Методы научного познания как основа получения системных знаний при обучении физике

Ведущая роль фундаментальной науки в
содержании образования является на данный
момент очевидной. Уровень образования
подрастающего поколения в массовой школе
определяет интеллектуальный потенциал
государства. Больше чем какой-либо другой
предмет, физика способствует формированию
современного научного мировоззрения и
миропонимания. Во всем мире ведутся поиски
оптимальной структуры учебного курса и методов
обучения в соответствии с методологией
изучаемой науки.

В данной работе представлены наработки автора
по данной проблеме. Преподавание физики и
астрономии в Усть-Илимском экспериментальном
лицее осуществляется по авторской программе,
построенной по законам методологии науки.
Ведущей идеей при создании программы являлось
использование метода научного познания при
формировании теории. Реализация подобного
подхода решает многие проблемы обучения,
максимально предоставляя учащимся инициативу,
свободу в процессе познания и предоставляет
возможность ощущения радости творчества. Владея
методом познания, ученик ощущает себя равным в
правах с учителем на научные суждения. Это
способствует раскованности и развитию
познавательной инициативы ученика, без которой
не может идти речи о полноценном процессе
формирования личности.

При обучении учитель организует учебный
процесс для всех учащихся, но процесс познания и
творчества индивидуален. Для каждого учащегося в
отдельности этот процесс настолько успешен,
насколько этот отдельный ученик владеет методом
научного познания. Овладение учащимися методом
научного познания делает для них процесс
обучения осмысленным и потому комфортным, делает
ученика уверенным в своих силах.

Многолетний опыт обучения позволяет говорить о
некоторых недостатках подготовки учащихся в
области методов научного познания, таких как:

  • отсутствие представления о модельном отражении
    действительности в нашем сознании, а значит о
    границах применимости любого теоретического
    знания;
  • отсутствие навыков осуществления “мысленного
    эксперимента”, теоретического анализа
    результатов работы “модели”, умение делать
    выводы на основе этого анализа о закономерностях
    и законах, позволяющих предвидеть и
    предсказывать.

Конечно, процесс научного познания ученика и
ученого существенно различается, но в то же время
имеет принципиальное сходство-познание для всех
и всегда индивидуально.

Можно выделить основные положения концепции
научного познания, доступные и понятные каждому
учащемуся:

- Научное познание имеет циклический характер и
состоит из взаимосвязанных звеньев; наблюдение и
анализ фактов, формулировка проблемы, выдвижение
гипотезы, теоретический вывод следствий, их
экспериментальная проверка, установление
эмпирических законов и применение теории на
практике;

- Научное знание от верования отличается
выверенностью фактов, обоснованностью
теоретических положений, логической строгостью
выводов и подтверждением на практике;

- Научное знание опирается на конечное число
отобранных фактов и поэтому оно имеет область
применения и границы применимости;

- Научное познание базируется на прежнем опыте
и поэтому модельно; в процессе развития науки при
получении новых фактов в модели объектов и
явлений развиваются, уточняются и меняются,
меняется и их интерпретация;

- Совпадение теоретических выводов с
результатами опыта подтверждает применимость
построенной модели в данной области, но не
свидетельствует об окончательном познании
объекта и явления;

- В научном познании одинаково важны как
интуитивная догадка при выдвижении гипотез и при
поиске способов применения теории на практике,
так и строгие логические преобразования при
выводе теоретических следствий и научных
предсказаний.

Реализовать хотя бы частично данные положения
удается в лицее, так как программа изучения
физики значительно отличается от существующих
программ. Первоочередной задачей при ее создании
был отбор строго ограниченного количества
важнейших фактов и объединения их стержневой
идеей, являющейся центральной для понимания
основ современной физики.

Такой стержневой идеей явилась концепция
познания вещества и поля как двух форм
существования материи. Этой идеей определяется
оригинальная, хотя и не бесспорная идея курса. Он
построен не по принципу усложнения форм движения
материи (механика, МКТ, электричество и т.д.), а по
принципу единого рассмотрения сначала
феноменологии, а затем внутреннего механизма
движения материи в двух формах: вещества и поля.

Изучение общеобразовательных предметов в
Усть-Илимском экспериментальном лицее
осуществляется в режиме недельного погружения.
Это приводит к необходимости объединения
материала в крупные блоки. Логично было каждое
погружение представить в виде отдельной научной
теории и построить его изучение в соответствии с
этапами научного познания.

Учебный процесс во время погружения построен
таким образом, что учащимся предоставляется
возможность пройти все этапы научного познания.
На исторических примерах раскрывается
соотношение и связь эмпирических фактов,
теоретических моделей, следствий из них и
эксперимента.

Экспериментальные факты – наиболее устойчивая
часть научных знаний. Более изменчива
интерпретация фактов, ведущая к формулировке
гипотезы. Модельные гипотезы наиболее
подвержены изменениям: в силу своей
абстрактности модели объектов и явлений
остаются верными лишь до тех пор, пока не
проявляется значимость свойств, которыми
пренебрегли при моделировании как
несущественными.

В процессе научного исследования модель
изучаемого объекта или явления выступает
первоначально как догадка.

Верная гипотеза обладает огромной
эвристической силой, ее логическое развитие
открывает путь к теоретическому предвидению,
однако и гипотеза и вытекающие из нее следствия
требуют экспериментальной проверки. Как
положительный, так и отрицательный результаты
эксперимента имеют для науки равное по ценности
значение.

Успешный эксперимент или изобретение,
сделанное на основе теории, означает триумф этой
теории. И то и другое пополняет совокупность
фактов, лежащих в ее основе. Отрицательный
результат корректно поставленного эксперимента
означает необходимость новой теории, следующего
цикла познания.

Существует необходимость формирования у
учащихся представления о процессе научного
познания в целом. Показать цикличность развития
научного познания от анализа совокупности
фактов и постановки проблемы к гипотезе, от
гипотезы к теоретическим выводам, от выводов к их
интерпретации, экспериментальной проверке и
практическому применению: факты —> модель —>
следствия —> эксперимент.

Физика – единственная фундаментальная наука,
способная сформировать современное
мировоззрение и научный стиль мышления человека.
Это обусловлено тем, что именно физика имеет дело
с элементарными объектами и простейшими
явлениями природы. В физической науке удалось
создать соответствующие реальности, строгие
понятия, построить идеальные модели,
сформировать количественные законы, разработать
теории. На базе физики может быть организовано
рассмотрение комплексных проблем,
способствующих развитию умений и навыков
самостоятельной исследовательской
деятельности.

В физической науке процесс познания и форма
обобщений отвечает теоретическому обобщению,
которое включает в себя следующие этапы:

1 этап:

Накопление и анализ фактов и их связей
в процессе предметно-материальной деятельности
человека.

2 этап:

Абстрагирование – отвлечение от
конкретных явлений и формулировка обобщения с
использованием той или иной идеальной его формы.

3 этап:

Получение и обсуждение всевозможных
конкретных выводов и следствий из главной
закономерности – абстрактной формулы, закона,
принципа.

4 этап

: Применение полученных знаний к
конкретным физическим объектам и явлениям.

Названные этапы теоретического обобщения
непосредственно соответствуют этапам цикла
обучения:

1

-факты, 2-модель, 3-следствия, 4-применение.

При изучении физики и астрономии,
целесообразно погружение построить таким
образом, чтобы различные этапы учебной
деятельности соответствовали этапам процесса
научного познания. В самом начале изучения
физики учащихся знакомят в общих чертах с
методом научного познания, на примере любой
теории. Тогда построение погружения может
выглядеть следующим образом:

1.Анализ и систематизацию фактов можно
начать с обобщения жизненного опыта школьников,
или знакомства с описанием результатов
эксперимента в соответствующей литературе.
На данном этапе работа может быть
организована в виде эвристической беседы,
педагогической мастерской и др. способ активной
учебной деятельности.
2.Гипотезу учащиеся могут формулировать
самым различным образом.
Работа в группах сменного состава с
последующим озвучиванием гипотезы для всей
аудитории.
3.Следствием данной гипотезы является
построение теории, включающей в себя основные
понятия, законы, закономерности.
Эффективнее всего лекция учителя, либо
работа в разновозрастных группах по изучению
данной темы в учебной литературе.
4.Экспериментальная проверка
теоретических выводов и определение границ
применимости построенной теории.
Выполнение лабораторных работ, решение
задач, различного уровня сложности, подготовка
сообщений, докладов о практическом применении
данной теории.

Подобное построение погружения при изучении
физики позволяет сформировать ясное
представление о циклах научного познания (факт –
проблема – гипотеза – теоретический вывод –
эксперимент) и модели явления, лежащей в основе
гипотезы, а также об области применимости теории.
В качестве примера рассмотрим одно из
погружений.

Тема: Основы термодинамики

Данное погружение входит в годичный курс
“Вещество” и рассматривает свойства материи на
основе законов термодинамики. Общая схема
изучения материала соответствует структуре
теоретического обобщения, структуре теории:

Целью изучения данной темы является
формирование знаний учащихся по основам
термодинамики на основе структуры физической
теории.

Для достижения данной цели ставятся следующие
задачи:

  • изучить основные понятия и закономерности
    термодинамики;
  • продолжить развитие способности к обобщению и
    систематизации изученного материала;
  • продолжить формирование экспериментальных
    навыков при работе с лабораторным оборудованием;
  • продолжить формирование умения применять
    полученные знания при решении задач различного
    уровня сложности.

Для реализации поставленной цели предлагается
следующая структура погружения:

№ урока; тема Предлагаемые уровни усвоения Виды упражнений Характер деятельности учителя и
учащихся
Формирование практических умений и
навыков
1-5 основы

термодинамики (теория)

Репродуктивный продуктивный Лекция, работа с учебной литературой Руководящий,

Консультирующий /Активно
исполнительный

Закрепление умений составления
конспекта, лекции учителя, работы с литературой,
отработка умения обобщения и систематизации
знаний
6, 7 самоконтроль, взаимоконтроль Продуктивный Работа с листами самоконтроля,
взаимоконтроля
Консультирующий /
Активно-самостоятельный
Закрепление навыков работы по готовым
тестам и их составление
8-10 решение задач Конструктивный Работа с задачами стандартного уровня:
(8) № 615-676
Консультирующий /
активно-самостоятельный
Формирование умения применения
полученных знаний при решении задач
11-13 решение экспериментальных задач Продуктивный конструктивный Лабораторные работы Активно-самостоятельный Работа с лабораторным оборудованием.
Отработка умений вычисления и погрешностей
измерения и вычисления
14-20 Решение задач Конструктивно- творческий Решение задач повышенного уровня
сложности (10)-№ 13.1-13.23, 14.1-14.26
Консультирующий / творчески
самостоятельный
Закрепление умения решения задач,
применение полученных знаний в нестандартной
ситуации
21-25 зачет Продуктивный творческий Выполнение контрольной работы, устные
ответы на вопросы к зачету.
Контролирующий, оценивающий /
творчески-самостоятельный
Закрепление умения излагать свои мысли,
защищать свои исследования, применять
полученные знания для решения задач разного
уровня сложности

Построение структуры термодинамики и
соотнесение ранее изученного материала со
структурой физической теории

Основание теории


Опытные обоснования Расширение тела при нагревании,
охлаждение тел при расширении, нагревание тел
при совершении работы.

Ядро теории


Модель, основные понятия,
закономерности
Модель – термодинамическая система;

основные
понятия — внутренняя энергия, тепловое
равновесие, работа в термодинамике, количество
теплоты;

закономерности — первое начало термодинамики.

Следствие


Следствия Применение первого начала
термодинамики к изопроцессам

Интерпретация


Экспериментальное подтверждение Создание тепловых двигателей и их
совершенствование
Практическое подтверждение Паровая машина, ДСВ, карбюраторный
двигатель, реактивный двигатель.

Изучение материала погружениями (25 часов),
позволяет разбить весь учебный материал на
крупные блоки, каждый блок – это одно погружение,
построенное по вышеизложенным принципам. При
подобном рассмотрении материала каждая
изучаемая тема может быть представлена в виде
завершенной научной теории, что способствует
формированию целостного восприятия научной
картины мира, развитию творческих способностей
учащихся и значительному повышению интереса к
изучению физики и астрономии. “Погружение” в
физику позволяет увидеть внешние и внутренние
связи рассматриваемых явлений, рассмотреть
целое как совокупность взаимодействующих
частей, а значит, является условием приобретения
системных знаний.

Следующий: