2.2. Технология учебного исследования

Технология учебного исследования является личностно-ориентированной современной образовательной технологией. Наиболее успешно и полно технология учебного исследования описана в работах ученых-педагогов, таких как Дж. Брунер, Д. Шваб, X. Таба, Р. Тениссон, Г. Альтшуллер, В. Бухвалов, М. Кларин [8].

М. Кларин выводит следующие дидактические требования к содержанию обучения как исследования [8]:

1. у учащихся должно возникнуть чувство неудовлетворенности (потребность) имеющимися представлениями. Они должны прийти к ощущению их ограниченности, расхождения с представлениями научного сообщества;

2. новые понятия (представления) должны быть такими, чтобы учащиеся ясно представляли их содержание. Это не означает, что учащиеся обязаны их придерживаться сами, верить, что они описывают реальный мир;

3. новые представления должны быть правдоподобны в восприятии учащихся (потенциально допустимыми, сочетающимися с их представлениями о мире);

4. чтобы учащиеся отказались от первичных представлений, нужны серьезные причины. Новые идеи должны быть явно полезней старых, должны помогать решить нерешенную проблему, вести к новым идеям.

2 и 3-й принципы соответствуют классическим дидактическим требованиям (доступность к переходу от близкого к дальнему, от известного к неизвестному (Я.А. Коменский)), а 1-й и 4-й — указывают на «неудовлетворенность» имеющимися знаниями и способствуют выходу на поисковый характер обучения. Обобщая дидактические разработки различных авторов, процедуры учебного исследования можно представить следующим образом [8, 9, 22]:

• знакомство с литературой;

• выявление (видение) проблемы;

• постановка (формулирование) проблемы;

• прояснение неясных вопросов;

• формулирование гипотезы;

• планирование и разработка учебных действий;

• сбор данных (накопление фактов, наблюдений, доказательств);

• анализ и синтез собранных данных;

• сопоставление (соотнесение) данных и умозаключений;

• подготовка и написание (оформление) сообщения;

• выступление с подготовленным сообщением;

• переосмысление результатов в ходе ответов на вопросы;

• проверка гипотез;

• построение сообщений;

• построение выводов, заключений.

Возможен и другой подход к алгоритмизации учебного исследования. Так Г.С. Альтшуллер [8] отмечает, что в естественно-научных исследованиях возможны открытия двух уровней.

I уровень — открытие новых явлений и процессов, и для этих исследований эффективны следующие направления поисков:

• поиск аномалий;

• изменение условий явления;

• поиск новых функций известного явления;

• комбинирование известных явлений;

• дробление известных явлений;

• аналогия;

II уровень — открытие новых закономерностей — может осуществляться с помощью следующих приемов:

• сопоставление известных закономерностей и результатов практических исследований (накопление фактов, противоречащих известной закономерности, пока новая закономерность не проявится сама; введение гипотезы для объяснения возникающих затруднений при объяснении результатов эксперимента;

• выдвижение гипотезы, не противоречащей известной закономерности, однако значительно расширяющей ее;

• выдвижение гипотезы путем перехода от известного теоретического положения к его противоположности;

• объединение известных закономерностей и на основании этого выдвижение новой проблемы;

Иную последовательность учебного исследования предлагает В. А. Бухвалов [8]:

• систематизация научной информации;

• анализ научной информации;

• выбор метода решения проблем;

• построение модели проблемы;

• решение проблемы на основе ее модели с использованием одного или нескольких методов: системного анализа, вербального анализа, анализа противоречий.

Обобщая предложенные модели, можно сформулировать основные этапы модели «Обучение исследованию» [8]:

• столкновение с проблемой;

• сбор данных - "верификация";

• сбор данных – экспериментирование;

• построение объяснения;

• социализация полученных результатов;

• анализ хода исследования.

Таким образом, особенность применения технологии учебного исследования состоит в том, что организация исследовательской деятельности учащихся способствует формированию самостоятельного мышления учащихся, развитию мыслительных операций (анализ, синтез и т.д.), поиску оптимальных решений проблемных ситуаций.

Главная цель учителя при применении технологии учебного исследования состоит в подготовке учащихся к творческой деятельности. Учащиеся при этом выступают в роли исследователей, самостоятельно добывающих знания, использующих разнообразные источники и материалы [6].

Результативность работы учащихся в технологии учебного исследования заключается в усвоении ими алгоритма научного исследования. В соответствии с этапами научного исследования можно выделить два этапа учебного исследования: эмпирический и теоретический. Эмпирический этап связан с получением и первичной обработкой исходного фактического материала. Он состоит из двух ступеней (стадий) работы. Первая стадия - это процесс добывания, получения фактов. Вторая стадия эмпирического исследования включает в себя первичную обработку и оценку фактов в их взаимосвязи. Эта стадия включает в себя осмысление и строгое описание добытых фактов, классификацию фактов по различным основаниям и выявление основных зависимостей между ними.

Теоретический этап исследования связан с глубоким анализом фактов, с проникновением в сущность исследуемых явлений, с познанием и формулировкой в качественной и количественной форме законов, т.е. с объяснением явлений. На этом этапе осуществляется прогнозирование возможных событий или изменений в изучаемых явлениях или процессах, вырабатываются принципы, рекомендации о практическом воздействии на эти явления.

Познавательная деятельность учащихся в рамках технологии учебного исследования позволяет им освоить умения по планированию и проведению исследования, основными этапами которого являются:

• выявление и формулировка проблемы;

• формулирование целей, задач и гипотезы исследования;

• проведение исследования, сбор данных (накопление фактов, наблюдений, доказательств);

• соотношение данных и умозаключений, анализ и синтез;

• подготовка и написание отчета, обоснование решения проблем;

• выступление с подготовительным сообщением;

• переосмысление результатов исследования в ходе ответов на вопросы и через обучение одноклассников, проверка гипотез;

• построение выводов, обобщений, заключений.

Подготовка к применению технологии учебного исследования при изучении некоторой темы школьного курса физики заключается в:

• выделении в содержании обучения физических знаний, составляющих информационный базис выполнения исследовательских заданий;

• подборе исследовательских заданий, выполнение которых обеспечивает освоение учащимися учебной программы;

• подготовке для учащихся необходимых приборов и принадлежностей;

• выборе ориентировочной основы деятельности (ООД) учащихся с учетом их обучаемости и обученности.

Приведем примеры исследовательских учебных заданий по кинематике для учащихся.

Исследовательское задание № 1. Тема: ”Относительность движения”.

Цели исследования:

1. Установить взаимосвязь между перемещением тела в подвижной и неподвижной системах отсчета.

2. Установить взаимосвязь между скоростью тела в подвижной и неподвижной системах отсчета.

Оборудование: подвижная тележка, игрушечный автомобиль, секундомер.

Введение в проблемную ситуацию: Человек шагает по плоту со скоростью, модуль которой равен | | относительно шалаша, находящегося на плоту. Плот относительно дерева, растущего на берегу, движется равномерно со скоростью, модуль которой равен | |. Подумайте, как определить перемещение человека относительно дерева за время t.

1. Сформулируйте проблему исследования.

1. Сформулируйте задачи исследования.

2. Сформулируйте гипотезу.

3. Проведение исследования.

ООД 1 (для учащихся с высоким уровнем обучаемости)

Изобразите экспериментальную установку у себя в тетрадях. Составьте план проведения исследования. Выберите подвижную и неподвижную системы отсчета. Определите перемещение тела относительно подвижной и неподвижной системы, и перемещение подвижной системы относительно неподвижной. Установите взаимосвязь между этими перемещениями. Установите взаимосвязь между скоростями, в выбранных вами системах отсчета.

ООД 2 (для учащихся со средним уровнем обучаемости)

Изобразите экспериментальную установку у себя в тетрадях. Составьте план проведения исследования. Выберите две системы отсчета, одну подвижную, а другую неподвижную. Вспомните, что входит в систему отсчета (прибор для измерения времени, система координат, тело отсчета). Подумайте, с чем их лучше всего связать. Выберите систему координат. Переместите тележку по столу, а автомобиль по тележке. Измерьте перемещение тела относительно подвижной и неподвижной систем отсчета, перемещение подвижной системы относительно неподвижной. Установите взаимосвязь между измеренными перемещениями. Подумайте, как нужно преобразовать полученное векторное равенство для перемещений, чтобы получить соотношение для скоростей. Запишите взаимосвязь между скоростями относительно выбранных систем отсчета.

ООД 3 (для учащихся с низким уровнем обучаемости)

Выберите, кто будет перемещать тележку по столу и автомобиль относительно тележки. Вспомните, что входит в систему отсчета (прибор для измерения времени, система координат, тело отсчета). Подумайте, с чем их лучше всего связать. Выберите систему координат. Подумайте, для чего нужен секундомер? Рассмотрите движение одного и того же тела относительно подвижной и неподвижной систем отчета, и движение подвижной системы отчета относительно неподвижной. Начните перемещать тележку по столу, а автомобиль по тележке. Они будут двигаться с какой-то скоростью. Определите с помощью секундомера их перемещения за некоторый интервал времени: автомобиля относительно тележки, тележки относительно стола и автомобиля относительно стола. На основе полученных результатов запишите взаимосвязь (векторное равенство) между этими перемещениями в разных системах отсчета (подвижной и неподвижной). Разделите все слагаемые в векторном равенстве для перемещений на промежуток времени. Попробуйте получить отсюда уравнение (векторное равенство), связывающее скорости движения автомобиля в разных системах отсчета: относительно подвижной, относительно неподвижной и подвижной системы отсчета относительно неподвижной.

5. Проанализируйте данные, полученные в ходе выполнения работы, соотносите их с уже известными вам знаниями.

6. Подготовьтесь к написанию отчетов, обоснуйте, удалось ли решить поставленную проблему.

7. Подготовьтесь к выступлению перед учащимися с подготовительным сообщением.

8. Проанализируйте результаты исследования в ходе ответов на вопросы учителя и одноклассников, обоснуйте, правильно ли была сформулирована гипотеза.

9. Ответьте на вопросы:

9.1. Что понимают под системой отсчета?

9.2. Как Вы понимаете выражение “Движение относительно”?

9.3. Что значит, скорость относительна?

9.4. В чем состоит закон сложения скоростей?

9.5. В чем состоит закон сложения перемещений?

9.6. Поезд движется равномерно и прямолинейно. С полки падает яблоко. Как движется яблоко по отношению к вагону и по отношению к Земле?

10. Сделайте выводы, обобщения, заключения по проделанной работе.

Исследовательское задание № 2. Тема: “Равномерное движение по окружности”.

Цели исследования:

1. Сформулировать понятие вращательного движения.

2. Сформулировать понятие угла поворота, равномерного вращения, угловой скорости.

3. Установить связь между линейной и угловой скоростями.

Оборудование: металлический (бумажный) диск, специальная подставка для диска, резец (карандаш), измерительная линейка, транспортир.

Введение в проблемную ситуацию. Искусственный спутник движется вокруг Земли. Точки велосипедного колеса движутся вокруг его оси. Каковы закономерности движения этих физических тел?

1. Сформулируйте проблему исследования.

2. Сформулируйте задачи исследования.

3. Сформулируйте гипотезу.

4. Проведите исследование вращательного движения материальной точки.

ООД 1 (для учащихся с высоким уровнем обучаемости)

Составьте план проведения исследования. Подумайте, как нужно использовать данное вам оборудование, соберите экспериментальную установку. Изобразите её у себя в тетрадях. Отметьте на диске две точки на различных расстояниях от оси вращения, затем поверните диск. Что вы можете сказать о путях, которые они пройдут? На какой угол повернутся их радиусы? Установите закономерность между ними. Что здесь будет являться угловым перемещением? Сформулируйте понятие равномерного вращения. Дайте определение угловой скорости. Установите связь между линейной и угловой скоростями. Определите период обращения. Рассматривая движения точки по окружности, получите формулу ускорения для движения по окружности.

ООД 2 (для учащихся со средним уровнем обучаемости)

Составьте план проведения исследования. Установите предоставленное Вам оборудование на столе. Изобразите экспериментальную установку у себя в тетрадях. Отметьте на диске на различных расстояниях от оси вращения 2 точки. Определите пути, которые они пройдут. Какими они будут? Проведите радиусы из начального положения точек в их конечное положение. Что можно сказать об углах их поворота. Установите закономерность между путями, пройденными телами, и углами, на которые поворачиваются их радиусы. Рассмотрите их отношение. Вспомните, характеристикой чего является угол поворота радиуса. Определите, что такое равномерное вращение. Введите величину, характеризующую быстроту вращения материальной точки по окружности. Установите формулу для её вычисления. Установите связь между линейной и угловой скоростью. Сформулируйте понятие о периоде обращения. Выясните, изменяется ли при равномерном движении по окружности значение скорости и направление вектора скорости. Рассмотрите окружность, взяв на ней в произвольном месте точку. Определите направление её скорости. Считая, что за малый промежуток времени она переместилась в другую точку, укажите скорость этой точки. Вспомните определение ускорения. Используя дополнительные построения на окружности и ранее полученные знания, определите формулу для ускорения тела, движущегося по окружности. Используйте малые приближения. Вспомните, с направлением какого вектора совпадает направление вектора ускорения, и, используя свойство, что сумма углов треугольника равна 180⁰, определите направление вектора ускорения для равномерного движения по окружности.

ООД 3 (для учащихся с низким уровнем обучаемости)

Подумайте над планом проведения исследования. Отметьте на диске на различных расстояниях от оси вращения 2 точки. С помощью линейки определите пути, которые они пройдут. Какими они будут? Вспомните, что называется радиусом? Проведите радиусы из начального и до конечного положений точек. Что можно сказать об углах их поворота? Установите закономерность между путями, пройденными телами, и углами, на которые поворачиваются их радиусы. Рассмотрите их отношение и скажите, какие они. Вспомните, характеристикой чего является угол поворота радиуса? Он измеряется в радианах. Вспомните определение радиана. По аналогии с равномерным прямолинейным движением постарайтесь определить, что такое равномерное вращение. Выясните, что за величина характеризует быстроту вращения материальной точки по окружности. Получите формулу для её измерения, а также единицы измерения. Установите связь между линейной и угловой скоростью движения точки по окружности. Сформулируйте понятие о периоде обращения. Выясните, изменяется ли при движении по окружности значение скорости и направление вектора скорости. Рассмотрите окружность, взяв на ней в произвольном месте точку. Определите направление её скорости. Считая, что за малый промежуток времени она переместилась в другую точку, укажите скорость этой точки. Определите изменение скорости. Что оно определяет? Вспомните определение ускорения? Используя дополнительные построения на окружности и ранее полученные знания, определите формулу для ускорения тела, движущегося по окружности. Используйте малые приближения. Вспомните, с направлением какого вектора совпадает направление вектора ускорения? Используя свойство, что сумма углов треугольника равна 180⁰, определите направление вектора ускорения для равномерного движения по окружности.

5. Проанализируйте данные, полученные в ходе выполнения работы, соотносите их с уже известными вам знаниями.

6. Подготовьтесь к написанию отчетов, обоснуйте, удалось ли решить поставленную проблему.

7. Подготовьтесь к выступлению перед учащимися с сообщением о результатах исследования.

8. Проанализируйте результаты исследования в ходе ответов на вопросы учителя и одноклассников, обоснуйте, правильно ли была сформулирована гипотеза.

9. Ответьте на следующие вопросы:

9.1. Почему движение по кривой с постоянным модулем линейной скорости не является равномерным прямолинейным?

9.2. Какой физический смысл имеет угловая скорость?

9.3. Сколько радиан содержит центральный угол, длина дуги которого равна половине длины окружности?

9.4. Как связаны между собой модули угловой и линейной скорости?

9.5. Как изменится период вращения, если частота вращения увеличится в 2 раза?

9.6. В каком случае ускорение определяет изменение: а) только модуля скорости; б) только направления скорости?

9.7. Почему ускорение при равномерном вращении точки называют: а) центростремительным; б) нормальным?

9.8. Как связан модуль центростремительного ускорения с: а) модулем линейной скорости; б) модулем угловой скорости?

9.9. Как изменится период вращения тела, если частота вращения увеличится в 2 раза?

10. Сделайте выводы, обобщения, заключения по проделанной работе.