Принципы реализации интегрированного обучения физике и информатике в профильной школе

В статье представлен анализ существующих подходов к проблеме интеграции обучения. Обозначены перспективные направления решения проблемы на уровне психолого-педагогического обеспечения образовательного процесса в профильной школе.

В условиях информатизации и повышения требований к качеству образования, выступающего основным социальным институтом воспроизводства структуры общества, возникает проблема обеспечения качества знаний как фундамента реализации нового образовательного стандарта средней и высшей школы и непрерывного образования, становящегося объективной исторической необходимостью в российском обществе. Данная проблема должна решаться параллельно в отношении всех компонентов образовательной среды и психологических стадий: восприятия ^ представления ^ промежуточные когнитивные структуры ^ понятия ^ агрегаты понятий ^ научная теория.

Существующее множество педагогических технологий обучения основано на базовом механизме демонстрации учителем в определенной организационной обстановке элементов научных теорий и следствий из них (эмпирических фактов, их обобщений, гипотез, следствий, законов), в которой обучаемые принимают участие в большей или меньшей степени. Соответственно базовому механизму по степени их участия различаются репродуктивные методы обучения, частично поисковые, проблемные и исследовательские. Комплексной задачей обучаемых в данной процедуре является трехшаговая цепочка: запоминание представленной информации, включение новых данных в существующую систему знаний и обобщенных умений, последующее ее воспроизведение в том или ином контексте вопроса, т. е. реализация обратной связи по упрощенной алгоритми ческой схеме: источник ^ среда ^ прием ^ кодирование ^ воспроизводство ^ оценка качества воспроизводимой информации. Реальный процесс обучения, разумеется, включает в себя на каждом этапе компоненты анализа и синтеза, исходный и результирующий уровни мотивации, объем запоминаемой вербальной и невербальной информации, уровень избирательности, глубины креативного мышления, способности адаптации к новым формам представления знаний.

Традиционная дидактика рассматривает возможности управления формированием понятий в обучении в двух аспектах. Первый из них составляет активизация познавательной деятельности (в широком смысле слова) посредством спектра методик, организационных форм и технологий, второй — новации в методах и формах обучения (интеграция, межпредметные связи, профильное обучение как форма специализации). Тот и другой аспекты по существу касаются приготовительных стадий восприятия содержания с последующей его оценкой как обучаемым, так и учителем, но не внутреннего механизма кодирования (упаковки, репликации) обучаемыми новых знаний в соответствии с предыдущим опытом. Последний должен рассматриваться не просто как статичная сумма фактов и сведений, а как открытая система эффективных процедур включения и обогащения. Широко известна ситуация, когда обучаемые хорошо успевают по математике, но не могут эффективно использовать опыт работы с векторами в геометрии для анализа действующих сил в динамике точки в

физике. В иной ситуации они достаточно хорошо усваивают один раздел физики, математики и совершенно «не понимают» другой. Такая фрагментарность усвоения знаний свидетельствует не о снижении мотивации или усилий к учебе, а о низкой сформированности системы репликации опыта, или, в традиционной терминологии, системы обобщенных умений (А. В. Усова, В. Г. Разумовский)1.

В современной практике образования возникли новые тенденции и факты, осложняющие качественное обучение и реализацию механизмов управления логикой внутренних процессов репликации достаточно сложной и различным образом структурированной информации. Дифференциация содержания обучения в форме профильных классов и групп различной направленности (гуманитарных, естественно-научных, физико-математических, экономических, технологических), отчасти решающая задачу перераспределения учебных часов, несмотря на некоторый положительный опыт применения, в последние годы проявляет свои негативные стороны. Это выражается в разобщенности и эклектичности знаний учащихся, их низком системном уровне по непрофильным предметам, что нередко приводит к низкой мотивации обучения и потере интереса к выбранному профилю, трудностям профессиональной адаптации в школе старшей ступени. Наконец, существует потребность реализации творческого процесса метазнаниевой концепции новой дидактики, что возможно только в рамках интеграции дисциплин, адекватной интеграции научных исследований.

Таким образом, имеется противоречие между требованиями непрерывного гармонического развития личности при изучении полноценного современного курса физики, обладающего огромным научным и мировоззренческим потенциалом, включения современных информационных ресурсов в процесс его активного изучения, с одной стороны, и орга низационно-методическими и дидактическими возможностями реализации такого обучения на базе фактически осуществляемого обучения — с другой. Требование повышения качества физического образования с учетом реальности и перспектив компьютерного эксперимента и, более широко, технологий обработки информации, а также гибкой интеграции ресурсов информационной культуры в обучение физике объективно. В то же время реальность перегрузки обучаемых, достижение их предельной часовой аудиторной нагрузки в школе и вузе ставят жесткие рамки модификации содержания и соответственно возможности профессионального самоопределения и личностно ориентированного самообучения.

Важным аспектом проблемы интеграции является необходимость учета развития технологии аппаратных средств компьютеров, системного и прикладного программного обеспечения, что требует создания содержательного инвариантного ядра в рамках интегрированных курсов физики и информатики. В этих условиях внимание методистов, психологов и педагогов давно и справедливо привлекает возможность интегрированного обучения через реализацию межпредметных связей на различных уровнях: как на уровне содержательных ассоциаций и общности структур (М. Н. Берулава, А. В. Усова, В. С. Елагина и др.), так и на уровне автономных модулей вычислительного эксперимента, внедряемых в основной курс физики в форме профильных курсов. Интеграция учебных курсов является естественным следствием объективной интеграции методов и содержания научного познания, взаимного обогащения методов физических исследований и компьютерного моделирования, преимущественно в задачах нелинейной физики.

В исследованиях В. Р. Ильченко, Б. Д. Комиссарова, С. А. Сергеенок, О. А. Яворука, Н. М. Бауэр предлагаются современные классификации интегри- рованных курсов на основе: 1) пограничных наук; 2) полипредметных курсов; 3) общенаучных понятий и теорий; 4) эволюции научного знания; 5) изучения комплексных объектов; 6) различных проблем; 7) на деятельностной основе. Принципы классификации могут и должны уточняться по мере раскрытия общесистемных семиотических свойств всего блока физико-математических дисциплин, описания психологических факторов восприятия информатики в средней и высшей школе.

Следует признать, что проблема эффективных критериев отбора содержания и методики реализации интеграции обучения физике и информатике на уровне качественных методик и содержания актуальна, несмотря на ряд проведенных исследований по технологии обучения информатике (Н. И. Пак, Н. В. Винницкий). Различные методологические подходы к интеграции содержания через призму развития мышления на базе естественно-научной картины мира отражены в монографиях Г. И. Рузавина, В. В. Горбачева, Н. В. Бабушкина, И. С. Карасовой, В. Г. Разумовского. Многие исследователи справедливо считают интеграцию необходимым условием и фактором качественного совершенствования естественно-научного, в частности физического, образования. М. В. Потапова полагает, что дидактической единицей интеграции является естественно-научная картина мира в целом, причем интеграция возможна как на уровне структуры ядра, основания, так и на уровне следствий.

Обобщенные планы и методика изучения фундаментальных физических величин, законов и понятий, разработанные А. В. Усовой и развитые ее научной школой, являются существенной частью методологической базы построения интегрированного курса физики с применением компьютерных технологий в форме модулей. Данное направление интенсивно развивается в рамках межпредметных связей (МПС), в том числе в диссертационных исследованиях (Е. А. Рум-бешта, А. Ю. Канаева, О. Н. Шарова и др.), где представлены методические и процессуальные аспекты интеграции дисциплин. Выполнен ряд исследований по выяснению сущности, методики реализации межпредметных связей технологически, содержательно и процессуально связанных с курсом физики дисциплин: математики, химии, географии, электротехники, биологии (С. Н. Дворяткина, В. С. Самойлов, С. П. Злобина и др.).

Существует ряд важных аспектов, выделяющих информатику с точки зрения технологии и сущности интеграции с физикой. Одна из особенностей информационных технологий заключается в технологической, прикладной, инструментальной направленности . Это позволяет разрабатывать универсальные методики (шаблоны) обработки данных и функционально законченные процедуры, специфицирующие ту или иную связываемую дисциплину, в частности физику, в единый содержательный и технологический учебный курс, в котором органично соединяются задачи традиционного обучения знаниям и реализуется метазнаниевая концепция на основе внедрения унифицированных шаблонов (фреймов) обработки структур данных.

Возникает задача эффективного использования прикладной направленности методов обработки информации и содержательных компонентов физического образования на основе единой технологии для реализации качественного и функционально полного обучения физике. Учет прикладного характера информатики в форме создания шаблонов, фреймов — универсальных каркасов обработки данных внутри физического модуля (той или иной теории, курса, класса задач) наиболее адекватно соответствует задачам естественной интеграции физики и информатики.

Информационные технологии сегодня стали фактором влияния на все сферы образования и науки, поэтому акту- альны как задачи адаптации существующих общедидактических принципов и методов обучения физике в условиях компьютеризации обучения, так и психолого-педагогические проблемы обучения, прежде всего физике, при поддержке компьютера. Воздействие «феномена компьютеризации» на культуру и качество профессиональной деятельности будет неизбежно возрастать. В связи с этим актуален вопрос о влиянии компьютерных технологий, в частности программирования и компьютерного моделирования физических процессов как системной интегрированной деятельности, на процессы мышления в обучении физике как формализованной науке. Физика, являясь экспериментальной и теоретической наукой, сочетает в себе возможности реального, математического и компьютерного исследования явлений природы в совокупности, в том числе новыми экспериментальными методами на базе аппаратно-программных комплексов и датчиков измерений физических величин с последующим анализом на основе программных средств. Элементы такого исследования должны включаться в курс элементарной физики и требуют дидактического обеспечения.

Особое значение приобретают критерии выбора содержания и методики проведения интегрированных курсов физики и информатики, их реализации в физико-математических профильных группах, где выявляются и формируются уровень, глубина, избирательность мышления. К данной задаче примыкает задача создания технологии обучения программированию на компьютере физических задач, требующая значительных разноплановых усилий как со стороны педагога, так и со стороны обучаемых. Она может быть решена на основе анализа фреймов обработки физических данных.

Понятие «фрейм» (англ. frame — каркас, рамка) возникло в когнитивной психологии в связи с работами М. Минского по унификации интеллектуальных процедур анализа и синтеза информации как конструкт, реализующий принцип «контрастного дополнения» (В. Минто) системы фон — объект на уровне восприятия субъектом внешнего мира, а затем стало основой дифференциации в психогенезе (Ж. Пиаже). В дидактических исследованиях принцип унификации на основе автономных модулей развивался в связи с исторически первыми интегрированными методиками обучения, проектными технологиями (Д. Дьюи, К. Килпатрик), имеющими значительный опыт применения, но требующими модификации с учетом компьютеризации и технологизации обучения.

На необходимость применения проблемного, развивающего обучения в интегрированных, блочно-модульных курсах (метапредметах) указывали дидак-ты в советской педагогике в 1960-е гг. (М. И. Еникеев, М. И. Махмутов, Т. И. Шамова). За прошедшие полвека изменились скорость передачи, виды, формы представления и объем информации, изучаемой на уроке и в целом в курсе, однако проблема развития творческого мышления в интегрированной (по содержанию и формам) познавательной деятельности остается актуальной. Л. Клинберг в качестве основной проблемы обучения выделяет формирование творческого (продуктивного) мышления. Данная задача в отечественной педагогике связывается с активизацией познавательной деятельности и положительной психологической мотивацией обучения (Л. И. Божович, П. Я. Гальперин, В. В. Давыдов, А. Н. Леонтьев и др.). Проблема развития познавательных интересов традиционно важна для успеха частных дидактик (И. Я. Ланина, П. В. Зуев, В. С. Ильин, П. М. Якобсон), однако современная цифровая технология обработки информации и компьютерное моделирование открывают новые глубокие аспекты проблемы мотивов и структуры познавательной деятельности.

Появляется возможность качественного обновления всего демонстрационного и лабораторного эксперимента по фи- зике в форме создания аппаратно-программных комплексов демонстрации и лабораторных работ на базе аппаратных интерфейсов, датчиков, измерительных модулей, адаптированных к данным целям (Е. Ю. Левченко). Современный уровень средств сопряжения измерительных устройств и каналов обмена информацией посредством компьютера открывает огромное поле деятельности, так как компьютер при этом эффективно выполняет функции (И. В. Роберт): средства обучения., инструмента познания, средства развития личности, среды моделирования.

Современные измерительные комплексы для физического эксперимента и программного обеспечения позволяют решать и качественно новые дидактические задачи, имеющие далеко идущие результаты: изучать в реальном масштабе времени с высокой точностью механические, тепловые, электромагнитные явления с одновременным моделированием количественных закономерностей на основе программных сред; исследовать процессы диссипации энергии; осуществлять измерение физической и информационной энтропии; демонстрировать статистические модели в физике (метод Монте-Карло измерения интегралов).

Стандартный набор средств для таких задач дополняется измерительными комплексами на базе сопряжения с интерфейсом (usb/irps) и должен входить в современный комплект оборудования физического кабинета (Е. Ю. Левченко) наряду с системным программируемым таймером, параллельным и usb-адаптером, датчиками, исполнительными устройствами, платами сопряжения. Расширенный за счет программных средств ввода-вывода данных, сохранения их в форме файлов или иных структур, а также методики реализации, он решает за дачу интеграции как создания единого исследовательского пространства на содержательной базе физики.

Интегрированное обучение физике с помощью компьютерного моделирования в рамках информатики выходит на качественно новые уровни и результаты обучения даже на базовом школьном уровне, не говоря уже о профильном обучении физике и математике , где численные модели становятся основой новых технологий проблемного обучения. Замена «доисторического» учебного физического эксперимента, когда на место старых методов измерения с громадными, нередко обесценивающими лабораторные работы, погрешностями, приходят точные измерения микропроцессорными датчиками с последующими сохранением и визуализацией данных в реальном времени, — это объективная потребность времени. Очевидно, что она приводит к необходимости адаптации общей и частной методик обучения физике. Средством адаптации и является интеграция предметов физики и информатики. Полученные в процессе измерений наборы данных (сохраненные в файлах определенного формата) в дальнейшем составляют материал для моделирования уже на семинарах по информатике. Важно, что существенная часть обобщающего повторения по всем темам курса физики старшей ступени может быть выполнена в рамках анализа результатов реального компьютерного эксперимента с последующим тестированием достигнутого уровня знаний в классической форме экзамена.