Формирование у учащихся физических понятий

Физическая наука как система знаний о мире (об определенных его сторонах, аспектах, областях) создала и оперирует множеством понятий, среди которых понятия

- философского уровня (движение, взаимодействие, причина, следствие и пр.),

- общенаучные понятия (симметрия, сохранение, энергия, элементарность и др.),

- собственно физические понятия, применяемые не только в физике, но и в других естественных науках (скорость, масса, сила, электрический заряд, электромагнитная волна и пр.).

Физические понятия, изучаемые в школьном курсе физики, можно разделить на:

понятия об объектах (например: твердое тело, маятник, проводник, электрическое поле),

понятия о явлениях (например: равномерное движение, теплопроводность, электрический ток, Фотоэффект, радиоактивный распад),

физические величины (например: перемещение, скорость, энергия, температура, напряженность электрического поля, период полураспада).

Кроме того, есть понятия, которые нельзя отнести ни к одной из этих групп. Например: траектория, инертность, относительность, дискретность. Можно сказать, что эти понятия отражают отдельные свойства, стороны, аспекты, особенности физических объектов и явлений. К этой группе понятий относятся и понятия математические, которые широко применяются в физике, поскольку матема­тика в отношении физики выступает в роли языка физической науки.

Процесс формирования физических понятий может происходить двумя путями. Первый путь начинается с наблюдений объектов и явлений, накопления эмпирического материала, в итоге приводящего к выводу о необходимости ввести новое понятие. Этот путь можно назвать «восхождением от конкретного к абстрактному». Например, наблюдение самых разных изменений положений тел друг относительно друга с течением времени, организуемое учителем с помощью демонстрационного и фронтального эксперимента или экранно-звуковых пособий, подводит учащихся к введению понятия «механическое движение». Второй путь, называемый «восхождением от абстрактного к конкретному», предполагает первоначальное введение обобщенного понятия и дальнейшее наполнение его конкретным содержанием. Например, в начале изучения темы «Механические колебания» можно ввести понятие механического колебания вообще как периодически повторяющегося в пространстве и во времени движения при постоянной смене последовательности прохождения механической системой любых двух своих состояний. Затем следует организовать изучение учащимися различных характеристик механического колебания и закономерностей их изменений для самых разных видов механических колебаний.

Второй путь может быть реализован лишь на базе предшествующего эмпирического опыта учащихся. Априорного (доопытного) появления понятий естественные науки не приемлют.

В реальности оба пути тесно переплетаются. Так, например, до введения понятия «механическое колебание» целесообразно осуще­ствить на уроке наблюдение учащимися различных колебательных движений («восхождение от конкретного к абстрактному»), а после (введения понятия механического колебания изучение разных видов колебаний нитяного, пружинного маятников, систем маятников позволит учащимся обогатить содержание введенного понятия и усвоение понятия будет доведено до уровня его применения.

В целом процесс формирования понятий, как правило, проходит ряд этапов. Во многих случаях довольно ярко выраженным бывает этап обоснования необходимости введения понятия (этап накопления опытных данных о физических объектах и явлениях). Этот этап завершается определением понятия, введением термина (слова или словосочетания) для обозначения понятия и формулировкой суждения или собственно определения понятия, раскрывающего его содержание, позволяющего отличить вновь введенное понятие от уже известных.

Существуют понятия разной степени общности, или, как говорят, понятия различаются объемом. Одно понятие может «входить» в другое. Например, понятие равномерного движения менее общее по сравнению с понятием механического движения, понятие электрического поля менее общее по сравнению с понятием электромагнитного поля. Объем понятия менее общего меньше, чем объем понятия более общего.

При введении понятия менее общего даются так называемые родо-видовые определения понятий: указывается ближайший род понятия (т.е. понятие более общее по отношению к вновь вводи­мому и в то же время такое, чтобы между ним и определяемым понятием нельзя было «разместить» еще одно понятие, промежуточное по степени общности) и видовые отличия нового понятия.

Например, по отношению к понятию «конвекция» более общими выступает как понятие «теплопередача», так и понятие «способ изменения внутренней энергии». Определение конвекции должно включать ближайший род понятия, т.е. начинаться со слов «конвекция - это вид теплопередачи...». Далее будут следовать слова, говорящие о том, что отличает конвекцию от других видов теплопередачи (теплопроводности и излучения), а именно слова «... при котором перенос энергии осуществляется неравномерно нагретыми слоями жидкости или газа».

Структура родо-видовых определений физических величин имеет свою специфику. После указания рода (векторная или скалярная физическая величина) в определении должно быть сказано, для характеристики какого свойства объекта или явления введена данная величина, и лишь затем должны быть приведены признаки, по которым данная величина отличается от других. На­пример, определение электрической емкости может выглядеть так: «Электрическая емкость – это скалярная физическая величина, характеризующая свойство проводника или системы проводников, разделенных слоем диэлектрика, накапливать электрический заряд и равная отношению заряда на проводнике к потенциалу проводника или заряда на одном из проводников к разности потенциалов между проводниками, образующими систему».

Для многих фундаментальных достаточно общих физических понятий нецелесообразны или даже невозможны строгие родовидовые определения (они оказываются слишком сложными, неконкретными, непродуктивными). К таким понятиям, не требующим строгих определений, в физике можно отнести, например, понятия электромагнитной волны, электрического заряда, энер­гии, температуры. Для этих и подобных понятий родовидовые определения заменяются описаниями, характеристиками, т.е. перечислением того, что учащемуся известно о данном физическом объекте, явлении, величине, свойстве.

Среди различных понятий, изучаемых в школьном курсе физики, особое место занимают модели различных физических объектов и процессов. Моделирование как процесс построения мысленной модели физического объекта и явления для их изучения и объяснения является необходимым этапом научного познания.

В физической науке при создании модели происходит абстра­гирование, отвлечение от действительности, выделение сторон главных, существенных для данного этапа и уровня познания объекта и явления. После построения модели происходит изучение этой модели, а не реального объекта или явления. Правомерность выводов, полученных при изучении модели, проверяется при выяснении соответствия этих выводов научному эксперименту либо результатам их практического применения.

Самую многочисленную группу понятий, изучаемых в школьном курсе физики, составляют физические величины. Это особые понятия, поскольку в них в единстве сочетаются качественная и количественная характеристики свойств объектов и явлений. В науке физическая величина определяется как свойство, общее в качественном отношении множеству объектов или явлений, но индивидуальное для каждого объекта или явления в количествен­ном отношении. На уровне школьного курса физики целесообразно в соответствии с принципом доступности различать свойство (например, инертность) и характеризующую его физическую величину (для инертности это масса).

Для физических величин так же, как и для других видов понятий, существуют два пути введения величин: эмпирический и теоретический, что соответствует восхождению от конкретного к абстрактному и наоборот.

При введении физической величины эмпирическим путем целесообразно придерживаться следующих этапов:

- наблюдение физических объектов и явлений;

- обнаружение нового свойства у одного объекта или явления;

- обнаружение этого свойства у других представителей данной группы объектов или явлений;

- обнаружение разной степени проявления свойства у разных объектов или явлений;

- вывод о необходимости введения новой физической величины;

- введение названия новой величины;

-введение словесного определения величины и (если это возможно) определительной формулы.

Например, при введении понятия индукции магнитного поля в соответствии с приведенными этапами необходимо вначале пронаблюдать действие магнитного поля на проводник с электрическим током, затем обнаружить это действие на разные проводники. Далее необходимо обнаружить, что это действие будет разным для разных магнитных полей (например, полей, связанных с разными постоянными магнитами).

На этом этапе необходимо будет убедиться в том, что отношение силы, действующей на проводник с током в расчете на единицу длины и единичную силу тока, остается постоянным для конкретного магнитного поля и оказывается разным для разных магнитных полей. Именно это одновременно убедит в разной степени проявления свойства у разных магнитных полей и позволит вплотную подойти к получению определительной формулы для индукции магнитного поля через силу Ампера, силу тока в проводнике и длину части проводника, расположен­ного перпендикулярно линиям магнитной индукции в однородном магнитном поле.

Более коротким в данном случае оказывается теоретический путь введения физической величины, поскольку если на опыте установить то, что сила Ампера прямо пропорциональна силе тока в проводнике и длине той части его, которая находится в однородном магнитном поле, то простейшие теоретиче­ские рассуждения покажут постоянство отношения для данного магнитного поля силы Ампера к силе тока в проводнике и длине проводника. Это и будет основанием для определения понятия индукции магнитного поля.

Не менее ответственным, чем этап введения нового понятия, и значительно более длительным является этап применения понятия для анализа конкретных физических ситуаций в таких формах, как выполнение различных упражнений, экспериментальных заданий, решения разных физических задач (качественных, количественных, графических), написание рефератов, подготовка докладов. На этом этапе происходит в полном смысле слова овладение понятием через установление его взаимосвязей с ранее изученными и вновь вводимыми и через получение с помощью данного понятия конкретных теоретических и практических результатов, которые ожидаются в той или иной учебной или повседневной ситуации.

На этапе применения понятия происходит развитие понятия, обогащение его содержания, поскольку во многих случаях совершается перенос понятия, введенного для определенного круга явлений, на другие группы явлений. Так, например, обычно напряженность электрического поля вводят для поля точечного электрического заряда, а потом рассматривают напряженность других видов электрического поля, включая электрическое поле как неотъемлемую составляющую переменного электромагнитного поля. Или, скажем, масса, введенная как характеристика инертных свойств тел, рассматривается далее как характеристика свойств гравитационных и как величина, связанная с количеством вещества и энергией.

В процессе применения понятия неоднократно проводится обобщение знаний учащихся. Для целого ряда понятий, например таких, как энергия, электромагнитное поле, колебание, организуются специальные обобщающие уроки, на которых в наиболее совершенной форме устанавливаются связи данного понятия с другими, более и менее общими.

Применение и развитие понятия приводят к тому, что оно усваивается на новых, более высоких уровнях. Если вначале непосредственно после введения понятия можно говорить лишь об усвоении понятия на уровнях узнавания и воспроизведения, то далее достигаются уровни применения в знакомой и новой ситуациях, а при определенных условиях и целенаправленной работе учителя может быть достигнут и творческий уровень усвоения понятия.

Судить об усвоении понятия учитель может, в частности, пред­лагая учащимся рассказать о физическом объекте, явлении, вели­чине по обобщенным планам, некоторые из которые приводятся во многих программах по физике. К ним можно добавить сле­дующие планы:

Вещественный объект: 1. Свойства данного объекта и величины, их характеризующие. 2. Явления, в которых объект может участвовать. 3. Способы «изготовления» данного объекта. 4. Применение объекта.

Полевой объект: 1. Вещественный объект, с которым связан данный полевой объект. 2. Способы обнаружения данного вида поля. 3. Свойства поля и их характеристики (физические величины). 4. Графическое представление поля. 5. Применение поля на практике.

Модель вещественного объекта: 1. Определение модели. 2. Свойства материального объекта, которыми обладает модель. 3. Свойства материального объекта, которыми не обладает модель. 4. Условия, при которых модель может «заменить» материальный объект.

Приведенные и подобные этим обобщенные планы полезны, однако наиболее полную и достоверную информацию об усвоении понятий может дать лишь анализ результатов применения учащимися этих понятий для объяснения и предсказания реальных физических явлений.

Лекция 24

ОБОБЩЕНИЕ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ УЧАЩИХСЯ ПО ФИЗИКЕ

Задачами обучения физике, как уже говорилось, являются формирование у учащихся глубоких, прочных и действенных знаний основ физики и их практических применений, знаний о методах естественнонаучного познания и структуре научного знания, развитие их мышления и т.д. Один из путей решения этих задач – организация специальной работы по систематизации и обобщению знаний.

Под систематизацией понимают мыслительную деятельность, в процессе которой изучаемые объекты организуются в определенную систему на основе выбранного принципа.

При систематизации осуществляются такие мыслительные операции, как анализ и синтез, сравнение и классификация, в ходе которых учащиеся выделяют сходство и различие между объектами и явлениями, группируют их в соответствии с выбранными признаками или основаниями, устанавливают причинно-следственные связи, сущностные отношения между объектами и явлениями. В процессе систематизации знаний устанавливаются не только смысловые, причинно-следственные, но и структурные связи, в частности связи между компонентами структуры элементов физического знания: связи внутри физических понятий, законов, теорий, картины мира. В этом случае решается задача формирования системности знаний учащихся.

Методологической основой систематизации знаний учащихся является принятый в науке системный подход - методологическое средство изучения интегрированных объектов и интегральных зависимостей и взаимодействий, который позволяет, с одной стороны, дать общее представление о процессе, явлении, объекте, а с другой стороны, увидеть их компоненты, связи между ними, место данной системы в составе другой, более сложной системы.

Объективной научной основой систематизации знаний учащихся являются особенности физической науки и физики - учебного предмета, отличающейся логической стройностью как самого научного знания, так и процесса его становления.

Дидактической основой систематизации знаний являются закономерности усвоения учащимися знаний и способов деятельности, отраженные в принципе систематичности и последовательности в обучении, а также в принципе системности.

Психологической основой систематизации знаний является образование ассоциативных связей: локальных, частносистемных, внутрисистемных и межсистемных. В первых трех случаях систематизация носит, главным образом, внутрипредметный характер; в четвертом - межпредметный. Соответственно можно выделить несколько уровней систематизации знаний по физике:

- уровень научных фактов (явлений, процессов);

- уровень физических понятий, в том числе физических величин;

- уровень физических законов (разной степени общности);

- уровень физических теорий;

- уровень общенаучных методологических принципов;

- уровень физической картины мира.

Помимо этого, может осуществляться систематизация знаний на основе тех или иных стержневых идей курса, в частности, целесообразна систематизация прикладных знаний в соответствии с основными направлениями научно-технического прогресса, мировоззренческих и методологических знаний в соответствии с циклом научного познания или на основе философских категорий материи, движения, пространства-времени, взаимодействия, представления о которых развиваются по мере изучения курса физики и др.

В случае систематизации знаний на межпредметном уровне речь должна идти соответственно об общих естественнонаучных понятиях, законах, теориях, о естественнонаучной картине мира.

Уровень систематизации знаний зависит от того, на каком этапе изучения курса физики ее проводят. Так, в конце изучения темы систематизируют знания о физических явлениях, понятиях, величинах и законах; в конце изучения разделов - о физических теориях; в конце изучения всего курса - о физической картине мира.

Дидактическая роль систематизации знаний заключается в том, что объединение в систему знаний о фактах, явлениях, законах, принципах позволяет раскрыть новые, неизвестные учащимся до этого связи и отношения между ними, сделать обобщения ми­ровоззренческого и методологического характера и превращает таким образом систематизацию в средство познания.

Уровень сформированности у учащихся системы знаний является важным показателем их интеллектуального развития, он определяет возможности учащихся справляться с новыми познавательными задачами, перестраивать знания, включать их в новые системы, т. е. служит показателем возможности учащихся осуществлять творческую деятельность.

В процессе систематизации внимание и деятельность учащихся направлены на выделение главного, на объединение множества изолированных фактов в группы, что позволяет упорядочить знания, разгрузить память, более полно охватить и осмыслить информацию. При этом часто происходит обобщение знаний учащихся, заключающееся в «мысленном объединении предметов или явлений, сходных по каким-либо существенным признакам. Обобщение предполагает первоначальное изучение объектов, выделение в них общего и особенного, объединение их в группы по отобранным признакам, разделение на виды и т.д.» (Основы методики преподавания физики в средней школе / Под ред. А.В.Перышкина, В.Г.Разумовского, В.А.Фабриканта.- М., 1984.- С. 219.).

Обобщение знаний - переход на более высокую ступень абстракции путем выделения общих признаков (свойств, отношений, связей и т.п.) объектов и явлений. Обобщение знаний приводит к существенному изменению их качества, к усвоению ядра знаний, их системы. В этом смысле обобщение тесно связано с принципом генерализации, который предполагает, что результатом обучения учащихся является такая система знаний, в которой частное подчинено общему, несущественное и второстепенное - главному.

Обобщению знаний и умений учащихся по физике способствуют так называемые обобщенные планы изучения тех или иных элементов знаний, формирования тех или иных экспериментальных умений.

Существует несколько видов систематизации знаний. Важнейшим является классификация - вид систематизации, при котором объединение объектов происходит на базе определенных существенных признаков, что позволяет выделить существенное, общее, что объединяет объекты в систему (родовые признаки), и их специфические различия (видовые признаки). Примером классификации может служить систематизация знаний о механическом движении, в процессе которой выделяются по различным признакам разные виды механического движения: в зависимости от формы траектории, от характера изменения скорости (схема 1).

Схема 1

Механическое движение
По виду траекторий	По характеру изменения скорости
Прямолинейное	Криволинейное	Равномерное	Неравномерное
По окружности	Произвольное	Равноускоренное	Произвольное

Другим видом систематизации является установление логико-генети-ческих связей, отраженных в определении понятий. Напр., сила тока определяется как физическая величина, численно равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника в единицу времени. Связь между тремя понятиями, отраженными в определении, представлена на схеме 2.

Схема 2

Электрический заряд	Время
Сила тока

Систематизация знаний может быть направлена на установление причинно-следственных связей между явлениями. В частности, после изучения первоначальных сведений о строении вещества учащимся можно предложить объяснить ряд явлений на основе тех или иных положений молекулярно-кинетической теории и составить соответствующую таблицу.

Систематизация может осуществляться путем сравнения (установления сходства), различия или аналогии между объектами и явлениями. При этом сходство или различие не только устанавливается, но и объясняются их причины. Примером может служить сравнение электростатического и гравитационного полей, электростатического и магнитного полей и т.п.

Результаты работы по обобщению и систематизации знаний могут быть оформлены в виде схем, таблиц, диаграмм, опорных конспектов.

Рассмотрим примеры систематизации и обобщения знаний учащихся.

На уровне научных фактов может быть осуществлена систематизация знаний учащихся о фундаментальных опытах по электродинамике, и результаты работы представлены в виде таблицы (см. табл. 1).

Таблица 1

Название опыта	Год	Цель постановки опыта	Результат
Опыт Кулона		Исследование взаимодействия электрических зарядов	Закон взаимодействия точечных неподвижных электрических зарядов
Опыт Эрстеда		Исследование взаимосвязи электрических и магнитных явлений	Действие электриче­ского поля на магнитную стрелку
Опыт Ампера		Исследование взаимодействия проводников с током	Закон взаимодействия проводников с током
Опыт Фарадея		Исследование взаимосвязи магнитных и электрических явлений	Явление и закон электромагнитной индукции

На уровне явлений и характеризующих их понятий может быть осуществлена систематизация знаний учащихся, например, о способах изменения внутренней энергии (схема 3).

Схема 3

Изменение внутренней энергии
Совершение работы	Теплопередача
	Теплопроводность	Конвекция	Излучение

Примером систематизации знаний о физических величинах может служить таб. 2.

Таблица 2

Название величины	Обозначение величины	Что характеризует величина	Единица величины	Прибор, способ измерения величины	Какая это величина: относительная или инвариантная
Масса	т	Свойство тел, является мерой инертности и мерой гравитации	кг	Взвешивание на рычажных весах, взаимодействие	Инвариантная
Сила	F	Взаимодействие, является его мерой	Н	Динамометр	Инвариантная

Такая систематизация проводится при изучении или после изучения динамики. При этом данная таблица может служить продолжением таблицы, систематизирующей знания о кинематических величинах. В конце изучения курса физики знания о понятии массы можно обобщить уже на более высоком уровне, включив в содержание этого понятия то, что масса является мерой количества вещества при рассмотрении изменения состояния макроскопических систем и мерой энергии при анализе ядерных превращений. То же относится и к понятию силы. В конце изучения курса физики обобщаются знания учащихся о фундаментальных взаимодействиях.

Систематизация знаний на уровне физических законов может быть проведена после изучения законов динамики Ньютона. Результат этой работы целесообразно представить в виде опорного конспекта (см. схему 4).

Полезной представляется работа по обобщению знаний учащихся на уровне общенаучных методологических принципов, к которым относятся принципы соответствия, дополнительности, причинности, симметрии. Эту работу можно провести на межпредметной основе. Частным случаем принципа симметрии является принцип относительности. Обобщение знаний о нем можно проводить как по ходу изучения тем или разделов курса физики (после изучения механики, электродинамики, теории относительности), так и в конце изучения курса физики.

Схема4

При обобщении знаний учащихся их деятельность на уроке может быть организована по-разному, так же как возможны раз­ные методы этой работы. В частности, урок может быть проведен в форме лекции, однако познавательная активность учащихся в этом случае недостаточно высока. Другим вариантом является использование на уроке метода беседы, во время которой происходит построение схем, заполнение обобщающих таблиц. Целесообразно проведение обобщающих занятий в виде семинаров, на которых учащиеся выступают с самостоятельно подготовленными сообщениями.

Полезны задания обобщающего характера, для выполнения которых учащимся необходимо воспользоваться до­полнительной литературой: справочниками, энциклопедиями, учебными пособиями. К таким заданиям относится, например, следующее: составить таблицу типов тепловых двигателей, ис­пользующихся в народном хозяйстве, с указанием их мощности, коэффициента полезного действия и области применения, поло­жив в основу классификации принцип их работы. Аналогичную таблицу можно составить при обобщении знаний о свойствах ме­ханических и электромагнитных волн, указав в ней названия волн (излучений), диапазон частот, среду, в которой они распростра­няются, воздействие на человеческий организм, область применения. Таблицы, предложенные учащимися, обсуждаются на уроке. В результате этого обсуждения выбирается наиболее удачный ва­риант или составляется сводная таблица.

Примеры проведения обобщающих занятий по темам «Меха­ника и механизация производства», «Основные законы электро­динамики и их технические применения», «Физика и научно-технический прогресс», «Физическая картина мира» приведены в ряде пособий. (См.: Методика преподавания физики в средней школе: Частные вопросы / Под ред. С.Е.Каменецкого, Л.А.Ивановой. - М., 2000; Современный урок физики в средней школе / Под ред. В.Г.Разумовского, Л.С. Хижняковой. - М., 1983.)

Лекция 25

ОБУЧЕНИЕ УЧАЩИХСЯ РЕШЕНИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Дата добавления: 2014-01-06