Развитие модельных представлений у учащихся старших классов в курсе физике

Развитие модельных представлений у учащихся старших классов в курсе физике

Додонова И.А., магистр физ. мат. образования  Нижегородский государственный педагогический  университет, г. Н. Новгород. com ,

 Мочалова Е.В., магистр физ. мат. образования  Нижегородский государственный педагогический  университет, г. Н. Новгород.

Одной из важнейших задачей школы в области методики преподавания физики является формирование личности, способной ориентироваться в потоке информации в условиях непрерывного образования. Осознание общечеловеческих ценностей возможно только при соответствующем познавательном, нравственном, этическом и эстетическом воспитании личности. В связи с этим первую цель можно конкретизировать более частными целями: воспитание у школьников в процессе деятельности положительного отношения к науке вообще и к физике в частности; развитие интереса к физическим знаниям, научно - популярным статьям, жизненным проблемам.

Физика является основой естествознания и современного научно - технического прогресса, что определяет следующие конкретные цели обучения: осознание обучающимися роли физики в науке и производстве, воспитание экологической культуры, понимание нравственных и этических проблем, связанных с физикой.  Физика как учебный предмет является незаменимым полигоном для формирования научного мышления, в частности, для развития у подростков абстрактно-логического мышления. От умения анализировать, синтезировать и оценивать научные факты зависит успешность дальнейшего жизненного пути человека.

Всякое вновь изучаемое явление или процесс бесконечно сложно и многообразно и потому до конца принципиально не познаваемо и не изучаемо. Поэтому, приступая к изучению явления или процесса, исследователь заменяет его схематической моделью, которая выбирается тем более сложной, чем подробнее и точнее нужно изучить упомянутое явления. В модели сохраняется только самые существенные стороны изучаемого явления, а все мало существенные свойства и закономерности отбрасываются [2].

Какие стороны изучаемого явления необходимо сохранить в модели и какие отбросить, зависит от постановки задачи исследований. Цель и задачи исследований формулируются перед началом разработки теории еще неизученного явления или уточнения уже существующей теории с целью более адекватного описания изучаемого процесса или явления [3]. Построение теории начинается с выбора некоторого достаточного множества понятий и определения тех объектов, с которыми будет оперировать формируемая теория. Иногда список исходно определяемых понятий и объектов называют терминами теории. Они должны быть определены так, чтобы воспринимались любым исследователем однозначно.

В методике обучения физики большое значение придается формированию у учащихся модельных представлений.

Цель нашей работы состоит: в конструировании уроков физики, на которых у обучаемых могли бы формироваться и развиваться модельные представления при изучении физических явлений, процессов, объектов, величин, теорий и т.д.

Модели и моделирование в научном познании.

Исключительно важным методом научного исследования в наши дни становится метод моделирования, который предполагает изучение объекта (оригинала) по его модели.

Впервые моделирование применили в ХV в. и это связано с именами Леонардо де Винчи и Галилея, а непосредственное применение метод моделирования получил лишь со второй половины ХIХ в. Потребность в моделировании возникает тогда, когда исследование непосредственно самого объекта невозможно, затруднительно, дорого, требует слишком длительного времени и т.п.

Особенности моделирования заключается в том, что моделирование осуществляется и на эмпирическом и на теоретическом уровне познания и при переходе одного уровня к другому. Моделирование имеет своим объективным основанием принцип отражения, подобие, аналогию и относительную самостоятельность формы.

Моделью называется - некоторая материальная и мысленная система, которая сходна с объектом исследования и способна заменять его в познавательном процессе.

Когда модель имеет с оригиналом одинаковую физическую природу, то мы имеем дело с физическим моделированием (физическая модель - сходство физеских свойств). Когда явление описывается той же системой уравнений, что и моделируемый объект, то такое моделирование называется математическим.

Знаково-логическим моделированием называется: если некоторые стороны моделируемого объекта мы представляем в виде формальной системы с помощью знаков, которая затем изучается с целью переноса полученных сведений на сам моделируемый объект.

Кибернетическое моделирование носит функциональный характер - при различии вещественных субстратов, энергетических процессов и внутренних причинных механизмов модели и оригинала последние подобны по своей функции, поведению.

Отношение модели и объекта - тождество.

На эмпирическом уровне модель заменяет изучаемый объект в модельном эксперименте. Основанием для такого переноса является именно аналогия, подобия между моделью и объектом и, следовательно, гносеологическое условие - обеспечение подобия объектов.

При всем этом выводы модельного эксперимента сохраняют определенную степень вероятности и при переходе от знания к реально существующему объекту возможно определенное расхождение.

При переходе к теоретическому знанию обычно строятся разнообразные мысленные модели.

Модель - не только идеализированный объект, это некоторое взаимодействие идеализированных объектов.

В теоретическом познании особую роль играет мысленный эксперимент, который обычно строится на мысленных моделях. Этот прием существенно отличен от реального эксперимента. В мысленном эксперименте свойства изучаемых объектов должны быть доведены до максимума и минимума, которые в принципе не достижимы.

Модели, и реальные, и мысленные выполняют в процессе познания разнообразные функции. Прежде всего, могут быть средством интерпретации создаваемых объектов и научной теории.

Модель выполняет и эвристическую функцию, может быть и источником нового знания. Моделирование применимо не только к познанию природы, но и к познанию общества, различных сторон жизни. И что существенно оно выполняет не как средство получения, а как средство прогнозирования.

В этом случае речь идет о создании мысленных моделей подобных возможному будущему состоянию.[6]

Модели позволяют представить  в наглядной форме объекты      и процессы,  недоступные для непосредственного восприятия.  Модели играют чрезвычайно важную роль в проектировании и   создании различных технических устройств,   машин и механизмов, зданий,   электрических цепей и т.д.  

Моделирование — это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.

Модель — это некий новый объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса.

Один и тот же объект может иметь множество моделей, а разные объекты могут описываться одной моделью.

Ниже приведем различные классификации  моделей [7].        

На основе анализа литературы установлено, что модели можно классифицировать по разным основаниям, а именно:

- по области использования,

- учет в модели реального фактора (динамики),

- по отраслям знаний,

- по способу представления.

По области использованияодели могут быть:

- учебными,

- опытными,

- научно – техническими,

- игровыми,

- имитационными.

По способу представления можно выделить материальные модели   (предметные, физические), воспроизводящие геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеющие реальное воплощение, и информационные  модели, не имеющие материального воплощения, строящиеся на информации.

Информационная модель представляет собой совокупность информации, характеризующую свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром. Информационные модели разделяют на знаковые, вербальные, компьютерные, некомпьютерные.

Не случайно в настоящее время при изучении различных дисциплин, в том числе целого ряда школьных предметов, все более широко применяются персональные компьютеры, как в процессе обучения, так и текущего контроля. Применение компьютеров активизирует процесс изучения дисциплины обучаемыми, облегчает и ускоряет усвоение нового материала и контроль, что в итоге повышает качество обучения и углубляет знания обучаемых. Для успешного применения компьютерных программ желательно создание специализированных классов и необходимо иметь программное обеспечение для наиболее важных разделов дисциплин [4].

Одной из уникальнейших возможностей электронной техники является компьютерное моделирование физических процессов [5].

В связи свыше сказанным необходимо уделить внимание психологическому аспекту моделирования.

Модель можно представлять как результат абстрагирования какого-то процесса или явления. Абстрагирование – это вид мышления, абстрактно – логическое мышление. А также способность логически мыслить, т.е. это свойство мышления любой личности обучаемого. Как известно по типу мышления людей разделяют на правополушарных и левополушарных. Индивидуализация и дифференциация – ведущие принципы современного обучения -  предполагают деление детей в соответствии с асимметрией полушарий головного мозга.  Как показывает практика, абстрагировать может не каждый ребёнок даже с развитым  логическим мышлением ввиду возрастных и познавательных особенностей. Поэтому наше исследование заключалось в развитии абстрактного мышления на уроках физики путём проведения моделирования физических процессов для учащихся классов  социально – экономического профиля. Для исследования отношения  учеников к использованию метода моделирования в процессе обучения физике нами составлена анкета, вопросы которой приведены ниже:

1. Что Вы понимаете под словом «модель»?

2.Какие модели Вы знаете? Приведите примеры.

3.Нужны ли модели в физической науке? Если «Да», то почему?

4.Использует ли Ваш учитель на уроках физики модели? Приведите примеры моделей.

Исследование проводилось в одной из общеобразовательных школ московского района г. Нижнего Новгорода с учащимися 11 класса. Наиболее характерными ответами были следующие:

1. Модель – практическое понимание темы, с помощью модели человек может посмотреть как на самом деле всё происходит.
2. Модель фотоэффекта, модель идеального газа, модель двигателя.
3. Я считаю, что нужны. С помощью модели ученики лучше понимают пройденный материал.
4. Да, использует.

В результате анкетирования было определено, что первоначальные знания о моделях  и их значении для изучения физики у школьников практически отсутствуют.

Для введения понятия «моделирование» была использована модель фотоэффекта, т.к. она наиболее полно вводит понятие частиц, которые являются категориями микромира, а явления микромира, т.е. квантовой физики можно изучать лишь с помощью физических моделей.

При изучении фотоэффекта в 11 классе необходимо использовать квантово-механическую модель движения микрочастиц. Для этого использовалась программа «Открытая физика. 2.5». Теоретическое изучение фотоэлектрического эффекта  дополнялось экспериментальной частью – рассмотрением и анализом  модели фотоэффекта в полупроводнике.

В ходе проведённого нами предварительного исследования установлено, что после уяснения сути метода моделирования отношение обучаемых к изучению физики резко изменяется, т.е. налицо положительная динамика в проявлении интереса и желания глубже изучить такие серьёзные вопросы, как фотоэффект, квантовая физика, строение атома и т.д. Очевидно, что для учеников 10-11 класса понимание метода вполне доступно и должно быть использовано в учебном процессе по физике.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алтухов В.Л., Шапошников В.Ф. О перестройке мышления: философско-методологические аспекты. М., 1988.
2. Философский словарь / Под ред. М.Т. Фролова. — М: Политическая литература, 1986. 560 с.
3. Энгельс Ф. Диалектика природы // Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 20.
4.  Педагогические нововведения в высшей школе.  Материалы IV Всероссийской научно-методической конференции. КубГТУ. Часть VI. Инновации в методиках преподавания учебных дисциплин. Краснодар. 1998. С. 14-16.
5. Зайченко, Ю.П. Основные проектирования интеллектуальных систем Ю.П. Зайченко/ [Электронный ресурс]    http://www.iasa.org.ua/tpr.php?lang=rus&ch=1
6. Волчецкая Т.С. http://www.vuzlib.net/beta3/html/1/34687/34701/
7. CD-диск. «Открытая физика. 2.5», изд. «Физикон» 2004г.;
8. Сауров Ю.А. Физика в 10 классе модели уроков М: Просвещение 2005
9. Сауров Ю.А. Физика в 11 классе модели уроков М: Просвещение 2005