§ 1. Демонстрационный эксперимент в конструктивно-проектировочной деятельности учителя физики
Роль демонстрационного эксперимента в преподавании как школьной, так и вузовской физики исключительно велика. Об этом неоднократно говорили классики физической науки [66, с. 24-29].
Положение о главенствующей роли эксперимента в школьном курсе физики заложено и в нормативных документах. Так, еще при формировании направленности, основных идей, отборе содержания образования современного курса физики средней общеобразовательной школы программная комиссия исходила из того, что "физика должна преподаваться в средней школе как естественнонаучная дисциплина. Поэтому курс физики должен изучаться на экспериментальной основе. Повышение научного уровня курса физики предусматривает усиление его экспериментального характера. При введении основных научных понятий, формулировке законов, как правило, используется эксперимент. При дедуктивном методе изложения учебного материала эксперимент завершает изложение материала. Он подтверждает правильность исходных гипотез и моделей, а также следствий из дедуктивного вывода" [320, с.17].
В действующей программе по физике для средней общеобразовательной школы также отмечается, что "физический эксперимент является органической частью школьного курса физики, важным методом обучения" [279, с.9].
О роли демонстрационного эксперимента в преподавании физики косвенно свидетельствует и большое количество книг и брошюр, посвященных ему [14, 15, 63, 79, 176, 192, 257, 273, 352, 379-382, 393-395, 432, 434, 438], отдельная рубрика в журнале "Физика в школе", журнал "Учебная физика", сборники научных статей "Проблемы учебного физического эксперимента", защищающиеся кандидатские и докторские диссертации [215, 310, 412].
Анализ учебников физики для средней и высшей школы, научно-популярных изданий также показывает, что учебные тексты многих из них строятся с непосредственной опорой на демонстрационные опыты, предполагают их проведение в учебной аудитории либо в домашних условиях.
Например, большая часть из пятисот с лишним иллюстраций в учебнике К.Д. Краевича [145] представляет из себя хорошо выполненные рисунки демонстрационных установок и их частей.
Много фотографий физических эффектов, полученных на демонстрационных установках, самих установок, их рисунков можно найти в книгах Р.В. Поля [напр.,263], Кл. Э. Суорца [339], Дж. Орира [242].
Очень интересен во многих отношениях, и в первую очередь, в отношении, объема, роли, места, методики проведения физического эксперимента переведенный в нашей стране американский курс PSSC. Как отмечается во вводной статье к этому курсу "...учащийся приходит к теории, обобщая выводы из наблюденных явлений и приходя к важнейшим формулировкам на основании знакомства с какими-то иллюстрациями или примерами. Многочисленные анализы опытов, описанных в тексте, а также тщательно продуманная лабораторная работа выявляют значение физических законов и теорий, а также способствуют пониманию их формулировок" [376, ч.1, с.11]. Постоянная опора на демонстрационный эксперимент, описание установок, обилие фотографий демонстрируемых явлений также очень характерны для текста этого учебника.
Прекрасным образцом связи теоретического материала курса физики с самостоятельным экспериментом, заменяющим и дополняющим демонстрационный эксперимент, является один из томов знаменитого Берклеевского курса лекций по физике [147].
Заменяющий демонстрационные опыты, самостоятельно проводимый читателем книги эксперимент является основой "Физики для любознательных" Эрика Роджерса [293].
Примеры можно было бы продолжать, но, вероятно, положение о том, что преподавание физики немыслимо без эксперимента, в частности демонстрационного, равно как немыслимо и построение учебников физики, не опирающихся на демонстрационный эксперимент, можно принять в качестве аксиомы. Хотя, справедливости ради, надо отметить, что здесь возможны и исключения (впрочем, только подтверждающие основное правило).
Например, в предисловии к "Маленькой физике" Г. Низе читаем: "Способом изложения материала "Маленькая физика" существенно отличается от других книг по физике. Каждый раздел начинается с фотографии, иллюстрирующей основную идею этого раздела и тесную связь рассматриваемых в нем физических вопросов с производственными процессами или фактами, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни. ...Автор сознательно отказался излагать материал, опираясь на опыты по физике, так как "Маленькая физика" предназначена для читателей, не имеющих, как правило, возможности ставить опыты. Метод эксперимента мы оставляем школе и учителям. В школьном обучении физике основой преподавания служит эксперимент, а в "Маленькой физике" мы сообщаем читателю знания иным способом" [224, с.11].
Для практической работы учителя в настоящее время существует достаточно большое количество фундаментальных пособий, брошюр различных авторов, публикаций в журналах и сборниках научных и методических работ, посвященных проблемам содержания, методики, техники демонстрационного эксперимента. В первую очередь здесь можно назвать работы авторских коллективов под редакцией А.А. Покровского [79, 382], Н.М. Шахмаева, написанные им индивидуально и в соавторстве [379, 432, 434], С.А. Хорошавина [393-395], Т.Н. Шамало [413], А.И. Глазырина [63], Г. Шпрокхофа [438].
Аналогичные издания имеются и для высшей школы. Наибольшей известностью среди них пользуются "Лекционные демонстрации по физике", подготовленные коллективом сотрудников МГУ им. М.В. Ломоносова [176].
Но все имеющееся обилие литературы по демонстрационному физическому эксперименту оказывается практически недоступным для большинства учителей физики, особенно молодых. Во первых, эта литература всегда относилась к разряду дефицитной. Выходящие из издания книги очень быстро становились библиографической редкостью. Многие книги были изданы очень давно и более не переиздавались. Часть книг выходила малыми тиражами в местных издательствах и таким образом оставалась неизвестной для большого круга потенциальных читателей. В настоящее время все эти проблемы многократно усугубились.
Наряду со сказанным существуют и другие проблемы. Одна из них заключается в том, что подавляющее число книг и публикаций по проблеме демонстрационного эксперимента предназначено для уже работающих учителей и не ориентировано напрямую на процесс их профессионально-методической подготовки.
Наиболее известными, рекомендованными министерством просвещения в качестве учебных пособий, изданными массовыми тиражами являются два пособия для педагогических вузов по школьному физическому эксперименту [15, 269], которые и являются в большинстве случаев основой для подготовки учителей в этой области.
Но наряду с магистральным направлением в области методики и техники физического эксперимента, которое задают указанные пособия, в ряде вузов разрабатываются собственные версии решения данной проблемы. В качестве примера можно сослаться на очень интересный опыт профессионально-методической подготовки студентов в области демонстрационного физического эксперимента, накопленный в Новосибирском государственном педагогическом университете.
В.Я. Синенко в ряде своих работ [311, 352] и в докторском диссертационном исследовании [307] не только в различных аспектах рассмотрел систему школьного физического эксперимента, но и разработал по каждому аспекту конкретную методику работы для студентов, задания для самостоятельной работы, темы дипломных и курсовых работ.
Названные выше пособия достаточно хорошо проверены в многолетней практике подготовки учителей не в одном вузе страны. Но они также требуют от студента и в учебном процессе, и при самоподготовке использования дополнительной литературы, которой часто просто не оказывается в наличии. Кроме того, эти пособия в большей мере ориентированы на технику эксперимента и методику его постановки. Но эксперимент, описанный в них, не является элементом какой-либо определенной дидактической системы и, таким образом, не связан с методикой ее реализации в конкретном учебном процессе. С одной стороны, это большое достоинство названных работ. С другой стороны, если в качестве основы профессионально-методической подготовки студентов выступает конкретная дидактическая система, выполняющая роль материнской системы и в качестве одной из целей этой подготовки стоит цель обучения студентов конструированию дочерних по отношению к ней дидактических систем, указанные пособия оказываются не совсем подходящими для обучения.
В плане варианта решения обозначенной проблемы, когда обучение методике и технике школьного физического эксперимента, решая все необходимые задачи этого направления профессионально-методической подготовки учителя, не самоцельно направлено само на себя, а подчинено иной, более глобальной цели, можно привести одну из работ М.И. Линника [181]. В разработанном им учебном пособии демонстрационный эксперимент является элементом учебно-методического комплекса, направленного на решение задач формирования творческого потенциала учителя физики. Содержание пособия сконструировано таким образом, что будущему (или уже работающему) учителю при работе с ним необходимо будет научиться не только ставить системный демонстрационный эксперимент по одному из важных разделов курса физики, но и формулировать методические проблемы, разрабатывать и реализовывать методические замыслы творческого использования демонстрационного эксперимента в учебном процессе, самостоятельно выполнять циклы лабораторных работ, моделировать учебные ситуации, в которых проигрываются вариативные элементы демонстраций. Основной замысел пособия заключается в обеспечении студентам преобразующей деятельности в сфере демонстрационного эксперимента. Предметная область такой работы задается М.И. Линником системой специальных заданий, вопросов, ситуаций, ответов, возможных методических решений, охватывающих практически весь спектр содержания техники и методики демонстрационного эксперимента как учебной дисциплины.
С точки зрения включения системы учебного эксперимента в более глобальную дидактическую систему, в данном случае систему формирования физических понятий, выступает работа Т.Н. Шамало [412]. С этих же позиций можно рассматривать методические рекомендации А.В. Усовой и А.А. Боброва [368], некоторые аспекты исследования В.Я. Синенко [310, с.73-76].
Приведенные примеры говорят о том, что проблема профессионально-методической подготовки учителя физики в области методики и техники демонстрационного эксперимента находит свое решение в разных плоскостях, в том числе и в интересующей нас плоскости включения в конкретные дидактические системы. В то же время, предлагаемые варианты решения проблемы не могут нас полностью устроить по причине несовпадения ряда исходных целей обучения и выбранной нами линии их достижения.
Обозначенные выше проблемы, в основном связанные с реальным отсутствием необходимой нам для решения поставленных задач профессионально-методической подготовки учителя физики литературы по методике и технике демонстрационного физического эксперимента, можно соотнести с проблемой состояния преподавания физики в школе.
Посещение большого количества уроков у учителей физики Алтайского края в период работы методистом кабинета физики Алтайского краевого института усовершенствования учителей с 1976 по 1984 г.г., 20-летний опыт участия в курсовой подготовке учителей физики, в частности, систематическое чтение лекций и организация практикумов по методике и технике демонстрационного эксперимента, не позволяют нам, по крайней мере для нашего региона, считать состояние преподавания физики в области демонстрационного эксперимента удовлетворительным. В указанный, уже достаточно отдаленный период времени, посещая десятки школ края, мы постоянно сталкивались с так называемым "меловым" способом преподавания физики, значительным недовыполнением практической части программы, в том числе и в области демонстрационного эксперимента, а как следствие этого, нередко с искажением ведущих идей курса физики. (Соответствующие данные систематически предоставлялись нами в виде справок в учебную часть института усовершенствования учителей и органы образования). Объяснение указанному феномену практически всегда было связано не с отсутствием необходимого для постановки эксперимента оборудования, а с недостаточной базовой подготовкой учителей в области методики и техники физического эксперимента и со сложностью самостоятельного получения или совершенствования этой подготовки.
Наши наблюдения и последующие встречи с учителями физики края свидетельствуют о том, что с течением времени состояние дел в обозначенной области в лучшую сторону не изменилось. В качестве свидетельства тому приведем данные одной из анонимных анкет, которую мы провели среди группы из 47 учителей физики школ края, проходивших курсовую подготовку летом 1994 г при Алтайском краевом институте повышения квалификации работников образования.
Распределение ответов на прямой вопрос "Каков примерный процент выполняемых вами демонстрационных опытов, если за 100% принять количество, определенное программой по физике для средней общеобразовательной школы?", приведено в таблице 5.1.
Из таблицы следует, что примерно три четверти опрошенных учителей выполняет не менее 70 % предусмотренных программой демонстрационных опытов и примерно одна четверть около половины и менее. Показательно, что только один человек указал, что выполняет практически все необходимые демонстрационные опыты.
| Примерный процент выполняемых опытов |
Число респондентов |
Примерная процентная доля выполняемых опытов |
| 100 |
1 |
2 |
| 80 - 90 |
25 |
53 |
| 70 - 80 |
8 |
17 |
| 60 - 70 |
1 |
2 |
| 50 - 60 |
7 |
15 |
| 30 - 40 |
3 |
6 |
| 10 |
1 |
2 |
| 1 |
1 |
2 |
Таблица 5.1. Выполнение учителями демонстрационных опытов,
предусмотренных программой по физике для средней
общеобразовательной школы.
Возможно, к приведенным данным можно отнестись и оптимистично. По крайней мере, у нас нет оснований сомневаться в искренности участвовавших в анкетировании учителей. Но полученные нами дополнительные данные позволяют предположить, что значительная часть этих учителей не имея перед глазами программы по физике для средней школы, не очень представляет себе ее требования в области физического эксперимента и, тем самым, приводит завышенные оценки выполнения необходимых опытов.
Этот вывод мы делаем на основании следующих соображений. Во время чтения цикла лекций по методике и технике демонстрационного физического эксперимента мы с различными целями показали им несколько десятков демонстрационных опытов.
После завершения занятий мы вновь провели анкетирование, часть данных которого приведено в таблице 5.2. (в таблице указаны только те опыты, которые предусмотрены программой по физике для средней общеобразовательной школы и являются обязательными для выполнения).
В анкете мы предложили учителям список показанных опытов и попросили указать в нем
- опыты, которые они увидели впервые (колонка I);
- опыты, которые они выполняют в варианте, схожем с нашим (колонка II);
- опыты, которые они выполняют в варианте, отличном от нашего (колонка III).
В колонке IV показано, какое количество из опрошенных учителей (в абсолютном и процентном выражении) выполняет отмеченные демонстрационные опыты в любом варианте их постановки.
| N |
Название демонстрационного опыта |
I
кол./% |
II
кол./% |
III
кол./% |
IV
кол./% |
| 1 |
Зависимость температуры кипения воды от давления |
1/2 |
11/23 |
9/19 |
20/43 |
| 2 |
Зависимость между объемом, давлением и температурой для данной массы газа |
22/46 |
2/4 |
3/6 |
5/11 |
| 3 |
Изменение температуры воздуха при его адиабатном сжатии |
0/0 |
27/57 |
8/17 |
35/74 |
| 4 |
Изменение температуры воздуха при его адиабатном расширении |
4/8 |
29/62 |
2/4 |
31/66 |
| 5 |
Рост кристаллов |
13/28 |
5/11 |
4/8 |
9/19 |
| 6 |
Зависимость силы тока от напряжения на участке цепи и от сопротивления этого участка |
4/8 |
21/45 |
6/13 |
27/57 |
| 7 |
Отклонение пучка заряженных частиц магнитным полем |
17/36 |
3/6 |
10/21 |
13/28 |
| 8 |
Односторонняя электрическая проводимость полупроводникового диода |
5/11 |
4/8 |
8/17 |
12/26 |
| 9 |
Самоиндукция |
8/17 |
21/45 |
4/8 |
25/53 |
| 10 |
Зависимость Э.Д.С. самоиндукции от скорости изменения силы тока в цепи и от индуктивности проводника |
10/21 |
10/21 |
3/6 |
13/28 |
| 11 |
Свободные электромагнитные колебания низкой частоты в колебательном контуре |
4/8 |
8/17 |
1/2 |
9/19 |
| 12 |
Зависимость частоты свободных электромагнитных колебаний от индуктивности и емкости контура |
14/30 |
5/11 |
6/13 |
11/23 |
| 13 |
Модуляция и детектирование высокочастотных электромагнитных колебаний |
12/25 |
10/21 |
3/6 |
13/28 |
| 14 |
Интерференция механических волн |
31/66 |
3/6 |
9/19 |
12/25 |
Таблица 5.2. Количество и процент субъективно новых и
выполняемых учителями демонстрационных опытов.
Наша версия демонстрационных опытов могла действительно для многих учителей оказаться незнакомой. Об этом свидетельствуют числа, помещенные в первой колонке. Но более интересна для нас четвертая колонка. Она показывает, что ни один из отмеченных опытов не выполняется всеми из опрошенных учителей. Многие опыты, являясь основополагающими в соответствующих темах, выполняются учителями весьма редко. Эти данные трудно согласуются с данными, приведенными в предыдущей таблице. Но им мы доверяем больше по той причине, что они, в отличие от предыдущих, конкретны.
Подготовка всех учителей в области методики и техники демонстрационного эксперимента, уроки которых мы посещали, с которыми занимались на курсах повышения квалификации, опрос которых проводили, велась в свое время в рамках традиционной системы и стандартной программы по методике преподавания физики.
Как было выяснено из бесед с преподавателями и анализа учебных планов соответствующих лет, в Барнаульском государственном педагогическом институте эта программа предусматривала проведение двух туров практикума по методике и технике эксперимента длительностью 36 и 20 часов. С 1980/81 учебного года к двум турам добавился третий по курсу "Оборудование школьного физического кабинета" длительностью 34 часа.
Очень схематично, работа выглядела следующим образом. В качестве основных учебных пособий использовались указанные выше пособия [14, 269] и заводские инструкции к физическим приборам. Оборудование комплектовалось по циклам работ и выставлялось заранее на демонстрационные столы. В период подготовки к работе практикума студенты составляли на каждую планируемую демонстрацию отдельную карточку с описанием, рисунком и схемой демонстрационного опыта. Во время работы необходимо было собрать демонстрационные установки согласно заданиям, обозначенным в инструкциях, представить преподавателю их работу и ответить на вопросы, также обозначенные в инструкции.
То, что описанная организация подготовки студентов в области методики и техники демонстрационного эксперимента имеет существенные изъяны свидетельствуют и данные, полученные методом решения методических задач.
Система методических задач и их использование в профессионально-методической подготовке учителя физики, в частности в качестве средства диагностики, была исследована и подробно описана нами в кандидатской диссертации [421], а сами задачи опубликованы в виде отдельного пособия [414].
В качестве примера опишем постановку и результаты решения задачи N 160 из указанного пособия, полученные в 1994/95 учебном году при проведении семинарских занятий по методике преподавания физики (3-й курс) и элементарной физике (5-й курс).
Исходный текст методической задачи звучал следующим образом:
"При выводе закона Ома в седьмом классе проводится демонстрация. В цепь, состоящую из никелиновой проволоки и источника тока, включаются амперметр и вольтметр. При увеличении напряжения на концах спирали, изменяется и протекающий по ней ток.
На основании полученных данных делается вывод: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах. Записывается выражение I = kU и говорится, что оно выражает закон Ома.
Можно ли действительно на основании проведенных опытов записать такой закон?"
Текст этой задачи был несколько преобразован и взят в качестве основы для подготовки 10-минутного модельного фрагмента урока, который был проведен с использованием реального оборудования в кабинете физики школьного типа с имитаций всех соответствующих объяснительно-иллюстративному методу обучения действий учителя и записан на видеопленку. Но при проигрывании фрагмента урока отдельные стороны процесса сознательно были представлены в положительном ракурсе, отдельные - в отрицательном.
Съемка велась таким образом, чтобы оттенить интересующие нас стороны процесса, не дать им возможности выпасть из поля зрения студентов. В то же время никаких прямых указаний на положительные и отрицательные стороны демонстрируемого процесса не делалось.
Задача представлялась в двух группах 3-го курса (38 студентов) на начальном этапе изучения курса методики преподавания физики до начала занятий по методике и технике демонстрационного эксперимента и в двух группах 5-го курса (31 студент) после завершения всех занятий по методике преподавания физики.
Студенты, просмотрев фрагмент, должны были высказать положительные и отрицательные суждения по его сути.
Предполагалось, что результаты решения задачи студентами, еще не изучавшими курса методики преподавания физики и завершившими его изучение, должны существенно отличаться друг от друга.
Подсчитывалось количество высказанных каждым студентом суждений (все суждения считались равноценными), среднее значение количества суждений по группе опрошенных, отклонение от среднего.
Полученные данные сравнивались между собой и с вариантом, принятым в качестве образца.
В схематическом виде образец выглядел следующим образом:
Положительные позиции:
1. Расположение источника тока, вольтметра, проводника.
2. Попытка выделить последовательную и параллельную цепи цветными проводами.
3. Использование спирали вместо магазина сопротивлений.
4. Отсутствие в формулировке закона Ома зависимости силы тока от сопротивления проводника.
5. Наличие на доске схемы электрической цепи.
6. Наличие на доске таблицы и графика.
7. Объяснение устройства установки.
8. Формулировка цели эксперимента.
9. Быстрота накопления результатов.
10. Подбор шкал приборов.
11. Попытка подобрать шунт для удобных показаний.
12. Отсутствие в цепи лишних элементов.
13.Четкость речи.
14. Место учителя относительно установки.
15. Определение предела измерений и цены деления приборов.
Отрицательные позиции
1. Стойка закрывает амперметр.
2. Провода не выдержаны по цвету (последовательная цепь).
3. Отсутствует указка.
4. Упоминание о шунте и добавочном сопротивлении.
5. Изображение на схеме шунта и добавочного сопротивления.
6. Фальсификация данных.
7. Не обращается внимание на реплики класса.
8. Установка расположена так, что наблюдать за показаниями приборов неудобно.
9. Неудовлетворительно введен коэффициент пропорциональности.
10. Закон введен на основании опыта с одним проводником.
11. Не учитывается точность приборов.
12. Отсутствует общение с классом.
13. Сила тока указывается в амперах, а напряжение в вольтах.
14. Вольтметр включен в цепь неверно.
15. Быстрый темп речи.
16. Не указаны границы применимости закона.
17. Грязный стол.
18. Сухая тряпка.
19. Неаккуратное построение графика.
20. Опора на понятия последовательного и параллельного соединения проводников.
Обобщая данные, можно сделать вывод, что вопреки ожиданиям, статистически значимая разница между ответами студентов 3 и 5 курсов как по положительным, так и по отрицательным позициям отсутствовала. При этом среднее количество данных ответов значительно отличалось в меньшую сторону от образца.
Так, согласно образцу, можно было высказать 15 положительных и 20 отрицательных суждений, имеющих принципиальный характер.
Студентами 3 курса в среднем было высказано 7 положительных и 6 отрицательных суждений при значительном разбросе результатов.
Студентами 5 курса было высказано в среднем 6,5 положительных и 8,7 отрицательных суждений при несколько меньшем разбросе результатов.
Конечно, представленная задача по своей сути имеет барьерный характер. Она требует от решающего умения сопоставить имеющиеся знания с реальным сюжетом, предварительно выделив из этого сюжета, по крайней мере, фактологический материал; на безе имеющейся задачи сформулировать серию новых задач с вопросами к ним.
В то же время, сопоставляя результаты решения этой задачи с материалами анкетирования учителей и данными изучения состояния преподавания физики в школах, можно высказать предположение о том, что пробелы в профессионально-методической подготовке учителей в области методики и техники демонстрационного эксперимента заложены в самой системе этой подготовки. Соответственно, система требует корректировки.
Разработка новой системы подготовки студентов в области школьного физического эксперимента потребовала от нас решить задачи отбора его содержания и изменения организации самого процесса подготовки.
