Methods of physical thinking development in remote learning system

Дистанционное образование детей получает все большее распространение как практическая деятельность. На государственном уровне ставятся задачи повышения его эффективности, использования дидактического потенциала [1]. Особенно много трудностей возникает с организацией предметного дистанционного обучения школьников, в частности физике. Это обусловлено наличием существенных особенностей процесса обучения: опосредованным взаимодействием педагога и учащегося; доминированием письменной речи и деятельностью со знаковыми системами.

В таких ограниченных условиях процесс обучения физике необходимо ориентировать на определенную цель, в нашем случае выбранную с учетом социального заказа (в частности, выраженного во ФГОС и образовательных программах [2, 3]), – это освоение физического мышления.

В методике обучения физике приоритетное внимание к формированию физического мышления сложилось давно (работы В. В. Мултановского [4], В. Г. Разумовского [5], Н. М. Зверевой [6] и др.), но в настоящее время большинство методических поисков осуществляется лишь в рамках диссертационных исследований (например, [7, 8]). Научный потенциал современных исследований осознан плохо, мало технологичных методических решений проблемы формирования физического мышления учащихся, а методики для условий дистанционного образования практически отсутствуют. Мы считаем, что в указанных условиях обучения перспективным является подход к рассмотрению мышления через его нормирование. С учетом этой задачи мы будем осуществлять краткий анализ современных представлений о мышлении.

Обзор отечественной и зарубежной литературы

Мышление – это сложное структурное образование, изучается различными науками, в зависимости от цели может быть охарактеризовано как теоретическое, наглядно-образное, математическое и др.

Мышление проявляется и формируется в процессе активной деятельности человека, связано с внешней, речевой, предметной деятельностью, рефлексией и пониманием [9–11]. «Мышление есть прежде всего определенная деятельность, именно деятельность по образованию или выработке знаний» [12]. Деятельностный подход к рассмотрению мышления разрабатывается в психологии. Так, согласно С. Л. Рубинштейну, «первичный вид мышления – это мышление в действии и действием, мышление, которое совершается в действии и в действии выявляется» [13]. В подростковом возрасте ведущей для освоения мышления является учебная деятельность, поэтому специфику мышления учащегося определяют ее содержательные и процессуальные особенности. Иными словами, эффективность присвоения мышления зависит от способов передачи «опыта рода» с помощью построенной по логике предмета системы знаний и умений [14]. В обобщающем исследовании К. Макгинесса о возможности развития мышления, вернее, о формировании так называемых «навыков мышления» (thinking skills), подчеркивается, что навыки мышления должны целенаправленно усваиваться учащимися в процессе обучения, школьники должны быть «активными создателями своих знаний» [15]. Когда элементарные навыки мышления будут освоены, учащиеся начнут их применять в самостоятельной творческой деятельности [16–18]. Обобщая вышесказанное, можно сделать вывод: при обучении мышление транслируемо с помощью специально организованной учебной деятельности. Главная задача обучения – «учить мыслить» [19], то есть передать способ мышления [20, 21].

Для методики обучения физике, особенно в условиях дистанционного образования, важно, чтобы процесс передачи был технологичным. Исходя из того, что мыслительная деятельность может быть нормирована [22], мышление с точки зрения обучения физике рационально представить в виде норм [23]. Но в настоящее время проблема формулирования норм физического мышления плохо осмыслена в науке, практически отсутствуют методические решения.

Одной из причин этого является отсутствие общепринятых определений данных понятий. Так, в основном вузовском учебнике по методике обучения физике [24] понятие «физическое мышление» не вводится, то есть уже на этапе обучения у будущих учителей нет четкого представления об этом феномене и способах его формирования. Результаты теоретических поисков формулировок понятия, отраженные в отдельных статьях методистов [25–28], не распространяются, не учитываются при организации процесса обучения физике.

Теоретические поиски в области методологии, методики обучения физике позволяют уточнить понятия физического мышления и его нормы. Под физическим мышлением мы понимаем мышление, которому присущи умения выделять в окружающем мире объекты и явления, заменять их при описании и объяснении моделями, оперировать совокупностью понятий и знаковых систем физического языка. Норму мыслительной деятельности можно охарактеризовать как основу, в рамках которой должна строиться данная деятельность. Норма деятельности (в рамках нашего исследования – мыслительной деятельности) – «модель того или иного ее компонента (средства, результата, способа и т. п.) или системы таких компонентов» [29].

Сформулируем основные предметные элементы для формулирования норм физического мышления (рис. 1).

Рис. 1. Предметные основания для формулирования норм физического мышления

Так как ведущими видами учебной деятельности при обучении физике являются экспериментирование и моделирование, конкретные формулировки норм физического мышления можно представить через нормы этих видов деятельности.

Таким образом, методом последовательного приближения были сформулированы нормы физического мышления, для придания технологичного вида мы предлагаем формулировать их на языке умений. Этот выбор обусловлен в основном двумя обстоятельствами: постановкой конкретной цели обучения (например, сформировать умение выделять физические объекты и явления), упрощением диагностики результатов обучения – по уровню сформированности умения делается вывод об освоении нормы физического мышления. Для удобства представления они были сгруппированы по двум ведущим видам предметной деятельности: экспериментированию и моделированию.

Блок «Деятельность моделирования»

Умение выделять изучаемое физическое явление в различных видах деятельности (решение задачи, объяснение явления окружающего мира и др.).

Умение выделять и определять физическое явление по рисунку, графику, таблице и другим средствам описания.

Умение выполнять решение задач по логике «выделение явления (объектов) – описание явления».

Умение различать объекты и явления и их описания.

Умение строить (выбирать) гипотезы для объяснения физических явлений.

Умение строить (выбирать) модель физического объекта или явления.

Умение переходить от одних средств описания физических явлений к другим.

Умение использовать содержание и логику образца-нормы решения задачи для решения новых задач.

Умение оценивать статус научных знаний (факт, определение, принцип, закон, модель, теория).

Блок «Деятельность экспериментирования»

Умение выделять в явлении объекты, их состояния, особенности движения, условия существования этого явления.

Умение зафиксировать объекты и явления (реальность) в изображении – выполнение рисунка-модели, схемы.

Умение выделять свойства объектов и явлений и описывать физическими величинами.

Умение реально (или мысленно) подобрать объекты и материалы для организации эксперимента под идею, цель, гипотезу.

Умение проводить и описывать экспериментирование по логике научного метода познания (полно или свернуто).

Умение определять (оценивать) истинность знаний об объектах и явлениях с учетом погрешности измерений.

Материалы и методы исследования

В результате исследования были применены следующие методы: теоретический анализ методологической, психолого-педагогической, методической, научно-популярной литературы; моделирование; прогнозирование; исследование и обобщение педагогического опыта. Проблема исследования – поиск приемов освоения физического мышления в системе дополнительного дистанционного образования – обусловила выбор такого специфического метода, как метод последовательных приближений при конструировании норм физического мышления, который заключается в переходе от абстрактного (представлений о мышлении) к конкретному (нормам мышления, методической системе положений и приемов).

При обобщении теоретических поисков способов освоения физического мышления нами были выделены следующие этапы разработки проблемы формирования физического мышления в условиях дистанционного обучения.

Этап 1. Изучение представлений различных наук о мышлении.

Этап 2. Исследование опыта изучения мышления в методике обучения физике.

Этап 3. Формулировка и отбраковка норм мышления.

Этап 4. Придание технологичных форм нормам физического мышления на языке умений.

Этап 5. Анализ, рефлексия практики.

Результаты исследования

Нормы физического мышления в учебном процессе должны быть заданы по возможности максимально конкретно. В школе данное требование реализуемо – в процессе диалога, коллективной деятельности эти нормы усваиваются эффективно.

В качестве примера рассмотрим известную задачу: расположите пластиковую бутылку горизонтально, поместите в горлышко бумажный шарик, диаметр которого меньше диаметра горлышка, попробуйте задуть шарить в бутылку. Сможете ли вы это сделать? Объясните наблюдаемое явление.

Данную задачу чаще всего используют в качестве фокуса, который вызывает положительные эмоции у детей. Но на этом эксперименте можно показать значение действий по выделению взаимодействующих объектов и задать логику работы с физической задачей.

Предварительно учитель демонстрирует, что шарик свободно проникает в бутылку – он не приклеен, ни к чему не привязан. Так ученики приходят к формулировке предположения о том, что бумажный шарик в бутылку задуть несложно. Учащиеся проводят эксперимент по проверке своих предположений. В результате наблюдается факт, противоречащий прогнозу: как при резком, так и при медленном вдувании воздуха в бутылку, «втягивании» воздуха из бутылки шарик все равно выскакивает наружу. Таким образом, фиксируется новое знание – попаданию шарика в бутылку что-то препятствует. В рамках первоначальных представлений этот факт необъясним. Для понимания явления необходимо выделить взаимодействующие объекты. И на этом этапе ученики догадываются, что есть еще один «невидимый» объект – воздух в бутылке. В итоге учащиеся с помощью учителя приходят к выводу, что в данном явлении взаимодействуют не два, а пять объектов: бутылка, бумажный шарик, воздух снаружи и в бутылке, Земля. Оговариваем, что действие Земли проявляется в создании однородного гравитационного поля, оно в данном случае постоянно, поэтому нас интересует поведение других объектов. После этого ученики с легкостью формулируют верное объяснение наблюдаемого явления и переходят к решению возникшей задачи: как преодолеть сопротивление имеющегося в бутылке воздуха и задуть шарик вовнутрь (предлагается использовать дополнительное оборудование). Один из способов решения – сузить поток вдуваемого воздуха с помощью трубки (корпус от ручки, бумажная трубочка и др.) и направить его на шарик.

В результате организованной таким образом мыслительной деятельности с объектами мы задаем ее логику – от выделения физических объектов и явлений к их описанию, а также обосновываем необходимость выполнения данных этапов.

При дистанционном способе обучения мы ограничены в использовании непосредственного диалога и ряда других методических приемов, поэтому в нашем случае нормы мышления заданы, во-первых, образцами решения и оформления задач, во-вторых, системой специальных заданий, которые прямо нацелены на использование при ответе выделенных нормативных требований. Важно, чтобы задания были доступными, позволяли сохранять познавательный интерес.

Методический прием 1. Структурирование содержания рассматриваемого материала под углом зрения логики научного метода познания. Для развития интеллектуальных способностей личности имеет значение не заучивание материала, а его понимание, смысловое запоминание. Психологи отмечают, что для получения глубоких и прочных знаний их необходимо систематизировать, например, выделять связи между элементами научного знания – физическими понятиями, законами и др. В системе дистанционного образования это сделать нужно доступно и технологично: мы предлагаем использовать таблицы-схемы по основным темам курса физики. С позиции сформулированных норм мышления в рамках проверки гипотезы логика структурирования материала направлена на освоение научного метода познания, метода работы с физическими явлениями и объектами: выделение явления (объекта) – описание явления – применение знаний. Приведем примеры такой организации теоретического материала (рис. 2).

Рис. 2. Явление трения

Методический прием 2. Инвариантные этапы работы с физической задачей. В методике преподавания физики инвариантом является четырехэтапная деятельность при решении задачи ([30] и др.): анализ физического явления → идея (план) решения → решение → анализ решения. Данная логика наиболее полно задает и описывает структуру деятельности по решению задачи, но ее освоение в условиях дистанционного обучения бывает затруднительным

В рамках наших представлений мы предлагаем двухэтапную логику решения всех задач. Она построена в результате обобщения-свертывания этапов классической структуры решения задач. В итоге с учетом доступности норм было выделено два этапа, в которых в явном виде сокращается логика физического познания: выделение физического явления → описание физического явления.

1)        Выделение физического явления:

а)        выделить физические тела, их движение и взаимодействие, т. е. определить явление;

б)       подобрать модели объектов (например, материальная точка), модель физического явления (например, прямолинейное равноускоренное движение материальной точки) и задать их в форме рисунка-изображения;

в)        выявить средства описания объекта и явления: понятия, законы, формулы, графики.

2)        Описание физического явления:

а)        построить уравнения закона согласно модели физического явления;

б)       определить дополнительные характеристики и решить построенную систему уравнений;

в)        выполнить анализ результата: если необходимо, то проверить правильность размерности, ее непротиворечивость (например, плотность сладкого чая не может быть меньше плотности чистой воды); если ответ неверен, то вернуться на первый этап решения – возможно, была выбрана неудачная модель явления или неверно выполнен рисунок, вследствие чего были допущены ошибки в записи законов, уравнений.

Методический прием 3. Разнообразие примеров решения заданий. Правильное отношение к задаче следует обеспечить сравнительно большим количеством примеров решения и оформления решения задач на разном материале. Так, в седьмом классе при освоении темы «Физические измерения. Погрешности измерений» учащиеся сначала через пример знакомятся с основными понятиями и правилами проведения измерений, а затем выполняют несколько заданий для закрепления материала. Например: «Измерьте ширину и длину страницы этого пособия, результаты запишите с учетом погрешности измерений».

Анализ задания. Свойства объектов окружающего мира описываются с помощью физических величин. Например, при описании размеров тетради (свойство объекта) мы используем такие физические величины, как длина, ширина.

А что значит измерить? Оказывается, когда мы хотим измерить какую-либо величину, нам нужно сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу.

Но при анализе измерений следует четко разграничивать два понятия – физическую величину, характеризующую свойство объекта, и результаты ее измерений. Значения физических величин – это значения, отражающие свойства данного объекта. Результаты измерений – это «итог/продукт» нашей деятельности. Они зависят от метода измерений, технических средств, от особенностей условий наблюдения и др. Вследствие влияния данных факторов возникают погрешности измерений, то есть погрешность измерения – это разница между результатами измерений и истинным значением величины (см. рис. 3).

Рис. 3. Размер и результат измерения

А как оформить результаты измерений? Например, в известном мультфильме «38 попугаев» длина удава составила 38 попугаев и одно крылышко. А если удав вытянется, то есть объект непостоянен во времени, то результаты измерений будут другими… Различные трудности при измерении принято учитывать в форме погрешностей измерений. Например, погрешность измерения Δx равна погрешности прибора, обычно для линейки она равна 0,1 см. Тогда результаты измерений длины пособия правильно записывать так: (15,2±0,1) см.

Запись решения задачи. Измеряемые физические величины – длина и ширина. При самом процессе измерения физических величин приборами возникают дополнительные погрешности измерения. Тогда с учетом погрешности результаты измерений можно записать так: ширина пособия (14,1±0,1) см; длина пособия (15,2±0,1) см.

Методический прием 4. Построение заданий на освоение отдельных норм физического мышления. Приведем примеры из пособий [31–33]. Оговоримся, что одно задание может быть рассмотрено с позиции сразу нескольких норм.

1. Что является результатом измерений физических величин: 120 мл; зеленый; (50±1) кг; светлый; 78 т; теплый; 2016; 14,5 км; длинный; яркий; шероховатый? Какой результат записан верно?
2. Воздушные шарики, наполненные гелием, уже через сутки, несмотря на хорошую герметизацию, теряют упругость, сморщиваются и иногда перестают подниматься. Какая гипотеза наиболее полно и точно объясняет явление? А) С течением времени расстояния между молекулами гелия уменьшаются, молекулы сближаются, уменьшается объем газа, и шарик сжимается. Б) С течением времени небольшие по размерам молекулы гелия проникают сквозь резиновую оболочку (происходит диффузия), и шарик сдувается. В) Нельзя герметично завязать шарик, гелий интенсивно выходит через отверстие для надувания. Г) На шарике оседает пыль, из-за чего он становится тяжелее и не может подниматься вверх.
3. Разделите предложенные высказывания на две группы – экспериментальные факты и теоретические гипотезы: А) Игла от шприца плавает на поверхности воды. Б) На любое погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила. В) Кусочек сахара тонет в воде. Г) Вселенная бесконечна. Д) При нагревании спираль лампочки начинает светиться.
4. Почему фольга на стаканчике йогурта или сметаны немного вогнута в холодном помещении и, наоборот, выпукла в теплом? Ответ может быть представлен в виде рисунков-схем.
5. Всем известен факт, что при варке пельмени всплывают. Постройте теоретическую модель в форме схемы-рисунка, объясняющего такое «поведение» пельменей. Проверьте при разных условиях ее справедливость в эксперименте.

Возможный план экспериментального исследования

а)        Опустите небольшое количество замороженных пельменей в кипящую воду. Опишите, что происходит с пельменями сначала. Постройте модель этого явления.

б)       Определите, в какой момент пельмени начинают подниматься. Все ли пельмени поднимаются одновременно? Выскажите гипотезу для объяснения этого явления.

в)        Аккуратно достаньте один из пельменей, определите, как изменилась его форма.

г)        Предскажите с помощью модели условие, при котором пельмени не будут всплывать.

1. Почему фольга на стаканчике йогурта или сметаны немного вогнута в холодном помещении и, наоборот, выпукла в теплом? Ответ может быть представлен в виде рисунков-схем.
2. Художник, интересующийся физикой, на очередной иллюстрации изобразил все силы, действующие на тела (рис. 4). Верно ли он это сделал? Если нет, помогите автору исправить ошибки. Считайте, что вода под камни не попадает.

Рис. 4. В чем ошибка?

Заключение

Мышление эффективнее всего осваивается в совместной деятельности, т. е. в условиях активной коммуникации, речевой и предметной деятельности. Ограничения дистанционного обучения на это счет очевидны. Но внедрение нашей методики на практике показало: если такое сложное образование, как мышление, нормировать, а затем организовать учебную деятельность учащихся по освоению данных норм, то можно получить устойчивые положительные результаты. Выделенные выше нормы успешно осваиваются в системе дистанционного образования, а значит, будут осваиваться и в основной школе. Следовательно, возможно построение методики целенаправленного освоения норм деятельностей экспериментирования и моделирования (то есть норм мыслительной деятельности) при обучении физике в средней школе.