ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Криворізький державний педагогічний університет
ГАЙДУК Станіслав Микитович
УДК 371.3;53:681.142(021)
НАУКОВО-МЕТОДИЧНІ ЗАСАДИ СТВОРЕННЯ ТА ВИКОРИСТАННЯ НАВЧАЛЬНОГО КОМПЛЕКТУ З ОПТИКИ
13.00.02 – теорія і методика навчання фізики
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата педагогічних наук
Кривий Ріг - 2002
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Кіровоградському державному педагогічному університеті імені Володимира Винниченка, Міністерство освіти і науки України.
Науковий керівник — доктор педагогічних наук, професор, Величко Степан Петрович, Кіровоградський державний педагогічний університет імені Володимира Винниченка, завідувач кафедри фізики та методики її викладання.
Офіційні опоненти: — доктор педагогічних наук, професор, дійсний член АПН України Гончаренко Семен Устимович, Інститут педагогіки і психології професійної освіти АПН України, головний науковий співробітник лабораторії професійного навчання у навчальних закладах профтехосвіти.
— доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент АПН України, Шут Микола Іванович, Національний педагогічний університет ім.М.П.Драгоманова, завідувач кафедри загальної фізики.
Провідна установа — Запорізький обласний інститут післядипломної педагогічної освіти, кафедра педагогіки, психології та методик навчання природничо-математичних дисциплін, Міністерство освіти і науки України, м. Запоріжжя.
Захист відбудеться “ 06 ” листопада 2002 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 09.053.01 в Криворізькому державному педагогічному університеті, 50086, м. Кривий Ріг, вул. Гагаріна, 54.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Криворізького державного педагогічного університету, 50086, м. Кривий Ріг, вул. Гагаріна, 54.
Автореферат розісланий “4 ” жовтня 2002 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Штельмах Г.Б.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність дослідження. Серед основних завдань національної програми відродження освіти в Україні з метою забезпечення самовдосконалення особистості та формування інтелектуального потенціалу як найвищої цінності нації першочерговими окреслені такі:
- запровадження ефективних сучасних технологій та новітніх досягнень у методичному забезпеченні навчального процесу;
- підвищення професійного рівня вчителів відповідно до сучасних вимог суспільства;
- забезпечення та зміцнення матеріально-технічної бази освіти;
- органічне поєднання освіти і науки, широке запровадження у навчальний процес нових психолого-педагогічних розробок та передового педагогічного досвіду.
У вирішенні цих завдань в освіті провідну роль відіграє фізика, бо вона має велике значення в суспільному розвитку: розкриваючи закони природи, розширює знання людини про природу і одночасно є складовою частиною наукового світорозуміння та науково-технічного прогресу; надзвичайно багатогранне використання її досягнень у різних галузях діяльності людини.
Як навчальний предмет, фізика посідає провідне місце у вирішенні комплексних завдань навчання, виховання і розвитку школярів; вона сприяє формуванню у молоді наукових уявлень про навколишній світ і наукову картину світу, формує і розвиває у них науковий стиль мислення, розкриває тісний взаємозв’язок науки з життям, поліпшує практичну спрямованість навчання, формує активну життєву позицію кожного випускника школи.
Навчальний процес з фізики є складним педагогічним процесом спільної діяльності вчителів і учнів, у якому шкільний фізичний експеримент (ШФЕ) є обов’язковим його елементом і одночасно невід’ємною складовою частиною методики навчання фізики.
За цих обставин ШФЕ розвивається у зв’язку із загальним розвитком науки і техніки, з розширенням та становленням змісту шкільного курсу фізики (ШКФ), у зв’язку з поліпшенням методики його викладання та внаслідок модернізації й удосконалення засобів навчання і навчального обладнання.
Проблема навчального експерименту на сучасному етапі актуалізується внаслідок переходу до варіативного навчання фізики та внаслідок виникнення середніх навчальних закладів різного типу, бо школярі у них навчаються на основі рівневої та профільної диференціації, за різними програмами, що передбачають вивчення різного обсягу матеріалу курсу фізики.
Системний підхід до аналізу навчального процесу з фізики в сучасній середній школі дозволяє стверджувати, що сукупність ШФЕ слід розглядати як педагогічну систему, яка має зовнішні і внутрішні взаємозв’язки. В умовах різноваріантного проведення процесу навчання фізики система ШФЕ може бути представлена багатофункціональною ефективнодіючою і динамічною педагогічною системою.
Поряд з цим аналіз свідчить, що багато тем і розділів шкільного курсу фізики на сьогодні недостатньо забезпечені необхідною системою навчального експерименту, особливо це стосується оптики і будови атома.
Науково-методичними дослідженнями Л.І.Анциферова, О.Ф.Кабардіна, Л.Р.Калапуші, В.Ю.Кліха, Є.В.Коршака, Д.Я.Костюкевича, Б.Ю.Миргородського, М.Я.Молоткова, В.Ф.Савченка, М.М.Шахмаєва, а згодом С.П.Величка, В.П.Вовкотруба, С.О.Кононенка, В.Г.Нижника, В.І,Савченка, В.І.Тищука, а також Ю.М.Галатюка, І.В.Сальник, Н.Л.Сосницької та ін. виявлено основні тенденції розвитку шкільного фізичного експерименту, зокрема, з оптики, сформульовані основні напрямки його вдосконалення.
Серед сучасних, найбільш значущих, виокремлюється тенденція широкого запровадження комп’ютерної техніки та ЕОМ у навчально-виховний процес взагалі і, зокрема, у навчанні фізики. Досить вагомою в удосконаленні системи шкільного фізичного експерименту є тенденція розробки нового й поліпшення існуючого обладнання з урахуванням останніх наукових досягнень, а також тенденція створення на цій основі навчальних комплектів (комплексів навчально-методичного забезпечення), які дозволяють відтворювати серію різних видів та різних рівнів складності навчальних дослідів. Такі комплекти, на думку С.П.Величка, без зайвих витрат часу і зусиль з боку вчителя, мають ефективно сприяти організації різних видів діяльності школярів і запроваджувати наявні засоби навчання, включаючи різні види ШФЕ, ТЗН, ЕОМ тощо, що активізують пізнавальну діяльність учнів. Створювані універсальні навчальні комплекти мають узгоджуватися із робочим місцем учителя й учнів і можуть передбачати різний перелік елементів, блоків чи систем, що входять до їх складу, коли вони пропонуються для диференційованого вивчення курсу фізики за варіативними програмами.
Разом з тим, науково-методичний аналіз свідчить про існування суперечності між сучасним станом методичного і матеріально-технічного забезпечення процесу навчання фізики за варіативними програмами та вимогами реформування фізичної освіти в різних середніх навчальних закладах, де курс фізики вивчається диференційовано. Навчально-виховний процес має будуватися на суб’єктній основі і передбачати суттєву активізацію самостійної навчально-пошукової діяльності школярів, враховуючи здібності, можливості та інтерес учнів до навчання фізики, і до вивчення оптики зокрема. А для реалізації цієї вимоги у вчителя немає можливості: відсутні методичні розробки і рекомендації, погіршилася матеріально-технічна база, навчальне обладнання не виготовляється тощо.
Виходячи із вищевказаного, вибрана тема дисертаційного дослідження “Науково-методичні засади створення та використання навчального комплекту з оптики”.
Важливість теми обумовлена тим, що в сучасних умовах перебудови фізичної освіти у середніх навчальних закладах різних типів і профілів навчальний матеріал з оптики суттєво впливає на розвиток мислення, формування наукового світогляду учнів, відіграє важливу роль у вихованні молоді. Дуже великі його можливості в аспекті практичної підготовки школярів. Однак цей матеріал не може вивчатися однаково у різних середніх закладах. За цих обставин вивчення оптики відповідно до різних програм має відрізнятися як за змістом, так і за використаними методами і засобами навчання. Це стосується і системи ШФЕ з оптики.
Саме тому розробка і створення навчального комплекту, який поєднує сучасні засоби відтворення різних дослідів з оптики, включаючи і комп’ютерну підтримку у навчанні фізики, дозволить опрацювати підходи до використання сучасних засобів фізичного експериментування й ЕОМ у різних видах діяльності вчителів та учнів на уроках фізики.
Тема наукового дослідження затверджена Вченою радою Кіровоградського державного педагогічного університету імені Володимира Винниченка (протокол № 8 від 26.02.2001 року) і узгоджена в раді з координації наукових досліджень АПН України в галузі педагогіки і психології (протокол №7 від 29.09.2001 р.)
Обраний напрямок наукового дослідження тісно пов’язаний із циклом досліджень, котрі проводяться спільно кафедрою фізики та методики її викладання Кіровоградського державного педагогічного університету імені Володимира Винниченка та Інститутом засобів навчання АПН України відповідно до теми “Дидактичні засади формування комп’ютерно-орієнтованого навчального середовища (держ. реєстр. №0100н002033) та теми “Науково-методичне забезпечення використання у дидактичному процесі засобів навчання нового покоління” (держ. реєстр. № 0100н002034).
Об’єктом нашого дослідження обрано навчання фізики в аспекті впливу шкільного фізичного експерименту на його результати та на активність пізнавальної діяльності його учасників.
Предметом дослідження виступає:
- шкільний фізичний експеримент як невід’ємна складова методики навчання фізики, зміст навчальних дослідів з оптики, які відображають сучасні наукові досягнення, та засоби їх постановки в умовах навчання фізики за варіативними програмами;
- основні засади і принципи створення навчального комплекту з оптики та методика його застосування в середній школі.
Мета дослідження: на основі сучасних концепцій удосконалення навчального обладнання, які базуються на нових технологіях з урахуванням тенденцій розвитку шкільного фізичного експерименту, психолого-педагогічних і дидактичних вимог, розробити систему навчальних дослідів з оптики та методичне їх забезпечення і, таким чином, створити сучасний навчальний комплект з оптики для середньої школи.
Відповідно до поставленої мети під час дослідження було розв’язано три групи завдань. Перша з них охоплювала аналіз процесу навчання фізики у сучасній середній школі в аспекті виявлення ролі в ньому навчального ШФЕ, пов’язаного одночасно зі створенням програмного забезпечення ЕОМ та розробкою методики застосування їх у навчально-виховному процесі, і, відповідно, формулюванням тенденцій розвитку та шляхів подальшого вдосконалення системи ШФЕ з оптики на сучасному етапі його розвитку. Друга група завдань охоплювала практичний аспект розробки на основі сформульованих концептуальних засад такого навчального комплекту з оптики, в якому враховувалися б сучасні наукові досягнення в галузі оптики і сучасні засоби експериментування у навчанні та їх реалізація разом із комп’ютерною технікою у вивченні оптики за варіативними програмами, що передбачає удосконалення методики і техніки різних видів шкільного навчального експерименту. Третя група завдань включала в себе розробку змісту та перевірку ефективності одержаних у ході виконаного дослідження результатів.
Гіпотезою нашого дослідження виступило твердження, що розробка нового навчального обладнання з оптики для середньої школи на основі сучасних фізичних науково-методичних досягнень та з урахуванням основних тенденцій розвитку ШФЕ і вимог педагогічної ергономіки сприятиме створенню ефективного навчального комплекту, який поліпшує методику і техніку навчального експерименту з оптики на основі сучасної експериментальної бази і комп’ютерної техніки, дозволяє розширити перелік та підвищити якість демонстрацій вчителя і самостійних досліджень з оптики (лабораторних робіт і фізичного практикуму) старшокласників, одночасно активізуючи пізнавально-пошукову діяльність учнів та підвищуючи інтерес і мотиви навчання з фізики.
Відповідно до гіпотези та характеру завдань використовувалися такі методи дослідження: теоретичні — аналіз науково-методичних досліджень, публікацій, методичної літератури, що відображають сучасний стан вивчення оптики у ШКФ та тенденції розвитку ШФЕ, розробка нових приладів та конструювання шкільного фізичного обладнання; удосконалення та перевірка системи дослідів з оптики, що відображають сучасний стан фізичної науки; діагностичні — виконання та апробація нових і відомих навчальних дослідів з оптики на основі створеного обладнання: демонстрацій вчителя, лабораторних робіт і фізичного практикуму, виконуваного учнями; експериментальна та експертна оцінка навчальних дослідів і обладнання та комплекту з оптики в цілому, апробація створеного комплекту у процесі підготовки майбутніх учителів фізики, на курсах підвищення кваліфікації та у процесі вивчення фізики в середніх загальноосвітніх навчальних закладах, статистичні методи обробки результатів експертної оцінки та їх аналіз.
Теоретико-методологічною основою дослідження стали Національна доктрина розвитку освіти України у ХХІ столітті; концепція неперервної фізичної освіти; основні положення теорії пізнання, діяльнісний підхід до навчання, теорія поетапного формування розумових дій, принципи дидактики та педагогічної ергономіки, теорія ШФЕ та особистісно-орієнтованого навчання.
Дослідження проводилося в чотири етапи:
І етап (1995-1998 рр.) Порівняльне вивчення методики викладання оптики у різних навчальних закладах, опрацювання вихідних позицій до вибору проблеми дослідження. Це дозволило на основі власного досвіду викладання розділу з оптики у загальноосвітній школі, ліцеї та колегіумі вибрати напрямок науково-педагогічного дослідження.
ІІ етап (1998-1999 рр.) Вивчення стану методики навчання оптики, аналіз науково-методичних досліджень з цієї проблеми, спеціальної і методичної літератури з оптики та методики її вкладання. Ознайомлення із станом конструювання навчального обладнання. Опрацювання ергономічних вимог до навчального обладнання та вироблення конкретних рекомендацій для створення навчального приладу з оптики; проходила розробка і створення окремих його елементів, зокрема: джерела випромінювання у вигляді лазерного діода; окремих деталей з оптики, які були згодом об’єднані і склали прилад “Шкільна оптична лава” (ШОЛ-3). Одночасно з цим вивчалися можливості використання комп’ютерної техніки у навчанні фізики та для проведення окремих дослідів з оптики.
ІІІ етап (1999-2000 рр.) Проводилася оцінка запропонованого варіанту таких елементів для виконання фізичних навчальних дослідів з оптики в школі:
- лазерний випромінювач у вигляді лазерного діода, вимоги до його живлення, яке має бути автономним, незалежним, складати безпечну напругу 3В; повинен мати малі габарити, давати достатньо потужне випромінювання для проведення лабораторних робіт і демонстрацій, добре узгоджуватися з іншими елементами приладу ШОЛ-3, а також з існуючим навчальним обладнанням у шкільному кабінеті фізики.
- оцінка оптичної лави, на якій можуть виконуватися демонстраційні досліди з оптики, та системи візуалізування лазерних пучків;
- відбір елементів і деталей та їх систем, що складають навчальний комплект і мають бути узгоджені між собою для швидкого і раціонального складання експериментальної установки.
Важливо зазначити, що вирішення проблеми створення сучасного навчального комплекту з оптики, який відповідав би змісту шкільного курсу фізики, спрощувалося тим, що раніше вже були створені подібні комплекти, але їхні можливості значно перевищувати потреби ШКФ, і відповідно, вони мали досить високу вартість.
ІV етап (2000-2001 рр.) Експериментальна перевірка та експертна оцінка, оформлення результатів дослідження.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:
- дістала подальшого розвитку ідея використання лазерної техніки у шкільних навчальних експериментах з оптики: на відміну від відомого раніше газового лазера – джерела оптичного випромінювання, запропоновано лазерний діод, який має малу масу, малі габарити, зручно налагоджується і монтується або на оптичній лаві, або у підставці, живлення лазерного діода здійснюється постійною напругою 3В від двох сухих елементів, а потужність випромінювання, яка не перевищує максимально допустимі значення за санітарно-гігієнічними нормами, у декілька разів більша потужності випромінювання газового лазера; рекомендована оптична лава та система візуалізування лазерних пучків;
- запропонований варіант системи ШФЕ з оптики у поєднанні сучасних засобів експериментування з комп’ютерною технікою, який дозволяє активізувати пізнавально-пошукову діяльність учнів та підвищити інтерес і мотиви навчання з фізики;
- створено оригінальний навчальний комплект з оптики, до складу якого входить новий прилад “Шкільна оптична лава ШОЛ-3” та навчальний посібник.
Теоретична значущість дослідження полягає в тому, що
- встановлені основні тенденції розвитку навчального фізичного експерименту з фізичної оптики, які пов’язані з широким запровадженням лазерної техніки;
- сформульовані концептуальні засади розробки і створення засобів експериментування і навчального обладнання та засобів наочності з оптики;
- розроблені конструкції окремих елементів та їх блоків, що об’єднані в навчальний комплект, для реалізації сучасних наукових досягнень з галузі оптики засобами шкільного навчального експерименту.
Практичне значення роботи визначає створена система ШФЕ з оптики, що відображає сучасний рівень науки:
- створено навчальний комплект з оптики, який включає випромінювач у вигляді лазерного діода, оптичну лаву, набір системних елементів, набір для кріплення деталей і оптичних систем;
- розроблено методичне забезпечення (методичні рекомендації, програмне забезпечення для комп’ютерної підтримки у виконанні дослідів, посібник для вчителів середньої школи) для використання навчального комплекту в процесі диференційованого навчання фізики в сучасній різнопрофільній середній школі;
- створений навчальний комплект та система навчальних дослідів з оптики на його базі впроваджено в навчальний процес, комплект з оптики виготовляється промисловістю, виданий методичний посібник для вчителів фізики, що рекомендований Міністерством освіти і науки України.
Вірогідність та обґрунтованість одержаних результатів забезпечуються відповідністю методів дослідження його меті і завданням; опорою на фундаментальні положення сучасної теорії пізнання; реалізацією цілісного системного підходу до дослідження; кількісним та якісним аналізом результатів дослідження; позитивними результатами експериментальної перевірки та експертної оцінки створеного навчального комплекту і методики його використання в середній школі.
Особистий внесок автора полягає у створенні навчального обладнання у вигляді комплекту з оптики та методичного забезпечення для вивчення питань з оптики у ШКФ за варіативними програмами та його апробації. До навчального комплекту з оптики для середньої школи увійшли: новий створений автором прилад ШОЛ-3, який виготовляється промисловістю і реалізується фірмою “Промінь”, про що свідчить довідка № 7 від 14.12.2001 р.; посібник “Оптика, Лабораторні роботи із використанням лазера і комп’ютерних програм”, створений автором дослідження під керівництвом наукового керівника; набори оптичних елементів з інтерференції, дифракції та поляризації світла, що входили до складу раніше відомого навчального комплекту “Оптика”, модифіковані автором; ідеї і розробки в опублікованих працях, використані в дисертації, належать автору. Співавтори брали участь в обговоренні результатів дослідження та в їх упровадженні в навчально-виховний процес.
Апробація і впровадження результатів дослідження здійснювалися на Всеукраїнських науково-практичних конференціях з проблем методики навчання фізики та сучасних технологій і засобів їх реалізації (Кіровоград, 1998, 2000, 2002 рр.; Херсон, 2000 р.) та опублікуванням посібника “Оптика. Лабораторні роботи із сучасними засобами експериментування” (2001 р.) і посібника “Оптика”. Лабораторні роботи з використанням лазера і комп’ютерних програм (2002 р.), що рекомендований Міністерством освіти і науки України для вчителів фізики.
Навчальний комплект та система дослідів з оптики запроваджені в трьох середніх загальноосвітніх школах: у Користівській ЗШ І-ІІІ ступенів Олександрійського району, Добрівській ЗШ І-ІІІ ступенів Вільшанського району, Олександрійському колегіумі, на курсах підвищення кваліфікації в Кіровоградському обласному інституті післядипломної педагогічної освіти та на фізико-математичному факультеті Кіровоградського державного педагогічного університету імені Володимира Винниченка.
Результати дослідження опубліковані у 10 наукових працях загальним обсягом 13,28 друкованих аркушів, з яких 7 статей у наукових виданнях та два посібники. Одноосібних праць - 7.
Дисертація складається із вступу, трьох розділів, загальних висновків, списку використаних першоджерел та додатків. Зміст викладено на 178 сторінках машинописного тексту і містить 8 таблиць, 29 рисунків. Список першоджерел нараховує 232 найменування, 6 з яких іноземні. Додатків до роботи - 4.
СТРУКТУРА І ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ
У вступі обґрунтовується актуальність дослідження, визначається його мета, об’єкт, предмет, гіпотеза, наукова новизна, теоретичне і практичне значення отриманих результатів та розкривається вірогідність отриманих результатів, їх апробація та впровадження.
У першому розділі - “Шкільний фізичний експеримент у процесі навчання фізики” - на основі системного аналізу розкрито навчальний процес з фізики як педагогічну систему і виявлені основні напрямки розвитку процесу навчання фізики в сучасних умовах реформування фізичної освіти. Науково-методичний аналіз дозволяє виокремити такі актуальні проблеми методики навчання фізики як педагогічної науки:
- гуманізацію освіти, яка розглядається як складне системне утворення, пов’язане із створенням в освітньому середовищі умов для розкриття здібностей особистості, задоволення її потреб в інтелектуальному, духовному, моральному і фізичному розвитку. При цьому зазначається, що гуманізація фізичної освіти базується на таких чотирьох принципах: гуманітаризації освіти, фундаменталізації освіти, діяльнісному спрямуванні освіти, національному характері освіти. До того ж показано, що гуманізація освіти однаковою мірою стосується як змісту ШКФ, так і методики навчання, бо використання досягнень сучасної фізики є невід’ємною складовою у вихованні, розвитку і формуванні особистості учня. Ці аспекти особливо проявляються стосовно системи ШФЕ, яка у навчальному процесі уособлює зміст ШКФ, методи навчання, засоби наочності та організаційну форму навчання;
- розглянуті аспекти в освітньому процесі ведуть до раціональної індивідуалізації навчання фізики, до необхідності утворення класів, у яких вивчення фізики проводиться за нахилами і здібностями школярів, у різному обсязі та різній глибині розгляду змісту на основі диференціації. Цей напрямок визначає діяльність учителя, вимагає певної організації навчального процесу, забезпечує відповідність навчального процесу рівневі підготовки школярів, їхнім планам і побажанням;
- диференційоване навчання актуалізує виділення у змісті курсу фізики основи-базису навчального матеріалу, до якого відносяться основні фізичні поняття, величини, закони, фундаментальні фізичні константи, експерименти, способи діяльності. Цей обсяг складає інваріантну частину ШКФ, яка згідно з вимогами стандартів фізичної освіти повинна бути засвоєна усіма школярами незалежно від рівня і профілю диференційованого навчання фізики і одночасно має забезпечити формування наукового світогляду, розвиток пізнавальних здібностей та інтересу до фізичних знань. Разом з тим стандарт фізичної освіти окреслює і варіативну частину змісту ШКФ, яка є специфічною для закладу відповідного профілю. В умовах диференційованого навчання фізики відповідні вимоги визначаються стандартом фізичної освіти і до системи ШФЕ як до невід’ємної складової навчального процесу;
- комп’ютеризація усіх сфер діяльності людини актуалізує інтенсивне впровадження інформатики у навчально-виховний процес з фізики і одночасно вимагає вирішення низки проблем, пов’язаних з упровадженням ЕОМ у шкільний фізичний експеримент.
Комплексний аналіз навчально-виховного процесу з фізики в загальноосвітній середній школі, який базується на результатах психолого-педагогічного, системно-структурного аналізу та аналізу дидактичних принципів і принципу історизму у педагогічних дослідженнях, дає підставу вважати систему ШФЕ багатофункціональною ефективнодіючою динамічною педагогічною системою, у якій основними системоутворюючими елементами є: об’єкт дослідження; комплекс засобів навчання (технічних, наукових, навчально-методичних); діяльність учителя; діяльність учнів.
Одночасно на основі такого комплексного аналізу виявлені основні тенденції розвитку навчального експерименту з оптики на сучасному етапі удосконалення фізичної освіти (п. 1.3):
- інтенсивне впровадження в навчальний процес з оптики сучасних наукових досягнень та елементів ЕОМ на основі генералізації навчального матеріалу навколо провідних фізичних теорій;
- широке запровадження електричних засобів реєстрації світлової енергії, використання аналізаторів низьких і високих частот струму, запровадження методу осцилографування у процесі вивчення оптичних явищ та їх законів;
- широке використання лазерної, телевізійної та відеотехніки;
- суттєва модернізація існуючого обладнання з урахуванням сучасних наукових фізичних досягнень в галузі голографії і створення нових приладів, що об’єднуються в навчальні комплекти;
- широке застосування методу моделювання та аналогій як обов’язкового елементу в системі ШФЕ;
- комп’ютерне моделювання оптичних явищ і створення імітаційного (віртуального) експерименту для навчальних цілей.
З огляду широкого застосування комп’ютерної техніки в умовах сучасного реформування фізичної освіти для поліпшення системи ШФЕ в цілому та для удосконалення методики і техніки навчального експерименту з оптики важливим положенням цього аспекту є те, що ЕОМ разом з відповідним програмним забезпеченням:
- відкриває широкі можливості нового підходу до проектування навчального фізичного експерименту, який, хоч і є ідеалізованим (віртуальним), але досить цінний для навчального процесу, бо пов’язаний із швидкою орієнтацією на кінцевий його результат;
- сприяє активізації навчально-пошукової діяльності школярів і розширює можливості вчителя у запровадженні проблемних і дослідницьких аспектів у навчанні;
- активізує психологічний аспект у навчанні, підвищуючи активну реакцію учня на основний зміст навчального матеріалу ШКФ і стимулюючи емоційний підйом у навчальному процесі;
- підвищує якісний рівень наочності у навчанні, сприяє не лише якісній, але й кількісній оцінці досліджуваних явищ і процесів, поєднує дидактичні принципи науковості і доступності наочного матеріалу з оптики;
- вимагає встановлення раціонального співвідношення у проведенні реального (фізичного) та комп’ютерного (віртуального) навчального експерименту.
Розглядається процес створення та реалізації нового навчального обладнання з оптики як однієї із основних сучасних проблем у методиці навчання фізики (п. 1.4), і доводиться, що за сучасних умов реформування фізичної освіти ця проблема є однією з основних для педагогічної ергономіки, яка виникла на основі наукової організації праці і наукових досягнень виробничої ергономіки і без якої зараз вже неможлива реалізація нових педагогічних концепцій.
Предметом педагогічної ергономіки є особлива форма суспільної діяльності, яка спрямована на вивчення педагогічного процесу та умов його оптимізації завдяки досягненням науки і техніки. Досліджуючи свій предмет, педагогічна ергономіка виконує, з одного боку, пізнавальну функцію і, всебічно розглядаючи предмет, накопичує емпіричний матеріал, систематизує і узагальнює його. З іншого боку, одержаний результат вона використовує для розробки теоретичних положень організації навчального процесу і норм, використання яких на практиці підвищує ефективність навчально-виховного процесу.
Виконаний аналіз (п. 1.4) свідчить, що система ШФЕ з оптики в цілому та проблема реалізації створеного навчального обладнання і технічних засобів навчання з оптики буде оптимальною, якщо вона відповідатиме основним вимогам педагогічної ергономіки, тобто коли кожний навчальний прилад, засіб наочності та створений на їх базі комплект відповідатиме дидактичним, технічним, економічним, психофізіологічним та антропологічним вимогам.
У другому розділі – “Науково-педагогічні основи створення навчального комплекту з оптики” – розкрито процес розробки та використання навчального комплекту з оптики, який базується на таких основних положеннях розвитку навчального експерименту та обладнання з фізики в сучасній середній школі:
1. Неухильний розвиток ШФЕ зумовлений його сутністю і тією роллю, яку він відіграє у навчанні в середній школі.
2. Переорієнтація навчально-виховного процесу на онтогенетичний розвиток особистості учня вимагає відповідної перебудови системи ШФЕ.
3. Сучасний етап розбудови фізичної освіти вимагає забезпечення навчального процесу з фізики такою системою ШФЕ, яка відповідає рівневі останніх досягнень фізичної науки.
4. Ефективне диференційоване навчання фізики вимагає створення неперервнодіючої системи ШФЕ, яка здатна забезпечити різні етапи формування фізичних знань у сучасній середній школі.
5. Варіативне вивчення фізики в школах різного типу і профілю передбачає, що система ШФЕ повинна мати особистісне спрямування для реалізації індивідуальних особливостей, здібностей і нахилів кожного учня.
6. Посилення ролі самостійної пошуково-пізнавальної діяльності учнів у системі ШФЕ є одним із основних чинників поліпшення навчально-виховного процесу з фізики.
7. Запроваджувана система ШФЕ за сучасних вимог має відповідати “технологічності” і забезпечувати оптимальний темп виконання навчальних дослідів, аналіз одержаних результатів та їх узагальнення, а також передбачати особистісну спрямованість процесу навчання, його комп’ютеризацію та відповідне психолого-педагогічне і матеріально-технічне забезпечення з належним обладнанням робочого місця вчителя і робочих місць учнів.
Виходячи із вищезазначеного, у п. 2.1 сформульовані концептуальні засади створення навчального комплекту з оптики, які передбачають, що:
- створення засобів навчання нового покоління не повинно виключати можливість використання у навчально-виховному процесі тих засобів і того навчального обладнання з оптики, котрі виправдали себе і пройшли перевірку практикою; нові засоби навчання мають доповнювати існуючі і надавати можливості розширити їхні функції відповідно до нової парадигми освіти;
- розробка нових приладів та навчального оптичного устаткування має поєднувати їх у навчальні комплекти, здатні забезпечувати високий рівень фізичної освіти школярів у різних навчальних закладах, де курс фізики вивчається диференційовано за різними рівнями, різними профілями, у різному обсязі та різної глибини з’ясування основного змісту; створювані навчальні комплекти обладнання та засоби навчання з оптики мають забезпечувати ефективне використання їх у середніх закладах освіти всіх типів;
- створення нових навчальних комп’ютерних програм має забезпечити школярам формування умінь користуватися новими інформаційними технологіями і комп’ютерною технікою та орієнтувати учнів на можливість використання цих засобів як у навчальній діяльності, так і в майбутній професійно спрямованій підготовці випускників;
- у створенні засобів навчання з оптики відповідно до сучасних вимог досить важливим є врахування альтернативності навчальних планів курсу фізики, альтернативності навчальної діяльності вчителя й учнів, що підвищує продуктивність навчального процесу, створює умови для ефективної реалізації можливостей і здібностей усіх учасників навчального процесу, тобто сучасний комплект з оптики має формувати ефективнодіюче шкільне навчальне середовище;
- використання сучасних засобів у вивченні оптичних явищ повинно сприяти активізації навчально-пізнавальної діяльності учнів (процесу учіння) і бути спрямованим на розвиток їх самостійності, стимулювати активну діяльність кожного школяра з урахуванням його особливостей, підвищувати інтерес і мотивацію учіння;
- розробка комплекту з оптики має бути орієнтованою на сучасну технологічну базу, відповідати сучасним психолого-педагогічним, санітарним, а в цілому - ергономічним вимогам і враховувати, що ці вимоги з часом удосконалюються, доповнюючись новими положеннями.
Таким чином показано, що створення системи засобів навчання з оптики нового покоління відповідно до зазначених вимог сприятиме вирішенню завдань, поставлених перед фізичною освітою на сучасному етапі її реформування, і акцентується увага на проблемі інформатизації навчального процесу взагалі та, зокрема, навчального фізичного експерименту з оптики (п. 2.2) при диференційованому її вивченні у школах різних типів.
У п. 2.3. описано комплект з оптики, до складу якого увійшли новий створений автором навчальний прилад “Шкільна оптична лава – 3” і оптичні елементи з інтерференції, дифракції та поляризації, посібник “Оптика. Лабораторні роботи із сучасними засобами експериментування” (Кіровоград, 2001. -51 с.) та програмне педагогічне забезпечення для виконання розрахунків з використанням ЕОМ (посібник для вчителів, -2-е вид., перероб. і доп. – Кіровоград , 2002. –112 с.).
Використання у створеному навчальному приладі з оптики лазерного діода замість газового лазера має суттєві переваги, які зводяться до таких:
1. Як джерело випромінювання лазерний діод має значно менші розміри, меншу масу, легко транспортується і зберігається, зручно налагоджується і монтується в демонстраційній установці на оптичній лаві або у підставці.
2. Живлення лазерного діода здійснюється постійним струмом напругою 3 В від двох сухих елементів по 1,5 В кожний, що є безпечним для використання і учнями старших класів, і учнями середніх та молодших класів та відповідає вимогам техніки електробезпеки.
3. Потужність випромінювання лазерного діода у червоному діапазоні спектра як і газового лазера ЛГ-208А за інтенсивністю в декілька разів більша. При цьому вона не перевищує максимально допустимі значення за санітарно-гігієнічними нормами.
Внаслідок цього чинника демонстрації з лазерним діодом дозволяють:
а) одержувати яскравіші і переконливіші результати, ніж із газовим лазером;
б) виконувати демонстрації у не зовсім затемненому приміщенні;
в) створити такі умови, які більшою мірою відповідають санітарно-гігієнічним вимогам, бо зіниця ока, діафрагмуючись сама за наявності світла, зменшує ймовірність ураження сітківки.
Випромінювання лазерного діода формується різними елементами за допомогою револьверної головки і дозволяє під час демонстрацій використовувати такі варіанти:
а) сферичне розширення пучка для збільшення кута розбіжності та формування сферичного фронту світлових хвиль;
б) збільшення розбіжності пучка в одній площині, що дозволяє одержати інтенсивні вузькі пучки у дослідах з променевої оптики;
в) отримання декількох пучків; одночасно передбачене обертання крайніх пучків відносно центрального, що дозволяє ілюструвати переріз оптичних деталей у будь-якій площині та якісно демонструвати різні оптичні системи.
Набір системних елементів з оптики дозволяє виконати серію демонстраційних дослідів та лабораторних робіт, які відповідають сучасним програмам з фізики.
Методика використання навчального комплекту з оптики описана у п. 2.4, де розкрито особливості виконання демонстраційних дослідів із геометричної оптики на основі візуалізування світлових променів у виділеному просторі методом його задимлювання. Методика передбачає виконання дослідів одночасно і традиційними, добре відпрацьованими на практиці прийомами, на які робиться посилання. Описана методика виконання лабораторних робіт з оптики із використанням навчального приладу та комп’ютерної техніки.
У третьому розділі описані результати дослідно-експериментальної перевірки навчального комплекту з оптики та системи демонстраційних дослідів і лабораторних робіт з ним.
Експериментальна перевірка окремих результатів та в цілому створеного навчального комплекту з оптики проводилася відповідно до основних етапів нашого дослідження.
І етап (1995-1998 рр.) – характерний порівняльним вивченням методики викладання оптики у різних навчальних закладах, мали місце опрацювання вихідних позицій до досліджуваної проблеми. Це дозволило на основі власного досвіду, набутого при викладанні розділу з оптики у загальноосвітній школі, ліцеї та колегіумі, вибрати напрямок в удосконаленні вибраної проблеми і виявити вплив ЕОМ на рівень знань учнів з фізики, на їхню активність у навчанні, що розкрито у статті [1].
ІІ етап (1998-1999 рр.) – пов’язаний із конструюванням навчального обладнання та оцінкою відповідності його ергономічним вимогам до навчального обладнання та виробленням конкретних рекомендацій для створення навчального приладу з оптики. Одночасно з цим оцінювалися можливості використання комп’ютерної техніки у навчанні фізики та для проведення окремих дослідів з оптики.
ІІІ етап (1999-2000 рр.) - проводилася оцінка окремих елементів для виконання фізичних навчальних дослідів з оптики в школі: оптична лава, система візуалізування, набори оптичних елементів, лазерний випромінювач у вигляді лазерного діода, вимоги до його живлення, розмірів, маси, конструктивних особливостей для проведення лабораторних робіт і демонстраційного експерименту, його узгодження з іншими елементами комплекту (ШОЛ-3), а також з існуючим навчальним обладнанням у шкільному кабінеті фізики. У результаті був виготовлений діючий макет, розробником якого є автор дослідження (довідки від 19 вересня 2001 р. № 283/02 та від 14 грудня 2001 року № 7)
ІV етап (2000-2001 рр.) характерний якісною оцінкою комплекту з оптики у навчально-виховному процесі з фізики в різних навчальних закладах.
З цією метою три примірники приладу з оптики та комплект посібників до нього були передані в різні школи Кіровоградської області, зокрема в:
1. Користівську ЗШ І-ІІІ ступенів Олександрійського району;
2. Олександрійський колегіум;
3. Добрівську ЗШ І-ІІІ ступенів Вільшанського району, де вчителі фізики перевіряли і давали оцінку відповідно до сформульованих у нашій гіпотезі якісних показників, а саме: відповідності змісту ШКФ, дидактичним вимогам, вимогам активізації навчальної діяльності учнів, оцінювали узгодженість з наявним обладнанням у шкільному кабінеті фізики.
Одночасно комплект з оптики перевірявся у процесі вивчення загального курсу фізики та шкільного курсу фізики і методики його викладання на фізико-математичному факультеті Кіровоградського державного педагогічного університету імені Володимира Винниченка, а також на курсах підвищення кваліфікації вчителів фізики в Кіровоградському обласному інституті післядипломної педагогічної освіти.
Результати якісної оцінки комплекту з оптики підтверджуються відповідними довідками, які є в додатках до дисертаційної роботи.
З метою кількісної оцінки параметрів навчального комплекту з оптики та системи дослідів з ним ми провели експертну оцінку. Результати експертної оцінки з урахуванням думок 73 фахівців і вчителів наведені в табл. 1.
Т а б л и ц я 1
Вимоги | Середнє арифм.
Мj | Диспер-сія
Dj | Середнє
квадр.
відхилення
уj | Коеф.
варіації
Vj
Дидактичні | 93 | 2 | 5 | 0,05
Інформаційні | 91 | 26,2 | 5,1 | 0,06
Науково-технічні | 93 | 21,8 | 4,7 | 0,05
Відповідність змісту ШКФ | 95 | 12,9 | 3,6 | 0,04
Статистична оцінка погодження думок експертів
ж 2 = 2,32< ж2R табл. = 3,84
для вибраного рівня значущості L = 0,05; коефіцієнт конкордації: W = 0,13; коефіцієнт компетентності < Кк> = 0,88.
Результати теоретичного та експериментального дослідження підтверджують гіпотезу і дозволяють зробити такі загальні висновки.
1. Комплексний науково-теоретичний аналіз навчального процесу в загальноосвітній середній школі дозволяє виявити основні проблеми сучасного навчання фізики, до яких відносяться:
а) гуманізація фізичної освіти, що базується на гуманітаризації освіти, фундаметалізації освіти, діяльнісному спрямуванні та національному характері освіти;
б) індивідуалізація навчання фізики, а, відповідно, і створення курсів різних рівнів і профілів для диференційованого вивчення фізики;
в) комп’ютеризація навчального процесу з фізики.
Доведено, що за таких умов реформування фізичної освіти виявлені актуальні проблеми дидактики фізики, властиві й основним складовим навчального процесу з фізики. Зокрема, вони характерні і для системи шкільного фізичного експерименту, яка складає ефективнодіючу і динамічну систему навчання, виховання і розвитку школярів та формує у них активну позицію, пошуково-пізнавальну діяльність та мотиви учіння.
2. Аналіз науково-методичних досліджень, методичної літератури та стану матеріально-технічного забезпечення шкільних кабінетів фізики дозволяє узагальнити, що рівень матеріально-технічного забезпечення навчального процесу з фізики під час вивчення оптичних явищ у середній школі суттєво відстає від наукових досягнень. Встановлено, що при достатній розробці системи ШФЕ з оптики та засобів її реалізації запровадження науково-методичних досягнень у навчальний процес з фізики загальноосвітньої школи відбувається дуже повільно. Це зумовлено складністю обладнання, високою його вартістю, складністю виконання демонстрацій та іншими особливостями дослідів з оптики.
3. Узагальнення сучасних тенденцій розвитку системи ШФЕ і, зокрема, навчального експерименту з оптики, дозволяють зробити висновки про доцільність створення навчального комплекту з оптики для середньої загальноосвітньої школи, який враховував би позитивні сторони раніше пропонованих навчальних комплектів і одночасно відповідав би усім вимогам педагогічної ергономіки з посиленням вимог до економічності.
4. На основі сформованих концептуальних засад розроблене нове навчальне обладнання з оптики, яке базується на сучасних досягненнях лазерної техніки та враховує основні тенденції і напрямки удосконалення фізичної освіти та шкільного фізичного експерименту. Рекомендоване навчальне обладнання у вигляді приладу ШОЛ-3 відповідає дидактичним, науково-технічним, інформаційним вимогам та вимогам відповідності до змісту навчального матеріалу шкільного курсу фізики.
5. Запропоноване нове навчальне обладнання (прилад ШОЛ-3) та навчально-методичне його забезпечення (система дослідів, лабораторних робіт, ППЗ для ЕОМ) створюють навчальний комплект з оптики, який сприяє інтенсифікації навчального процесу на основі посилення принципу наочності, підвищенню наукового рівня, інформативності, зацікавленості та формування наукового світогляду школярів.
6. Створений навчальний комплект відповідно до гіпотези нашого дослідження активізує самостійну пізнавально-пошукову діяльність учнів, інтелектуальні здібності учнів та мотивацію учіння.
7. Запропонований комплект з оптики відповідає сучасним вимогам педагогічної ергономіки і може бути використаний у 8-х та 11-х класах під час диференційованого вивчення оптики у сучасних загальноосвітніх навчальних закладах різних типів і профілів.
8. Дослідно-експериментальною перевіркою доведена педагогічна ефективність створеного навчального комплекту як такого, який відповідає сучасним вимогам удосконалення навчально-виховного процесу з фізики, вирішує проблему удосконалення методики і техніки
