Преподавание физики

Формирование понятийного аппарата по физике у учащихся общеобразовательных школ

Будучи школьником, уже изучавшим физику, меня начали интересовать вопросы: “Зачем ввели новое понятие? Почему понятие ввели именно такое, а не другое? Можно ли введённое понятие заменить другим понятием?” Этот вопрос меня интересовал и в институте, но к окончанию института я не имел никаких вразумительных ответов по данному вопросу. Подобные вопросы задавали и некоторые мои ученики. Дальнейшая педагогическая практика показала, что одной из отличительных особенностей наиболее успешных учеников при применении знаний оказалось владение ими понятиями, их содержательное использование как инструмента анализа и синтеза в ситуациях, требующих разрешения. Одним из компонентов компетентного специалиста для меня стало владение им понятийным аппаратом.

В КОНЦЕПЦИИ модернизации российского образования на период до 2010 года говорится, что базовое звено образования – общеобразовательная школа, модернизация которой предполагает ориентацию образования не только на усвоение обучающимися определённой суммы знаний, но и на развитие его личности, его познавательных и созидательных способностей. Также в этом документе отмечается, что ученик должен приобрести опыт самостоятельной деятельности.

Очевидно, что одним из путей решения поставленных задач является вовлечение учащегося в исследовательскую деятельность.

Если встать на позицию исследовательской деятельности, то одними из её продуктов являются понятия, понятийный аппарат науки. В последнее время в нормативных документах по контролю за качеством подготовки учащихся стало больше уделяться вниманию контролю за понятийным аппаратом учеников. Например, в сборнике “Оценка качества подготовки выпускников основной школы”, выпущенном Министерством образования Российской Федерации издательством “ДРОФА” в 2000 году говорится, что учащийся должен владеть основными понятиями, давать определения физических величин. Описывать физические явления и процессы, что без владения понятийным аппаратом практически невозможно.

Если рассмотреть федеральный компонент государственного стандарта общего образования по физике, то в разделе требования к уровню подготовки выпускников говорится, что в результате изучения физики ученик должен знать/понимать

• смысл понятий: (идёт перечисление понятий);
• смысл физических величин: (идёт перечисление физических величин);

Понятно, что это совсем другой уровень требований, и это правильно.

Однако, несмотря на повышение внимания в руководящих документах на усиление внимания к понятиям, в методической литературе и практике работы учителей этот вопрос не нашёл должного отражения. Мало того, новые учебники по физике ничем не отличаются от старых учебников. В них просто даются определения понятий, никаких изменений в технологии формирования смыслов понятий и их понимания не произошло! В школьных задачниках и учебниках задания направленные на проверку и коррекцию понятийного аппарата практически отсутствуют. От качества сформированного понятийного аппарата во многом зависит качество подготовки выпускника, успех в его профессиональной деятельности. Понятия являются составной частью знаний и принимают самое непосредственное участие в применении знаний и выработке навыков.

Таким образом, возникает противоречие между требованиями федерального компонента государственного стандарта по физике к понятийному аппарату, технологиями формирования понятий и их контролю в методической литературе, содержанием школьных учебников и практикой работы учителей.

Вопросами формирования понятий в эксперименте и в школьном обучении занимались психологи: Б.Г. Ананьев, Л.С. Выгодский, Г.С. Костюк, Н.А. Менчинская, Р.Г. Натадзе, Л.С. Сахаров, Д.Н. Узнадзе и другие.

Как совершенно справедливо отметил П.Я. Гальперин, что процесс формирования понятий в школьном обучении, “в основном, происходит стихийно, т.е. с очень плохим управлением и подавлением многих научных и случайных причин”.

Л.С. Выгодский отмечает, что “ только при возникновении известной потребности, надобности в понятии, только в процессе какой-то осмысленной целесообразной деятельности, направленной на достижение известной цели или решения определённой задачи, может возникнуть и оформиться понятие”.

Один из новых принципов построения учебных предметов, выдвинутых В.В. Давыдовым касается и понятий. Он считает, что “все понятия, конституирующие данный учебный предмет или его основные разделы, должны усваиваться детьми путём рассмотрения предметно-материальных условий их происхождения, благодаря которым они становятся необходимыми (иными словами, понятия не даются как “готовое знание”)”.

В психологии существуют различные методики формирования понятий. Наиболее полно и качественно, с нашей точки зрения, формирует понятийный аппарат у учащихся технология развивающего обучения (РО) Эльконина-Давыдова. Решая систему учебных задач, учащийся, кроме всего прочего, формирует и свой понятийный аппарат. Однако мы не имеем методических рекомендаций для учителя и учебной литературы для ученика, где была бы реализована эта идея для преподавания физики. В данной работе мы постараемся дать свои варианты формирования понятий в системе РО Эльконина-Давыдова.

На наш взгляд первой трудностью в реализации этой идеи в практике организации учения учеников для учителя является создание учителем системы учебных задач (УЗ). Учителю нужно создать понятную для ученика ситуацию и предъявить требования, которые нужно выполнить в этой ситуации. Причём и ситуация и требования должны находиться в контексте основной задачи, решаемой изучаемым предметом. Для физики предметом изучения является природа, а основная задача – выявить закономерности, по которым живёт и развивается природа. Существует два способа познания используемые наукой – эмпирический и теоретический. Они требуют двух типов мышления - эмпирического и теоретического мышление. Соответственно существуют и различные способы формирования понятий, а, следовательно, различные уровни владения понятием, как инструментом анализа и синтеза решаемых человеком задач.

Второй трудностью учителя в реализации этой концепции является “переделывание” психологии и деятельности ученика, который до изучения физики не учился в системе РО. Ученик в лучшем случае воспроизводил теоретический материал учебника, как правило, без понимания смыслов и выполнял по внешним признакам действия при решении задач. Необходимо вселить уверенность в сознание ученика в возможность решать учебные задачи, осваивать теоретический материал на высоком теоретическом уровне сложности.

Третьей трудностью учителя является научение ученика грамотно выстраивать коммуникационное взаимодействие с участниками учебного процесса в процессе решения учебных задач.

Следует отметить специальную работу учителя и учеников по применению полученных знаний. Это отдельный очень интересный вопрос и его мы специально рассматривать не будем.

В качестве примера рассмотрим, как формируется понятийный аппарат учащихся при изучении механики. Ведущей задачей, решаемой в этом разделе, является определение положения тела в пространстве в любой момент времени (далее ОЗМ). Эта задача сообщается учащимся. Но физика как наука должна ещё и описать это положение (наблюдаем, описываем, выявляем закономерности, проверяем выявленные закономерности и их фиксируем и применяем – эмпирический способ познания). Учащимся предлагается на бытовом уровне описать местоположение различных тел и выявить в описаниях закономерности, провести обобщение. Выяснить, что есть в каждом описании. Это задание требует от учащихся владение смыслами, заложенными в описании, необходимо знать назначение, функцию каждого слова. Можно предложить из описаний убрать часть слов и предложений с пояснением причин такого решения. Здесь требуется от преподавателя умение действовать по обстановке, учитывать ситуацию, уровень развития учащихся и не забывать о своей цели, которая скрыта вУЗ и не представлена учащимся в явном виде. Часто учитель находится в цейтноте. Как правило, учащиеся выделяют ориентир (тело отсчёта), само тело, положение которого они описывали. Из-за несформированности понятия координаты и соответственно системы координат учащимся не всегда удается найти эту закономерность в описании. Если этого не удаётся сделать, то просто эта закономерность сообщается учителем на примере .А затем учащиеся определяют, какой вид имела система координат в их описаниях. Это очень важно сделать, так как каждый ученик должен выяснить для себя насколько близко он подошёл к выявлению этой закономерности, чего ему не хватило, чтобы сказать об этом. В этой ситуации требуется особый дар учителя работать со смыслами, которые, пусть и витиевато, но от души постарался сформулировать ученик и внести в результирующий продукт деятельности на уроке. Стремление точно выразить мысль и умение уловить смыслы постоянно находятся в поле деятельности учителя и ученика.

Иногда у учащихся вызывает затруднение выделить момент времени, в который они фиксировали местоположение тела. Снять это затруднение может подсказка сделанная учителем в неявном виде. Умение использовать учеником подсказку в неявном виде развивает его мышление, укрепляет его уверенность в своих силах. Можно напомнить им как в детстве их искали родители, что им говорили соседи о вашем местоположении. Видели пять минут назад … Понятно, что нам нужен прибор для измерения времени.

Теперь выявленные закономерности фиксируются в понятии система отсчёта (СО). Становится понятным, что система отсчёта “жила” на бытовом уровне без осознания большинством людей, что она есть и нужна человеку.

Таким образом, чтобы решать ОЗМ, необходимо выбрать СО. Какие задачи, вопросы возникают у учащихся после этого урока, куда эти задачи поведут класс дальше в вопросе изучения механики? Это опять важнейший момент в технологии, так как, в конечном счёте, ученик должен научиться сам ставить перед собой учебные задачи и их решать. Тогда обучение в классе переходит в самообучение, саморазвитие. Запускается природный механизм познания и пытливости ума человеческого. Это одно из достоинств этой технологии.

На первый взгляд всё хорошо. Понятие СО сформулировано, учащиеся (пусть и не все) принимали в этом участие. Но кто что взял для своей деятельности из этого продукта в коллективно-распределительной деятельности класса на уроке? Кто чем овладел, кто что понял, кто понял неправильно, как это понятие использовать, применять? Теперь нужна система заданий и долгая кропотливая работа для получения ответа учителем на поставленные выше вопросы. Это вся работа остаётся за кадром нашей работы. Это отдельная тема и её мы касаться не будем.

Таким образом, была создана ситуация, как вариант, где виден вариант рождение понятия СО.

Цель учителя – создать ситуацию, в которой у учащихся родится понятие механическое движение и покой. Вариант УЗ. Решить ОЗМ в различные моменты времени в СО связанной с Землёй для тел: ваш дом, любой автомобиль и Луна и выявить в полученных описаниях закономерности.

Как правило, эту УЗ удаётся всегда решить на уроке. Учащиеся говорят, что дом своё местоположение относительно Земли не меняет, а Луна всё время изменяет своё местоположение. Таким образом, получается две группы тел: не изменяющие своего местоположения и изменяющие местоположение с течением времени в нашей СО. Автомобиль переходит из одной группы в другую и не занимает постоянного места в группе. Что же делать дальше? Фиксировать полученные закономерности. Дать название этим группам с указанием признаков, по которым мы тела можем отнести к той или иной группе. Рождение понятия заканчивается формулированием его определения. Изменение местоположения тела в пространстве относительно других тел с течением времени называется механическим движением. Покой, это такое состояние тела, при котором его местоположение не изменяется с течением времени.

Человек сел в автобус и едет из одной части города в другую. Движется он или покоится? Покоится относительно автобуса, но движется относительно Земли. Становится ясным, что понятия механического движения и покоя понятия относительные. Информируя о движении тела, мы должны информировать и о СО, в которой это происходит. Результат наблюдаемого явления зависит и от СО. Наблюдая за одним телом в один и тот же промежуток времени мы можем получить различные результаты в зависимости от СО.

Понятно, что для покоящихся тел в нашей СО ОЗМ решена, а для движущихся тел её надо решать. Решать ОЗМ мы можем двумя способами – опытным путём и теоретически.

Решим ОЗМ теоретически. Для этого мы сообщаем названия существующих способов решения ОЗМ – естественный (траекторный), векторный и координатный. Что будем делать дальше? Как правило, учащиеся начинают анализировать названия способов. Начинается поиск ключевого слова и соотнесения его с ОЗМ. Траектория – это линия, вдоль которой движется тело (след оставленный телом). Чертим на доске и в тетради произвольную траекторию в выбранной СО. Чем нам помогает траектория в решении ОЗМ? Траектория ограничивает зону поиска тела, понятно, что тело надо искать на этой траектории. Что для этого нужно дополнительно? Если у учащегося сформировано из математики понятие длины, он им владеет в своей деятельности, его сознательно использовал раньше, то ответ очевиден – надо знать длину линии, которую прошло тело к данному моменту времени (путь пройденный телом). Мы рекомендуем учащимся путь обозначать буквой l, чтобы не путать с модулем вектора перемещения S, поскольку l=S только при определённых условиях, когда движение прямолинейное в одном направлении. Естественно, возникает вопрос – откуда взять путь? Путь и время связаны между собой. Это мы видим из анализа собственного движения, но как показать эту связь аналитически, как найти l=f(t)?

Анализ предыдущей деятельности показывает, что путь и время это разнородные величины и для их связи аналитически ввели специальную величину – скорость механического движения.

Если для класса подобная работа окажется непосильной, то можно решить следующую задачу. Мама купила для семьи из трёх человек 6 кг фруктов. Через два дня фрукты съели. Сколько фруктов нужно купить маме на следующие три дня, если в семью приехали гости в количестве четырёх человек. Обычно, учащиеся эту задачу решают успешно. Вводится понятие скорости поедания фруктов одним человеком. После обсуждения решения просим дать гарантию произведённых расчетов. И учащиеся вводят существенные дополнения, что это средняя скорость поедания фруктов, и если она не будет изменятся, то наши расчёты окажутся верными. Целесообразно сформировать (возможно просто сообщить, а потом дать специальные задания для “приживания” в сознании и деятельности этого понятия у ученика) общее понятие скорости. Скорость это величина, характеризующая как быстро изменяется одна величина при изменении другой величины. ?y/?x это есть средняя скорость изменения функции на участке ?x. Этим мы снимаем однобокое понимание скорости у ученика как физической величины, показывающей быстроту изменения пути пройденного телом с течением времени. И он намного лучше понимает, что ?v/ ?t и ?Ф/ ?t это тоже скорости. А когда будет изучена производная – как новый способ описания действительности, то переведение прежних аналитических текстов на язык производной происходит очень быстро со 100% качеством.

Но вернёмся к понятию средней путевой скорости. Средней путевой скоростью называется физическая величина, показывающая как быстро изменяется путь пройденный телом за какой-то промежуток времени, и рассчитываема V_ср,l=l/t. Следует отметить, что средняя скорость всегда относится к участку пути или к промежутку времени. Применяя любую физическую величину, нужно чётко выделять к какому физическому телу она применяется. Необходимо также выделять последовательность действий, которые нужно произвести, чтобы найти физическую величину, цель этих действий и их основания. Причём всё это идет в комплексе и должно идти от смыслов, заложенных в этой физической величине. В понятии в свёрнутом виде всегда находится ситуация с требованием (задача), способ её решения, идея решения и необходимость введения этой физической величины в контексте ведущей, главной решаемой задачи. Отсутствие одного из компонентов резко снижает качество выполнения операций, превращая их в механический набор действий, что резко снижает качество подготовки ученика.

Теперь мы имеем ответ на нашу УЗ – l=V_ср,l•t. Естественно возникает вопрос, что будем делать дальше? Проверять полученную закономерность на практике. Можно дать возможность учащимся самим составить задание для проверки на практике выявленной закономерности. Можно предложить искать местонахождение группы туристов по карте с их маршрутом следования, если известна средняя путевая скорость за всё время движения. Опираясь на свой жизненный опыт, учащиеся говорят о расхождениях теории и практики. Причину они видят в изменении скорости движения туристов с течением времени. Мы решили ОЗМ траекторным способом, но такое решение неточное. Если неточности (погрешности) нас устраивают, то мы используем этот метод, если нет, то ищем другой путь решения ОЗМ. Думаем.

Работая в группе, учащиеся, как правило, приходят к выводу, что если величина скорости не будет изменяться с течением времени, то l=v•t. И наши теоретические расчёты будут полностью подтверждаться практикой. Но может возникнуть у учащихся вопрос в этой ситуации: “О какой скорости идёт речь?”. Если этого вопроса не возникает, то можно спросить какие физические ве-

личины измеряет спидометр в автомобиле? Как правило, работа в группах с последующим обсуждением, приводит нас к выводу, что это скорость тела в данный момент времени, или в данной точки траектории. Но в данном тексте нет теоретического способа нахождения этой величины. Надо этот способ найти. Опять получается УЗ. Причём, как правило, всё больше и больше учащихся участвуют в составлении УЗ. Это очень важный показатель для учителя. Он показывает ход развития мышления учащихся, понимание ими изучаемого материала, степень участия в создании общегруппового продукта и многое другое.

При поиске способа определения величины мгновенной скорости учащиеся в качестве “исходного материала” берут определение средней путевой скорости и уменьшая промежуток времени приходят по сути дела к понятию производной. УЗ и способ её решения в конечном счёте оформляется в определении. Происходит сворачивание информации, что очень важно для её применения. В определении ученик видит ситуацию, требование и способ исполнения этого требования, и это значительно облегчает выполнение действий при нахождении мгновенной скорости, т.к. за каждым действием есть цель действия и основание действия, реализуемая идея, есть что реализовывать по содержанию. На наш взгляд, это один из принципиальных вопросов технологии, когда выявленная закономерность проживает в сознании ученика развитие от зарождения УЗ до её решения, а затем и сворачивания информации в виде определения понятия или закона с последующим применением этого понятия. При таком пути развития знания, применение, использование знаний значительно облегчается для ученика. Качество знаний учащихся значительно повышается. Технология работы с текстом и технология решения задач, в связи с этим, принципиально иная! Это очень важный вопрос технологии.

Ряд понятий, относящихся к механическому движению и покою у нас родилось, но этого мало. Необходимо следить за жизнью и развитием этих понятий, как в сознании ученика, так и в теории физики. Необходима специальная работа над развитием этого понятия. Выражение смыслов, заложенных в понятии через другие понятия, применение этого понятия к другим ситуациям и расширение его толкования. Когда речь заходит о вращении тела, что в этом случае будет являться механическим движением? А какой будет ОЗМ при вращении тела?

Как иначе сказать в траекторном способе решения ОЗМ, что тело движется? Как выразить этот смысл через другие понятия? Решая эти и подобные им вопросы, мы проверяем понимание учеником изучаемого материала, умение его использовать в новой для него ситуации. Понятия содержательно связываются между собой, становятся системой понятий, единым инструментарием для анализа задач и способом написания текста решения. Необходимы специальные задания для проведения контрольно-оценочной деятельности (КОД) отвечающие за корректировку и контроль за понятийным аппаратом.

Решать УЗ полезно учащимся и дома. Причём можно пользоваться любой литературой: учебниками, справочниками, энциклопедиями … Все это заставляет учащихся активно решать УЗ. Работая с учебником, в конечном счёте, ученики видят между строчек систему учебных задач, способы их решения, сами решения и ответы, сформулированные автором. Да это происходит не сразу, в каждом классе по-разному, но это уже другие ученики. Ученики думающие, обосновывающие свои действия, способные содержательно возражать и спрашивать, активно дополнять и исправлять тексты. Они чётко осознают необходимость введения понятия в контексте основной задачи, в явном виде говорят о способе решения задачи. Понятия становятся их инструментом при анализе и решении задач.

Если больше никто из учителей не работает в классе в этой технологии, то одним из способов проверки степенью овладения этой технологией учеником является умение переноса её на другие предметы. Если это происходит, то развитие ученика идёт по максимально благоприятному сценарию. В конечном счёте, учитель для такого ученика должен выполнять функцию консультанта, проводить КОД и участвовать в рефлексии процессов и результатов КОД.

Таким образом, понятия:

• могут рождаться в сознании ученика при решении им УЗ, стать продуктом его собственной деятельности, а не чужеродным элементом внесённым ему извне;
• могут развиваться в сознании ученика, претерпевать изменения, выражаться со временем через другие понятия, сохраняя смыслы;
• фиксируют выявленные закономерности при решении УЗ, способы решения задачи, требование задачи и назначение понятия;
• содержат в неявном виде последовательность действий по их применению;
• служат инструментом анализа и синтеза при решении задач;
• требуют специальной КОД со стороны учителя с последующей коррекцией содержательной или процессуальной части по применению понятия;
• обслуживают описание явлений, облегчают описание выявленных закономерностей качественно и количественно;
• должны быть предметом исследования, изучения как учителя, так и ученика.

Литература:

1. П.Я. Гальперин Психология как объективная наука Избранные психологические труды Под редакцией А.И.Подольского Москва-Воронеж 2003 стр.393.
2. Л.С. Выготский Собрание сочинений Том второй Москва “Педагогика” 1982 Стр.127.
3. В.В. Давыдов Виды обобщения в обучении Москва “Педагогика” 1972. Стр.397.