Реферат на тему:

Інтенсифікація формування теоретичних знань учнів засобами нових
інформаційних технологій

Аналіз літературних джерел [2; 3; 6; 9; 13; 15 та ін.] і результати
власних науково-методичних досліджень (див., наприклад [10; 11])
дозволяють визначити метод моделювання як основний спосіб
навчально-пізнавальної діяльності учнів у контексті використання нових
інформаційних технологій (НІТ). Причому сутність діяльності з фізичного
моделювання, з нашої точки зору, полягає в установленні закономірних
(функціональних та генетичних) зв’язків між окремими елементами
(узагальненими моделями) комп’ютерної системи [10, 82]. Але відзначимо,
що теоретичний рівень пізнання не обмежується фізичними законами, в
результаті вивчення шкільного курсу фізики в учнів необхідно сформувати
систему фізичного знання, що відповідає рівню фізичної теорії [14], яка
є цілісним відображенням певного кола явищ матеріальної дійсності. Як
підкреслює О.І. Ляшенко, метою навчання основам сучасної фізики є
формування системи пізнавальних дій, що забезпечує засвоєння учнями
фізичних знань відповідних структурі фізичної теорії – її основі, ядру і
вивідним знанням. Такий підхід зорієнтований на з’ясування сутності
об’єкта пізнання і формує в учнів значно вищий пізнавальний потенціал,
оскільки відповідає розвитку в них теоретичного мислення [9, 65].

За ідеєю Г.М. Голіна, існує вищий рівень теоретичного пізнання, який, на
відміну від його окремих методів (абстрагування, ідеалізації,
моделювання, формалізації та ін.), є цілісним вивченням основних
фізичних теорій та включає у себе основні етапи процесу наукового
пізнання [2, 25]. А.І. Павленко відзначає, що саме “цілісне вивчення
основних фізичних теорій вимагає синтезу, інтеграції наукових методів
пізнання (спостереження, експерименту, модельних гіпотез, сходження від
абстрактного до конкретного тощо) на якісно вищому рівні, на рівні їх
діалектичного застосування у цілісній теорії” [13, 36].

Як ми підкреслювали вище, центральною ідеєю нашого дослідження є
обґрунтування методу моделювання як основного способу
навчально-пізнавальної діяльності учнів у контексті НІТ. Саме тому
розкриття проблеми відтворення змісту фізичних теорій засобами НІТ
потребує аналізу діалектичного взаємозв’язку та взаємозалежності таких
форм відображення матеріальної дійсності як модель та теорія. У
літературних джерелах висловлюється наступна думка щодо сутності
проблеми: поки теорія розглядається тільки як система знань, що
відображають певне коло явищ матеріальної дійсності, вона не є моделлю у
загальноприйнятому смислі слова. Але якщо теорія використовується для
набуття нових знань, до теперішнього часу відсутніх, вона виступає в
ролі логічної моделі, дедуктивний розвиток якої замінює експериментальне
дослідження дійсності [15, 59-60]. Це твердження відповідає визначенню
моделі В.О. Штоффа: модель – це подумки уявлювана або матеріально
реалізована система, яка, відображаючи або відтворюючи об’єкт
дослідження, замінює його таким чином, що її вивчення дає нам нову
інформацію про цей об’єкт [16, 19].

Навчання фізики спрямоване перш за все на усвідомлення учнями основ
класичної механіки, молекулярно-кінетичної теорії (МКТ), класичної
електродинаміки, квантової теорії і теорії відносності. Багато авторів
підкреслюють, що серед фундаментальних фізичних теорій це завдання можна
розв’язати на повноцінному (кількісному) рівні лише для класичної
механіки Ньютона [9; 13 та ін.].

Організація діяльності з моделювання засобами НІТ потребує використання
системи знаково-символічних засобів, що дозволяють оперувати (тобто
фіксувати та здійснювати різноманітні перетворення) з суттєвими
відношеннями фізичних об’єктів. Саме тому можливість застосування учнями
середньої школи математичного апарату теорії Ньютона (основ векторної
алгебри та диференціального числення) є дуже важливою у контексті
організації знаково-символічної діяльності з моделювання фізичних
процесів та явищ. Таким чином, саме механіка Ньютона може слугувати тією
основою, що дозволить перейти з рівня розгляду діяльності з моделювання
як встановлення закономірних зв’язків між комп’ютерними об’єктами на
рівень вивчення засобами НІТ найбільш складної одиниці фізичного знання
– теорії.

Інтенсифікація формування системи фізичних знань у контексті нових
інформаційних технологій потребує визначення структури та змісту
навчального матеріалу, який підлягає засвоєнню за допомогою комп’ютера.

У структурі логічно завершеної фізичної теорії виділяють такі складові
елементи, як основа, ядро, висновки (наслідки пізнавального застосування
ядра теорії) [8].

В основу входить емпіричний базис (сукупність дослідних фактів),
ідеалізований об’єкт (у фундаментальних теоріях це модель матерії на
певному структурному рівні), фізичні величини (кількісна міра
властивостей різних сторін ідеалізованого об’єкта).

Завдання трансформації накопиченого емпіричного базису в теоретичне
знання потребує для свого розв’язку створення деякого ідеалізованого
“посередника”, що, по-перше, відтворює найбільш істотні та загальні риси
реальних фізичних об’єктів та, по-друге, відіграє роль фундаментальної
ідеї, на базі якої і будується ядро теорії.

Фізичні теорії відрізняються, перш за все, покладеними в їх основу
ідеалізованими об’єктами, від яких залежить сфера явищ, що пояснюються,
та евристична сила теорії. Для прикладу відзначимо, що у спеціальній
теорії відносності (СТВ) ідеалізованим об’єктом є неевклідова
чотиривимірна множинність координат та проміжків часу, в електронній
теорії – електронний газ, у квантовій електродинаміці – система
гармонічних осциляторів, у МКТ – ідеальний газ і т. ін.

Ядро фізичної теорії складає система загальних законів, як правило,
виражених у математичних рівняннях, а також постулати та правила
(характерні для теорії закони збереження та принципи симетрії). Так,
ядро класичної механіки складають рівняння Ньютона (деякі автори
відносять до нього також і закони збереження імпульсу та енергії),
електродинаміки – система рівнянь Максвела, МКТ – рівняння стану
ідеального газу, термодинаміки – її “начала”, теорії відносності –
рівняння Ейнштейна і т. ін.

Система рівнянь фактично відтворює специфічні закони руху і способи
функціонування відповідного ідеалізованого об’єкта, на вивчення якого
спрямована дана теорія, завдяки чому він постає перед нами в динаміці та
розвитку.

Кожна фізична теорія використовує для пояснення певного кола явищ
дійсності специфічні математичні засоби. Так, для опису поведінки
ідеалізованого об’єкта, покладеного в основу класичної механіки,
використовується векторна алгебра та диференціальне числення; розв’язок
задач МКТ потребує залучення методів математичної статистики; СТВ,
ідеалізованим об’єктом якої є неевклідовий чотиривимірний простір за
відсутності поля тяжіння, використовує тензорне числення і т. ін.

Висновки з фундаментальних теорій досягаються в ході розв’язку для
окремих випадків систем рівнянь, що відносяться до її ядра.

У найзагальнішому випадку навчання основам фізики можна зобразити як
систему процесів розв’язування тих чи інших видів задач, які в структурі
фізичної теорії відносяться до інтерпретації та прикладного застосування
її висновків [9, 45]. Але методи навчання основам фізики, що
використовуються в школі, неспроможні повністю підпорядкувати зміст
задачному підходу (як виведення нового знання з ядра теорії) – цьому
заважає як складність сучасних фізичних теорій та відповідних
математичних методів, так і недостатній розвиток розумових здібностей
школярів. Як підкреслює В.В. Давидов, “традиційна система навчання, хоча
й декларує принцип науковості освіти, разом з цим не володіє, на наш
погляд, адекватними засобами його цілеспрямованої реалізації” [3, 5].

Відзначимо, що створені в наш час математичні процесори, які дозволили
адаптувати складні математичні методи до їх застосування досить широким
колом фахівців, все ж таки призначені для розв’язку спеціальних задач та
потребують для свого використання знань, умінь і навичок, не пов’язаних
безпосередньо зі змістом шкільного курсу фізики, тому їх застосування
учнями середньої школи зустрічається з багатьма труднощами.

Як ми зауважили вище, кожна фізична теорія використовує для опису
поведінки ідеалізованого об’єкта специфічний математичний апарат, але
лише математичні методи механіки Ньютона (основи векторної алгебри та
диференціального числення) можуть бути доступними учням середньої
загальноосвітньої школи у більш-менш повному обсязі.

Сутність пропонованого підходу полягає у використанні математичного
апарату теорії Ньютона з метою організації знаково-символічної
діяльності з моделювання фізичних процесів та явищ. Підкреслимо, що
застосування основ векторної алгебри та диференціального числення
дозволяє учням середньої загальноосвітньої школи побудувати моделі
досить широкого кола фізичних явищ, яке не обмежується відтворенням лише
механічних закономірностей.

Розкриємо методичні засади реалізації змісту теорії Ньютона на прикладі
розробленої нами системи демонстраційного комп’ютерного моделювання
фізичних процесів та явищ DEMO (від англ. DEmonstrative MOdels making of
physical phenomena and processes).

Вивчення розділу “Механіка” у середній загальноосвітній школі має
головною метою формування у свідомості учнів системи понять, що
відносяться до основи теорії Ньютона (філософські принципи причинності,
взаємодії, універсального зв’язку та розвитку явищ матеріального світу),
ядра (закони руху та закон всесвітнього тяжіння), законів збереження
механічного імпульсу та енергії, які в середній школі розглядаються як
висновки теорії, а також теоретичних і експериментальних засобів
пізнання навколишньої дійсності.

До базису теорії Ньютона відносяться також моделі “абсолютних”, тобто не
залежних від руху матерії, простору та часу і ряд емпіричних понять,
таких, як траєкторія, шлях, переміщення, швидкість, прискорення, інертна
та гравітаційна маси, рух, вага і т. ін.

Традиційна методика введення моделей простору та часу розкрита у
посібнику [6, 84-89]. Л.Р. Калапуша наголошує, що проблема формування в
учнів модельних уявлень щодо основних форм буття матерії має велике
пізнавальне, методологічне та виховне значення [6, 84].

Завдання формування та розвитку системи понять механіки у ході побудови
просторово-часових моделей розв’язується в системі DEMO врахуванням
найбільш загальних принципів фізичної науки, до яких, у першу чергу,
належать основні властивості форм буття матерії.

Всі фізичні тіла існують у просторі й часі. Перше означає, що всі
реальні об’єкти мають форму, розміри та займають певне місцеположення
серед інших тіл, друге – те, що ті чи інші перетворення, які зазнають
фізичні об’єкти, завжди мають деяку часову тривалість. Математично
існування тіл у просторі та часі знаходить своє відображення у наявності
в усякому фізичному законі в явній або неявній формі їх
просторово-часових характеристик.

Реальному простору притаманні властивості однорідності та ізотропності.

Однорідність простору означає, що всі його точки рівноцінні.

Відображенням цього принципу у системі демонстраційного комп’ютерного
моделювання фізичних процесів та явищ DEMO є можливість переносити
початок координатної системи у довільну точку екрану ЕОМ. Рівноправність
усіх напрямків (ізотропність) простору дає змогу робити будь-який
поворот координатних осей.

Реальний простір є тривимірним, тобто місцеположення будь-якої точки
фізичного об’єкта (а отже, і його моделі) однозначно визначається трьома
незалежними величинами – координатами x, y, z.

Час є одновимірним, тобто для однозначної фіксації події достатньо мати
лише одну величину – інтервал часу t, який відраховується від деякого
початкового моменту t0. Час є однорідним, що дає можливість змінювати
початок його відліку. Визначення властивостей часу (початку відліку,
довжини часового інтервалу) необхідно у випадку побудови динамічної
комп’ютерної моделі.

Наслідком цих фундаментальних властивостей простору та часу є основні
закони збереження: однорідність простору зумовлює закон збереження
імпульсу, ізотропність – закон збереження моменту імпульсу, з
однорідності часу випливає закон збереження енергії. Якщо приписати
ідеальним об’єктам системи демонстраційного комп’ютерного моделювання
DEMO фізичні величини, що відбивають визначені вище фундаментальні
властивості руху матерії, то при будь-яких перетвореннях в ізольованій
системі цих об’єктів буде зберігатися як імпульс, так і їх повна енергія
(у відсутності дисипативних сил).

J

Z

v

?

u

R b d v x ,

.

b

?

Ue

TH

gd/:ue

Cфундаментальних властивостей простору та часу.

Згідно з Державною національною програмою «Освіта. Україна XXI століття»
[4] та Концепцією середньої загальноосвітньої школи України [7] метою
шкільної освіти є формування в учнів цілісної картини світу. Таким
чином, при конструюванні змісту фізичної освіти на рівні навчального
предмета необхідно мати метою формування системи фізичних знань, що в
сукупності складають сучасну фізичну картину світу (ФКС) [5, 59].
Реалізація цих положень потребує, щоб наукова інформація, відібрана для
формування змісту фізичної освіти, була ієрархічною складовою сучасної
ФКС; сприяла формуванню в учнів когнітологічного стилю мислення та
“фізичного бачення” світу; розвивала уявлення про моделювання фізичних
явищ, моделі фізичної науки та їх співвідношення з реальністю; сприяла
послідовному розкриттю можливостей фізичних методів дослідження [5, 59].

Підкреслимо наступний факт. Разом із бурхливим розвитком фізичних
теорій, ХХ століття ознаменовано формулюванням так званих
фундаментальних фізичних принципів, які є спільними (прохідними) для
всієї системи фізичного знання. Треба відзначити, що сучасна ФКС,
формування якої вважається головним завданням навчання фізики, має своєю
основою саме систему фундаментальних принципів, які конкретизуються щодо
окремої фізичної теорії [13, 75]. Але, як правило, фундаментальні
фізичні принципи окремо за межами фізичної теорії не розглядаються [13,
76]. Саме тому наш підхід, що дозволяє розглядати систему фізичних знань
крізь призму певного кола фундаментальних понять, є дуже важливим з
точки зору формування сучасної ФКС (зауважимо, що на можливість
формування фізичного змісту на основі певного кола теоретичних принципів
– детермінізму, інваріантності, відповідності, додатковості – вказують й
інші автори – див., наприклад [12, 111]).

Взаємодія з системою DEMO ілюструє симетрію або інваріантність законів
природи щодо чотирьох видів перетворень: руху, переносу, обертання у
просторі та зсуву в часі. Таким чином, прояв властивостей комп’ютерної
моделі не залежить від вибору та розташування на екрані ЕОМ просторової
системи координат (що є відображенням принципу відносності – будь-який
процес відбувається однаково в ізольованій системі, що знаходиться у
стані спокою або рухається прямолінійно та рівномірно).

), що дозволяє припустити осьову симетрію магнітного поля, створеного
рухомим зарядом.

DEMO надає можливість зміни як просторових масштабів, так і швидкості
перебігу відповідних процесів, створення динамічної моделі досягається
визначенням серед її властивостей параметру часу t, тобто встановленням
зв’язку стандартних об’єктів із таймером ЕОМ, завданням початку його
відліку (звичайно, t0=0) та довжини інтервалу (однією з можливостей є
побудова демонстрації у реальному часі, завдяки встановленню довжини
інтервалу, що дорівнює секунді реального часу).

Створення моделі простору у DEMO здійснюється шляхом визначення
властивостей стандартного об’єкта “Система координат”, який дозволяє
промасштабувати простір, визначити його вимірність, а також розташувати
систему координат на екрані ЕОМ, здійснити поворот координатних осей,
визначити їх довжину. З технічної точки зору, визначення властивостей
“Системи координат” має метою трансформацію реальних координат
тривимірних об’єктів у видові (екранні) координати (використовується
ортогональна проекція, без урахування видових перетворень).

Однозначний опис руху матеріального тіла потребує визначення способу
задання його положення, що й досягається введенням тієї чи іншої системи
координат (операція арифметизації простору). У більшості випадків у
навчанні фізики використовуються плоска та права просторова декартові
системи координат.

та координатами x, y, z точки у прямокутній просторовій (декартовій)
системі координат існує зв’язок:

– одиничні вектори (орти), які спрямовані вздовж відповідних
координатних осей.

Побудова комп’ютерних моделей простору та часу є необхідною умовою
створення моделі механічного переміщення як зміни положення тіла у
просторі з ходом часу. У курсі шкільної фізики закони механічного руху
вивчаються, головним чином, шляхом застосування моделі матеріальної
точки. Матеріальна точка – це ідеальна модель фізичного тіла в
абстрагуванні від його форми, розмірів та структури.

Причиною широкого використання моделі матеріальної точки є, по-перше,
той факт, що закони її руху найпростіші та в деяких випадках достатні
для опису механічного переміщення всього тіла (поступальний рух),
по-друге, уявлення будь-якого фізичного тіла як системи матеріальних
точок зводить його вивчення до опису взаємодії елементів цієї системи
(модель матеріального тіла).

Така властивість, як радіус-вектор (або координати) є для матеріальної
точки обов’язковою, бо, в сутності, відбиває факт її буття – будь-які
матеріальні об’єкти існують у просторі та часі.

Разом із кінематичними характеристиками механічного руху тіла, такими,
як радіус-вектор, швидкість та прискорення, матеріальній точці можна
приписати деякі додаткові властивості, наприклад, масу, заряд, спін і
т. ін. Це правомірно робити в тому випадку, коли відповідні фізичні
характеристики тіла можна вважати локалізованими в матеріальній точці.
Для вичерпного опису механічного руху матеріальної точки необхідно та
достатньо визначити її координати в просторі у будь-який момент часу,
тобто задати закон руху. Взагалі, ця абстракція може використовуватися
не тільки у курсі механіки, але й при вивченні інших розділів та тем
шкільної фізики, наприклад, молекулярно-кінетичної теорії (модель атома
чи молекули) або електродинаміки та атомної фізики (модель елементарної
частинки).

Розкриття змісту теорії Ньютона здійснюється в ході розв’язку для
окремих випадків систем рівнянь, що відносяться до її ядра. Додатковий
час, що витрачається на ознайомлення учнів з основами векторної алгебри
та диференціального числення, необхідними для побудови більш загальних
математичних моделей механічного переміщення, компенсується практичною
безмежністю модельованих ситуацій та можливістю вибору і дослідження тих
із них, які мають найбільшу дидактичну цінність.

Разом із вищевикладеним, можна навести приклади інших підходів до
визначення структури наукових теорій: так, розглядаючи теорію з точки
зору відображення та функціонування певної ієрархії закономірностей,
М.С. Бургін та В.І. Кузнєцов [1] виділяють у її складі такі
взаємопов’язані та взаємообумовлені підсистеми:

Логіко-лінгвістична – сукупність понять та логічних зв’язків між ними,
що надають можливість опису предметної ситуації певними мовними
засобами.

Модельно-репрезентативна – системи різного виду моделей та модельних
форм відтворення законів матеріальної дійсності.

Прагматико-процедурна – алгоритми перетворювання та застосування кожного
типу елементів теорії.

Проблемно-евристична – система можливих задач (проблемних ситуацій),
правил їх постановки та розв’язку (зняття суперечності).

Відображення програмним продуктом логіко-лінгвістичної підсистеми
потребує врахування синтаксичних аспектів побудови знакових математичних
моделей та логічних правил виведення висновків. Роль об’єктів
модельно-репрезентативної підсистеми полягає у фізичній інтерпретації та
унаочненні системи математичних законів ядра теорії. Сукупність правил
взаємодії із комп’ютерними об’єктами, що зафіксована у
прагматико-процедурній підсистемі, повинна забезпечувати формування у
свідомості учнів суттєвих властивостей модельованих засобами ЕОМ
фізичних явищ шляхом застосування певного роду операцій (у тому числі
загальнологічних – аналізу, синтезу, індукції, дедукції, узагальнення і
т. ін.). Засвоєння фізичної теорії здійснюється у ході розв’язку задач,
які є складовим елементом проблемно-евристичної підсистеми.

Важливо відзначити, що перевагою такого структурування фізичної теорії є
поєднання фізичного знання з методологією, що перешкоджає його
відчуженню від пізнавальної діяльності учнів.

Окреслений вище підхід може бути застосований і при вивченні інших
розділів шкільної фізики. Як підкреслює О.І. Ляшенко, “актуальним стає
побудова в мисленні учнів ідеальної моделі газу і застосування до неї
математичного апарату теорії імовірностей (у шкільному навчанні фізики,
на жаль, другу умову не можна забезпечити в повному обсязі). Опис
конкретних фізичних явищ відбувається з позицій застосування до них
моделі ідеального газу.

Таке структурування навчального матеріалу молекулярної фізики на основі
принципу сходження від абстрактного до конкретного веде до організації
навчально-пізнавальної діяльності учнів, у результаті якої окремі прояви
явищ пояснюються і передбачаються, виходячи з системи понять і загальних
принципів побудови теоретичного знання” [9, 83-84].

Все викладене вище дозволяє виділити наступні тези:

мета формування в учнів системи фізичних знань не обмежується рівнем
фізичних закономірностей, а потребує вивчення та усвідомлення цілісних
фізичних теорій (хоча б і на якісному рівні);

шлях інтенсифікації формування системи теоретичних знань засобами НІТ ми
вбачаємо в організації інтерактивної взаємодії з ППЗ, основою якої є
сукупність пізнавальних дій, що забезпечує формування знань, відповідних
структурі фізичної теорії – її основі, ядру та висновкам;

використання учнями середньої школи математичного апарату теорії Ньютона
(основ векторної алгебри та диференціального числення) дозволяє
організувати знаково-символічну діяльність з моделювання фізичних
процесів та явищ, що не обмежується відтворенням кола механічних
закономірностей;

засоби ЕОМ дозволяють здійснити розгляд фізичних явищ крізь призму
фундаментальних понять, які є спільними (прохідними) для всієї системи
фізичного знання. Ці загальні принципи зумовлюють можливі способи
побудови комп’ютерної моделі.

ЛІТЕРАТУРА

Бургин М.С., Кузнецов В.И. Введение в современную точную методологию
науки: Структуры систем знания. – М.: АО «Аспект Пресс», 1994. – 304 с.

Голин Г.М. Вопросы методологии физики в курсе средней школы: Кн. для
учителя. – М.: Просвещение, 1987. – 127 с.

Давыдов В.В. Виды обобщения в обучении (логико-психологические проблемы
построения учебных предметов). – М.: Педагогика, 1972. – 423 с.

Державна національна програма «Освіта. Україна XXI століття». – К.:
Райдуга, 1994. – 61 с.

Дробчак З.Д., Мазур Г.Р. Фундаментальність – домінуюча вимога відбору
змісту фізичної освіти // Дидактичні проблеми фізичної освіти в Україні:
Матеріали Всеукраїнської науково-практичної конференції. – Чернігів:
Чернігівський державний педагогічний університет ім. Т. Г. Шевченка,
1998. – С. 58-60.

Калапуша Л.Р. Моделювання у вивченні фізики. – К.: Рад. шк., 1982. – 158
с.

Концепція середньої загальноосвітньої школи України // Рідна школа,
1995. – № 6. – С. 18-25.

Кузнецов В.В. Избранные труды по методологии физики. (На подступах к
теории физического познания). – М.: Наука, 1975. – 296 с.

Ляшенко О.І. Формування фізичного знання в учнів середньої школи:
Логіко-дидактичні основи. – К.: Генеза, 1996. – 128 c.

Межуєв В.І., Сергєєв О.В. Побудова системи навчальних фізичних моделей
засобами нових інформаційних технологій // Вісник Чернігівського
державного педагогічного університету ім. Т.Г. Шевченка. Випуск 3.
Серія: педагогічні науки: Збірник. – Чернігів: ЧДПУ, 2000. – № 3. –
С. 81-88.

Похожие записи