Методика сбора данных по физике

Методика сбора данных по физике
Курс физики в основной школе призван формировать у учащихся научную картину мира, способствовать развитию теоретического (разумного) мышления в процессе освоения базовых физических теорий (научных фактов, понятий, теоретических моделей, законов и закономерностей). В процессе обучения физики и совместно с другими предметами должны достигаться и общие цели образования подростка: развитие учебной самостоятельности (желание и умение учиться, ответственность и инициативность), формирование основных компетентностей.

Для достижения этих целей в обучении физике (на доступном данному возрасту уровне) должны решаться следующие задачи:

моделирование физических явлений и процессов и построение физических теорий;
приобретение основных практических умений (постановка экспериментальных задач, планирование эксперимента, измерения и представление результатов с помощью таблиц, графиков; анализ полученных результатов);
овладение языком физики и умением его использовать для анализа научной информации и изложения основных физических идей, критическая оценка естественнонаучной информации, полученной из различных источников.

Оценка предметных результатов физического образования в основной школе фокусируется вокруг следующих показателей (предметных линий):

экспериментальный и теоретический методы в физике;
пространственно-временное описание явлений и процессов;
силовой и энергетический способы описания явлений как средство управления, прогнозирования, конструирования;
объяснение явлений и построение теорий на основе представлений о дискретном (элементы структурной физики) и непрерывном (элементы полевой физики) строении материи.

В процессе разворачивания этих предметных линий учащиеся овладевают следующими умениями:

знание и понимание экспериментальных и историко-логических оснований построения физических теорий (строение вещества, взаимодействие, движение);
кинематический, силовой и энергетический способы описания и объяснения явлений;
понимание динамических и статистических закономерностей в физике (детерминизм и вероятность);
различение периодических и непериодических процессов;
простейшие представления о симметрии, идеях сохранения;
противопоставление моделей дискретного и непрерывного;
различение теоретического и экспериментального методов исследования;
определение цели исследования, постановка адекватных исследовательских задач и подбор соответствующих средств их решения;
умение проектировать и конструировать экспериментальные установки, адекватные поставленным задачам;
умение пользоваться измерительными приборами и процедурами в условиях допустимой точности, оценивать погрешности измерений;
умение представить экспериментальные данные в удобной для математической обработки форме;
умение соотносить гипотезу с полученными результатами и делать адекватные обобщения;
владение культурой физического эксперимента, соблюдение правил техники безопасности;

различение зависимых и независимых параметров (величин);
различение скалярных и векторных величин, свободных, связанных и скользящих векторов и применение к ним адекватных операций;
умение подобрать аналитическое описание выявленных зависимостей физических величин;
умение выполнять и понимать смысл операций, связанных с процедурой усреднения;
умение осуществлять процедуру аппроксимации с помощью графика в процессе связывания экспериментальных и теоретических данных;
использование графика как средства интерполяции и экстраполяции, как средства оценки характера зависимости физических величин;
умение использовать и преобразовывать знаковые систем (осуществление переходов между разными формами представления зависимостей) при сохранении физического содержания.

Рассмотрим подбробнее индикаторы, по которым оценивается освоенность соответствующих показателей.

1. Экспериментальный и теоретический методы в физике.

1.1. Владеет основами теоретико-экспериментального метода:

различает индуктивно и дедуктивно построенные рассуждения, понимает трудности и ограничения экспериментального и теоретического методов изучения природы;
различает процедуры схематизации явления (процесса) и построения модели его причин (сущности), различает факт и объяснительную гипотезу, «видимое» и «мыслимое», строит рассуждения в категориях «возможного» и «действительного», демонстрирует установку на поиск мысленного эксперимента, позволяющего предсказать последствия принятия гипотезы о сущности явления, на поиск границ применимости модели;
выделяет в целостной теории эмпирические основания, аксиоматические построения, дедуктивные выводы, решающие эксперименты, практические приложения; привлекает различные методы для проверки теоретических выводов (оценка, проверка размерности, качественные интерпретации, геометризация и др.).

1.2. Владеет культурой физического эксперимента, в том числе, соблюдает правила техники безопасности:

формулирует гипотезу и цель исследования, ставит адекватные исследовательские задачи, подбирает средства их решения, в том числе, конструирует простейшие экспериментальные установки, выполняет прямые и косвенные измерения с использованием готовых и самодельных приборов в условиях заданной точности, оценивает погрешности измерений, соотносит гипотезу с полученными результатами и делает адекватные обобщения.

1.3. Использует математический аппарат для обработки данных, преобразует различные знаковые формы представления информации:

представляет экспериментальные данные в удобной для математической обработки форме, различает зависимые и независимые параметры (величины), подбирает рациональный способ описания выявленных зависимостей физических величин, выполняет и понимает физический смысл процедур усреднения, аппроксимации, интерполяции и экстраполяции, осуществляет переходы между разными формами представления зависимостей при сохранении физического содержания.

2. Пространственно-временное описание явлений и процессов.

2.1. Владеет средствами анализа и репрезентации пространственно-временных отношений:

измеряет промежутки времени, длины, площади, объемы разными способами с использованием готовых и самодельных приборов;
создает и читает схематические изображения пространственного изменения различных величин (линии уровня, изотермы, изобары, линии напряженности, эквипотенциалы и др.), в том числе, может определить направление наибыстрейшего изменения величины.

2.2. Различает, сравнивает, описывает, воспроизводит равномерные и неравномерные процессы (в том числе, периодические) в текстах, реальном и виртуальном экспериментах:

оценивает скорость изменения физической величины в конкретных условиях; различает среднюю и мгновенную (истинную) скорости (по текстовому описанию, по таблице, диаграмме, графику, по аналитическому описанию), аппроксимирует сложные временные зависимости с помощью известных функций.

2.3. Преобразует кинематические характеристики при переходе из одной системы отсчета в другую:

различает скалярные и векторные физические величины, применяет к ним адекватные математические операции;
понимает равноправие систем отсчета при решении кинематических задач, умеет выбрать «удобную» систему отсчета, выполняет сложение простых движений и разложение сложных.

2.4. Владеет средствами анализа и описания колебательно-волновых движений

различает пространственную и временную периодичность, выделяет гармонические колебания и волны как наиболее простую модель и описывает временные зависимости их характеристик.

3. Силовой способ описания явлений как средство управления, прогнозирования, конструирования

3.1. Действует с силой как с векторной величиной, использует соответствующие модели:

различает массу (как субстанциональную скалярную характеристику тела) и вес (как векторную характеристику взаимодействия тела со средой);
понимает основания введения удельных величин (линейной, поверхностной, объемной плотности);
проводит прямые и косвенные измерения массы, веса, силы, плотности различными способами с использованием готовых и самодельных приборов; различает свободные, связанные и скользящие вектора при силовом описании явлений и применяет к ним адекватные операции; владеет понятиями центр тяжести и центр давления и пользуется ими для определения устойчивости равновесия.

3.2. Исследует и преобразует силы, а также результаты их действия в статических и квазистатических условиях:

преобразует силы с использованием простых механизмов, объясняет принцип работы устройств для измерения и преобразования сил;
проводит экспериментальные исследования сил и представляет зависимости в табличной, аналитической, графической формах;
использует эмпирические законы для решения задач управления силами в конкретно-практических ситуациях, для косвенного измерения новых физических величин (коэффициента трения, коэффициента упругости и др.);
опираясь на линейные зависимости, вводит и оперирует относительными величинами (давление, напряженность поля).

3.3. Пользуется классическим понятием силы при анализе явлений и процессов в динамике:

рассматривает силу как источник ускорения (противопоставляет подходы Аристотеля и Галилея);
различает внешние и внутренние силы по отношению к выделенной системе тел;
опираясь на экспериментально обнаруженные закономерности, вводит и оперирует мультипликативными величинами (момент силы, импульс силы);
применяет законы Ньютона и закон сохранения импульса для описания конкретных ситуаций взаимодействия и движения тел, использует понятие центра масс для характеристики движения системы тел.

4. Энергетический способ описания явлений как средство управления, прогнозирования, конструирования

4.1. . Пользуется понятием механической работы при анализе конкретных ситуаций:

применяет «золотое правило» механики (закон сохранения работы) для простых механизмов, в том числе, находит КПД и мощность;
получает формулы для нахождения работы конкретных сил;
понимает невозможность создания вечного двигателя первого рода.

4.2. Пользуется понятием энергии при анализе конкретных ситуаций, интерпретирует ее изменение для замкнутой и незамкнутой системы тел:

понимает идею сохранения энергии как базовый принцип физики;
действует с энергией как со скалярной величиной, разными способами \(графически и аналитически) описывает процессы, сопровождающиеся сохранением механической энергии;
анализирует устойчивость равновесия с использованием понятия потенциальной энергии;
связывает характеристики механических и тепловых процессов, применяет закон сохранения к тепловым процессам, к процессам в газах.

4.3. Соотносит энергетические характеристики на уровне макро- и микромира:

различает аддитивные и неаддитивные величины на примере внутренней энергии и температуры;
имеет представление о дискретном характере энергии в атомной физике.

5. Объяснение явлений и построение теорий на основе представлений о дискретном строении материи (элементы структурной физики).

5.1. Адекватно выбирает модель и использует силовые и энергетические представления для интерпретации основных явлений:

описывает и объясняет явления на разных уровнях организации материи (молекулярный, атомный, ядерный) с использованием силовых и энергетических представлений.

5.2. Понимает основания получения зависимостей макропараметров от микропараметров, умеет проанализировать явления и процессы в макромире на основе этих зависимостей:

различает макро- и микропараметры, объясняет давление и температуру газа, опираясь на молекулярно-кинетические представления; объясняет газовые законы и описывает их разными способами, понимает модельный характер газовых законов;
понимает вероятностный характер зависимостей в микромире.

5.3. Реконструирует основные вехи истории развития представлений о строении вещества:

понимает проблемы и ключевые эксперименты, приведшие к созданию молекулярной, атомной и ядерной физики.

6. Объяснение явлений и построение теорий на основе представлений о непрерывном строении материи (элементы полевой физики).

6.1. Понимает основания концепций дальнодействия и близкодействия, различает способы описания взаимодействия тел с точки зрения этих концепций; может обосновать реальность существования поля:

использует законы взаимодействия точечных зарядов и масс, а также принцип суперпозиции для анализа и описания конкретных ситуациях взаимодействия;
имеет представление о четырех типах фундаментальных взаимодействий, различает изученные силы по их природе; знает свойства электромагнитных волн и использует их для объяснения известных явлений.

6.2. Различает и изображает скалярные и векторные поля, использует силовой и энергетический подходы к введению характеристик поля:

понимает основания введения силовой и энергетической характеристик поля; различает консервативные и неконсервативные поля; пользуется понятиями напряженности и потенциала (разности потенциалов), в том числе, их пространственными изображениями для конкретных случаев распределения источников электростатического и гравитационного полей;
математически описывает центрально-симметричное и однородное поля.

6.3. Описывает движение частиц в консервативных и неконсервативных полях с использованием силового и энергетического рассмотрений:

использует законы Ньютона и законы сохранения для описания движения частиц и тел в гравитационном, электростатическом и магнитостатическом полях;
применяет гидродинамическую аналогию при построении теории электрического тока; используют знания о строении вещества для качественного описания электрического тока в различных средах.

Обсуждая методику сбора данных по физике, необходимо учитывать, что действия учителя по принципу двунаправлены: он не только измеряет и оценивает состояние обучающихся, но и оперативно реагирует на полученные результаты соответствующими обучающими процедурами. В деятельности учителя не всегда легко различить диагностику и коррекцию: при правильно выстроенном обучении в нем всегда присутствуют элементы диагностической работы и, наоборот, диагностическая работа учителя никогда не ограничивается только фиксацией «диагноза».

Обсуждая процедуры и способы сбора данных, мы будем также касаться вопросов использования полученных данных для коррекции обучения.
1. Методика тестирования с использованием трехуровневых задач (SAM).

Полноценная интерпретация результатов любого тестирования предполагает знание многих особенностей образовательной ситуации в школе и регионе. Часть этой информации вообще не может быть получена существующими методами и доступна лишь тем, кто непосредственно работает в данной школе или школьной системе. Поэтому содержательная трактовка и оценка результатов тестирования – дело самих практиков образования – учителей, администрации школ, локальных органов управления образованием.

С еще большим основанием это можно сказать о принятии решений относительно того, как реагировать на результаты тестирования, то есть в каком направлении корректировать педагогическую стратегию. На сегодняшний день существует множество педагогических подходов, каждый из которых доказал свою эффективность для определенных условий, к которым относятся и местные образовательные традиции, и социально-психологическая атмосфера в конкретных школах, и наличный уровень развития детей, и жизненные установки родителей, и особенности профессиональной квалификации педагогического состава, и многое другое. Учет всех этих обстоятельств под силу лишь тем, кто в них живет и работает.

Но для того, чтобы оценка состояния образовательного процесса была адекватной, а решения сознательными, важно опираться на данные объективной педагогической диагностики, фиксирующей результаты образовательного процесса в существенных определениях. Здесь будет полезным тест SAM, совмещающий возможности измерения и структурной квалификации учебных достижений.

SAM – тестовый инструмент оценки предметных компетенций школьников, базирующийся на представлении о трех уровнях опосредствования действия. Особенность SAM – сочетание а) интегральной характеристики предметной компетенции на основе определения ее места на единой метрической шкале и б) структурного представления компетенции на основе определения сформированности ее основных аспектов. Указанное сочетание расширяет возможности интерпретации результатов тестирования.

В основу теста положена психологическая модель учебного процесса, намеченная в концепции культурного развития Л.С. Выготского и в трудах его последователей. Согласно концепции, учение, как необходимая предпосылка психического развития ребенка, есть присвоение знаковых структур, в которых кристаллизованы культурные (обобщенные) способы действия. Способ представлен в знаке своей ориентировочной частью, которая включает: а) внешние характеристики некоторого класса предметных ситуаций и соответствующих им действий; б) представление о существенном отношении данного класса ситуаций, которое определяет направления и границы их возможных трансформаций; в) смысл способа действия, т.е. поле его разумных применений. Указанные три вида ориентиров представлены в культурном образце способа действия одновременно. Но в ходе освоения образца роль главной опоры сначала выполняют внешние характеристики объектной ситуации, затем – представление об их существенном отношении, и наконец – соответствующее смысловое поле. Эти три варианта ориентировки маркируют три качественных уровня освоения способа действия.

В случае, когда опорным является первый вариант ориентировки, мера обобщенности способа минимальна и охватывает узкий спектр типовых ситуаций и соответствующих схем действия. Второй вариант предполагает осознание существенной связи, лежащей в основе способа действия, что дает принципиальную возможность решать весь класс задач, отвечающих данному способу. Наконец, при третьем варианте способ действия характеризуется функциональностью, т.е. возможностью применения в разных задачных контекстах, в том числе таких, где решение предполагает актуализацию поля возможностей способа действия.

Особенность устройства теста SAM состоит в том, что при его создании для каждого существенного фрагмента учебной программы разрабатываются блоки задач, каждый из которых включает три задачи – 1-го, 2-го и 3-го уровня, образующие естественную иерархию по трудности. Каждый такой блок работает как детектор уровня присвоения соответствующего фрагмента программы. Уровень его присвоения определяется по самой трудной задаче блока, которую решил тестируемый.

Разработка блоков опирается на систему индикаторов (типологию задач), соответствующую заявленным критериям уровней освоения способа действия. Так, индикатором освоения способа на первом уровне является решение задач, в которых связь условий с искомой схемой действия может быть установлена непосредственно. Этому требованию удовлетворяют задачи, в которых описание условий с очевидностью указывает на их принадлежность к определенному классу с отработанной процедурой решения (так называемые типовые задачи). Индикатором освоения способа действия на втором уровне является решение задач, где нельзя непосредственно применить типовые схемы действия, а необходимо выявить существенное отношение, определяющее принцип решения, на основе которого и строится конкретный вариант действия. Этому требованию удовлетворяют задачи, так или иначе исключающие прямой ход от условий к типовому алгоритму действия: задачи с косвенной формой условия; задачи абстрактного характера; задачи с условиями, представленными в разных формах (например, одна часть условий дана текстом, а другая с помощью чертежа), и др. Индикатором освоения способа действия на третьем уровне является решение задач, предполагающих обращение к полю возможностей способа действия. Этому требованию, в частности, соответствуют задачи, требующие определения поля возможностей действия для выбора решения, удовлетворяющего некоторому контекстному требованию.

Рассмотрим примеры трехуровневой задачи по физике. В качестве материала мы использовали законы сохранения в механике.

В задании 1-го уровня учащимся предлагается стандартная задачная ситуация, которую нужно описать с помощью изученных законов сохранения механической энергии и импульса. В силу того, что выполнение задания предполагает прямое применение стандартного способа, решаемость этого задания около 70%.

В задании 2-го уровня предлагается найти ошибку в решении задачи на применение законов сохранения и предложить варианты ее исправления. Здесь уже нет прямого применения алгоритма, ошибка содержательная и состоит в выходе за границы применимости законов сохранения. Решаемость задания около 30%.

В задании 3-го уровня может быть предложено придумать задачу, удовлетворяющую определенным условиям («Придумайте и изобразите ситуацию взаимодействия тел, используя горизонтальную плоскость, пружину и два одинаковых шарика. Взаимодействие должно происходить в два этапа: на первом этапе должен выполняться только закон сохранения механической энергии, а на втором этапе, и закон сохранения энергии и закон сохранения импульса или его проекции»). Правильное выполнение этого задания требует «обыгрывания» условий применимости законов сохранения и предполагает достаточно свободное владение материалом. Решаемость задания10-15%.

Из подобных блоков и составляются варианты теста. Тест может быть рассмотрен не только как одно целое, но и как инструмент, состоящий из трех субтестов, где каждый представляет собой набор заданий одного уровня из всех разделов учебного содержания.

Обработав результаты тестирования отдельно по каждому из трех уровней, можно построить профили освоения программы по выбранному показателю для отдельных учащихся или группы. Такое структурное представление результатов тестирования расширяет возможности качественной характеристики оцениваемой предметной компетенции.

Опорной точкой в оценке образовательных результатов являются интегральные шкалированные баллы, которые определяют общую меру освоенности программы учащимися или группами и позволяют ранжировать тестируемых по успешности в обучении. Интегральный балл получается в результате специальной математической обработки результатов тестирования, имеющей целью получить оценки участников на единой шкале, независимо от времени прохождения теста и конкретного набора заданий, которые они выполняли. Шкалирование оценок дает возможность их сопоставления и сравнения, что создает основу организации мониторинга.

Данные тестирования являют собой материал, который может быть проанализирован под разными углами и представлен множеством показателей и форм. Однако главный результат тестирования – это интегральные баллы и профили.

Для представления результатов тестирования используется 1000-балльная шкала, полученная по каждому предмету в результате специального исследования на базовой выборке учащихся. Кроме того, для теста SAM разработан ступенчатый вариант шкалы достижений, в которой каждой ступени приписана качественная характеристика, основанная на теоретически намеченных уровнях освоения. Всего выделено 4 ступени достижений, которые определяются следующим образом:

Нулевая ступень: не освоен даже первый уровень. Учащиеся, находящиеся на этой ступени, могут выполнять менее 50% заданий 1-го уровня. Вероятность выполнения ими заданий 2-го и 3-го уровней близка к нулю.

Первая ступень: освоен только первый уровень. Учащиеся, находящиеся на этой ступени, могут выполнять не менее 50% заданий 1-го уровня, но менее 50% заданий 2-го уровня. Вероятность выполнения ими заданий 3-го уровня очень мала.

Вторая ступень: освоен второй уровень. Учащиеся, находящиеся на этой ступени, могут выполнять не менее 50% заданий 2-го уровня, более 80% заданий 1-го уровня, но менее 50 % заданий 3-го уровня.

Третья ступень: освоен третий уровень. Учащиеся, находящиеся на этом уровне, могут выполнять не менее 50% заданий 3-го уровня. При этом они почти наверняка выполнят любое задание 1-го уровня и не менее 80 % заданий 2-го уровня.

Профили строятся по первичным (процентным) баллам по каждому уровню и могут быть получены сразу после проведения тестирования. Профиль не является результатом измерений: он только фиксирует меру выполнения заданий каждого уровня в данном тесте. Профиль прочитывается просто: первая шкала сообщает, какая часть материала выучена; вторая шкала показывает, какая часть выученного осознается, понимается учеником; третья шкала информирует, какая часть материала функционализировалась, стала орудием действия, готовым к использованию в самых разнообразных задачных контекстах.

2. Методика проведения письменной диагностической работы на основе системы задач для оценки предметности и системности знаний
При построении методики содержательного контроля и оценки знаний должны быть соблюдены следующие условия: во-первых, предметные задачи должны адекватно представлять логику и структуру физического знания, во-вторых, процесс решения этих задач должен легко интерпретироваться с точки зрения состава основных учебно-познавательных действий, и, наконец, в-третьих, для выполнения первых двух условий необходимо задать систему учебно-познавательных действий, воспроизводящих логику становления и функционирования научного знания.

Логико-предметный анализ физического знания позволил выделить три внутренне связанных между собой плана представления знания - предметный, модельно-образный и знаковый. В предметном плане фиксируется внешняя сторона объектов и явлений, их признаки, свойства, особенности. В модельно-образном - находят отражение внутренние, сущностные, необходимые закономерности объектов и явлений. В отношении к науке - это совокупность моделей, законов, принципов, т.е. тех элементов теории, которые образуют ее "ядро". В отношении к учебной деятельности в модельно-образном плане у учащихся развиваются и закрепляются субъективные способы фиксации формирующегося знания (понятийные образы, идеальные конструкции и т.п.). Эти внутренние закономерности, преломляясь через конкретные условия существования объектов и явлений, оформляются различными способами в "языковых" конструкциях и образуют особый знаковый план.

Указанным способам представления знаний соответствует определенная система действий, задающая становление и функционирование знания при фиксированных исходных модельных представлениях. Она включает четыре типа действий (в дальнейшем изложении использованы следующие рабочие термины: Р - реальность, М - модель, Зн – знак):

1. Действия, переводящие предметную форму описания объектов и явлений в модельную (переход типа Р--->М).

2. Действия, переводящие модельные представления в предметный план (переход типа М---->Р).

3. Действия, переводящие предметную форму описания в знаковую или графическую (переход типа Р--(М)-->Зн). Этот переход опосредуется модельными представлениями, т.к. не существует нормативно заданных способов связывания предметного и знакового планов без отнесения их к научным моделям.

4. Действия, переводящие знаковые или графические конструкции в предметный план (переход типа Зн--(М)-->Р). Этот переход также опосредуется модельными представлениями)

Кроме этих действий в процессе обучения и контроля необходимо учитывать действия, связанные с трансформацией различных способов представления научного знания при изменении исходных моделей и идеальных конструкций.

П
редставления о структуре научного знания и адекватной системе учебно-познавательных действий положены в основу типологии предметных задач. Схематически эта структура изображена на рис.a, где предусмотрена возможность задания не только ее различных элементов, но и переходов между ними.

Т
ипы задач различаются в зависимости от состава определяемых компонентов структуры научного знания, от способов их соотнесения и преобразования. Разработанная типология задач отражает логику переходов между элементами этой структуры, а процесс их решения обеспечивается описанными учебно-познавательными действиями.

Рассмотрим два класса задач. В первый класс входят задачи для оценки предметности знаний, которые требуют для своего решения выполнения действий в условиях константности модельных представлений (см. рис.б). Второй класс объединяет задачи, связанные с изменением самих модельных представлений (см.рис.в) и проверяет системность знаний.

Ниже описывается развернутая типология двух классов задач.

Первый класс задач (оценка предметности знаний).

1тип задач (соотвествующий переходам типа РМ) в качестве условия предполагает задание реальности, или модельных представлений, или совместное определение того и другого (формальный аппарат теории не используется). К первому типу отнесены задачи на:

1.1. отнесение данного явления (объекта) к модели;

1.2. классификацию явлений по одному или нескольким основаниям;

1.3. качественное (без использования знаковых конструкций) планирование решения.

1.4. конструирование реальности, адекватной заданным модельным представлениям (без ограничений на средства и способ конструирования, а также в условиях дополнительной системы ограничений).

2 тип задач (связанный с переходами типа РР') требоует преобразования (соотнесения) реальности, опосредованного явно незаданными модельными представлениями.

3 тип (переходы типа РЗн) предполагает задание реальности, или знаковой формы ее описания, или и того и другого совместно. К этому типу относятся задачи на:

3.1. знаковое (графическое) описание реальности (в том числе на символизацию условий, на планирование решения с использованием знаковых конструкций);

3.2. конструирование реальности, адекватной данным знаковым структурам (в том числе в условиях дополнительных ограничений на средства и способ конструирования);

3.3. соотнесение реальности и знаковой формы ее описания (анализ ответа, поиск ошибки в решении и т.п.).

4 тип задач (переходы типа РЗн')-->Р') требует осуществления преобразования (соотнесения) реальности, адекватного заданному преобразованию (соотнесению) знаковых структур.

5 тип задач (переходы типа ЗнР')-->Зн') связан с необходимостью преобразования (соотнесения) знаковых структур, адекватного заданному преобразованию (соотнесению) реальности.

Второй класс задач (оценка системности знаний).

Этот класс задач включает следующие типы:

1 тип задач требует преобразования реальности (Р1---->Р2), адекватного заданному изменению модельных представлений (М1--->М2).

2 тип требует осуществления преобразования модельных представлений (М1--->М2), адекватного заданному изменению реальности (Р1--->Р2).

3 тип задач требует осуществления преобразования реальности (Р1--->Р2), адекватного преобразованию знаковых структур (Зн1---(М1--->М2)--->Зн2). В этом типе задач трансформация модельных представлений явно не задается, но преобразование знакового плана отвечает некоторому преобразованию моделей.

4 тип задач требует преобразования знаковых структур (Зн1--->Зн2), адекватного явно заданному преобразованию реальности (последнее отвечает не заданному явно преобразованию модели: Р1---(М1--->М2)--->Р2).

5 тип связан с осуществлением преобразования модельных представлений (М1--->М2), адекватного заданному преобразованию знаковых структур (за которым подразумевается соответствующее изменение реальности:Зн1---(Р1--->Р2)--->Зн).

Предложенный подход к контролю и оценке знаний по физике, ориентированный на выявление у школьников способов построения содержания знания на основе решения системы задач, является одним из эффективных методов диагностики развития учащихся в процессе обучения. Метод содержательного контроля существенно отличается от формальной результативной оценки знаний и требует специального психолого-педагогического обеспечения. Оно включает логико-психологический анализ содержания объектов усвоения и определение соответствующей системы учебно-познавательных действий, разработку адекватной системы предметных задач и принципов построения диагностических процедур, психологическую диагностику и коррекцию на этой основе уровня сформированности способов построения знаний у школьников.

Уровень сформированности способа построения знаний у школьников оценивается по показателям предметности и системности знаний, отражающих связь предметных, знаковых и модельно-образных способов представления знаний. Оценка качества усвоения знаний по этим показателям кладется в основу коррекции форм и методов учебной работы школьников. Перечислим основные виды коррекционных действий:

коррекция по "искаженным" модельно-образным представлениям. Этот вид коррекции рекомендуется строить на основе задач, в процессе решения которых школьники получают результаты, противоречащие их представлениям. При групповом варианте целесообразно объединять для совместной работы учащихся, имеющих разные точки зрения;
коррекция по несформированным отдельным учебно-познавательным действиям. Для этого вида коррекции целесообразно подбирать задачи, в процессе решения которых обеспечивается выполнение школьниками несформированных действий. При организации групповой работы целесообразно так подбирать типы заданий, чтобы участники группы выполняли взаимнообратные действия и могли контролировать результаты совместной учебной работы;
коррекция на основе построения так называемой "модели ученика", т.е. охарактеризовать качественно особенности состава и сформированности учебно-познавательных действий, структуру и содержание понятийных образов учащегося.

3. Методика организации проектной деятельности

Как указывалось выше, предметное действие в своем становлении проходит три необходимых этапа:

Освоение внешней стороны культурного образца действия (схемы, правила действия)
Освоение существенного предметного отношения, лежащего в основе способа действия (понятийной модели, обеспечивающей понимание в рамках предметной области)
Функционализация способа действия

Если первый этап тщательно проработан в традиционной дидактике, а второй – в теории и практике развивающего обучения, то третий этап по-прежнему остается актуальной проблемой. Психологический смысл этой части образовательного процесса – освоение учащимся осмысленных социально-деятельностных контекстов, в ходе которого происходит спонтанное (инициативное) опробование и как следствие функционализация освоенных способов действия.

В современной педагогике этот важный момент образовательного процесса в общем случае поддерживается обращением к методу проектов. Мы полагаем, что следует, прежде всего, подвести детей к постановке сугубо практической (а не исследовательской) задачи. Экспериментальное физическое исследование должно потребоваться в связи с практической задачей, внутри нее. Причем предметом исследования должен стать не идеальный физический процесс, а процесс в конкретных условиях: некая функциональная составляющая решаемой прагматической задачи, которая должна «работать», а значит отвечать каким-то заранее заданным требованиям, например, достигать какой-то оптимальности.

Пример такой конкретной задачи: «У геологов, которые ведут исследования в горном, безлесном районе вышел из строя Дозиметр-радиометр поисковый МКС-РМ1402М. Все взрослые геологи были заняты, поэтому доставить прибор в экспедицию попросили сыновей геологов трех 10-классников Антона, Борю и Валеру». В процессе обсуждения способов решения задачи, учащиеся фиксируют и распределяют набор проектных и исследовательских задач:

А. Общая информация о некоторой области человеческой практики.

Основные ситуации, с которыми придется сталкиваться учащимся в горном безлесном районе при организация питания и ночного отдыха в горах.

Принципиальные варианты соответствующих технических устройств (конструкция, материал, типы размещения, режимы использования)

Б. Спецификация проблемы

Постановка более частных проблем в рамках общего тематизма. Например:

Как выбрать (спроектировать): примусы, топливо, котелки, палатки, спальные мешки.

теплые палатки и автоклавы – мало топлива

легкие палатки и котелки – больше топлива

В. Открытый перечень возможных исследовательских направлений:

Сравнение удельной эффективности разных видов топлива: теплоотдачи, скорости теплоотдачи, экологичности, непрерывности/прерывности процесса горения.

Сравнение энергопотребления при использовании разной посуды, в частности автоклавов. Исследование влияния материала, формы, наличия/отсутствия крышки …

Сравнение энергопотребления в условиях палатки и снаружи (внутри теплее, но меньше кислорода).

Сравнение льда и снега, как ресурса питьевой воды (разные затраты тепла на плавление).

Теплоемкость воды и камней, которые могут быть нагреты заранее, чтобы ночью поддерживать в палатке необходимый температурный режим.

Исследование теплоотдачи воды. Проверка пропорциональности количества отдаваемого тепла массе теплоносителя и разности температур. Что лучше для равномерного обогрева палатки ночью заранее нагреть мало воды до высокой температуры или больше воды до более низкой температуры, если количество топлива потратили одно и то же?

Зависимость скорости испарения (с ней связана скорость теплоотдачи) от площади поверхности, температуры, скорости ветра.

Теплопроводность различных утеплителей, используемых в спальных мешках.

Первые два блока информационной базы (А и Б) служат отправной точкой для самоопределения учащихся в постановке проектной задачи. Блок В выступает опорой для выделения требуемых видов физического исследования.

Оценка действий учащихся в рамках проектной работы осуществляется в процессе публикаций (презентаций) результатов и продуктов. На первых этапах учащихся приходится снабжать памяткой, в более старшем возрасте они самостоятельно организуют ситуации публикации. Ниже приводится вариант памятки, которая предлагается учащимся перед конференцией (6 – 7 классы):

Класс разбивается на команды, которые разрабатывают каждая свой раздел темы. Каждая команда получает 3-4 темы проекта. Проект надо разрабатывать так, чтобы это было полезно и интересно прочитать: полученный учебник будет предложен всем учащимся. Все проекты надо будет доложить на Конференции. Команда должна обеспечить доклады по всем выделенным ей темам, даже если кто-то из запланированных докладчиков заболел.
Один-два учащихся в течение месяца работают над проектом раздела учебника по выбранной теме.
Оформленный проект по выбранной теме должен быть сдан заранее. Проект включает: структурированный основной текст, написанный на понятном языке с необходимыми пояснениями (структурированный – это значит, что в нем выделены разделы, параграфы, пункты и т.п.); дополнительный материал, с которым интересно познакомиться; небольшое собственное исследование (эксперимент, домашний опыт, наблюдение).
Краткое выступление команды – 15 мин.(3-4 доклада);
Две другие команды задают по одному вопросу. Выступающей команде дается минута на обдумывание ответа.
Выступающая команда задает два вопроса другим командам. Дается по минуте на обсуждение, команды выступают по очереди
Команды, задающие вопрос, дают свой вариант ответа. Жюри подводит итоги либо после каждого этапа, либо в конце конференции.

4. Методика проведения устных и письменных зачетов

Зачет используется систематически в случае организации концентрированного обучения. При традиционной классно-урочной системе зачет проводится эпизодически. Как правило, проведение зачета предваряется заполнением листа самооценки. Это позволяет учащимся сформулировать запрос к учителю, согласовать вопросы, которые целесообразно выносить на зачет и выделить материал, который требует дополнительной проработки.

Проводить зачет можно индивидуально или в небольших группах (3-4 человека). Все задания, которые выносятся на зачет, можно разделить на несколько типов. Учитель, в зависимости от поставленных целей и специфики изучаемого материала может предлагать учащимся задания только одного типа или составлять комбинированные задания, например, экспериментальное задание и задание на работу с текстом.

Зачет может проводиться в устной, письменной, комбинированной форме. Рассмотрим основные виды работ, предлагающиеся ученику на зачете.

1) Вопросы тестового типа (со свободным или выборочным ответом). Целесообразно предлагать вопросы, требующие развернутый ответ с объяснением. Например: «Петя, отвечая на вопрос «Как измениться давление воздуха в шарике, если его сжать?» сказал, что давление уменьшится, т.к. для молекул будет меньше места и они станут цепляться друг за друга и поэтому медленнее двигаться. Прав ли Петя? Как бы ты ответил на этот вопрос?» Т.е. тут надо не только ответить на вопрос, но и отвестись к ответу другого ученика.

Может предлагаться серия вопросов, примерно как при проведении диагностики. Это удобнее проводить в виде устного зачета, когда у учителя есть «дерево» вопросов и каждый последующий вопрос выбирается в зависимости от ответа на предыдущий. Но можно и составить такое «дерево» на бумаге, когда учащийся будет переходить к тому или иному вопросу в зависимости от того, как он ответил.

2) Можно предложить учащимся составить задания для параллельного класса или для других учащихся из их класса. Необходимо сразу оговорить, какое задание составляют учащиеся. Это могут быть вопросы для теста с вариантами ответов; вопросы для устного опроса/зачета, задачи для контрольной работы и т.п.

При этом можно задать дополнительные условия, например, задания (задачи, вопросы) должны быть разной сложности, или должны быть на какое-то правило или закон, или должны быть расчетными и т.п. При составлении вопросов учащийся-составитель должен дать правильный ответ к своему вопросу/задаче или же он только составляет вопрос/задачу.

3) Предложить (описать или провести) эксперимент (реальный или мысленный), который доказывает/опровергает/иллюстрирует какое-то утверждение. Например, «как проверить, зависит ли сила трения от площади поверхности движущегося тела?» Или: «Дима утверждает, что при столкновениях молекул они останавливаются. Докажите или опровергните его утверждение».

Полное выполнение экспериментального задания («как проверить, зависит ли сила трения от площади поверхности движущегося тела?») с подробным описанием, что и как делали, лучше предлагать для групповой работы. Вопросы, связанные с мысленным экспериментом («Дима утверждает, что при столкновениях молекул они останавливаются. Докажите или опровергните его утверждение») или с частичным выполнением эксперимента лучше давать на индивидуальное выполнение или работу в парах.

Тут же задания на «частичное» выполнение экспериментальной работы. «Аня исследовала зависимость силы тока от напряжения и получила такие результаты (приводится таблица). По этим данным построй график зависимости и сделай вывод, как связаны сила тока и напряжение». «Чтобы проверить свою гипотезу, Сережа провел такой опыт. Как ты считаешь, получит ли он желаемый результат? Объясни свое мнение».

4) Задания «на опознание». Учащемуся предлагается блок из 10-15 задач, из которых он должен выбрать (только перечислить, не решать!) те, для решения которых применяется определенное правило, закон, формула. Можно предложить решить одну задачу из выбранных, можно ограничится только выбором «правильных» задач. Несколько иной вариант – написать о каждой из предложенных задач, какое правило, закон, формула необходимо для ее решения (решать задачу не надо).

5) Работа с текстом. Учащимся предлагается текст с пропусками, которые надо заполнить. Учащимся предлагается текст с ошибками, которые надо найти и исправить. Предлагается два или несколько текстов, при сравнении которых надо сделать определенный вывод.
5. Методика проведения урока со встроенной диагностикой

Наблюдение представляет собой стандартный диагностический метод. Особенно следует выделить стимулирующее наблюдение, при котором создается особая экспериментальная обстановка. Урок со встроенной диагностикой – позволяет оценить «зону ближайшего развития» класса, понять, на каком уровне опосредствования работает большинство детей.

Рассмотрим фрагмент экспериментального обучения, в котором реализован деятельностный подход к введению понятия механической работы. Перед рассматриваемым учебным блоком, посвященным введению понятия механической работы, ученики отвечали на вопрос: «Можно ли поднять груз больше собственного веса?». В реальном и виртуальном экспериментах были исследованы простые механизмы, дающие «выигрыш в силе» (рычаг, блок, наклонная плоскость, гидравлическая машина); были обнаружены (проверены) правила, позволяющие управлять простыми механизмами^¹.

Новый шаг, который нам предстояло сделать вместе с учениками, состоял в открытии «золотого правила» механики – т.е. в обнаружении проигрыша в расстоянии (или скорости), который сопровождает выигрыш в силе. Для этого необходимо было выстроить ситуацию явного противоречия, организовать встречу житейского знания, натурального способа действия с сопротивляющейся реальностью. В данном случае мы имеем дело с парадоксальным «житейским», которое спровоцировано самим обучением и связано с необоснованным и неосознанным расширенным толкованием «выигрыша»: вместо диалектического «выигрывая в одном, проигрываем в другом», мы имеем дело с эмпирическим и натуральным неосознанным допущением: «выигрывая в одном, выигрываем во всем». Для решения поставленной задачи мы воспользовались «хорошим» моторчиком: сжигаемое им топливо пропорционально времени работы, а развиваемая им сила постоянна.

Ниже приводится сокращенное описание уроков.

Входная диагностика.

Учитель демонстрирует электромоторчик (см. рис.а), который поднимает грузик массой 50 г, но уже два таких же грузика (100 г) он поднять не может. Заменим реальный электромоторчик воображаемым бензиновым такой же грузоподъемности. Необходимо поднять груз массой 100 г. Как это сделать?

В ходе обсуждения появляются следующие основные способы решения^²:

1) подсоединить два таких же моторчика (рис. б);

2) разрезать и поочередно поднять одним моторчиком (рис. в);

3) воспользоваться подвижным блоком (рис. г);

4) воспользоваться рычагом (рис. д).

На этой задаче проверяется освоенность ранее изученного содержания (выигрыш в силе с помощью простых механизмов), делается вывод о готовности учащихся к новой задаче. Одновременно создается предпосылка для постановки проблемы: вводится «моторчик» – устройство, которое расходует топливо и, следовательно, натурально и явно потребляет энергию. Фактически вводится независимая (косвенная) мера работы – объем топлива.

Проблематизация.

П
однимая груз массой 50 г на крышу сарая, моторчик сжег 1 мл бензина. Сколько потребуется бензина, чтобы поднять на крышу 100 г.?

Установки, изображенные на рис. б и в не дают выигрыша в силе (назовем их условно «экстенсивными»): в одном случае используется два моторчика и расход топлива оказывается удвоенным, в другом – один моторчик дважды поднимает половинный груз и тратит также 2 мл топлива. Практически ни у кого из учеников не возникает сомнения в том, что установки на рис. г и д (назовем их «интенсивными») выполняют ту же работу, расходуя 1 мл бензина.

Теперь необходимо обострить противоречие, сделав явным ошибочность полученного решения. Усложним задачу, увеличив массу поднимаемого груза в 2 раза. Для поднятия 200 г можно: 1) воспользоваться четырьмя моторчиками, 2) поочередно поднимать одним моторчиков по 50 г, 3) воспользоваться системой подвижных блоков (полиспастом), 4) изменить плечи рычага. В первых двух случаях мы затратим 4 мл бензина, а в последних двух – по-прежнему 1 мл. Будем увеличивать массу поднимаемого груза, устремляя ее к достаточно большим значениям. Ясно, что две «экстенсивные» установки будут все время расходовать пропорционально большее количество топлива, а две «интенсивные» установки будут расходовать все тот же 1 мл бензина.

В пределе это приводит к тому, что человечество нуждается в источниках энергии только до тех пор, пока оно не изготовит необходимое количество блоков и рычагов. После этого любым сколь угодно малым количеством топлива можно будет совершать любую сколь угодно большую работу (конечно, здесь есть ограничение, связанное с массой блоков и рычага, но абсурдность такого вывода от этого не исчезает). Таким образом, мы пришли к явному противоречию с реальностью.

Решение проблемы (схематизация, моделирование).

Само наличие проблемы говорит о том, что у учащихся нет готовых средств ее снятия, эти средства еще предстоит построить. Методически важно, чтобы учитель выдержал паузу, жестко зафиксировал проблему, не начинал немедленно «продавливать» решение. Традиционно для развивающего обучения в этом месте включать групповую работу (по типу мозгового штурма). Однако вероятность нахождения выхода из проблемной ситуации самими учащимися мала, поскольку на начальных этапах изучения физики у учащихся нет необходимого арсенала средств и способов действия. Рассматриваемые задачи и включены в пропедевтический курс физики как раз для наработки соответствующих базовых модельных конструкций (сила, работа, энергия).

Наши наблюдения показывают, что те немногие дети, которые делают правильные (иногда довольно робкие и осторожные) предположения, например, что моторчик будет работать дольше и поэтому потратит больше бензина, пытаются детально представить процесс подъема тела с помощью простого механизма. Обычно это касается детей, которые самостоятельно провели достаточно опытов и «почувствовали» замедление в подъеме тела с помощью подвижного блока или рычага.

Мы не рекомендуем учителям немедленно воспользоваться наличием одного или двух таких учеников в классе и слишком быстро переходить от постановки, фиксации, уточнения проблемы к ее решению. Такое решение не принесет нужного эффекта, не будет сопряжено с необходимым эмоциональным напряжением, не создаст ощущения совместного открытия (перечень «не» можно продолжать довольно долго). Нередко учителя жалуются, что в классе находится ученик, который занимается дополнительно дома (с родителями, бабушками, дедушками, репетиторами), забегает при этом далеко вперед и предлагает решение проблемы иногда даже до ее постановки. Как правило, эти учащиеся получили знания традиционным путем и, в силу этого, они формальны, не имеют четкого обоснования. Учитель должен уметь относиться ко всем уместным высказываниям одинаково, фиксировать на доске и не переходить к обсуждению и оценке до появления в классе оформленного «разномыслия».

Переходя к разрешению возникшей проблемы, необходимо отметить, что с одной стороны, простые механизмы увеличивают силу моторчика, но с другой – они порождают феномен «вечного двигателя» (дают выигрыш в энергии). Вероятно, наша ошибка связана с тем, что мы, создали лишь условия для поднятия груза, превышающий силовые возможности моторчика, но сам процесс совершения этой работы не рассмотрели.

Обращение к схематизации соответствующих экспериментов позволяет обнаружить искомую ошибку (рис. е, ж): выигрыш в силе сопровождается проигрышем в расстоянии. Это значит, что моторчик, поднимающий с помощью простого механизма груз в 100 г, будет работать вдвое дольше, чем тот, который на ту же высоту поднимает 50 г и израсходует 2 мл топлива. Выигрыш в силе не сопровождается выигрышем в энергии.

Обнаруженную нами закономерность можно записать двояким образом: .

Конкретизация способа (применение модели).

Прежде чем переходить к решению конкретных задач, целесообразно проанализировать полученные знаковые модели и описать возможные действия с ними. Наши исследования показывают, что на этом этапе обучения целесообразно использовать т.н. «обратные» задачи. Ученикам предлагается: придумать задачи, решаемые с помощью заданных действий, найти ошибку в решении, трансформировать условия задачи и т.п. Это закладывает основы последующих контрольно-оценочных действий, создает типологию задач, на которой впоследствии ученики могут разворачивать тренировки в соответствии со своими учебными затруднениями.

На этом этапе ученики должны поработать с разнообразными простыми механизмами (в реальном и компьютерном эксперименте, в текстовых задачах), по отношению к которым они определяют выигрыш в силе, проигрыш в расстоянии, а также проверяют сохранение величины FS, получившей название «механическая работа».

Завершающая диагностика.

Когда речь идет об организации экспериментального обучения не в лабораторных условиях, нельзя ограничиваться только диагностикой на выходе. Фактически каждый поворот сюжета в погружении требует от учителя оценки ситуации и принятия решения о возможности двигаться дальше. Диагностические процедуры могут встраиваться специально как в уроки физики, так и в уроки других естественнонаучных предметов. Так, после третьего этапа учащимся может быть предложена проблемная ситуация, связанная с неограниченным ростом коэффициента полезного действия (КПД) в условиях применения подвижных блоков.

В качестве завершающей диагностики мы рекомендуем использовать такие задания, которые выводят на границу применимости изученного способам и предполагают возможность развития, уточнения, конкретизации способа. Полезно на этом этапе строить многослойные диагностические задания, в которых сначала предлагается текст для изучения, потом выясняется уровень понимания этого текста и, наконец, создается предпосылка для столкновения этого текста с изученным в погружении способом. Часто такая диагностика является одновременно стартом для следующего погружения.

В рассматриваемом фрагменте учащимся предлагается для изучения текст про опыты Джоуля по определению механического эквивалента теплоты и затем предлагается серия задач, в том числе, демонстрирующая довольно низкий КПД бензинового двигателя. Это противоречит неявному допущению, что энергия, затраченная моторчиком, равна совершенной работе. Реальные данные показывают, что энергии тратится в несколько раз больше. Предметом диагностики становится: а) сам факт обнаружения этого противоречия, б) гипотезы о причинах низкого КПД, в) схемы опытов, позволяющих проверить выдвинутые гипотезы.

6. Методика проведения фронтальной работы с учебными текстами

Рассмотрим несколько примеров использования учебных текстов для диагностики.

следующая страница >>