Применение технологии формирования модельного мышления на уроках физики.
Общеобразовательный лицей Тюменского индустриального университета, город Тюмень
В системе общего образования курс физики вносит основной вклад в формирование естественнонаучной картины мира, являющейся неотъемлемой частью и ценнейшим достоянием человеческой культуры. Физика, как предмет общего образования играет так же важную роль в формировании личности и интеллектуальном развитии школьников. Она имеет огромный развивающий потенциал и вносит большой вклад в развитие мышления и способностей учащихся. В частности, именно в школьном курсе физики формируется модельное мышление, позволяющее создавать теоретические модели реальных процессов. В теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) модельное мышление является одним из инструментов достижения решения поставленной задачи. В современной науке формированию творческого мышления и описанию его принципов посвящено множество работ (, , и др.)
Почему применение технологии формирования модельного мышления наиболее приемлемо на уроках физики? Мышление - это отражение объективного мира, модель, которую мы выстраиваем для принятия решений. Таким образом, мышление изначально является модельным, так как основано на тех или иных мысленных моделях. Таким образом, можно считать модельное мышление универсальным.
С помощью модельного мышления может быть смоделировано все: реально существующие объекты, образы, теории, законы, процессы, явления материального мира, объекты и процессы которых нет, но могут быть созданы, и даже те из них, которые невозможны. При этом любая созданная модель может стать элементом вновь создаваемой модели. В процессе построения модели на основе общей формулировки задачи, выделяются существенные части моделируемой системы, исследуются свойства объектов, находятся связи между ними, проводятся эксперименты и анализируются результаты моделирования. Таким образом, процесс моделирования, является творческим процессом, что позволяет использовать методы ТРИЗ в обучении физике. А так же решить проблему комплексного применения знаний обучающимися.
В зависимости от профиля изучения физики, от количества часов, от уровня подготовленности учеников, элементы ТРИЗ могут применяться с разной степенью подробности. В физике, как учебном предмете, можно выделить ряд основных элементов: знаний – это понятия, теории, законы, научный факт, эксперимент, гипотеза, постулат, принцип, научная картина мира. Изучение физики начинается с введения ряда основных понятий. Понятия являются языком науки. Они должны быть обязательно усвоены учащимися. Не овладев понятием, нельзя осмыслить любое научное утверждение (законы, закономерности). Поэтому, начиная с первых уроков в теме «Физика и познание мира» вводится понятие модели и начинается построение моделей таких понятий как «физическая величина, явление, гипотеза, теория, закон. При этом используются алгоритмы или обобщенные планы. В дальнейшем, при изучении конкретного физического явления, на основе алгоритма, учащиеся самостоятельно, выделяют признаки явления, строят определение этого явления, подбирают физические величины, характеризующие данное явление. А затем начинается работа с самим определением – проверка полноты и целостности построенной модели явления.
Например, получаем определение механического движения – Механическое движение, это явление изменения положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Все ли признаки явления учтены в определении? Какие признаки главные? Будет ли определение отражать суть явления, если часть фразы убрать? Почему?
Наиболее обширна и разнообразна работа по построению и исследованию моделей в таких разделах физики как «Механика» и «Молекулярная физика». Здесь возможна работа с графиками процессов, таблицами, схемами, рисунками. Производится анализ процессов и условий их протекания, выдвигаются гипотезы по изменению графического вида процесса при изменении условий его протекания. Или по графику учащимися дается характеристика явления. При изучении зависимостей одних физических величин от других (давления от температуры, силы упругости от абсолютного изменения длины тела, скорости от времени и т. д.) заполняются таблицы с недостающими данными. Например:
Пример работы с таблицей (таблица с недостающими данными).В таблицу занесены значения координаты движущегося тела.
Х, м | 3 | 6 | 9 | 15 | 18 | 24 | 29 | 36 | 45 | 45 | |
t, с | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
Каково пропущенное значение координаты? Как двигалось тело? Изобразите возможный вид графика скорости; график движения тела.
Пример работы с графиком.Дан график зависимости координаты тела от времени.
Какие величины меняются с течением времени? Каков период колебаний? Какова частота колебаний? Какова длина волны, если скорость волны (например 1000 м/с)? Как меняется скорость тела с течением времени? Как меняется кинетическая и потенциальная энергия при таком движении?
Пример работы с рисунком.Тело движется по траектории, изображенной на рисунке, с постоянной скоростью. В какой точке ускорение наибольшее? Наименьшее? В какой точке угловая скорость наибольшая? Наименьшая? Ответ поясните.
Зависимости между физическими величинами, характеризующими явление, могут иметь вид закона (закон Ома, закон Архимеда). Закон может быть записан с помощью математических формул. И учащимся дается возможность проанализировать математическую запись закона с точки зрения причинно-следственных связей.
Примером может служить закон Ома для участка цепи - Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Из закона следует, что сопротивление проводника прямо пропорционально напряжению и обратно пропорционально силе тока. Является ли это утверждение законом? Ответ поясните. Тела движутся согласно законам: 1) х=6+3t, 2) x=3-0,5t2, 3)x=-3+4t2.Как меняется скорость тел? Можно ли утверждать, что тела движутся прямолинейно? Можно ли утверждать, что тела движутся криволинейно?
Закономерные связи между физическими величинами, характеризующими явления или процессы, имеют границы применимости, так как сами законы часто описывают поведение модельных систем, учитывающих только существенные признаки. На уроках с учащимися находим границы применения закона, объясняем причины этого ограничения.
Невозможно представить физику без решения задач. Правильное решение является одним из признаков глубоких и прочных знаний. Физическая задача по сути это ситуация, требующая от учащихся мыслительных и практических действий на основе законов и методов физики. Это модель явления, процесса, правильное решение которой дает возможность творческого развития, самостоятельности. Учащиеся привыкают, что все исходные данные, приведённые в задаче, должны быть так или иначе учтены. Лишних данных быть не может, поэтому наряду со «стандартными задачами» даются задачи с недостатком или избытком данных. Полученный ответ анализируется не только с точки зрения правильности, правдоподобности, но и каким он был, если бы изменились условия. Но, основное отличие решения задач с использованием моделирования состоит в том, что описание сути задачи приводится в самом общем виде. Как правило, в таком задании отсутствуют исходные числовые данные и не указываются исследуемые параметры объектов. Ученику самому предстоит отобрать необходимые параметры, установить связь между ними, решить задачу с некоторыми исходными данными и проанализировать результат. Для этого формулируется задача в самом общем виде. Или с использованием только буквенных обозначений физических величин. Что дает возможность не ограничиваться условием данной задачи, а позволяет творчески подойти к процессу решения задач. Применяется так же прием формулирования условия задачи по готовой краткой записи условия. Или задачи, при решении которых появляется противоречие между физической составляющей задачи и математическим ответом (например, задачи на полное внутренне отражение света).
Немалую роль в формировании научного творчества учащихся играет наблюдение или эксперимент. Наблюдение является не только простейшим методом познания, но и составной частью эксперимента. При этом наблюдение связано с такими методами как сравнение и измерение. Наблюдение является основой для выдвижения гипотез, проверки гипотез, сопоставления теоретических исследований с данными, полученными на практике. Поэтому при проведении лабораторных работ учащимся дается возможность спроектировать и провести свой эксперимент, и сделать анализ полученного результата.
Изучение курса физики заканчивается построением физической картины мира, которая фактически является его моделью. Данная модель включает в себя теории, описывающие мир, физические величины, характеризующие его, явления, протекающие в мире. То есть, физическая картина мира является формой систематизации знаний, обобщение и синтез различных теорий, которые являются способом понимания и трактовки каких-либо предметов, явлений, процессов, происходящих в окружающем мире.
В результате познания окружающего мира человек приобретает знания, умения и навыки, систему взглядов. При изучении физики учащиеся проходят все ступени развития взглядов на мир - это атомистические, механистические, квантовые представления. Эти представления не противоречат друг другу, не заменяют, а являются дополнениями друг другу. Так мы знаем, движение отдельного электрона подчиняется законам механики. Но, поток электронов ведет себя как электромагнитная волна. Такой корпускулярно-волновой дуализм является общей чертой микрочастиц и волн. Таким образом, учащиеся должны понимать, что для материального мира характерно разнообразие не только форм и видов материи, но и взаимосвязь, общность и взаимопревращаемость (например, массы в энергию и наоборот). Имея такую модель окружающего мира, человек все более приближается к реальности.
В заключении можно отметить, что при организации учебной деятельности учащихся необходимо разумно сочетать различные методы. При выборе и сочетании методов обучения учителю необходимо руководствоваться соответствием методов целям и задачам обучения и каждого конкретного урока. Одни из них позволяют систематизировать большой по объему материал и обеспечить высокий уровень его изложения, но не формируют практические умения и навыки. Другие методы, обеспечивают доступность восприятия учениками содержания материала, но не развивают их речь, мышление. Третьи – используются для формирования практических умений и навыков, но не решают должным образом задачу вооружения школьников теоретическими знаниями. Методы ТРИЗ, дают возможность учителю избежать такие недостатки, наиболее полно использовать возможности предмета в развитии личности, способной адаптироваться, развиваться и применять знания.
