ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ ГРАМОТНОСТИ ПОДРАСТАЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ

I.   Конец прошлого столетия войдет в историю мировой цивилизации осознанием того, что общая научная грамотность населения является решающим фактором конкурентоспособности страны в экономическом и культурном развитии. Об этом, в частности,  свидетельствует систематическое участие более шестидесяти стран мира в международных исследованиях сравнительной оценки качества школьного образования.

Наша страна принимает участие в этих исследованиях, начиная с 1990 – 1991 учебного года. Тогда в исследовании IAEP ETS (1) участвовало 20 стран, в том числе и Советский Союз. Несмотря на происходящий распад Союза, наши школьники оказались на пятом месте качества подготовки по предметам естествознания. Американские школьники заняли тогда тринадцатое место. Даже в то трудное время мы еще были способны к состязанию по научной грамотности с другими странами. Но уже следующее международное исследование TIMSS, проведенное в 1995 г., показало разительное снижение показателей качества школьного естественнонаучного образования России. Ученики массовой школы показали очень низкие результаты. В списке стран-участниц Россия оказалась на третьем месте снизу. Более низкие результаты показали школьники только двух стран: Южной Африки и Кипра (2). С тех пор отставание наших школьников в научной грамотности стало почти стабильным. Очень сходные и почти одинаковые результаты проверки были получены в исследованиях PISA, проведенные (OECD) в 2006, 2009 и 2012 годах. Наиболее низкие показатели из них были получены в 2009 году: российские учащиеся 15-летнего возраста по естественнонаучной грамотности заняли 38- 40 места среди 65 стран, и в последующие годы оказывались в третьей группе отстающих стран (3).

II.    Суть требований к научной грамотности, сформулированных в документе PISA 2006, состоит в следующем:

*Владение научными знаниями для распознавания проблем, для приобретения новых знаний, для научного объяснения явлений природы и техники и обоснования выводов.

*Понимание науки как формы научного знания и способа познания.

*Понимание того, что наука и технология являются основой для наших материальных, интеллектуальных и культурных достижений.

*Стремление изучать и использовать науку как сознательным гражданам (4).

Эти требования перекрываются ФГОС, поэтому неудовлетворительные результаты проверки научной грамотности наших школьников, полученные в результате международных исследований, говорят о невыполнении Государственного стандарта школьного образования, о неудовлетворительном состоянии обучения основам естественных наук в российских школах. Это видно из следующих примеров низкого процента успешного выполнения, например, следующих заданий.

В обучении физике, как и в самой науке, понимание смысла наблюдаемых явлений достигается тогда, когда это понимание, возникающее в сознании сначала как гипотеза, проверяется тем, что, будучи включенными в контекст имеющихся научных знаний, оно приводит к логическим выводам, которые подтверждаются опытом или экспериментом. Поэтому естественные науки нельзя преподавать без демонстрационных опытов и лабораторных проверочных экспериментов, что, к несчастью, и происходит в нашей современной школе вопреки прописным истинам мировой и отечественной педагогики.

Еще в 1900 г.       проф. О. Д. Хвольсон в докладе подкомиссии по реформе школы         подчеркивал:

«Преподавание физики, в котором эксперимент не составляет основы и краеугольного камня всего изложения, должно быть признано бесполезным и даже вредным» (5).

Отмечаемый формализм знаний школьников порождается не только недостатками оборудования школ и подготовки учителей, но и ущербным требованием ФГОС формировать «владение основными методами научного познания, используемыми в физике (в отдельности?!), теоретическими и экспериментальными». Уже во времена Г. Галилея стало ясно, что теоретические и экспериментальные методы исследования в отдельности не всегда приводят к правильным выводам. В научном методе познания оба метода исследования неразрывно связаны! Так же, как сама наука со времен Г. Галилея бурно развивается на основе научного метода познания, так и обучение, воспитание и интеллектуальное развитие школьников должно быть основано на научном методе, в котором экспериментальные и теоретические методы исследования неразрывно связаны.

I.        Основоположником научного метода познания историки развития науки заслуженно считают Г. Галилея. Выделяя в его научных исследованиях четыре этапа: «1. Чувственный опыт. 2. рабочая гипотеза.

3. Математическая разработка. 4. Опытная проверка» (6).

О такой же последовательности действий в научном познании написал Альберт Эйнштейн в одном из своих писем: «Схематически эти вопросы я представлю себе так:

«(1) Нам даны Е — непосредственные данные нашего чувственного опыта.

(2)    А — это аксиомы, из которых мы выводим заключения. Психологически А основаны на Е. Но никакого логического пути, ведущего от Е к А, не существует. Существует лишь интуитивная (психологическая) связь, которая постоянно "возобновляется".

(3)    Из аксиом А логически выводятся частные утверждения S, которые могут претендовать на строгость.

(4)    Утверждения S сопоставляются с Е (проверка опытом)» (7).

I.           Четкие  ступени  познавательных  действий  привлекательны  для  обучения.  Они  могут  быть использованы по П. Гальперину в качестве «ориентировочной основы познавательных действий».

Соответственно научному методу познания в изложении Г. Галилея и А. Эйнштейна автором этих строк  была предложена схема цикла изучения законов физики эвристическим методом: от исследования загадочного явления к выдвижению гипотезы в виде модели, формулы или принципа, от гипотезы — к вытекающим из нее логическим выводам при сопоставлении гипотезы с имеющимися знаниями, и далее к экспериментальной проверке этих выводов (8).

Сплошные стрелки схемы указывают на неразрывную связь теории и опыта, гипотезы и следующих   из  нее  логических  выводов. Штриховые

линии указывают на то, что эксперименты, подтверждающие гипотезу, переходят для данной теории в разряд исходных фактов, а противоречащие ей — служат основанием для нового цикла познания. (Так возникли специальная теория относительности и квантовая теория.) В целом схема указывает на «спиральный» (по Ф. Энгельсу) процесс развития научного знания.

Как применяется эта схема в учительской практике? Главное ее назначение — для разъяснения учащимся эвристической функции науки: объяснения незнакомых и предсказания новых явлений. Когда ученик экспериментально убеждается в совпадении эксперимента с теоретическим предсказанием, он испытывает радостное потрясение, подобное переживанию ученого, совершившего открытие! Не на таких ли моментах рождается любовь к науке на всю жизнь?! В теоретических выводах из гипотезы в модельной или знаковой форме ученики находят объяснения еще непознанных явлений, а также предвидение новых явлений. В этом состоит мощь научного познания, которое ведет к прогрессу во всех областях человеческой культуры, к пониманию смысла человеческого бытия. Особенно полезна эта схема при изучении законов и принципов науки, а также при обобщении изученного материала, когда краткое, сжатое обобщение проливает свет на множество, казалось бы, разрозненных явлений и событий. Наконец, самое главное, цикл научного познания, усвоенный учащимися, способствует становлению их самостоятельного научного мышления, а также развитию их познавательных и творческих способностей.

I.       Покажем на двух исторических примерах, как в соответствии с научным  методом были сделаны открытия в физике.

Открытие Г. Галилея. Автор научного метода Г. Галилей подверг сомнению утверждение Аристотеля, что «все тяжелые тела падают скорее, чем менее тяжелые». Он усмотрел в этом утверждении логическое противоречие. (1) Из утверждения Аристотеля логически вытекало, что, если тяжелое тело соединить с легким, то оно будет падать медленнее. Но такое утверждение противоречит другому выводу: если сложить два тела вместе, то получится тело еще тяжелее, и оно должно падать   быстрее.

Следовательно, утверждение Аристотеля нелогично и противоречиво. 

(2)   Г. Галилей выдвинул обоснованное предположение-гипотезу о том, что разница в скорости падения тел зависит от сопротивления воздуха.

(3)      Отсюда следовало, что в отсутствие сопротивления воздуха все тела падают одинаково. Этот вывод Г. Галилей проверил экспериментально в городе Пизе, бросая одновременно ядра различного веса с наклонной башни (рис. 1). По звуку было ясно, что брошенные с башни шары, падали на Землю одновременно. Стало ясно, что причиной наблюдаемых явлений неодинакового падения тел, например, свинцовой дробины, пера и клочка бумаги является не их вес, а сопротивление воздуха. Теперь в этом можно убедиться в школе, проведя эксперимент с вакуумной трубкой, из которой выкачен воздух (рис. 2). В ней свинцовый шарик, бумажка и перышко падают одновременно (9).

Открытие Э. Торричелли. Почти до середины XVII века люди не знали о существовании атмосферного давления, хотя с глубокой древности использовали  «всасывающие» насосы. Их действие объяснялось по Аристотелю тем, что «природа боится пустоты». Якобы поэтому при выкачивании из трубы воздуха пустота заполняется водой.

Ученик Г. Галилея Эванжелиста Торричелли (1608—1647) — итальянский физик и математик опроверг такое объяснение. Он обратил внимание на то, что поршневые насосы не могут поднять воду выше 10,3 метров. Ученому это  показалось странным.  В последовательности его  дальнейших  познавательных действий виден научный метод (10).

1.   Обнаружение проблемы: почему только на высоту только 10,3 м поднимает воду поршневой насос?!

2.     Выдвижение гипотезы: не «боязнь пустоты», а сила атмосферного давления вталкивает воду вслед за насосом в образовавшуюся пустоту.

3.   Теоретический вывод следствия-предвидения, которое вытекает из этой гипотезы. Оно  состоит в том, что в вертикальной вакуумной трубке атмосферное давление воздуха будет удерживать столбик ртути, высота которого будет во столько раз меньше, во сколько плотность ртути больше плотности воды, т.е. в 13,6 раза.

4. Теоретический вывод полностью подтверждается экспериментом и практикой.

I.        Теперь на отдельных примерах схематически покажем, как мы применяем научный метод познания в изложении материала в нашем учебнике и как он полезен для решения трудных задач TIMSS и PISA.

I. Этапы познавательной деятельности учащихся при изучении закона Гука (см. схему):

1.     Экспериментальное исследование зависимости силы упругости пружины от ее деформации приводит к построению графика функциональной зависимости F упр.= kx.

2.     Этот результат опыта служит     основанием для выдвижения гипотезы о том, что при  упругой деформации всякого тела сила упругости прямо пропорциональна деформации: F упр.= kx.

3.     Полученную формулу, сопоставляя с уже известным законом сохранения энергии, легко преобразовать и, как следствие, получить формулу потенциальной энергии упруго деформированного тела. Она численно равна площади под  графиком деформированного тела или произведению средней силы деформации на величину деформации:

Eп= kx2/2.

4.     Справедливость теоретического вывода формулы можно проверить экспериментально разными способами. Например, если, подвесив к пружине грузик массой m, растянуть ее на длину х и затем отпустить, то можно рассчитать, что грузик полетит вверх на высоту, которая предсказывается вычислением по формуле: h = kx2/2mg.

К восторгу школьников, результат эксперимента совпадает с теоретическим предвидением (11).

I.      Далее рассмотрим, как на основе научного метода решается одна из трудных задач на  «научную грамотность» о том, почему камень разбивает стекло, а мяч отскакивает от окна (схема 3).

1.     Анализ явления позволяет идентифицировать его с понятиями импульс тела, импульс силы, со вторым законом Ньютона. Оба тела (мяч и камень) перед ударом имеют одинаковый импульс mv.

2.     Догадка-гипотеза состоит в том, что ответ на поставленный вопрос находится во втором законе Ньютона, представленного в виде:

FΔt = Δmv. При одинаковом импульсе камня и мяча сила деформации, действующая на стекло, в обоих случаях обратно пропорциональна времени взаимодействия.

3.         Теоретическое предвидение указывает на то, что время взаимодействия мяча и камня со стеклом может быть разным вследствие сравнительно малого коэффициента жесткости k1 мяча в сравнении с жесткостью камня k2. Соответственно сила взаимодействия мяча со стеклом будет во столько раз меньше, чем у камня, во сколько раз будет больше время взаимодействия F = mv/t.

Этот вывод подтверждается практикой, например, для уменьшения силы ударов используются рессоры, буферы и бамперы. Люди и животные при приземлении подгибают ноги.

I.          Покажем далее, как модельные гипотезы используются при формировании понятий «разность потенциалов», «напряжение», «направление электрического тока», «количество электричества», «закон сохранения электрического заряда» (Схема 4).

1.     Цикл познания начинается с демонстрации выравнивания показаний стрелок электрометров (их потенциальной энергии, в дальнейшем «потенциалов»). Это выравнивание происходит при их соединении проводником – неоновой лампочкой, эта лампочка на мгновение вспыхивает.

2.     Гипотеза: явление выравнивания потенциалов состоит в перетекании части заряда от большего потенциала к меньшему потенциалу, подобно однородной жидкости в сообщающихся сосудах.

3.     Теоретический вывод состоит в том, что для получения постоянного тока в проводнике нужна постоянная разность потенциалов на его концах. Она должна создаваться источником тока — генератором, в котором заряды переносятся от меньшего потенциала к большему потенциалу. Этот перенос совершается «сторонними силами», например, в результате химических реакций внутри батареи элементов.

1.     Эксперимент подтверждает теоретический вывод. Научный метод познания в обучении наряду с глубокими знаниями позволяет развивать познавательные и творческие (креативные) способности школьников. Для этого в содержании образования должны быть не только изложение материала соответственно методу познания, но и упражнения для учащихся по исследованию незнакомых явлений, в которых бы они могли идентифицировать полученные знания, объяснять эти явления, предсказывать их, а также творчески применять их на практике.

I.        В качестве примера упражнений по овладению методом научного познания схематически покажем возможный вариант методики изучения действия магнитного поля на направленно движущиеся заряды и проводники с током (схема 5).

1.       Наблюдение за отклонением пучка электронов в постоянном магнитном поле приводит к выводу о том, что направление отклонения пучка зависит от направления  вектора магнитной индукции. 2. Направление силы, действующей на пучок электронов, можно определить, используя правило левой руки.

3.    Следовательно, на проводник с током будет действовать магнитное поле тоже в соответствии с правилом левой руки.

4.          Теоретическое      предвидение подтверждается экспериментом.

Кроме демонстрационных опытов, на которых вводятся основные понятия и закономерности, в содержании образования должны быть упражнения для учащихся по исследованию незнакомых явлений, в которых бы они могли идентифицировать полученные знания, объяснять эти явления, предсказывать их, а также применять их на практике.

II.   Покажем, как обучить применению изученной теории для объяснения незнакомого учащимся явления с вращением магнитного диска из неодима, и как  использовать это явление для конструирования заданного технического устройства (электродвигателя — «униполярного мотора»  и «самодвижущейся колесной пары электромобиля»).

1.     Проводим наблюдение явления. Магнитный диск из неодима присоединяем («примагничиваем») к гвоздю или шурупу, а шуруп с магнитом «примагничиваем» к полюсу гальванического элемента. Теперь берем провод и один его конец присоединяем к свободному полюсу элемента.

Задаем учащимся вопрос:  «Что произойдет, если другим концом провода  коснуться цилиндрической боковой поверхности магнита?». (При этом кто-то из школьников может сразу догадаться, что при замыкании цепи магнит вместе с шурупом будут вращаться! Почему? Потому что, магнитное поле магнита будет действовать на проходящий по нему ток. Но догадка требует не только обоснования, но и экспериментальной проверки!)

Касаемся проводом обода магнита и благодаря приклеенному к шурупу флажку учащиеся видят, что магнит и шуруп, действительно, приходят в быстрое вращение. Почему?

2.     Как объяснить обнаруженное в опыте явление? Наличие в экспериментальной установке источника тока и постоянного магнита наводит, по аналогии с предыдущими опытами, на мысль, что вращение магнита происходит в результате действия силы магнитного поля на электрический ток, который проходит через корпус магнита от периферии к центру магнита по его поверхности.

 
1.          

Нельзя ли как следствие из этой гипотезы спроектировать колесную пару для электромобиля? Действительно, из этой гипотезы следует, что, если к корпусу (к противоположным полюсам) источника тока примагнитить два дисковых магнита навстречу одноименными полюсами, то такая колесная пара на листе металла или другого проводника покатится в соответствии с правилом левой руки (схема 6).

2.                  Этот           вывод подтверждается экспериментом.         Если колесную пару поставить на лист металла (замкнуть цепь), то в результате действия магнитного поля на ток, проходящий через колеса, колесная пара покатится в соответствии с правилом левой руки (12).

Таким образом, обучение на основе научного метода познания — не только ключ к решению проблемы научной грамотности, но и к решению главной задачи ФГОС — к формированию критически мыслящей творческой личности. Современный научный метод  познания (13) — это величайшее достижение мировой человеческой культуры, основа современной цивилизации. Он обладает рядом факторов, составляющих мощный педагогический потенциал, становится основой современной педагогической технологии (14).

II.     Разработанная авторами педагогическая технология экспериментально проверялась в преподавании по специально созданным учебникам для основной школы под девизом: «физика в самостоятельных исследованиях!». Эксперимент проводится в ряде территорий РФ: п. Черноголовка Московской области (школы № 75 и 82); Пенза (школы № 52 и 60, гимназия №53, Ермоловская школа Пензенской области); Орел (гимназии № 16 и 19, лицей № 40, школы № 1 и 22); Вышний Волочек (школы № 3, 13, 15, 19); Смоленск (школа № 32). Наиболее активно шел эксперимент в Республике Татарстан (средние школы № 8, 15, 39, 57, 152, физико-математический лицей № 145 г.Казани, гимназия № 3 г.Зеленодольска, Васильевская школа № 2 Зеленодольского района, Макуловская средняя школа Высокогорского района). Отдельные методические решения апробировались в течение последних десяти лет в ряде школ Кировской области в условиях педагогического эксперимента, в частности в Центре дополнительного образования школьников Кировской области, в школах Кирово-Чепецкого р-на (гимназии № 1  и 2 и др.). В настоящее время эта технология обучения осваивается учителями школ Раменского района Московской области.

 

Список литературы

1.     Learning Science. Educational Testing Service. Princeton, 1992.

2.     Денищева Л.О., Ковалева Г.С. Сравнительная оценка естественно-математической подготовки выпускников средних школ России (по ре-зультатам международного исследования — Т1М55 1995) / Российская академия образования. — М., 1998.

3.     Основные результаты международного исследования PISA – 2012. Центр оценки качества образования ИСМО РАО.

4.     PISA 2006 Science competencies for tomorrow”s wprld. V,1: analysis/

5.     Основы методики преподавания физики в средней школе / В. Г. Разумовский, А.И. Бугаев, Ю.И. Дик и др.; Под ред. А. В. Перышкина и др. — М.: Просвещение, 1984. -398 с.

6.     Марио Льоцци. История физики. Изд. «Мир». М., 1970.

7.     Эйнштейн А. Сб. науч. трудов. М., 1967. Т. IV. С. 569–570.

8.     Разумовский В. Г. Развитие творческих способностей учащихся в процессе обучения физике. Пособие для учителей. М., «Просвещение», 1975, с. 14.

9.     Физика. 7 класс : учеб, для общеобразоват. учреждений / [А. А. Пинский, В. Г. Разумовский, Ю. И. Дик и др.]; под ред. А.А. Пинского, В.Г. Разумовско¬го. — 9-е изд., перераб. — М. : Просвещение, 2008.— 208 с.

10. Разумовский В. Г., Майер В. В., Вараксина Е. И. ФГОС и изучение физики в школе : о научной грамотности и развитии познавательной и творческой активности школьников: монография. — М.; СПб.: Нестор-История, с 78.

11. Разумовский В.Г., Орлов В.А., Никифоров Г.Г., Майер В.В., Сауров Ю. А. Физика : учеб, для уч-ся 10 кл. общеобразов. учреждений в двух частях. Часть 1 / В.Г. Разумовский, В.А. Орлов, Г.Г. Никифоров, В.В. Майер, Ю.А. Сауров; под. ред. В.Г. Разумовского, В.А. Орлова. — М. : Гуманитар, изд. центр ВЛАДОС, с. 4 – 25.

12. В. Г. Разумовский. Решение проблемы научной грамотности – неотложная перспектива развития содержания физического образования. Сибирский учитель, 2012, № 3, с. 12 – 25.

13. Webster's School Dictionary. Merriam-Webster INC., Publishers Springfeld, Massachusetts, USA, 1986, с. 817

14. Разумовский В. Г., Орлов В. А., Сауров Ю. А., Майер В. В. Технология развития способностей школьников самостоятельно учиться, мыслить и действовать // Физика в школе. 2007. № 6, с. 50 – 55.