Теоретико-методологические основы развития естественнонаучного мышления учащихся в процессе обучения физике 13. 00. 02 теория и методика обучения и воспитания (физика)

Вид материала

Автореферат

Содержание Обзор этапов и целей экспериментального исследования Критериями эффективности Распределение учащихся Х классов по уровням усвоения структурных элементов системы физических знаний I уровень В приложении

Подобный материал:

• Программа вступительного экзамена в аспирантуру по курсу теория и методика обучения, 45.44kb.
• Программа вступительных экзаменов по специальности 13. 00. 02 теория и методика обучения, 42.2kb.
• Программа учебной дисциплины теория и методика обучения физике Для специальности 050203, 597.46kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 13. 00. 02 «Теория и методика, 154.39kb.
• Обучение физике в условиях постнеклассического развития естествознания 13. 00. 02 Теория, 735.99kb.
• Кандидатской диссертации: "Решение задач комбинаторного характера как средство развития, 18.33kb.
• Теоретико-методические основы ускоренной подготовки учителя иностранного языка в условиях, 577.12kb.
• Методика обучения решению математических задач учащихся основной школы в условиях дифференциации, 489.79kb.
• Методика обучения физике как педагогическая наука. Задачи методики обучения физике., 28.71kb.
• Взаимосвязанное обогащение синонимической лексикой родной и русской речи учащихся VI-VII, 389.12kb.

Обзор этапов и целей экспериментального исследования

Этап, годы	Цели	Экспериментальная база	Объем выборки
Констатирующий (1993-1995)	Выявление состояния проблемы и причин низкого уровня ЕНМ учащихся и студентов-будущих учителей физики. Сравнение результатов теста ЕНМ с результатами школьного теста умственного развития, поэлементного и пооперационного методов анализа. Формулировка и уточнение рабочей гипотезы. Разработка системы критериев проверки.	Школы и лицеи г.Омска: № 8, 18, 41, 43, 45, 88, 94, 109, 117, 157 и др.; ОмИПКРО	более 500 учащихся, более 100 учителей физики
Пробный (1995-1999)	Проверка гипотезы о связи между уровнем развития ЕНМ учащихся и уровнем сформированности знаний и умений, пониманием физического материала, способом восприятия текста. Разработка теории ДРЕНМ и технологий ее реализации. Определение средств, методов и приемов реализации теории, их апробация. Разработка и апробация модели методической подготовки студентов и учителей физики к реализации теории ДРЕНМ.	Школы г.Омска: № 94, 109, 117, 142, 157, физфак ОмГПУ	около 300 учащихся, 10 учителей, 200 студентов, 2 пре­пода­вателя ТиМОФ
Обучающий (1999-2005)	Внедрение теории ДРЕНМ учащихся, технологии и средств ее реализации. Проверка гипотезы исследования. Определение изменений в готовности учителей физики и студентов физического факультета педагогического вуза к реализации теории ДРЕНМ, в их профессиональных компетентностях. Оценка эффективности разработанной теории деятельностного развития естественнонаучного мышления.	Школы и лицеи г.Омска: № 65, 94, 109, 120, 122, 157, 161, 166 и др., Омской области: Алексеевская, Новоуральская, Сосновская Азовского района и Таврического района и др.; № 97 г. Челябинска; ОмГПУ, ОмИПКРО, кабинеты повышения квалификации гг. Надыма, Нового Уренгоя, Ноябрьска, Муравленко Тюменской области	около 1000 учащихся, около 100 учителей физики, 360 студентов, 4 преподавате­ля ТиМОФ
Контроль­ный (2005-2006)	Сравнение результатов внедрения теории ДРЕНМ и технологий ее реализации, полученных в рамках обучающего эксперимента с результатами контрольного эксперимента.	Школа № 157, лицей № 166 г.Омска, Новоуральская, Сосновская СОШ Азовского и Таврического районов Омской области	более 200 учащихся, 5 учителей физики

В ходе педагогического эксперимента на его различных этапах была апробиро­вана, усовершенствована и проверена теория ДРЕНМ через исследо­вание эффективности технологий, средств, методов и приемов ее реализации; модели подготовки студентов и учителей физики к реализации теории ДРЕНМ.

Критериями эффективности теории деятельностного развития естественнонаучного мышления у­чащихся в процессе обучения физике нами были избраны: 1) уровень и стадия сформированности естественнонаучного мышления, определяемые с помощью критериально-ориентированного теста естествен­нона­учного мышления (Г.А. Берулава, А.В. Усова); 2) степень ра­зви­тия структурного компонента естественнонаучного мышления, опреде­ляемая по коэффициенту полноты усвоения структурного элемента знания на основе поэлементного анализа и уровня сформи­рованности предметных и метапредметных знаний (Н.А. Менчинская, А.В. Усова); 3) степень развития функционального компонента естественнонаучного мышления, определяемая по коэффициенту полноты сформированности умения выполнять тот или иной вид учебно-познавательной деятельности (вы­пол­нение лабораторной рабо­ты, работы физического практикума, решения физии­ческой задачи, выполнении учебно-познавательной задачи) на основе пооперационного анализа и уровня сформированности этой деятельности (А.А. Бобров, Н.А. Менчинская, Н.Н. Тулькибаева, А.В. Усова).

Дополнительными критериями являлись: коэф­фи­циенты успешности развития знаний  и умений  (сравнение одного класса до и после обучения); коэффициенты эффективности теории в плане сформи­рованности структурных элементов системы физических и метапредметных знаний, в плане сфор­ми­рованности умений (сравнение контрольных и эксперимен­тальных классов) и др. Для данных, измеренных в порядковой шкале, мы использовали критерий однородности критерий (хи-квадрат).

Для составления полной картины состояния проблемы формирования предметных и метапредметных знаний, экспериментальных умений и умений решать физические задачи, развития естественнонаучного мышления учащихся в традиционном обучении до начала экспериментального обучения были прове­дены срезы, показавшие несформиро­ванность предметных знаний до уровня системных, отсутствие метапред­метных знаний, обобщенных умений, невы­сокий процент учащихся даже старших классов с теоретическим естест­вен­нонаучным мышлением.

В процессе педагогического эксперимента раскрыта взаимосвязь уровня развития естественнонаучного мышления с уровнем сформированности у учащихся системных предметных и метапредметных знаний, обобщенных экспериментальных умений и обобщенных умений решать физические задачи; учащиеся, у которых сформированы системные предметные и метапредметные знания, обобщенные умения, обладают теоретическим мышлением.

Наши исследования показали, что у учащихся с синтетическим ЕНМ сформированы системные физические и метапредметные знания и обобщенные умения. Именно эти учащиеся могут получить самые высокие баллы на экзамене, хорошо выступить на олимпиадах по физике, химии, математике. В нашем педагогическом эксперименте (где в рамках пропедевтического курса в школе №157 г.Омска физика преподавалась с V класса, химия – с VI класса) в конце VI класса более 60% учащихся находились на дифференциально-синтетической и синтетической стадиях развития ЕНМ. Такой высокий процент объясняется внедрением в этом общеобразовательном учреждении всей теории ДРЕНМ.

Учащихся, находящихся на дифференциально-синтетической стадии развития ЕНМ, наблюдается мало даже по сравнению с учащимися, имеющими высшую стадию развития естественнонаучного мышления – синтетическую. Мы это объясняем тем, что они уже хорошо умеют систематизировать полученные знания, у них при правильном выборе учителем методик и технологий обучения быстро формируются обобщенные умения решать физические задачи, проводить самостоятельно эксперимент. Поэтому обобщенные умения, которыми обладают учащиеся на уровне ближнего переноса (внутри одной учеб­ной дисциплины), достаточно быстро переходят на уровень дальнего переноса. Таким образом, большинство из них в короткие сроки поднимаются на более высокий уровень развития ЕНМ – синтетическую стадию.

Учащиеся, находящиеся на эмпирически-научной стадии, плохо абстрагируют, обобщают, систематизируют знания, с трудом усваивают физику, на формирование у них обобщенных умений уходит много времени. Подавляющее большинство старшеклассников при традиционном обучении находятся на эмпирически-научной стадии (70-90%), что не может удовлетворять современным требованиям к образованию.

Учащиеся, находящиеся на эмпирически-бытовой стадии развития ЕНМ, с трудом выделяют главное, не умеют сравнивать, абстрагировать, обоб­щать, систематизировать; любая задача для них – новая, они не могут составить алгоритм решения задач одного типа, не могут самостоятельно провести эксперимент, не понимают физику, с трудом усваивают физический материал.

В качестве конкретных примеров рассмотрим некоторые результаты внедрения теории ДРЕНМ. На рис.3 и 4 показаны результаты сформированности метапредметных знаний учащихся V класса (в рамках пропедевтического курса физики) и X класса, на рис.5 – знаний о многозначном термине «работа» у десятиклассников после внедрения технологий в течение одного учебного года.

Коэффициент сформированности знаний учащихся V класса о структуре физического эксперимента, определяемый на основе поэлементного анализа, равен: (Vэ) = 0,70; (Vк) = 0,19. Коэффициент эффективности теории ДРЕНМ, реализуемой через технологию формирования структурных элементов системы физических знаний равен 3,7.

Коэффициент сформированности знаний учащихся X класса о физической величине равен: (Хэ) = 0,90; (Хк) = 0,54. Коэффициент эффективность теории в этом случае равен 1,7.

Рис.3. Результаты анализа ответов учеников V-х классов о структуре эксперимента: 1 – название; 2 – цель; 3 – оборудование; 4 – ход работы; 5 – таблица; 6 – вывод; 7 – порядок выполнения эксперимента

Рис. 4. Результаты анализа ответа учащихся X класса на вопрос «Что нужно знать о физической величине?»: 1 – что характеризует; 2 – определение величины; 3 – определительная фор­му­ла; 4 – скалярная или векторная; 5 – единицы величины; 6 – способы измерения

Рис.5. Полигон частот, показывающий динамику усвоения понятия «работа» учащимися X класса: 1-6 работа как процесс: 1 – внешние признаки работы; 2 – условия, при которых протекает процесс; 3 – сущность и механизм протекания; 4 – определение процесса; 5 – количественные характеристики; 6 – применение на практике. 7-12 работа как величина: 7 – что характеризует данная величина; 8 – определение; 9 – определительная формула; 10 – скалярная или векторная величина; 11 – единицы величины; 12 – способы измерения величины


В таблице 2 показано распределение учащихся Х классов по уровням усвоения структурных элементов системы физических знаний на примере понятий «сила» и «работа».

Таблица 2

Распределение учащихся Х классов по уровням усвоения структурных элементов системы физических знаний

Классы	Кол-во учащихся	Уровни усвоения знаний					Т набл Т крит
		I	II	III	IV	V
Контрольные (СОШ №8)	108	33	40	25	8	2	4,34 7,82
Контрольные (СОШ №142)	104	36	25	31	9	3
Контрольные (СОШ №8)	108	33	40	25	8	2	76,87 5,99
Экспериментальные (СОШ № 157)	67	0	7	13	21	36

В основу выявления этих уровней мы положили уровни усвоения понятий, выделенных Н.А. Менчинской и А.В.Усовой. I уровень характеризуется «диффузно-рассеян­ным» представлением о предмете или явлении; ученик может отличать один предмет от другого, но их признаки указать не может; II уровень: ученик указывает призна­ки структурного элемента знания, но не может отличить существенные признаки от несущественных; III уровень: ученик усвоил все существенные при­знаки, но знание о структурном элементе еще не обобщено, оно сковано единичными образами объектов, на основе которых происхо­дило его формирование; IV уровень: структурный элемент знания обобщен, усвоены его существенные связи с другими, ученик умеет применять его при решении конкретных задач; V уровень: установлены связи данного структурного элемента системы научных знаний с другими элементами, формируе­мыми при изучении других учебных предметов.

Для двух контрольных классов при степени свободы С = 4 и уровне значимости α = 0,05, принятого в педагогических исследованиях, Ткрит = 7,82; Тнабл = 4,34  Ткрит. Для них справедлива нулевая гипотеза Н0: изучаемые выборки взяты из генеральных совокупностей с одинако­вым законом распределения, а различие в результате выборок цели­ком объясняется случайными причинами и не является существенным.

Сравним контрольный (МОУ «СОШ №8») и экспериментальные классы. При степени свободы С = 3 и уровне значимости α = 0,05: Ткрит = 5,99; Тнабл = 76,87  Ткрит. В этом случае нулевая Н0 гипотеза отвергается и принимается альтернативная Н1: уровни знаний учащихся экспериментальных и контрольных классов различны и это различие определяется влиянием не случайных факторов, т.е. при внедрении технологии формирования структурных элементов системы физических знаний, через которую реализуется теория деятельностного развития естественнонаучного мышления учащихся, уровень сформированности физических знаний учащихся повышается.

В исследовании мы также выявляли уровни сформированности умений познавательного характера (экспериментальных умений и умений решать физические задачи), стадии и уровни развития естественнонаучного мышления.





Рис.6. Результаты выполнения учащимися V классов фронталь­ной лабораторной работы: 1 – формулировка цели;

2 – фо­р­­мулировка гипотезы;

3 – определение условий проведения опытов; 4 – выделение измеряемых величин; 5 – отбор прибо­ров; 6 – разработка таблицы; 7 – сборка установки;

8 – проведение эксперимента; 9 – выполнение вы­числений;

10 – формулировка выводов


Коэффициент полноты выполнения фронтальной лабораторной работы () учащимися V класса в рамках пропедевтического курса физики составил в экспериментальном классе – 0,86, в контрольном – 0,33. Таким образом, по коэффициенту полноты выполнения лабораторной работы можно судить о наличии у них сформированных обобщенных экспериментальных умений. Коэффициент эффективности теории деятельностного развития естественнонаучного мышления учащихся, реализуемой через технологию формирования обобщенных экспериментальных умений, равен 2,6.







Рис. 7. Динамика сформированности умения решать физические задачи у учащихся XI класса с различным уровнем ЕНМ при внедрении технологии формирования обобщенного умения решать физические задачи в течение одного учебного года


Более успешно решили физические задачи как констатирующего, так и итогового теста учащиеся с высоким уровнем развития ЕНМ. Коэффициент успешности развития умения решать физические задачи для учащихся XI класса с эмпирически-бытовой стадией развития ЕНМ (э-б)=1,45; для учащихся, находящихся на синтетической стадии развития ЕНМ (с)= 1,42.

На рис.8 показана динамика развития ЕНМ и сформированности умения решать физические задачи учащимися XI класса в течение одного учебного года.




Рис. 8. Динамика сформированности у учащихся XI класса умения решать физические задачи и естественнонаучного мышления при внедрении технологии формирования обобщенного умения решать физические задачи в течение одного учебного года (стадии развития ЕНМ: э-б – эмпирически-бытовая, э-н – эмпирически-научная, д-с – дифференциально-синтетическая, с – синтетическая)


Между уровнем развития ЕНМ есть взаимосвязь с ведущим типом восприятия (модальностью) учащегося, причем большая часть учащихся с теоретическим мышлением являются визуалами. Поэтому надо развивать визуальное восприятие информации не только среди учащихся средней, но и основной школы, а также учитывать восприятие учебного материала учащимся и использовать адекватные ему средства, методы и приемы обучения.

Педагогический эксперимент показал, что предлагаемая нами теория деятельностного развития естественнона­уч­ного мышления учащихся, технологии ее реализации, рассмотренные нами средства, методы и приемы обучения эффективны, так как:

– в экспериментальных классах процент учащихся с теоретическим естественнонаучным мышлением существенно больше: в общеобразовательных классах с традиционным обучением процент таких учащихся варьируется от 0 до 15%, в экспериментальных классах – от 40 и более процентов;

– технология формирования структурных элементов физических знаний ведет к формированию системных физических и метапредметных знаний; технологии формирования обобщенных экспериментальных умений и обоб­щенных умений решать физические задачи – к сформированности обобщенных умений учащихся; степень развития структурного и функционального компонентов естественнонаучного мышления выше в экспериментальных классах;

– наблюдается положительная динамика развития познавательного интереса учащихся, подтверждающаяся их участием в различных конкурсах, олимпиадах, выполнении проектов, продолжением образования по профессиям естественнонаучного профиля;

– система учебно-познавательных задач, направленных на развитие мыслительных операций, такие методы как полилог, беседа и др., различные приемы обобщения и систематизации знаний, нейро-лингвистического про­грам­мирования, реализация межпредметных связей, способы наглядного пред­ставления обобщающе-система­тизи­рующей деятельности (таблицы, различные схемы), и другие выделенные нами условия способствуют развитию ЕНМ, положительно влияют на развитие системных физических и метапред­метных знаний, формирование обобщенных умений.

Коэффициент полноты сформированности знаний и умений у учащихся с теоретическим ЕНМ показывает, что обучение отвечает требованию критерия завершенности, т.к. он превышает 0,7.

При сопоставлении результатов школьного теста умственного развития, теста естественнонаучного мышления, методов поэлементного и пооперационного анализа мы пришли к выводу, что их результаты коррелируют. Поэтому мы рекомендуем использовать ТЕМ для выявления стадии и уровня развития ЕНМ учащихся VII-XI классов в начале и конце учебного года. Его обработка занимает мало времени, а поэлементный и пооперационный анализ следует использовать в течение всего учебного года для оперативной диагностики.

Разработанная модель методической подготовки студентов и учителей физики к внедрению теории ДРЕНМ, реализованная на курсах повышения квалификации на учебных занятиях по теории и методике обучения физике с использованием «Рабочих тетрадей на печатной основе», эффективна. Она способствуют формированию и развитию профессиональных компетентностей.

Сравнение результатов тестирования учащихся, проходившего в рамках констатирующего, пробного, обучающего и контрольного экспериментов подтвердило правильность выдвинутой гипотезы исследования: у учащихся основной и средней школы можно сформировать системные предметные и метапредметные знания, обобщенные экспериментальные умения и обобщенные умения решать физические задачи, развить естественнонаучного мышления до теоретического уровня возможно, если: 1) разработать и внедрить теорию деятельностного развития естественнонаучного мышления, включающую теоретико-методологическое основание, эм­пи­рический базис, ядро (идеи, подходы, законы и закономерности, принципы), следствие теории, раскрытых на основе методологических, психологических, дидактико-методических и научно-предметных (физических) знаний; 2) разработать и внедрить технологии формирования структурных элементов системы физических знаний, обобщенных экспериментальных умений и обобщенных умений решать физические задачи, реализуемые в системе форм организации учебных занятий с использованием средств, методов и приемов обучения, способствующих развитию естественнонаучного мышления; 3) выявить комплекс психолого-дидактических условий эффективного функционирования технологий формирования структурных элементов системы физических знаний, обобщенных экспериментальных умений и обобщенных умений решать физические задачи; 4) разработать модель профессионально-методической подготовки учителей физики к реализации теории деятельностного развития естественнонаучного мышления на основе профессиограммы учителя физики в рассматриваемом плане.

В приложении приведен критериально-ориентированный тест ЕНМ и технология его обработки, тесты в форме ЕГЭ для IX-X классов, учебные задачи на отработку содержания термина «структурные элементы знания», умения выделять существенные признаки, умение анализировать понятие и давать ему определение, на формирование многозначных физических терминов; слайды из презентации «Систематизация знаний», выполненной в PowerPoint.

Проделанная теоретико-экспериментальная работа позволила сделать следующие обобщенные выводы.

1. В современных условиях модернизации школьного физического образования одной из наиболее актуальных стала проблема развития естественнонаучного мышления учащихся через реализацию деятельностного подхода в обучении физике, формирование обобщенных способов учебно-познавательной деятельности. Анализ основных направлений модернизации школьного образования, целей, задач и состояния школьного физического образования, идей, концепций и теорий развивающего обучения, практики решения проблемы развития мышления в процессе школьного и вузовского обучения физике позволил обосновать целесообразность и необходимость развития ЕНМ учащихся и студентов-будущих учителей физики. Проведенный анализ традиционного обучения физике в средней школе показал, что учителя в процессе обучения чаще других используют репродуктивные методы обучения, которые формируют лишь эмпирическое естественнонаучное мышление.
   
2. Анализ современных программ, учебно-методических комплексов, новых информационных технологий с позиции решения в них проблемы развития мышления обучающихся выявил ряд существенных недостатков, для исключения которых были разработаны такие предметные средства обучения как «Рабочие тетради на печатной основе», учебно-познавательные задачи по развитию мыслительных операций, методические рекомендации по созданию мультимедийных презентаций на основе деятельностного подхода.
   
3. Разработанные в науке и практике к настоящему времени методологические, психологические, дидактико-методические и научно-предметные (физические) аспекты определили возможность построения теории деятельностного развития естественнонаучного мышления учащихся V-XI классов в процессе обучения физике, соответствующей социальному заказу общества. Под «развитием естественнонауч­ного мышления» мы понимаем процесс овладения, совершенствования и применения учащимися мыслительных операций, форм, видов мышления и способов познавательной деятельности в процессе изучения основ естественных наук
   
4. Исходя из принципов системности, полноты, непротиворечивости и достоверности разработана теория деятельностного развития естественнонаучного мышления включает эмпирический базис, ядро теории (идеи, подходы, законы и закономерности, принципы, механизм реализации), и следствие теории. Ее реализация дает возможность развить естественнонаучное мышление учащихся основной и средней школы до теоретического уровня через формирование у них системных предметных и метапредметных знаний, обобщенных экспериментальных умений и обобщенных умений решать физические задачи при выполнении ряда психолого-дидактических условий.
   
5. Поскольку развитие человека происходит через обучение, то для реализации теории была разработана обобщенная структура частнодидактической технологии, на основе которой были описаны технологии формирования структурных элементов системы физических знаний, обобщенных экспериментальных умений и обобщенных умений решать физические задачи.
   
6. Выявленная связь между уровнем развития естественнонаучного мы­шле­ния и уровнем сформированности знаний и умений обучающихся позволила обосновать разработку теории ДРЕНМ, вышеперечисленных технологий, системы учебно-познавательных задач, направленных на формирование мыслительных операций в различных видах учебно-познавательной деятельности по физике.
   
7. Эффективность учебно-познавательной деятельности учащихся, студентов и учителей обеспечивается организацией обучения, построенного на III типе ориентировочной основы действия (ООД): выявлении учащимися под руководством учителя общих методов, подходов к решению учебных задач (проблем), а после того, как учащиеся научились находить частные и общие способы решения учебной задачи, они могут полностью самостоятельно разработать эти способы (IV тип ООД). В этом случае можно говорить о реализации идей развивающего обучения.
   
8. Особенности естественнонаучного мышления и комплекс психолого-дидактических условий для его развития до теоретического уровня у учащихся основной и средней школы позволяют оптимально организовать процесс обучения физике.
   
9. Стадии и уровни развития ЕНМ выявляются при помощи критериально-ориентированного теста естественнонаучного мышления; степень развития структурного компонента ЕНМ определяется на основе поэлементного анализа по полноте и уровню сформированности предметных и метапредметных знаний; степень развития функционального компонента ЕНМ – по полноте выполнения фронтальных лабораторных работ, работ физического практикума, решению физических задач на основе метода пооперационного анализа и уровня сформированности этих умений.
   
10. Теория ДРЕНМ, технологии ее реализации, рассмотренные средства, методы и приемы, способствуют развитию ЕНМ учащихся до теоретического уровня. Реализация модели методической подготовки студентов и учителей физики к реализации теории ДРЕНМ учащихся, использование учебных пособий в форме «Рабочих тетрадей на печатной основе» для студентов и учителей физики способствуют формированию и развитию их профессиональных компетентностей.
    

Проведенное исследование позволяет предложить широкое внедрение разработанной теории деятельностного развития естественнонаучного мышления учащихся и технологии ее реализации в процесс обучения физике в основной и средней школе. Модель методической подготовки студентов и учителей физики к реализации теории ДРЕНМ следует внедрять при изучении теории и методики обучения физике в педагогическом вузе, а также на курсах повышения квалификации учителей физики.

Проведенное исследование не исчерпывает полностью решение проблемы развития естественнонаучного мышления учащихся. Перспективными направлениями ее дальнейшего развития нам представляются: внедрение теории в процесс обучения студентов – будущих учителей физики, в процесс обучения химии, биологии, естествознания, природоведения; выявление новых закономерностей и принципов; разработка теоретических основ подготовки, переподготовки и повышения квалификации учителей физики к реализации теории ДРЕНМ; детальная разработка методико-технологического обеспечения реализации теории для пропедевтического курса физики, основной и средней школы, для различных учебно-методических комплексов.


Идеи и результаты исследования нашли отражение в 78 публикациях (авторский объем 82,5 п.л.), среди которых основными являются следующие: