Астрономия (стр. 3 )

Таблица 2.6

Виды взаимодействий

№	Гравитационное	Электростатическое	Магнитное	Сравнительный анализ
Закон, лежащий в основе взаимодействия, его формулировка
Константа пропорциональности, её физический смысл
Физические характеристики полей
Влияние среды на взаимодействие
Изображение полей
Выводы:

Кроме того, на этом занятии учащимся даётся задание ввести по аналогии с электростатическим полем такие характеристики как потенциал и напряженность гравитационного поля, а также изобразить гравитационное поле с помощью силовых линий.

Описанные выше формы работы являются одними из самых трудных для учителя, но такие уроки очень результативны, так как продвигают мышление учащихся рывком намного вперёд.

2.3.9. Метод структурирования знаний и учебного материала

Важнейшей задачей преподавателя физики профильного физико-математического класса является интенсификация обучения без увеличения до необъятных размеров содержания предмета. Это возможно лишь при условии развития в учениках умения самостоятельно ориентироваться в содержании изучаемого материала. Система самостоятельных работ с учебником в процессе обучения способствует формированию творческой самостоятельности, а также речевых умений учащихся, поэтому является важнейшей формой начальной профессиональной подготовки будущих специалистов-физиков в классах соответствующего профиля.

С понятием «учебный материал» тесно связаны понятия сложности, трудности, доступности изучаемого материала при восприятии его учащимся. В работе [203] показано, что сложность, трудность и доступность являются общими и важными дидактическими характеристиками учебного материала, с которыми приходится иметь дело в обучении.

Сложность является объективной характеристикой, зависящей от структуры учебного материала ( [100], [204]). Сложность может быть охарактеризована большим числом объективных показателей и параметров: количеством слов, строк, символов в тексте, числом элементарных и составных объектов, наличием связей между элементами.

Трудность - совоокупность субъективных факторов, выражающих особенности деятельности обучаемого ( [205], [206]). Но трудность имеет и объективную сторону, связанную со сложностью учебного материала. Сложность учебного материала и его трудность не всегда связаны между собой пропорционально: для способного ученика сложный материал может быть легким, а для слабого ученика несложный материал - трудным.

По , под доступностью учебного материала понимается различие в понимании одного и того же материала при различных способах его изложения [204]. Доступность выступает регулятором меры трудности в усвоении учащимися нового материала. При этом принцип доступности рассматривается как принцип посильной трудности. Доступным считается то содержание учебного материала, которое создает перед учащимися преодолимые трудности, не вызывая перенапряжения физических и умственных сил. Доступность учебного материала зависит от многих факторов: от объёма учебной темы, способа её изложения, от предшествующей подготовки учащихся, от применения средств наглядности и т. д.

В настоящее время в дидактике не до конца выделены педагогические условия, дидактические приёмы, позволяющие регулировать доступность учебного материала для учащихся.

А. Структурные схемы

Одним из средств сделать материал доступным является структурирование знаний. В качестве элементов структуры выбираются единицы, задаваемые самим текстом, - это некоторые отрезки текста, соответствующие предметам и их признакам, выступающие в качестве функциональных единиц текста. По , cтруктура, построенная на базе таких единиц и их отношений, соответствует смысловой организации текста, так как учитывает внутренние связи единиц, их разнопорядковость, иерархию, позволяет выделить главное в содержании и называется денотатной структурой текста (денотат - содержательная единица текста) [208, с.129]. Текст, представленный в виде взаимосвязанных денотатов, изображается в виде графа. Представление структуры содержания текста в виде денотатного графа - схемы свёрнутого текста - позволяет сжимать информацию, содержащуюся в тексте, а затем, при воспроизведении, разворачивать её в прежнем объеме, что позволяет экономить время обучаемого и ведет к интенсификации обучения (рис.2.8, 2.9).

Рис. 2.8. Представление взаимосвязи структурных и функциональных
компонентов педагогической системы в виде графа [236]

Рис.2.9. Представление теории в виде трёхмерного графа [159, с.12]

Граф – «это система линий (так называемых рёбер графа), соединяющих заданные точки (называемые вершинами графа)» [204, с.24]. Соединение двух вершин графа ребром означает связь между ними, если линия между какой-то парой вершин отсутствует, то вершины изолированы. «Сущность структурного подхода состоит в совместном исследовании строения и функционирования целого» [204, с.6]. «Структура - это строение, способ сочетания элементов системы» [204, с.8]. По , «графы, моделирующие логическую структуру учебного материала, называются структурными формулами соответствующих отрезков материала». Достаточно подробная структурная формула представляет собой тезаурус (от греч. «запас», «сокровище») [207]. Результаты исследований, проведённых , позволяют утверждать, что учащиеся быстрее усваивают свёрнутые знания, представленные в виде логической конструкции [25].

ёва сообщает о своём опыте визуализации курса немецкого языка для студентов технического вуза. В качестве средств визуализации выступают 12 рисунков, 5 таблиц, множество схем а также условные знаки [209, 210] (рис. 2.10).

Рис.2.10. Условные знаки как средство визуализации и структурирования
содержания курса немецкого языка [210, с.121]

В диссертационном исследовании ёва проанализировано содержание учебника 10 класса и , на основе анализа созданы структурные формулы учебных единиц, под которыми понимаются учебные параграфы, главы и информация, заключенная в них [211]. На рис.2.11,а представлены обозначения основных элементов научного знания в виде геометрических фигур, а на рис.2.11,б - структурная формула параграфа «Заряженные тела. Электризация». Представление материала учебника в виде структурных формул делает возможным выявить систему связей между элементами; увидеть логику научных знаний через связи между структурными элементами научного знания.

Рис. 2.11. Структурная схема параграфа «Заряженные тела. Электризация»
учебника физики 10 класса [211]

Однако структурирование учебных параграфов таким способом имеет следующие недостатки: 1) составить структурную формулу параграфа является непростым заданием для среднего ученика; 2) большая трата времени, требуемая для выполнения этой работы; 3) каждый раз надо составлять новую структурную формулу - сколько параграфов, столько и их структурных формул, а это не упрощает процесс обучения, и в целом ученик имеет дело с довольно большим количеством структурных формул и схем.

Научные исследования показали, что ученики сохраняют в памяти: 10% из того, что читали, 20% из того, что слушали, 30% из того, что наблюдали, 50% из того, что видели и слышали, 70% из того, что высказывали и обсуждали, 90% из того, что высказывали и практически выполняли [212]. Как научить учащихся активно самостоятельно работать с учебником, причём, так, чтобы не было скучно? Конечно, можно заставить прочитать параграф и затем заставить воспроизвести его на оценку. Это традиционный репродуктивный метод. Обучение с помощью этого метода неэффективно: ученики уже спустя неделю не помнят «выученный» параграф и требуется его неоднократное повторение, чтобы кое-что отложилось в голове. Более эффективный способ работы с книгой относится к реконструктивному типу самостоятельной работы: ученик должен прочитать заданный параграф, найти свои примеры из жизни и включить их в содержание изучаемого материала. Такая работа соответствует эвристическому (частично-поисковому) методу обучения. Однако опыт показывает, что самым эффективным способом работы с книгой является структурирование знаний. При этом теория выделяется как основная «единица» содержания. Далее следуют элементы теории. Первый элемент теории - научные понятия, которые составляют основание теории. Второй элемент теории - её основные законы, составляющие ядро теории. Третий элемент теории - практическое применение законов. При более подробном структурировании учебного материала можно выделить в качестве структурных элементов: явления и процессы; гипотезы; структурные элементы материи; постулаты, положения, правила; приборы, машины, установки; задачи и практическое применение законов. Все эти элементы знаний в учебнике перемешаны, поэтому учебный материал воспринимается как «каша» и с трудом откладывается в памяти.

Автор данной работы проделывает с учащимися структурирование учебного материала по стабильной схеме, изображенной на рис.2.12. Структурируется, как правило, материал всей темы, главы, раздела или вообще всего учебника. Учащимся предлагается выписать в тетрадь в отдельные колонки явления, понятия, законы (не только названия, но и их сущность). Составляется одна структурная схема, по которой работают учащиеся.

Рис.2.12. Пример схемы структурирования учебного материала

Эта работа частично проводится в классе, но большую часть её ребята проделывают дома в качестве домашнего контрольного задания. Учащимся предлагается выисать в тетрадь в отдельные колонки явления, понятия, законы, процессы, исторический материал и т. д. Эффективность структурирования материала по данной схеме объясняется тем, что весь учебный материал расслаивается и «раскладывается по полочкам», а «полочки» указаны в схеме (рис.2.12). Чтобы выполнить эту работу, учащийся должен активно поработать с учебником: много раз пролистать материал учебника «вдоль и поперёк», просматривая каждую строчку, вдумываясь в содержание. При этом включается и непроизвольная память: попутно непроизвольно запоминаются формулы, формулировки понятий, законов, явлений, процессов. В результате этой работы учащиеся начинают свободно ориентироваться в учебном материале, учатся выделять главное в параграфе (теме), классифицировать элементы знаний, хорошо запоминают формулы, формулировки законов, понятий и хорошо знают содержание учебника. У учителя при этом образуется большой резерв времени, который он может потратить на решение задач, изучение современных вопросов физики.

Б) Фреймовый подход к организации знаний при обучении физике
как средство интенсификации учебного процесса

«Фреймовый подход» к организации знаний, по Ч. Филлмору и
В. Дейку, обеспечивает свертывание (сжатие) и компактное представление информации [213, 214, 215]. По М. Минскому, фреймом является один из перспективных видов воспринимаемого объекта, который может быть формально представлен структурой в виде графа [216].

По , «фрейм - это некоторая структура, содержащая сведения об определённом объекте и выступающая как целостная и относительно автономная единица знания» [217, с.65]. Использование такого подхода в обучении позволяет строить взаимодействие по схеме: учитель - текст - ученик, при этом функция учителя изменяется в сторону координатора, методолога, а функция ученика приобретает характер внутреннего диалога с автором или источником учебной информации. Фреймовый подход к организации знаний способствует свёртыванию и сжатию информации. Фрейм в современном понимании - это структура данных для представления стереотипных ситуаций, особенно при организации больших объёмов памяти [119, с.187]. Понимание термина «фрейм» ассоциировано с английским словом «framework» (каркас) и указывает на «аналитические леса» - подпорки, с помощью которых мы постигаем свой собственный опыт. Фрейм - стереотип, стандартная ситуация или структура данных для представления стереотипных ситуаций. Фрейм - это бланк, имеющий пустые строки, графы, окна - слоты (от англ. - slot - щель, паз), которые должны быть заполнены [119, с. 188]. К настоящему времени для обозначения явления, определяемого как «фрейм», или аспектуальная ситуация, предложено довольно много разнообразных терминов: «фрейм» (Minsky [216]); «схема» (Rumelhart [227]); «когнитивная модель» (Lakoff [226]); «основание», «сценарий», «сцена» (Fillmore, [213]) и другие. Эти термины используются самыми разнообразными способами; некоторые учёные пользуются несколькими из них, различая их по статичности и динамичности (если фрейм – статичная структура, то динамический сценарий - это скрипт, элементы которого сканируются, «пробегаются» мысленным взглядом в определённой последовательности), по типам выводов, которые они позволяют сделать.

По определению М. Минского, фреймом является один из перспективных видов воспринимаемого объекта, который может быть формально представлен некоторой структурой в виде графа [216]. По представлению М. Минского, в долговременной памяти человека хранится большой набор систем фреймов, которые используются, например, при распознавании человеком зрительных образов. С этой целью в памяти активизируется такой фрейм (или система), который в наибольшей степени соответствует гипотезе о воспринимаемом объекте, что и обеспечивает большую скорость его распознавания и осмысления. В том случае, если не удаётся найти необходимый фрейм, то «происходит приспособление наилучшего из обнаруженных фреймов к реальной картине, и он запоминается для последующих применений» [216]. Такое представление о фреймах получило дальнейшее развитие и интерпретацию. «Фрейм в настоящее время, как правило, отождествляется со стандартной, стереотипной ситуацией, включающей в себя некоторое множество конкретных однородных ситуаций» [217, с.66]. Базовыми компонентами фрейма являются когнитивные компоненты, входящие в наши представления о типовых структурах. Фрейм – это статичная структура представления знания, то есть все элементы представлены одномоментно.

Данная структура представления знаний организована вокруг некоторого понятия и содержит данные о существенном, типичном и возможном для данного понятия. Кроме того, фрейм конкретизирует, что в данной культуре характерно и типично, а что нет [214]. Фрейм воссоздаёт «идеальную картинку объекта или ситуации, которая служит своеобразной точкой отсчёта для интерпретации непосредственно наблюдаемых, «реальных» ситуаций, с которыми человек имеет дело в действительности. Выбор определённой языковой формы обусловлен тем, насколько совпадает интерпретирующее восприятие говорящим непосредственно наблюдаемой (описываемой языковыми средствами) ситуации и выделенных во фрейме признаков.

В соответствии с концепцией Э. Гоффмана [230, с.7], понимание термина «фрейм» ассоциировано с английским словом «framework» (каркас) и указывает на «аналитические леса» - подпорки, с помощью которых мы постигаем свой собственный опыт. Фрейм - стереотип, стандартная ситуация или структура данных для представления стереотипных ситуаций. Фрейм - это бланк, имеющий пустые строки - слоты (от англ. - slot - щель, паз), которые должны быть заполнены.

Таким образом, фреймовая схема представляет собой когнитивную модель - абстрактный образ стандартных стереотипных ситуаций в символах - жесткую конструкцию (каркас), содержащую в качестве элементов пустые окна - слоты - которые многократно перезаряжаются информацией.

В качестве наиболее специфических видов текстов, с которыми приходится встречаться студенту-физику (математику) и ученику физико-математического класса - те, в которых содержание отражает теоретические знания. Первым шагом к структурированию физических знаний можно считать сжатие учебного материала и выведение его в виде краткого содержания в опорные конспекты. Метод опорных конспектов, предложенный в 1970-е годы , получил широкое распространение среди преподавателей различных дисциплин в школах. Каждый из них вносил в систему новое и совершенствовал методику использования опорных конспектов в обучении. [220] разработаны оригинальные схемы-опоры, отражающие представления о научных понятиях, категориях в образах (символах); одна из них представлена на рис.2.13.

В настоящей работе предлагается вниманию фреймовый подход к структурированию физических знаний, который соответствует денотативному восприятию и пониманию научной информации.

Рис.2.13. К понятию атомной единицы массы [220]

Одним из основных свойств текста является единство его внешней и внутренней формы. При этом под внешней формой подразумевается совокупность языковых средств, включающая их содержательную сторону, реализующая замысел автора. Это то, что дается непосредственно восприятию и что должно быть осмыслено и понято при прочтении. То, что понимается, составляет внутреннюю форму или содержание.

Основным механизмом понимания содержания является механизм внутренней речи: информация во внутренней речи обычно воспроизводится в виде очень сокращённой речевой схемы, образующейся из отдельных слов, каждое из которых становится конденсированным выражением больших смысловых групп или «семантических комплексов». Чем завершается процесс осмысления текста? в ходе экспериментов установил наличие в нашем мышлении «предметно-схемного кода» [221-224]. Характеризуя его, автор отмечает, что это код непроизносимый, схемный он потому, что элементы его в мышлении обычно группируются и образуют некоторую схему в результате установления между ними определённых связей. Предметы, сведённые к такой схеме, составляют единство, каждый элемент которого непроизносим, но по которому можно восстановить произносимые слова любого языка, если есть правила перевода, а они элементарны, так как предметы уже названы в натуральном языке

Содержание текста представляет собой непосредственный результат понимания и соответствует денотативному уровню отражения.

Формализация, как правило, осуществляется на уровне языкового и логического компонентов текста. Однако при структурировании физических знаний необходим учёт смысловой, содержательной стороны текста, тогда формализация должна распространяться и на семантическую сферу текста [208, с.3]. При этом ведущими признаками текста становятся не грамматические показатели связности, а такие его свойства, как целостность, интегративность, завершённость, которые имеют смысловой, содержательный характер.

Методика построения денотатной структуры текста включает в себя, во-первых, выделение «ключевых» элементов текста как наиболее важных, существенных для понимания. Причем, эти «ключевые» элементы выделяются не на уровне отдельных слов, а на уровне денотатов, являющихся смысловыми единицами содержания. Далее выстраивается логическая структура на базе таких единиц и их отношений, соответствующая уровню смысловой организации текста. Эта структура учитывает внутренние связи единиц, их разнопорядковость, иерархию, что позволяет выделить главное, существенное в содержании. В таких структурах (денотатных графах) отражается работа мысли или как бы динамика развития мысли, заложенная в тексте [208, с.125].

Понимание текста, как аналитико-интеллектуальный процесс, характеризуется некоторыми особенностями. Во-первых, в качестве объекта восприятия здесь выступают символы (материальная форма текста), которые являются непосредственными раздражителями, воздействующими на органы чувств. На втором этапе осуществляется переход от образа языкового знака как материального объекта к образу его содержания. Оба этапа сопровождаются осмыслением, пониманием воспринимаемого материала, базирующимися на его активной интеллектуальной переработке (членение текста на смысловые отрезки, выделение «смысловых вех», «опорных пунктов» и объединение их в общий смысл).

Понимание – это сложный мыслительный процесс, проходящий ряд этапов, в результате чего происходит активное преобразование слов. Процесс понимания всегда сопровождается свёртыванием [224]. В памяти в полном объёме может храниться только очень короткий текст, не представляющий труда для механического запоминания, или текст, выученный наизусть. В нормальных условиях восприятия и понимания текст поступает на хранение в память в свёрнутом виде. Наличие установки на сжатие информации также стимулирует свёртывание текста.

В школе №40 фреймовый подход адаптировала к учебному процессу в ФМК автор данной работы, сконструировавшая схемы фреймов с целью интенсификации процесса обучения. В словаре когнитивных терминов «схема (schema) - способ представления операциональной информаци… (в других терминологиях: когнитивные структуры, концепты)» [119, с.179]. Главным признаком схемы является наличие в ней постоянного каркаса, заполняемого переменными, и возможность одной схемы опираться на другие (подсхемы или подпроцедуры) [218; 219, с.100-101]. Понятие схем используется при моделировании интерпретации текста [220, с.21].

Применяемые нами фреймовые схемы состоят из пустых окошек, которые многократно перезагружаются информацией (как ячейки в калькуляторе) в отличие от рассмотренных выше опор или структурных схем, в которых нельзя ничего менять. Например, на рис.2.12 изображена фреймовая схема процесса решения стандартной задачи (фрейм-сценарий). При решении такой задачи пишется набор нужных формул, а затем одна формула подставляется в другую и получается результат. Если обозначить слоты (окна), в которые вставляются формулы условными геометрическими символами:

- окно для формулы №1, - окно для формулы №2,

- окно для формулы №3,

то фреймовая схема стереотипных действий ученика при решении стандартной задачи будет выглядеть так, как показано на рис.2.14, где - численный или общий результат решения.

 

=

Рис.2.14. Схема фрейма, отражающая процесс решения стандартной задачи

Приведём пример ещё одной стандартной ситуации - изложение учебного материала учеником на уроке, экзамене, зачёте. Фреймовая схема (рис.2.15) помогает разворачивать ответ по определённому сценарию. Между опорой и фреймовой схемой есть сходство и разница. Сходство в том, что и то и другое имеет наглядность и апеллируют в том числе и к образному мышлению.

Фреймовая схема обязательно опора, но не все опоры являются фреймовыми схемами. И опорные конспекты и фреймовые схемы позволяют сжимать текст, отличие лишь в способах и масштабах сжатия. Опоры строятся на конкретных рисунках, схемах, графиках, формулах, взятых из конкретного параграфа, фреймовые схемы - это абстрактные жёсткие конструкции, содержащие пустые окна, многократно перезаряжающиеся информацией, так как фреймовая схема отражает стереотипную ситуацию. В результате фреймовая схема сжимает информацию в десятки и сотни раз.

 

следует:

 

Рис 2.15. Фреймовая схема процедуры изложения учащимся учебного материала (на уроке, экзамене, зачете и т. д.)

Для сравнения: с помощью метода опорных конспектов информация сжимается в 4-5 раз, например, материал учебника 11-го класса и , содержащий около 300 страниц, «умещается» в 68 опор [184]. Таким образом, фреймовая схема представляет собой когнитивную модель для стандартных стереотипных ситуаций - жесткую конструкцию (каркас).

Учащийся использует всего лишь несколько фреймовых схем-алгоритмов, которые легко укладываются в долговременной памяти. Так как их количество исчисляется единицами, они могут быть изготовлены в форме плакатов или стендов и вывешены в кабинете. Использование фреймовых схем приводит к существенной интенсификации процесса обучения.

В) Формирование научного стиля речи у учащихся
с помощью фреймовых схем [225, 229-232]

Опыт показывает, что учащиеся не только не умеют правильно формулировать законы, давать определения основных физических величин, они не понимают их физического смысла и поэтому свою мыслительную деятельность направляют на механическое зазубривание и запоминание.

Результаты исследований по усвоению учениками 8-11 классов общеобразовательных школ естественно-научных дисциплин [166], показали, что только 22% учеников полностью понимают материал, изложенный в учебниках химии, физики, математики; 46% учеников он понятен наполовину, 31% учащихся понимает меньше половины; 11% учащихся полностью не понимают содержания учебников.

Рассмотрим процесс построения 2-х фреймовых схем для физических законов и 2-х - для физических понятий, имеющих стереотипную лингвистическую конструкцию предложений.

В схемах используются условные обозначения для переменных физических величин в виде образных знаков - геометрических фигур:

Œ - функция, независимая физическая величина;

О, D, à - аргументы, зависимые физические величины;

= - знак равенства;

~ - знак пропорциональности;

* - коэффициент пропорциональности в законе (закономерности).

Обозначения Œ, О, D, à играют роль пустых окошек, в которые многократно вводится информация - буквенные выражения физических величин. Эффективность фреймовых схем обусловлена тем, что использование знаковых форм расширяет возможности мозга, так как приводит к одновременному функционированию и образной и логической компонент мышления.

Формулировки ряда физических законов, закономерностей, понятий, выраженных формулами, подчинены определенной синтаксической структуре и имеют известную стереотипную конструкцию предложений: с обязательным применением стереотипных словосочетаний “прямо пропорциональна и обратно пропорциональна”. Тогда лингвистическая схема-фрейм с использованием знаковых символов и слов будет выглядеть так: величина ð прямо пропорциональна величине О; или: величина ð прямо пропорциональна величине О и обратно пропорциональна величине D.

Таким образом, формулировки законов (закономерностей) укладываются в следующие схемы А и В.

Схема А

Прямо пропорциональная зависимость величины Œ от величин О, D, à:

Œ ~ О D à, (2.8)

где Œ, О, D, à - пустые окна, слоты.

В данную схему укладываются закон Гука: F ~ ú Dxú, закон Ома:
I ~ U, закон Джоуля – Ленца: Q ~ I2 R t, закон Фарадея для электролиза:
m ~ I t, закон Ампера: F ~ l I sin a и многие другие законы и закономерности.