На правах рукописи
КАСАТКИНА АЛЕКСАНДРА ВЛАДИМИРОВНА ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ ОБУЧЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ В ФИЗ...
17 downloads
170 Views
527KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
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
руководитель:
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 спецификой 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 физикоматематический и гуманитарный. Они являются одними из наиболее массовых и, одновременно, полярно-противоположных профилей, в плане специфики учебнопознавательной 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 гуманитарных 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 учебнометодических 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 исследований 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 физикоматематических 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 научнометодической 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 физикоматематического 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 физикоматематических и гуманитарных классах с использованием созданного программнометодического 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 физикоматематического 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 релятивистской 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 пространствавремени 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 физикоматематического 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 динамики - 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 1 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 реализации 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 физикоматематического 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 особенностей 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:
14 - усвоение раздела "Основы СТО" экспериментальным и контрольным как физикоматематическим, 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 физикоматематических, 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 физикоматематических 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.158159. 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.146148. 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.