Научный метод как основа решение проблемы формализма знаний школьников.

В педагогической прессе активно обсуждается выполнение принятого в 2012 году Федерального Государственного образовательного стандарта общего образования [12]. Целевые установки этого документа вполне соответствуют велению времени. Общее образование строится … «в интересах становления личности, гражданственности и самосознания обучающихся, их духовно-нравственного развития, обеспечения национальной сплоченности, безопасности и социального прогресса, качества и конкурентоспособности российского образования». [12 с. 7]. Однако, вызывает тревогу то, что на протяжении полутора десятков лет в тестовых проверках ЕГЭ и, в особенности PISA, фиксируется отставание наших школьников в общей и, в первую очередь, научной грамотности [2].

 Суть проблемы в том, что школьники хорошо усваивают формулировки и формулы законов и понятий, бойко решают задачи с заданными параметрами, но часто не могут применить знания на практике или научно объяснить простейшие бытовые явления. Тогда зачем всем изучать основы наук в школе?!

 Причин отмеченных недостатков научной грамотности много, но здесь мы остановимся на одной из главных, который приводит к «формализму» знаний школьников. Об этом в свое время писал В. А. Фабрикант: «Когда мы говорим о высоком научном уровне изложения учебного материала, то зачастую под этим понимаем сугубо логизированную схему изложения результатов развития науки. Однако при этом в учебниках, как правило, тщательно вытравляют следы того реального пути, которым шла наука для получения соответствующих результатов. Тем самым у учащихся создается неверное представление о научном методе. Мы их, по существу, знакомим с методом изложения научных результатов, а не с методом их получения» [11. с.9].

 На уроках мы обучаем теоретическим и экспериментальным методам исследования явлений природы, но очень мало говорим о научном методе познания, в котором теория и эксперимент неразрывно связаны. Благодаря этой связи наука обладает силой прогноза и выводы ее экспериментально проверяемы. Это отличает научное знание от всех других видов информации и в этом сила науки. Поэтому научный метод познания в школьном обучении становится центральным звеном в преодолении формализма и в повышения качества образования и воспитанья.

 Исторически создание научного метода познания связывается с именем Г. Галилея, который пришел к выводу о том, что во избежание ошибок теория и эксперимент в научном познании должны быть неразрывно связаны в следующей последовательности: 1) чувственный опыт и постановка проблемы;

2) интуитивное выдвижение гипотезы в виде аксиомы;

3) математическое (логическое) развитие аксиомы и вывод логических следствий;

4) экспериментальная проверка гипотезы и вытекающих из нее следствий [3].

Опираясь на анализ развития физики, очень четко о цикле научного творчества и о роли интуитивного мышления в нем написал А. Эйнштейн в одном из своих писем (от 7.5.52): «Схематически эти вопросы я представлю себе так (в письме дается схема, рис. 3.— В. Р.):

(1) Нам даны E —непосредственные данные нашего чувственного опыта.

(2) А — это аксиомы, из которых мы выводим заключения. Психологически А основаны на Е. Но никакого логического пути, ведущего от Е к А, не существует. Существует лишь интуитивная (психологическая) связь, которая постоянно «возобновляется».

(3) Из аксиом А логически выводятся частные утверждения S, которые могут претендовать на строгость.

(4) Утверждения сопоставляются с Е (проверка опытом).

Строго говоря, эта процедура относится к внелогической (интуитивной) сфере, ибо отношение понятий, содержащихся в S, к непосредственным данным чувственного опыта Е по своей природе нелогично» [13].

 Важно обратить внимание на две основные черты процесса научного творчества, отмеченные А. Эйнштейном: 1) цикличность: факты (данные чувственного опыта) — аксиомы — следствия (частные утверждения)-эксперимент (проверка опытом справедливости логически полученных частных утверждений) и 2) динамику компонентов творческого мышления (интуитивное при переходе от опытных фактов к аксиомам, а также при переходе от теоретических утверждений к опыту и логическое при выводе следствий из гипотезы – абстрактной модели явления).

 Соответственно научному методу познания в изложении А. Эйнштейна схему изучения законов физики эвристическим методом для учащихся можно представит в виде цикла: от исследования загадочного явления к выдвижению гипотезы в виде модели, формулы или принципа, от гипотезы к вытекающим из нее логическим выводам, и далее к экспериментальной проверке этих выводов [6]. Это схема может быть использована в педагогических целях для субъективного (по Т. Рибо) «переоткрытия» учащимися того, что было открыто в историческом развитии науки [10]. Согласно этой схеме процесс учебного познания начинается с анализа экспериментальных фактов, с постановки познавательной проблемы. Путем догадки на основе прежнего познавательного опыта выдвигается гипотеза, которая может быть в виде упрощенной модели явления, в виде принципа или правила, или в символическом виде (формула, график, таблица и т.п.). Из гипотезы логическим путем, дедуктивно выводятся следствия, которые позволяют объяснить или предвидеть еще незнакомые явления или их свойства. Некоторые из теоретических выводов удается проверить экспериментально. Сплошные стрелки указывают на неразрывную связь теории и опыта, гипотезы и следующих из нее логических выводов. Штриховые линии указывают на то, что эксперименты, подтверждающие гипотезу, становятся для нее исходными фактами, а противоречащие ей, служат основанием для нового цикла познания. (Так возникли СТО и квантовая теория). В целом схема указывает на «спиральный» (по Ф. Энгельсу) процесс развития научного знания.

 Как применяется эта схема в учительской практике? Главное ее назначение для понимания неразрывной связи составляющих ее элементов научного знания: явлений, понятий, символов и величин, которые характеризуют эти явления.

 Начать ознакомление школьников с научным методом познания можно на историческом примере открытия существования атмосферного давления, сделанного итальянским ученым Э. Торричелли.

 На схеме представлен цикл из четырех этапов последовательности действий Э. Торричелли, который

1)обнаружил странный факт и сформулировал проблему: почему поршневой насос поднимает воду из скважины не более, чем на 10,3 м ? (Бытовавшее ранее объяснение: «природа не любит пустоты» этим фактом опровергается!).

2) Э. Торричелли выдвинул гипотезу: в образующийся вакуум вслед за движением поршня вверх вода загоняется под действием атмосферного давления, которое равно давлению водяного столба высотой h₁ = 10,3 м.

3) Логический вывод ученого состоял в том, что в вакуумной трубке ртуть под действием атмосферного давления должна подняться на высоту во столько раз меньшую, во сколько раз плотность ртути ρ₂ больше плотности воды ρ₁.

4) Экспериментальная проверка подтвердила этот вывод! Так было открыто существование и величина атмосферного давления. Одновременно был изобретен ртутный барометр, получило объяснение действие водокачки. На этой основе строится и действуют вся поршневая система современного водоснабжения [7].

Эта схема научного метода познания чрезвычайно полезна для понимания эвристической силы теоретического знания. В выводах из гипотезы в модельной или знаковой форме мы находим объяснения еще непознанных явлений, а также предвидение новых явления. В этом состоит мощь научного познания, которое ведет к прогрессу во всех областях человеческой культуры, к пониманию смысла человеческого бытия.

 Теперь схематически на примерах нескольких тем покажем, как мы применяем научный метод познания в изложении материала в нашем учебнике [8] и как он полезен для решения трудных задач TIMSS и PISA.

I. Этапы познавательной деятельности при изучении Закона Гука (см. схему):

1) Экспериментальное исследование зависимости силы упругости пружины от ее деформации приводит к построению графика функциональной зависимости F_упр. = kx.

2)        Этот результат служит основанием для выдвижения гипотезы о том, что при деформации упругого тела сила прямо пропорциональна деформации: _Fупр. = kx.

3)        Полученную формулу легко преобразовать и, как следствие, получить формулу для определения потенциальной энергии упруго деформированного тела. Она численно равна площади под графиком деформированного тела или, что то же самое, произведению средней силы деформации на величину деформации: E_p = 1/2 F_упр.x =1/2 kx².

4)        Справедливость теоретического вывода формулы можно проверить экспериментально разными способами. Например, если, подвесив к пружине грузик массой m, растянуть её на длину х и затем отпустить, то можно рассчитать, что грузик полетит вверх на выcоту, которая предсказана вычислением по формуле h = kx²/(2mg). К восторгу школьников результат эксперимента совпадает с теоретическим предвидением.

Задание на дом: Измерив нужные характеристики пружинной пушки (рис. 1.13), рассчитайте угол, под которым должен быть сделан выстрел, чтобы снаряд пролетел до цели заданное расстояние /. При вычислениях используйте метод подсчета значащих цифр. Теоретический расчет проверьте экспериментально [8].

II. Далее покажем, как на основе научного метода решается одна из трудных задач PISA на «научную грамотность» о том, почему камень разбивает стекло, а мяч отскакивает от окна?

1) Анализ явления позволяет идентифицировать его с понятиями: импульс тела, импульс силы, со вторым законом Ньютона. Оба тела, и мяч, и камень перед ударом имеют одинаковый импульс mv.

2)        Догадка – гипотеза состоит в том, что ответ на поставленный вопрос находится во втором законе Ньютона, представленного в виде: Ft = mv.

3)        Теоретическое предвидение указывает на то, что время взаимодействия мяча и камня со стеклом может быть разным вследствие сравнительно малого коэффициента жесткости k₁ мяча в сравнении с жесткостью камня k₂. Соответственно сила взаимодействия мяча со стеклом будет во столько раз меньше, чем у камня, во сколько раз будет больше время взаимодействия.

4)        Этот вывод подтверждается практикой. Для уменьшения силы ударов на практике используются рессоры, буферы и бамперы. Люди и животные при приземлении подгибают ноги т.д.  (5).

III. Догадки – гипотезы для теоретического осмысления и объяснения опытов и наблюдаемых явлений могут быть не только в виде формул и принципов, но и в виде моделей – аналогий. Покажем, как модельные гипотезы используются в нашем учебнике [8, 8 к. с.244 — 249] при формировании понятий разность потенциалов, напряжение, направление электрического тока, количество электричества, закон сохранения электрического заряда.

1. Цикл познания начинается с демонстрации выравнивания показаний стрелок электрометров (их потенциальной энергии, в дальнейшем «потенциалов») при их соединении проводником с неоновой лампочкой. При этом лампочка на мгновение вспыхивает.
2. Гипотеза: явление выравнивания потенциалов состоит в перетекании части заряда от большего потенциала к меньшему потенциалу подобно однородной жидкости в сообщающихся сосудах.
3. Теоретический вывод состоит в том, что для получения постоянного тока в проводнике нужна постоянная разность потенциалов на его концах. Она должна создаваться подобно насосу источником тока – генератором, в котором заряды переносятся от меньшего потенциала к большему потенциалу. Этот перенос совершается «сторонними силами».
4. Эксперимент подтверждает теоретический вывод. В данном случае таким генератором является батарея элементов. Разделение электрических зарядов в ней происходит в результате химических реакций – «сторонних», не электрических сил.

 Далее схематически на примерах нескольких тем покажем, как следует применять научный метод познания при объяснении решения показанных трудных заданий [9].

Задание I. Два школьника a и b сидят на роликовых стульях (см. рис.), которые могут двигаться практически без трения. Масса школьника a больше массы школьника b . Школьник a отталкивает школьника b.

1) Проблема: Каковы силы действия школьников друг на друга?

1. Силы взаимодействия школьников равны нулю.
2. Сила действия школьника a на школьника b больше, чем b на a.
3. Силы взаимодействия равны и направлены противоположно.
4. Сила действия школьника a на школьника b меньше, чем b на a.

 2) Гипотеза: в соответствии с третьим законом Ньютона тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной и той же прямой, равными по модулю и противоположными по направлению

3) Теоретический вывод: m_aa_{1 =} — m_ba₂.

4) Эксперимент подтверждает теоретический вывод: при равных силах взаимодействия тел разной массы эти тела получают ускорения, обратно пропорциональные их массам (И.К. Кикоин, А. К. Кикоин. Физика 8, Просвещение, 1986, с. 92).

Задание II. Хоккейная шайба скользит по льду слева направо (рис. 1).

Жирная стрелка указывает направление удара клюшкой.

1) Проблема: по какой траектории (рис. 2) движется шайба после удара клюшкой: A, B, C, D, E?

2. Гипотеза: при ударе клюшкой импульс шайбы p₁ получит дополнительный импульс p₂, и произойдет сложение импульсов: 

3. Результат сложения векторов:
4. Модельный эксперимент с монеткой и стальной линейко проводится на штативе 3 с листом плотной бумаги 2 в качестве горки. Соскользнувшую на горизонтальную плоскость монетку ударяем сбоку стальной линейкой. Происходит сложение импульсов – изменяется направление движения монетки

     

Эксперимент подтверждает правильный ответ B.

 Предлагаемая образовательная технология экспериментально проверялась в преподавании по специально созданным учебникам для основной школы под девизом: «физика самостоятельных исследованиях!». Эксперимент проводится в ряде территорий РФ: п. Черноголовка Московской области (школы № 75 и 82); Пенза (школы № 52 и 60, гимназия №53, Ермоловская школа Пензенской области); Орел (гимназии № 16 и 19, лицей № 40, школы № 1 и 22); Вышний Волочек (школы № 3, 13, 15, 19); Смоленск (школа № 32). Наиболее активно шел эксперимент в Республике Татарстан (средние школы № 8, 15, 39, 57, 152, физико-математический лицей № 145 г. Казани, гимназия №3 г. Зеленодольска, Васильевская школа № 2 Зеленодольского района, Макуловская средняя школа Высокогорского района). Отдельные методические решения проверялись в течение последних десяти лет в ряде школ Кировской области в условиях педагогического эксперимента, в частности в Центре дополнительного образования школьников Кировской области, в школах Кирово-Чепецкого р-на (гимназии № 1 и 2 и др.), в школах Слободского р-на (с. Шестаково, п. Вахруши, с. Карино), в школах г. Кирова (физико-математический лицей, школы № 16, 18, 56, 60) и другие.

Главные итоги эксперимента выражены словами заведующей лабораторией профильного обучения ИРО РТ, кандидата педагогических наук Р. М. Галеевой: • авторам учебников удалось реализовать основную идею — «преподавать физическую науку, а не сообщать систему готовых знаний»;

• использование научного метода познания позволяет превратить учебу в активную, мотивированную, волевую, эмоционально окрашенную, целеустремленную познавательную деятельность;
• научный метод познания — ключ к организации личностно-ориен-тированной познавательной деятельности учащихся, к развитию по-знавательной инициативы учащихся;
• содержание материала обеспечивает реализацию принципа доступности материала учащимися данной возрастной группы»…

 [4].

Литература

1. Art Hobson, The Surprising Effectiveness of College Scientific Literacy. THE PHYSICS TEACHER Vol. 46, October 2008, с. 405.
2. Денищева Л.О., Ковалева Г.С. Сравнительная оценка естественно-математической подготовки выпускников средних школ России (по результатам международного исследования – TIMSS 1995) Российская академия образования. – М. 1998.- 128 с.
3. Льоци, История физики. М., 1970, с. 80-81.
4. Разумовский В. Г., В.А.ОРЛОВ, Сауров Ю. А., Майер В.В. Технология развития способностей школьников самостоятельно учиться, мыслить творчески действовать, ФИЗИКА В ШКОЛЕ 6-2007, с. 50 – 55
5. Разумовский В. Г. Решение проблемы научной грамотности – неотложная перспектива развития содержания физического образования. Сибирский учитель, 2012, № 3, 12 – 25.
6. Разумовский В. Г. Развитие творческих способностей учащихся в процессе обучения физике. Пособие для учителей. М., «Просвещение», 1975.
7. Разумовский В. Г., Майер В. В., Вараксина Е.И. ФГОС: инновационные принципы формирования содержания естественнонаучного образования на примере физики.
8. Разумовский В.Г., Орлов В.А., Никифоров Г.Г. и др. Физика: Учеб. для учащихся 7- 11 классов общеобразовательных учреждений М. ВЛАДОС. 2002 – 2011.
9. Разумовский В.Г., Пентин А.Ю., Никифоров Г.Г., Попова Г.М. Естественнонаучная грамотность и экспериментальные умения выпускников основной школы: некоторые результаты диагностики. Ж. Школьные технологии №1, 2016, с.63-92
10. Рибо Т. Опыт исследования творческого воображения. СПб,1901.
11. Фабрикант В. А. Физика, оптика, квантовая электроника: Избранные статьи. — М.: Издательство МЭИ, 2000. с: 8 – 9.
12. Федеральный государственный образовательный стандарт общего образования. Среднее (полное) общее образование. Проект. – М.: Российская академия образования, 2011.
13. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. Т. IV. М., 1967, с. 569—570.[schema type=»book» name=»Научный метод как основа решение проблемы формализма знаний школьников.» description=»Для решения проблемы естественнонаучной грамотности школьников предлагается использование в обучении научного метода познания — как ориентировочной основы для приобретения учащимися опыта познавательной и творческой деятельности и как средства для формирования системы универсальных научных умений; — как средства повышения интереса и мотивации учащихся к изучению науки; — как средства повышения эффективности обучения и воспитания учащихся. » author=»Разумовский Василий Григорьевич» publisher=»Басаранович Екатерина» pubdate=»2016-12-10″ edition=»euroasia-science.ru_#29_25.08.2016″ ebook=»yes» ]