112044 (Аналогии и модели - один из методов обучения физики средней школы)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

"БРЕСТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени А.С.Пушкина"

Курсовая работа:

"Аналогии и модели - один из методов обучения физики средней школы"

Введение

Аналогия и модели - один из методов научного познания, который широко применяется при изучении физики.

В основе аналогии лежит сравнение. Если обнаруживается, что два или более объектов имеют сходные признаки, то делается вывод и о сходстве некоторых других признаков. Вывод по аналогии может быть как истинным, так и ложным, поэтому он требует экспериментальной проверки.

Значение аналогий при обучении связано с повышением научно-теоретического уровня изложения материала на уроках физики в средней школе, с формированием научного мировоззрения учащихся.

В практике обучение аналогии используется в основном для пояснения уже введенных трудных понятий и закономерностей.

Электромагнитные колебания и волны - темы школьного курса физики, усвоение которых традиционно вызывает большие затруднения у учащихся. Поэтому для облегчения изучения электромагнитных процессов используются электромеханические аналогии, поскольку колебания и волны различной природы подчиняются общим закономерностям.

1. Метод моделирования в преподавании физики основной школы

Моделирование, как способ научного познания реальности, давно стало одним из наиболее мощных средств науки. Само слово "модель" было известно очень давно, первоначальное значение слова было связано с архитектурой. В эпоху средневековья оно обозначало масштаб, в котором выражались все пропорции здания. Впоследствии понятием модели стали пользоваться в научных исследованиях, когда непосредственное изучение каких-либо явлений оказывалось невозможным или малоэффективным. Начало моделированию, как методу теоретического исследования, положил И. Ньютон, сформулировав две теоремы о подобии, позволяющие результаты опытов по сопротивлению тел, движущихся в жидкой среде, переносить на другие случаи, в книге "Математические начала натуральной философии".

Метод моделирования имеет большое значение в современных условиях. Он основан на построении соответствующей модели объекта, изучении ее свойств и переносе полученной информации на сам объект. Роль модели состоит в том, что она – заменитель объекта, посредник в отношениях между субъектом и объектом. Под моделью понимается условный образ или образец изучаемого объекта.

В естествознании под физическим моделированием понимается замена изучения некоторого объекта или явления экспериментальным исследованием его модели, имеющей ту же физическую природу.

Так как в Государственном образовательном стандарте предусмотрено изучение методов научного познания в виде отдельного раздела, то необходимо формировать у школьников представление о роли моделирования явлений и объектов, области применения и границ применимости моделей. Бесспорно, это требует перестройки всего учебного процесса в школе так, чтобы учащиеся получили четкое представление о происхождении научных знаний и понимали, как связаны между собой факты, понятия, законы и теоретические выводы.

В курсе физики понятие модели может быть рассмотрено в двух аспектах: модель как объект познания и как средство познания. Проиллюстрируем это. Для рассмотрения понятия модели как объекта познания подходит следующая классификация моделей, в которой все модели делятся на два больших класса: модели материальные и модели идеальные (информационные). А информационные модели в свою очередь делятся на: описательно-информационные, математические (формализованные) и графические.

Рассмотрим возможные примеры моделей взаимодействия двух электрически заряженных тел.

Примером материальной модели такого взаимодействия могут быть крутильные весы Кулона, в которых шарики А и В заряжаются определенным образом и играют роль заряженных тел. А о величине силы взаимодействия между заряженными телами судят по повороту тонкой серебряной упругой нити подвеса.

Описательно-информационная модель: два разноименно заряженных тела притягиваются, а два одноименно заряженных тела отталкиваются, причем сила взаимодействия зависит от расстояния между телами, среды, в которую они помещены и величины заряда тел.

Примером математической модели является связь между величинами в законе Кулона (записанном, например, в скалярной форме в системе СИ): F= k(q1q2/r²)

Графической моделью (рис.1) служит, например, зависимость модуля силы взаимодействия от расстояния между двумя телами (при постоянной величине зарядов тел).

Рис.1

При рассмотрении модели, как средства познания чаще используется деление моделей на материальные (предметные) и теоретические. За редким исключением, любой физический эксперимент – это модель (материальная). А примером теоретической модели может служить модель гармонической электромагнитной волны из курса физики основной школы.

Рис.2

Гармоническая электромагнитная волна (рис.2) – это распространяющееся в пространстве с конечной скоростью гармоническое электромагнитное колебание. Гармоническая электромагнитная волна представляет собой бесконечную синусоидальную волну, в которой все изменения напряженности электрического поля и индукции магнитного поля происходят по закону синуса или косинуса. Причем, колебания вектора напряженности E вектора индукции B в электромагнитной волне происходят перпендикулярно направлению ее распространения. В то же время векторы напряженности и индукции перпендикулярны друг другу. Это означает, что волна движется в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой колеблются векторы E и B.

К сожалению, многие учителя в настоящее время не готовы к изменению акцентов в преподавании. В. Г. Разумовский отмечает, что не только ученики, но часто учителя забывают о "модельном" характере теоретических знаний, придают им статус полной адекватности изучаемой реальности, что чрезвычайно сковывает развитие познавательных и творческих способностей учащихся. Изменить ситуацию может лишь такая организация учебного процесса в педагогическом вузе, когда раскрытию модельного характера познания в физической науке будет уделяться достаточно времени.

2. Взаимодействие теоретического и эмпирического методов исследования

"Физика – наука экспериментальная…". "Физики – наука теоретическая…". Сколько раз в истории при подобном противостоянии истинна оказывалась где-то посередине. Именно это и происходит сейчас в методике преподавания физики. От этих двух полярных взглядов переходят в доктрине тесного взаимодействия теоретических и эмпирических методов познания.

Что подобное решение может дать для самой методики преподавания физики? Прежде всего то, что раз мы признаем одинаково высокую степень важности и теоретических и эмпирических методов познания, а так же большое внимание уделяем проблемам их взаимодействия, значит мы уделяем особое внимание тем методам научного познания, которые принадлежат к классу как теоретических, так и эмпирических. Это происходит из-за того, что при изучении узко специальных методов познания мы даем школьникам лишь знания о самом методе познания, и знания полученных с помощью этого метода. Совсем по-другому обстоят дела, когда мы преподносим общие методы познания, а особенно на столько общие, что относятся одновременно и к теоретическим и к эмпирическим. Мы даем ученикам системаобразующий фактор, ту нить познания, на которую нанизываются ее конкретные бусинки-знания. То есть, изучив подобные методы познания, у школьника будет четкое представление о том, как было получено, и как может быть получено большинство научных фактов, а это само по себе не мало. А, освоив подобные методы в достаточной мере, школьник сможет получить сам или под руководством учителя немалую часть научных фактов.

Какие методы научного познания можно отнести к столь привилегированной группе? Это, прежде всего, общефилософские методы познания, такие как анализ, синтез, моделирование и т. д. Остановимся более подробно на методе моделирования. Итак, для качественного усвоения знаний по физике школьникам необходимо в полной мере раскрыть суть метода моделирования, но если это общефилософские методы познания, не раскрываются ли они в достаточной степени на других школьных предметах? Все школьные предметы химия, природоведение, биология, русский язык и даже физкультура работают с моделями или со знаниями, полученными с помощью метода моделирования, но даже термин "модель" встречается более-менее часто только в биологии, да и там он употребляется не в научно-познавательном смысле, а в смысле демонстрационного увеличенного макета. Предмета "методы научного познания" в основной школьной программе, пока, не существует. Остается информатика. Авторских программ по информатике существует большое количество, и в некоторых из них проблеме моделирования уделяется действительно достойное внимание, и метод моделирования рассматривается в довольно большом объеме. Основным недостатком подобных программ является, пожалуй, то, что метод моделирования изучается в старших классах, обычно в десятом или даже одиннадцатом.

Подводя итоги, можно сделать следующий вывод: в курсе физики необходимо в достаточной мере изучать метод моделирования. При чем, желательно изучать методы моделирования начиная с первых занятий по физике и не выпускать далеко из рассмотрения на протяжении всей основной школы.

3. Классификации моделей и их значение в обучении физике

Модели давно играют одну из главных ролей в обучении физике, о моделях написано много научных работ, много ученых, преподавателей и учителей создавали и создают новые учебные модели, разработано много классификаций моделей. Рассмотрим некоторые классификации моделей, а так же попытаемся оценить их ценность для методики преподавания физики.

Существует множество классификаций моделей, отличающихся друг от друга признаками, положенными в основу классификации, перечислим некоторые из них.

Модели делятся:

• по способу познания: житейские, художественные, научно-технические;

• по отрасли знаний: биологические, экономические, исторические и т.д.;

• по области использования: учебные (наглядные пособия), опытные (модель самолета в турбодинамической трубе), научно-технические (ускорители элементарных частиц), игровые (экономические, военные), имитационные (многократное повторение опытов для оценки результатов воздействия реальной действительности на образец);

• по учету фактора времени: динамические и статистические.

По способу реализации и средствам моделирования существует довольно много классификаций, рассмотрим классификацию представленную в книге Каменецкого и Солодухина "Модели и аналогии в курсе физики средней школы". Модели делятся на: материальные (предметные) и идеальные (мысленные). В свою очередь материальные модели делятся на: физически подобные, пространственно-подобные и математически подобные, а идеальные модели делятся на: модели-представления и знаковые модели. К сожалению, в методике преподавания физики, можно встретить и другую классификацию моделей по способу реализации: физические и математические, которая является не полной даже в рамках преподавания физики. Так из этой классификации выпадают, например, химические уравнения и уравнения ядерных реакций.

Приведенные классификации представляют интерес для методики преподавания физики только в плане обучения учеников методу моделирования, и не представляют особого интереса при преподавании конкретных тем курса. Совсем иначе обстоит дело с классификацией, основанной на способах получения моделей. Модели можно разделить на модели, полученные путем предельного перехода, модели, полученные путем приписывания и теоретические конструкты.

С помощью предельного перехода можно получить модели непосредственно воспринимаемых явлений и объектов, путем рассмотрения целого ряда явлений или объектов обладающих интересующим свойством, например в порядке его возрастания, а затем сконструировать мысленный объект или явление, обладающим этим свойством в бесконечной мере, либо лишенным его. Таким образом, можно вводить понятия материальной точки или математического маятника.

Путем приписывания некоторых свойств объекту можно получить модели микрообъектов или микроявлений, не воспринимаемых непосредственно органами чувств. Таким образом, можно получить модели идеального или электронного газа. И, наконец, теоретические конструкты, такие как электрон или электромагнитное поле, они не могут быть получены путем приписывания, и лишь дальнейшее развитие науки может подтвердить правомерность их использования.

Из данной классификации можно получить конкретные методические рекомендации по введению моделей того или иного класса.

Для успешного введения модели непосредственно воспринимаемого макрообъекта или макроявления, необходимо реализовать наблюдение подобных объектов/явлений с различными степенями выраженности интересующих свойств. Для построения моделей микрообъектов и микроявлений полученных путем приписывания необходимо, в начале, на основе предыдущего опыта, путем абстрагирования отбросить несущественные стороны, а оставшиеся в поле рассмотрения свойства приписать модели. И, наконец, при введении теоретических конструктов, таких как электрон, квант или электромагнитное поле, существование которых, само по себе, необходимо доказывать, остается использовать исторический материал, показывающий, как эти понятия появились в истории науки.