к.физ-мат.наук Ким В.С.

Дальневосточный федеральный университет, Россия

Формирование предметных компетенций в области физики с использованием компьютерных экспериментов

Компетентностный подход в обучении предполагает способность и готовность учащихся успешно действовать в условиях недостатка информации [1]. Применительно к обучению физике в общеобразовательной школе соответственно можно ввести понятие предметной компетенции в области физики. Последнюю можно трактовать как умение и готовность применять имеющиеся знания, добывать, создавать новые знания в области физики.

Для конкретизации подобного подхода можно использовать метод, основывающийся на двух принципах:

1) использование экспериментального метода, в частности использование компьютерных (виртуальных) физических экспериментов;

2) продвижение по уровням иерархии Блума-Андерсон [2,3] в условиях недостатка информации.

Таксономия когнитивных целей Блума-Андерсон предполагает несколько уровней освоения учебного материала: знание, понимание, применение, анализ и синтез, творчество.

Соответственно можно сгруппировать виртуальные физические эксперименты согласно указанным уровням.

1-й уровень «ЗНАНИЕ».

Учащемуся предоставляется полный набор измерительных инструментов и методика проведения эксперимента. Например, лабораторная работа «Измерение массы тела» из комплекта «Виртуальная лаборатория». Следуя указаниям, учащийся выполняет измерения, при этом от него требуется лишь умение понимать текст-инструкцию и аккуратно следовать всем предписаниями.

2-й уровень «ПОНИМАНИЕ».

Учащемуся предоставляется избыточный набор экспериментальных средств и методика проведения эксперимента, не полностью соответствующая набору экспериментальных средств. Степень несоответствия определяет трудность виртуального эксперимента.

Пример. В лабораторной работе по измерению массы тела выясняется, что инструкция не соответствует экспериментальным средствам - выясняется, что массы всех гирь недостаточно для уравновешивания весов.

Учащийся вводится в ситуацию, когда слепое следование инструкции не позволяет достичь поставленной цели. Учащемуся необходимо сообразить, что в качестве гирь можно использовать другие тела, например цилиндры из различных материалов. Эти «посторонние» цилиндры определяют «избыточность» экспериментальных средств виртуального эксперимента данного типа.

Учащийся измеряет массу дополнительных цилиндров известным ему способом согласно инструкции. Далее, выполняется взвешивание тела и в качестве гирь используются как гири из набора, так и цилиндры с ранее измеренной массой. При этом используется исходная инструкция по определению массы тела. Учителю необходимо при выборе дополнительных тел (цилиндров,брусков) обеспечить «измеряемость» их массы имеющимся набором гирь.

3-й уровень «ПРИМЕНЕНИЕ».

Учащийся должен продемонстрировать умение применять ранее полученные знания.

Пример. В конструкторе «Живая физика» учащийся выполняет сценарий эксперимента по изучению движения тела, брошенного под углом к горизонту (баллистический полет). Эксперимент описан в учебнике, его выполнение не вызывает затруднений.

Ставится более трудная задача – попасть снарядом в какое-либо тело (брусок). Используя различные значения начальной скорости и угла возвышения ствола пушки, учащийся, выполнив несколько десятков раз эксперимент, добивается поставленной цели.

Ставится основная задача – попасть в брусок с тыльной стороны, например в люк дота (дот имеет открытый люк с тыльной стороны). На первый взгляд задача не имеет решения, снаряд может попасть либо в переднюю стенку дота, либо на его крышу.

Поразмышляв, учащийся может прийти к выводу, что необходимо использовать какое-либо явление, изменяющее траекторию полета снаряда, например рикошет. Аналитическое решение подобной задачи представляет большие трудности, однако достаточно легко решается методом перебора на виртуальной экспериментальной установке.

4-й уровень «АНАЛИЗ».

Учащийся должен уметь выделять в изучаемой системе отдельные ее элементы и связи между ними.

Пример. Изучение состояния невесомости. Для демонстрации невесомости предлагается подвесить грузик на пружине. Под влиянием веса грузика пружина растянется. Затем пережигают нить, и пружина с грузиком начинают падать. Можно «заснять этот опыт на видеопленку и затем в замедленном режиме ее просмотреть». Растяжение пружины исчезло. Вес грузика равен нулю [4].

Виртуальный эксперимент показывает, что опыт с пружиной не удается. Пружина, с подвешенным к ней грузиком растягивается и, если отпустить ее, то вся система не только начинает падать вниз, но и приходит в колебательное движение – пружина то сжимается, то растягивается. Наблюдать отсутствие деформации пружины не удается.

Поразмыслив над этим, учащийся приходит к выводу, что колебания обусловлены периодическим превращением потенциальной энергии упруго деформированной пружины в кинетическую энергию движения грузика, тела, к которому подвешена пружина, различных частей самой пружины. В итоге учащийся приходит к выводу, что колебания пружинных весов как раз и свидетельствуют о том, что система находится в состоянии невесомости.

5-й уровень «СИНТЕЗ». Учащемуся необходимо обладать способностью, выбирать нужные элементы, устанавливать между ними необходимые связи, с тем, чтобы создать некоторую систему, нечто целое.

Пример. В системе Crocodile, позволяющей моделировать простые электрические цепи, создать модель освещения квартиры с переменной яркостью с использованием ламп накаливания и минимального набора выключателей и переключателей.

Учащемуся необходимо придумать, как используя известные схемы включения ламп, синтезировать новую, более сложную схему, которая могла бы трансформировать последовательное соединение в параллельное и наоборот.

6-й уровень «ТВОРЧЕСТВО».

На этом уровне учащийся должен продемонстрировать способность создавать нечто субъективно новое.

Пример. Создать компьютерную программу для моделирования баллистического полета. Алгоритм программы и функционал ее составных частей неизвестны.

Перед учащимся поставлена цель и исходные условия. После выполнения всех необходимых действий программа будет создана. Учащийся создал нечто субъективно неизвестное для него – новое программное средство. При этом самостоятельно ставил и решал промежуточные задачи.

Таким образом, подбирая физические экспериментальные работы (виртуальные или натурные) можно постепенно перемещать учащегося по уровням таксономии Блума-Андерсон вплоть до уровня «ТВОРЧЕСТВО». Мы предполагаем, что достижение этого уровня предопределяет формирование предметных компетенций по физике у учащегося.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хуторской А.В. Ключевые компетенции как компонент личностно-ориентированной парадигмы образования // Народное образование, 2003, № 2. -С. 58-64.

2. Bloom, B.S., (Ed.). Taxonomy of educational objectives: The classification of educational goals: Handbook I, cognitive domain. New York: McKay, 1956. -403 p.

3. Anderson, L. W. & Krathwohl, D. R., 2001. A taxonomy for learning, teaching, and assessing. New York: Longman. -352 p.

4. Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е. Физика. 7 кл.: Учеб.для общеобразоват. Учеб. Заведений. –М.: Дрофа, 2001. -208 с.