, . Моделирование в учебном предмете «Физика»
1. На первом этапе обученияклассы) в рамках пропедевтического курса (введение в физику) строится «описательная» физика. «Гипотез не измышляем» - в том смысле, что ограничиваемся «обоснованными догадками» (Дж. Брунер) в отношении схем управления (но не причин этих схем).
Пропедевтический курс представляет собой разворачивание деятельности, аналогичной учебной деятельности в начальной школе, и требуется при введении новых предметов. Сначала появляется аналогия «живого с живым» (эмпирическое многообразие сводится к «рычажности» и демонстрируется на некоем базовом рычаге). Потом отчленяется схема – «рычажность» как образ, схема рычага вообще. Для вычленения схемы надо разрушить манипулятивное, приспособленческое, интуитивное действие – ввести запрет, разрыв в этой деятельности; прямо или косвенно запретить манипулирование. Это делается либо через коммуникативную задачу (как в начальной школе – надо дать другому ученику указания на способ решения), либо через задачу на прогноз и управление (ближе к подростковой школе, когда нужно построить машину, разорвать ориентировку и исполнение, вычленить собственно управленческую составляющую, противопоставить управление руко-водству). Надо уметь показывать равновесие на рычаге, с одной стороны, и на схеме – с другой; описание конструкции, выделить параметры и переходить к управлению.
Знаковая модель впервые не может вводиться по отношению к малознакомому материалу (это приводит к формализму). Надо двигаться от базовых «телесных» (пространственно-временных) моделей, которые должны быть хорошо освоены. Примером такой ситуации может быть «телесное» равновесие. Оно не обеспечивает правильного действия в других – физически сходных – ситуациях: даже пользоваться качелями надо учиться, а уравновешивание грузиков на рычаге и вовсе далеко от запечатленных в теле реакций. Живая базовая ситуация является одновременно и конкретной и модельной (явление здесь не противоречит сущности, почти совпадает с ней). Все начинается с хорошего изучения реальности, которая может быть сделана, которая всегда под рукой – она уже модельна (любая палка может использоваться в функции рычага).
Итак, пропедевтика решает несколько задач: 1) наращивание эмпирического опыта; 2) оформление базовых отображающих моделей-схем («стрелочные», «площадные» и т. п.); 3) формирование специфических учебных умений (или даже установок). Примером последнего может служить установка на поиск зависимостей, которая методически оформляется как построение пульта управления, который позволяет:
· явно зафиксировать необходимость сохранять один из управляющих параметров постоянным (заблокировать одну из кнопок) и наблюдать воздействие только одного параметра (независимая переменная, аргумент);
· заложить возможность «нетривиального» обратного действия – т. е. возвращения в исходное состояние управляемого процесса (важно различать состояние объекта и состояние процесса = явление);
· «отлить в металле» нулевое преобразование – т. е. такое действие, при котором процесс как бы замораживается (модельная ситуация для динамического равновесия – когда за внешней тождественностью стоит не абсолютный покой, отсутствие причин изменений, а равновесие «противонаправленных» причин).
Если говорить об уровнях опосредствования (Нежнов и др.), здесь надо «перепонять» схему: формальный – предметный – функциональный. «… в освоении культурных орудий мышления начальная школа должна выступить как период преимущественного завоевания второго уровня опосредствования, а основная школа – третьего». Можно предположить, что пропедевтический этап в освоении физики как бы возвращает ребенка назад, и понятийный (предметный) уровень остается доминирующим. Функциональный уровень должен проявить себя на переходе к базовому курсу. Собственно говоря, возможность осмысленно развернуть базовый курс «на детях» и может служить таким показателем.
2. Говорить о пропедевтике имеет смысл, если мы укажем, к чему именно она подготавливает, какова ее функция в последующем, более систематичном и глубоком основном курсе. В основном (базовом) курсе физики строится «объяснительная» физика. «Разум должен подходить к природе, с одной стороны, со своими принципами, сообразно лишь с которыми согласующиеся между собой явления[1] и могут иметь силу законов, и, с другой стороны, с экспериментами, придуманными сообразно этим принципам для того, чтобы черпать из природы знания, не как школьник, которому учитель подсказывает все, что ему угодно, а как судья, заставляющий свидетеля отвечать на предлагаемые им вопросы» (И. Кант). Трудность построения «объяснительной» физики состоит в поиске методических средств деятельностного разворачивания базовых порождающих моделей (.
4. При построении физической теории мы сталкиваемся с многоуровневым моделированием, требующими последовательного наращивания знаковых средств, насыщенного геометрическими и алгебраическими конструкциями. Переход от «натурального» к «культурному» достаточно протяженный и «тернистый» (сопровождается неоднократными трансформациями модельных представлений). Все это приводит к тому, что дети не удерживают целостность, находятся в данный момент только в данной узловой точке и не видят всего пути – ни пути к этому узлу, ни возможные пути к другим узлам. Отсюда стремление к построению «карты движения» ().
5. Надо различить, по крайней мере, два типа моделирования. Моделирование А, связанное с математическим моделированием формы процесса (ближе к явлению), с последовательным очищением эмпирии, схематизацией преобразующих действий. Моделирование В, связанное со схематизацией порождающих механизмов (ближе к сущности). Моделированию А в физике можно сопоставить экспериментальный метод, в обучении - пропедевтические курсы. Моделированию В можно сопоставить теоретический метод, который задает логику базовых курсов.
Модель А не видит границ, она обнаруживает нарушения, но не может дать им объяснение. Так, газовые законы были получены именно благодаря тому, что приборы неточные и грубо приводят к прямой пропорциональной зависимости там, где ее нет. Когда эта пропорциональность начинает нарушаться в реальных экспериментах, начинают вводить поправки (появляется различение идеального газа и реального газа) таким образом, чтобы новая теория поглотила старую как свой частный случай (принцип соответствия). Из модели В можно теоретическим путем вывести закономерности и, в том числе, понять отклонения в поведении газа от идеального; но не видна эмпирия (ее надо восстанавливать).
5. Ключевым моментом педагогической технологии выступает проблематизация (обнаружение противоречий разного рода), которая и вызывает к жизни моделирование. Важные проблематизации в курсе физики: 1) различение «видимого» и «мыслимого»; 2) расщепление одного понятия на два (масса и вес, давление и сила давления, количество теплоты и температура, кинетическая и потенциальная энергии); 3) преодоление «натурализмов» (масса и плотность, количество частиц и концентрация, «золотое правило» механики; 4) появление «противодействия» (законы сохранения); 5) развитие (уточнение) понятий (как работает сила, температура).
6. Компьютерное моделирование может сыграть свою роль в усилении самостоятельности в связи с порождением различных «заместителей». Педагогическая технология должна строится на обеспечении работы в нескольких слоях: реальность (физический эксперимент), мысленный эксперимент, компьютерный эксперимент (квазиреальность), компьютерный эксперимент (псевдореальность – «возможные миры»).
Типы цифровых ресурсов (демонстрируется на теме «рычаг»):
1) Исследовательские лаборатории, в которых объекты живут и по привычным нам законам и по «сказочным» правилам (например, «сказочный» рычаг не реагирует на плечо и уравновешивается при равных весах независимо от расстояния до точки подвеса). Это позволяет совершенно особым образом организовать дискуссию в классе, когда предметом обсуждения становится сам способ проектирования компьютерных моделей, поиск критериев правильности модели, ее ограничения.
2) Компьютерные демонстрации, в которых происходит своеобразное удвоение объектов: есть «зона эксперимента» и «зона моделирования». Перед учеником стоит задача, поэкспериментировав с предложенными объектами (например, с тем же рычагом, но в практической или бытовой ситуации), воссоздать принцип их работы на модели. Ученик сам контролирует, оценивает и корректирует свою работу, сравнивая поведения «экспериментального» и «модельного» рычагов.
3) Создание измерительных приборов. Ученикам предлагается проградуировать старинные весы, причем и здесь авторы делают все, чтобы урок стал максимально живым, интересным. Сначала ученикам предлагаются римские весы с равномерной шкалой, а затем предлагается «ловушка»: внешне похожий скандинавский безмен провоцирует на построение равномерной шкалы. Последующее испытание такого безмена (авторы рекомендуют это сделать не только в компьютерном варианте, но и с реальными рычагами, которые легко можно изготовить на уроках технологии) демонстрирует абсурдные результаты. Диалог по этому поводу в классе (он сначала может быть организован заочно через учебное пособие) приводит к разведению равномерной и неравномерной шкал.
4) Игры и тренажеры, в которых осваиваются (открываются) математические модели. В случае с рычагом это открытие «площадной» модели (равенство моментов сил). Один из вариантов - компьютерная среда «Равновесие» (в координации с математикой), в которой ученики могут выходить в игровое пространство и в учебное пространство.
5) Компьютерный практикум, в котором предлагается непростая проектная задача (возможно, здесь можно говорить о функционализации уже изученных способов). Многопараметрическая задача на конструирование качелей.
6) Исследовательская работа с реальными объектами организована так, чтобы продвинуть учащихся в освоении компьютера как средства решения своих задач. Это целесообразно делать в координации с уроками информатики. Благодаря этому осваиваются программы обработки данных.
7) Создание собственных «продуктов» (в координации с информатикой) - подготовка презентаций, оформление страниц учебника, материалов для сайта (в рамках сетевых проектов).
[1] Явление (Ercheinung) – то, что воспринимается из внешнего мира, объекты чувственного созерцания. Явления связываются между собой необходимым законом только благодаря деятельности разума, вырабатывающего принципы такой связи.
