические рекомендации по обучению СТО в школе. Практическая значимость работы заключается в том, что:
- с позиций системного подхода разработаны содержание, методы и средства обучения СТО учащихся рассматриваемых профилей на современном этапе;
- разработаны конкретные учебные материалы и методические рекомендации для обучения СТО в классах каждого из рассматриваемых профилей с учетом современных педагогических и информационных тенденций;
- создан комплект компьютерных демонстраций с анимационными эффектами по теме Основы СТО.
Эти материалы могут быть непосредственно использованы в практике школы. На защиту выносятся:
- теоретическое обоснование целесообразности совершенствования методики обучения СТО в классах физико-математического и гуманитарного профилей с учетом обозначенных выше современных педагогических и информационных тенденций в образовании;
- основные положения предлагаемой методики обучения СТО в каждом из рассматриваемых профилей;
- программно-методический комплекс обучения СТО как в физико-математических, так и гуманитарных классах, включающий учебные материалы, компьютерное демонстрационное приложение и методические рекомендации. Апробация и внедрение результатов исследования.
Основные идеи и результаты исследования обсуждались на:
- конференции студентов, молодых ученых и учителей, май 1996 года;
- научной конференции МГПУ им.В.И.Ленина, март 1997г.;
- конференции студентов, молодых ученых и учителей в МПГУ им. В.И. Ленина, май 1997года;
- научной конференции МГПУ, март 1998г.;
- научной конференции МГПУ, март 1999г.;
- пятой международной конференции Физика в системе современного образования г. С.-Петербург, июнь 1999года;
- международной научной конференции Герценовские чтения в РГПУ им.
А.И. Герцена, июнь 1999г;
- второй международной конференции Новые технологии в преподавании физики:
школа и ВУЗ, март 2000г.
Предложенная методика внедрена в процесс обучения физике в гимназии №1515 г. Москва, в школах №845 и №718 г. Зеленограда, о чем свидетельствуют акты о внедрении.
Структура и содержание работы.
Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются предмет и объект исследования, выдвигается гипотеза, ставятся цели и задачи, формулируются методы достижения и решения проблем исследования, раскрываются научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе Психолого-педагогические аспекты обучения теории относительности учащихся классов физико-математического и гуманитарного профилей приводится теоретическое обоснование основных положений предлагаемой методики обучения СТО в классах как физико-математического, так и гуманитарного профилей, касающихся обучения СТО в условиях профильной дифференциации и организации непрерывного процесса формирования фундаментальных понятий СТО в системе школа-вуз.
В начале коротко представлен обзор различных путей реализации дифференцированного обучения в школе и раскрыта сущность профильной дифференциации. Кроме того, обоснован выбор для исследования классов именно физико-математического и гуманитарного профилей. Наряду с этим, в этой главе раскрываются особенности учебно-познавательной деятельности учащихся классов физико математического и гуманитарного профилей.
Кроме того, в первой главе обосновываются основные компоненты предлагаемой методической системы. В частности, здесь формулируются общие и специфические цели обучения СТО в классах физико-математического и гуманитарного профилей и содержатся дидактические основания конструирования содержания СТО в условиях системного подхода и с учетом идеи организации непрерывного образования в системе школа-вуз.
Также в этой главе приведено теоретическое обоснование и основные требования к выбору конкретных методов обучения в классах рассматриваемых профилей с учетом особенностей учебно-познавательной деятельности учащихся каждого из рассматриваемых профилей при обучении СТО с целью активизации познавательной деятельности учащихся и развитию познавательного интереса.
Во второй главе Научно-методические основы формирования некоторых фундаментальных понятий релятивистской физики в школе представлен научно-методический анализ существующих методических проблем, возникающих в процессе обучения СТО на современном этапе. Вместе с тем, в этой главе предложено конкретное решение обозначенных методических проблем обучения СТО с учетом современных педагогических тенденций, в частности принципов дифференцированного обучения и идеи организации непрерывного процесса формирования основных понятий СТО в системе школа-вуз. В связи с этим во второй главе раскрываются основные положения предлагаемой нами методики обучения СТО, касающиеся конструирования содержания СТО в каждом из рассматриваемых профилей.
С целью детального анализа состояния проблемы исследования во втором параграфе этой главы представлен обзор и сравнительный анализ изучения элементов СТО в существующей учебно-методической литературе. При этом отмечается, что в разделах, посвященных релятивистской физике в действующих учебниках и учебных пособиях для средней школы, изложение материала зачастую носит разрозненный характер, при изучении как релятиви стской кинематики, так и, особенно, релятивистской динамики, основные соотношения и формулы не выводятся и логически не обосновываются, а приводятся в качестве развернутой справки. Все это ведет к тому, что у школьников в результате изучения этой физической теории не формируются системные знания и представления о целостности и законченности СТО. Кроме того, иногда присутствуют некоторые неоднозначные с точки зрения корректности моменты при изложении отдельных элементов рассматриваемой темы. Все это негативно сказывается впоследствии, при обучении в вузе выпускников физи- ко-математического класса;
от гуманитариев же при таком отрывочном и несистемном изложении ускользает мировоззренческая роль СТО.
Во второй главе раскрывается сущность формирования фундаментальных понятий СТО в классах каждого из рассматриваемых профилей с позиций системного подхода и с использованием качественного и количественного методов в совокупности. В основе системного подхода лежит формирование знаний о специальной теории относительности как единой системы. Такой подход при обучении этой физической теории ориентирует на рассмотрение СТО как целостного объекта и на выявление внутренних структурных связей внутри нее.
Предлагаемая логическая структура содержания релятивистских кинематики и динамики в физико-математических и гуманитарных классах отражена на Схемах 1 и 2 соответственно.
Предлагаемые курсы по специальной теории относительности предназначены для изучения на основных уроках в 11 классах физико-математического и гуманитарного профилей. Отметим, что в классах обоих профилей логическая структура содержания СТО одинакова. Например, при изучении релятивистской кинематики в классах как физико-математического, так и гуманитарного профиля в качестве постулатов использовались всеобщий принцип относительности Пуанкаре-Эйнштейна и абсолютность скорости света, все остальные физические понятия и явления рассматриваются как следствия из них.
В частности, как следствия из постулатов СТО рассматриваются:
относительность одновременности, относительность измерения промежутков времени и отрезков длин, причем приводится логическое обоснование этих следствий.
В классах обоих профилей вводится понятие интервала и обосновывается его инвариантность при переходе из одной инерциальной системы отсчета к другой.
На основе понятия инвариантности интервала вводится понятие пространства времени как четырехмерного псевдоевклидового пространства и рассматривается геометрическая интерпретация интервала как расстояния между событиями в пространстве-времени. Все утверждения обосновываются в доступной для учащихся каждого из рассматриваемых профилей форме с использованием качественного и количественного методов изложения. Следует отметить, что в гуманитарных классах процесс формирования фундаментальных понятий СТО строится с учетом реализации тех же общедидактических и частнометодических принципов обучения в процессе формирования фундаментальных понятий СТО, но имеет определенную общекультурную и историческую направленность. Естественно, с учетом особенностей структуры способностей гуманитариев, основные формулы и соотношения приводятся без формального вывода, но с качественным пояснениями и обоснованиями, демонстрацией их практической реализации и применения. Так в классах обоих профилей рассматриваются преобразования Лоренца и их связь с преобразованиями Галилея. Но в классах гуманитарного профиля они постулируются, тогда как в физико-математических классах приводится их вывод на основе инвариантности интервала, вполне доступный учащимся физико-математического класса. Затем в классах обоих профилей релятивистский закон сложения скоростей выводится как следствие из преобразований Лоренца. С этих же позиций вновь рассматриваются относительность измерения промежутков времени и длин отрезков.
При обучении релятивистской динамике в классах обоих профилей в качестве основополагающих моментов выделен закон сохранения импульса и основное динамическое уравнение, а связь энергии и массы, динамический инвариант и выражение для релятивистского импульса частицы являются следствиями из них. Причем в классах физико математического профиля все соотношения выводятся на основе математического аппарата в рамках школьной программы.
В гуманитарных классах при обучении релятивистской динамике обозначенная логика изложения сохраняется на качественном уровне. Учащимся сообщается о том, что при анализе закона сохранения импульса, применительно к быстродвижущимся частицам, А.
Эйнштейн пришел к выводу о необходимости модификации выражения для импульса таких частиц. Далее в гуманитарных классах приводится важное соотношение релятивистской ди намики - эквивалентность массы и энергии и раскрывается важная практическая значимость этого соотношения. Для этого приводятся конкретные примеры того, что соотношение между массой и энергией, получило многочисленные экспериментальные подтверждения в физике атомного ядра и элементарных частиц и нашло широкое применение в атомной энергетике. Кроме того, известно, что энергия, излучаемая Солнцем в пространство за секунду уменьшает его массу на 4 млн.тонн.
Таким образом, процесс формирования основных понятий СТО в классах рассматриваемых профилей по предлагаемой методике происходит в условиях системного подхода и с учетом принципов дифференцированного обучения.
Третья глава Использование элементов новых компьютерных технологий при обучении СТО в школе посвящена теоретическому обоснованию использования компьютерных демонстраций при изучении СТО в школе в качестве средства реализации принципа наглядности материала в условиях системного подхода. В ней обозначены основные этапы и педагогические требования к созданию и использованию программно-методического комплекса, содержащего компьютерные демонстрации в процессе изучения СТО в школе.
В связи с этим в третьей главе присутствует обзор различных существующих современных программных средств и их классификация, приводятся аргументы, обосновывающие использование автором для создание демонстраций программного средства PowerPoint.
Также в третьей главе раскрыто методическое назначение и дидактические задачи предлагаемых компьютерных демонстраций, и дано подробное описание каждой их них. С нашей точки зрения, разрешение методической трудности, связанной со сложностью реа лизации принципа наглядности при обучении СТО, можно осуществить в условиях системного подхода путем использования концептуальных моделей, реализованных в виде демонстраций, созданных при помощи новых компьютерных технологий. Методическое назначение предлагаемого демонстрационного приложения отражается в следующих дидактических целях: визуализация физических процессов и наглядная демонстрация их динамики;
наглядное представление скрытых в реальном мире процессов, наблюдение их в развитии, во временном и пространственном движении;
моделирование и имитация изучаемых экспериментов и явлений;
активизация познавательной деятельности учащихся.
Предлагаемый автором программно-методический комплекс, содержит учебные материалы, комплект компьютерных демонстраций с анимационными эффектами и методические рекомендации. В комплект входят следующие демонстрации: геоцентрическая и гелиоцентрическая модели Вселенной, использующиеся при изложении исторической эволюции принципа относительности;
модель наблюдения Ремера по обнаружению величины скорости света;
опыт Майкельсона-Морли, рассматривающийся при рассмотрении физических основ СТО;
модель двойных звезд, использующаяся в контексте независимости скорости света от его источника;
демонстрация относительности одновременности;
имитация процесса рождения и распада мезона - при раскрытии относительности измерения промежутков времени.
Предлагаемые компьютерные демонстрации могут быть использованы на уроках физики в классах различного профиля для достижения наиболее эффективного усвоения материала.
Они предусмотрены как для индивидуального ознакомления, так и для фронтального просмотра в компьютерных залах.
Четвертая глава исследования описывает методику проведения педагогического эксперимента, проводимого в школах г. Москва, г. Зеленограда и г.Химки МО с 1995 по 1999 годы, и обработку его результатов.
Нами проводился педагогический эксперимент на базе одной их московских гимназий, а также в школах г. Химки и г. Зеленограда в классах физико-математического и гуманитарного профилей, который включал в себя: контролирующий, поисковый и обучающий этапы.
Среди основных задач констатирующего этапа педагогического эксперимента была задача вскрытия проблем, связанных с обучением СТО учащихся классов физико-математического и гуманитарного профилей на современном этапе и их анализ.
Поисковый этап осуществлялся в 1995-1996 г.г., 1999 г. в 11-х классах физико математического и гуманитарного профилей в гимназии № 1515 г. Москвы и средних школах № 718, № 845 г. Зеленограда и средней школы № 14 г. Химки. В нем участвовало 200 человек. Основными задачами
являлись анализ научно- методической литературы, связанной с выбранной проблематикой, разработка основных положений методики, отбор и конструирование содержания обучения СТО в рамках системного подхода, с учетом осо бенностей учебно-познавательной деятельности учащихся каждого из рассматриваемых профилей и идеи непрерывного образования в системе школа-вуз;
определение методов и средств обучения и создание программно-методического комплекса обучения СТО в классах каждого из рассматриваемых профилей, включающего конкретные учебные материалы, компьютерные демонстрации с анимационными эффектами и методические рекомендации.
В результате проведения этого этапа эксперимента были сформулированы основные положения предлагаемой методики обучения СТО с учетом обозначенных выше современных педагогических и информационных тенденций;
разработана методическая система обучения СТО как для физико-математических, так и для гуманитарных классов.
Кроме того, создан программно-методический комплекс обучения СТО в 11 классах рассматриваемых профилей, включающий конкретные учебные материалы, компьютерные демонстрации и методические рекомендации.
На обучающем этапе в эксперименте участвовало около 100 учащихся: 50 составляли экспериментальную группу (в которую входили учащиеся как физико-математических классов, так и гуманитарных) и 42 - контрольную (аналогично). Основной задачей на этом этапе эксперимента являлась проверка гипотезы исследования.
В ходе обучающего этапа была установлено повышение качества знаний при обучении СТО в классах физико-математического и гуманитарного профилей по предлагаемой методике, то есть:
- усвоение раздела "Основы СТО" экспериментальным и контрольным как физико математическим, так и гуманитарным классами не имеет существенных различий согласно критерию %2;
- выявлено более высокое качество знаний релятивистского характера (92% против 71% в физико-математических и 60% против 44% в гуманитарных классах) учащимися экспериментального класса (Диаграмма 1), что способствует, с одной стороны, развитию интереса к профессиям, связанным с физикой или философией, а с другой - более глубокому изучению физики. Результаты этого этапа эксперимента были учтены при работе над диссертацией и создании программно-методического комплекса обучения СТО в классах рассматриваемых профилей.
В заключении сформулированы результаты, полученные в итоге проделанного нами диссертационного исследования, а именно:
1. Проанализированы проблемы становления, развития и современного состояния преподавания теории относительности в классах физико-математического и гуманитарного профилей. Показано, что учеными-методистами проделана огромная исследовательская работа по разработке содержания и методики изучения СТО в школе. Частично ее результаты воплощены в действующих программах, учебниках и учебных пособиях по физике. Они различаются по объему, структуре и толкованию рассматриваемых вопросов. Однако единой концепции изучения СТО в классах физико-математического и гуманитарного профилей не существует до сих пор.
2. Проанализированы особенности учебно-познавательной деятельности и конкретных способностей учащихся физико-математических и гуманитарных классов.
3. Сформулированы теоретически обоснованные основные положения предлагаемой методики обучения СТО с учетом современных тенденций в образовании:
-обучение СТО в условиях профильной дифференциации и идеи организации непрерывного образования в системе школа-вуз;
-обучение СТО с позиций системного подхода;
-использование элементов новых компьютерных технологий при обучении СТО в школе.
3. Разработана методическая система обучения специальной теории относительности в классах физико-математического и гуманитарного профилей, то есть, для каждого профиля:
- определены общие и специфические цели обучения специальной теории относительности;
- определена логическая структура курса специальной теории относительности в классах рассматриваемых профилей;
- осуществлены отбор и конструирование содержания темы Основы СТО как для физико математических, так и для гуманитарных классов с позиций системного подхода и с учетом идеи организации непрерывного образования в системе школа-вуз;
содержания, которое сочетает в себе исторический и системный подходы к обучению специальной теории относительности, качественный и количественные методы подачи материала и соответствует физическом и мировоззренческому содержанию СТО в доступной для понимания учащихся каждого из этих профилей форме;
- определены методы и средства обучения СТО в классах рассматриваемых профилей;
- создан программно-методических комплекс, включающий конкретные учебные материалы, компьютерные демонстрации по СТО с анимационными эффектами и методические рекомендации.
4. Проведенный педагогический эксперимент показал доступность разработанной нами методики обучения специальной теории относительности для учащихся физико математических и гуманитарных классов и повышение качества знаний по СТО у учащихся классов обоих профилей с точки зрения системности знаний по СТО, научного мировоззрения и мышления.
Вышесказанное дает основания полагать, что все задачи исследования решены, и предлагаемая автором методика обучения СТО может быть использована учителями физики в их практической деятельности.
В приложениях помещены фрагменты учебных материалов для обучения специальной теории относительности в физико-математическом и гуманитарном классах по предлагаемой методике.
Перспективы исследования мы связываем, во-первых, с разработкой системы задач по теме Основы СТО для классов как физико- математического, так и гуманитарного профилей, во-вторых, в расширении сферы использования элементов новых компьютерных технологий при обучении СТО в школе, например, использование компьютерных технологий в качестве средства самообразования или контроля при дистанционной форме обучения.
Автором опубликовано 6 работ. Основные положения и идеи диссертации изложены в следующих работах:
1. Бабурова О.В., Касаткина А.В. К вопросу о методике преподавания специальной теории относительности в старшей школе// В сб.: Научные труды Московского педагогического государственного университета (Серия: Естественные науки). - М.: Прометей, 1999. - С.158 159.
2. Бабурова О.В., Касаткина А.В. Изложение релятивистской физики с использованием новых компьютерных технологий//Современные проблемы обучения физике в школе и вузе.
Материалы международной научной конференции Герценовские чтения. С.-Пб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 1999. -С.139-141.
3. Бабурова О.В., Касаткина А.В. Формирование современных представлений о пространстве и времени в старшей школе // В сб.: Научные труды Московского педагогического государственного университета (Серия: Естественные науки). - М.: Прометей, 1997.- С.146 148.
4. Бабурова О.В., Касаткина А.В. Формирование современных представлений о пространстве и времени при изложении специальной теории относительности в средней школе// В сб.:
Научный поиск в решении проблем учебно-воспитательного процесса в современной школе.
Вып.З. - М.: Прометей, 1998.-С.142-143.
5. Касаткина А.В. Исследование возможности формирования некоторых абстрактных математических понятий в школьном курсе математики// В сб.: Научный поиск в решении проблем учебно-воспитательного процесса в современной школе. Вып.2. - М., МПГУ, 1996. - С.61-63.
6. Касаткина А.В. Методика изучения специальной теории относительности в классах различных профилей// В сб. материалов по итогам научно-исследовательской деятельности студентов и аспирантов в области гуманитарных и естественных наук в 1997-1999г.- М.:
Прометей. - С. 30-32.