На каком основании высказывается гипотеза что такое модель явления физика

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА

Полезное

Смотреть что такое «МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА» в других словарях:

Гипотеза Пойа — В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка… … Википедия

Гипотеза Бёрча — Задачи тысячелетия Равенство классов P и NP Гипотеза Ходжа Гипотеза Пуанкаре Гипотеза Римана Квантовая теория Янга Миллса Существование и гладкость решений уравнений Навье Стокса Гипотеза Бёрча Свиннертон Дайера Гипотеза Бёрча … … Википедия

Математическая модель — Математическая модель это математическое представление реальности[1]. Математическое моделирование это процесс построения и изучения математических моделей. Все естественные и общественные науки, использующие математический аппарат,… … Википедия

Наука и гипотеза — «НАУКА И ГИПОТЕЗА» книга выдающегося франц. математика, физика и философа Анри Пуанкаре, вышедшая в 1902 г., в рус. пер. вошла в состав его книги «О науке» (М., 1983). Основное содержание «Н. и г.» составляют е г о доклады на… … Энциклопедия эпистемологии и философии науки

московская философско-математическая школа — МОСКОВСКАЯ ФИЛОСОФСКО МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ШКОЛА группа философствующих математиков Московского ун та, стримившихся осуществить «философско математический синтез» на основе идей аритмологии и монадологии. Школа вызрела в недрах Московского… … Энциклопедия эпистемологии и философии науки

Нулевая гипотеза — Нулевая гипотеза гипотеза, которая проверяется на согласованность с имеющимися выборочными (эмпирическими) данными. Часто в качестве нулевой гипотезы выступают гипотезы об отсутствии взаимосвязи или корреляции между исследуемыми переменными … Википедия

Эргодическая гипотеза — (от греч. érgon работа и hodós путь) в статистической физике, состоит в предположении, что средние по времени значения физических величин, характеризующих систему, равны их средним статистическим значениям; служит для обоснования… … Большая советская энциклопедия

математизация науки — МАТЕМАТИЗАЦИЯ НАУКИ применение математики для теоретического представления научного знания. И само научное знание, и математика, и математизация научного знания зародились в античности. Первую математическую концепцию природы создали… … Энциклопедия эпистемологии и философии науки

Источник

Лекция по физике «Физика и научный метод познания»

Физика и научный метод познания. Понятие о физической картине мира.

«Изучение и наблюдение природы породило науку».

С самого рождения мы привыкаем к вещам и явлениям, окружающим нас. Так, мы узнаём, что предмет всегда падает вниз, что есть твёрдые предметы, о которые можно удариться, что огонь может обжечь и т. д.

Однако как ни важны подобные знания, они ещё не образуют науку.

Человек всегда задаёт вопросы: почему что-то происходит? В чём причина наблюдаемого явления? Поиск ответов на эти вопросы и есть предмет научной деятельности.

Физика и другие науки. Именно развитие наук о природе дало в руки человека современную технику и привело к преобразованию окружающего нас мира. Основную роль сыграла физика — важнейшая наука, изучающая самые глубокие законы природы. Физика составляет фундамент главнейших направлений техники. Так, открытие транзистора, сделанное в лаборатории физики твёрдого тела, определило современное развитие электроники, радиотехники и вычислительной техники. Создание лазера позволило осуществить связь на большие расстояния, получить высококачественные объёмные изображения (голография), предложить один из способов удержания высокотемпературной плазмы, создать уникальные технологии операций на глазах и многое другое.

Открывая законы природы, спрятанные под покровом бесконечно многообразного мира явлений, человек научился применять их для своих целей, создавать устройства, без которых немыслима современная комфортная жизнь. Учёные продолжают исследования Вселенной, создают уникальные материалы, ведут поиск новых источников энергии.

Важно
Физика — это наука, занимающаяся изучением основополагающих и вместе с тем наиболее общих свойств окружающего нас материального мира.

Поэтому понятия физики и её законы лежат в основе естествознания.

Физика очень тесно связана с астрономией, геологией, химией, биологией и другими естественными науками. Например, открытие двойной спирали ДНК, «главной молекулы», было сделано в физической лаборатории. Это открытие определило пути развития молекулярной биологии, призванной ответить на вопрос, что такое жизнь. Квантовая теория позволила химикам объяснить химическое строение вещества, законы распространения звука помогают геологам изучать земные недра.

Физика способствовала развитию многих областей математики. Английский физик Дж. Максвелл говорил: «Точные науки стремятся к тому, чтобы свести загадки природы к определению некоторых величин путём операций с числами». Английский учёный И. Ньютон создал дифференциальное и интегральное исчисления, пытаясь написать уравнения движения тел. Стремление к простоте математического описания позволило австрийскому физику Э. Шредингеру записать уравнение, которое описывает мир атомов.

Физическими методами исследования пользуются учёные практически всех областей науки.

Научный метод. Какими же путями добывается научная истина? Несколько сотен лет назад были выработаны основы физического метода исследования. Он состоит в следующем: опираясь на опыт, делая предположения о сути того или иного явления, отыскивают сначала качественные, а затем количественные (формулируемые математически) законы природы; открытые законы проверяются практикой. Таким образом, схема научного познания выглядит так:

Запомни
наблюдение — гипотеза — теория — эксперимент.

Важно
Именно эксперимент является критерием правильности теории.

«К физике относится только то, что может быть измерено» — это высказывание принадлежит американскому физику П. Бриджмену (1882—1961) и точно отражает особенность физики. Главным судьёй, который призван утвердить или отбросить данную теорию, является эксперимент. Физика имеет дело с воспроизводимыми ситуациями. Повторяя эксперимент при различных условиях, мы можем оценить влияние этих условий на данное физическое явление.

Модели в физике. Одним из мощных методов исследования в физике является метод моделирования.

Подчеркнём, что модель должна сохранять те свойства реального объекта, которые определяют его поведение. Модели бывают теоретическими и лабораторными, в последнее время широко используются компьютерные модели.

При создании теоретической модели используются результаты наблюдений и экспериментов. Очевидно, что проблема становится более понятной с помощью конкретных образов, именно поэтому модель чаще всего бывает механической. Например, движение молекул газа наглядно можно представить как движение упругих шариков, строение атома сначала предполагалось аналогичным строению Солнечной системы.

Сначала, когда данных мало, модель, как правило, получается грубой, но по мере накопления экспериментальных фактов она уточняется, однако для ответов на некоторые важные вопросы можно остановиться и на примитивной модели.

В лаборатории моделируются, как правило, явления, изучение которых в природных условиях представляет значительные трудности. Например, течение реки, изменение её русла моделируются в гидравлических лотках, испытание моделей самолётов проводится в аэродинамической трубе. При этом должны выполняться разные условия подобия — геометрическое, кинематическое и т. д.

Теоретическое решение любой физической задачи сводится к математическому моделированию, т. е. написанию уравнений. Часто эти уравнения получаются достаточно сложными, и их решения делаются с помощью компьютеров.

Запомни
Научная гипотеза — высказанное суждение, недоказанное утверждение, предположение, объясняющие наблюдаемые явления или результаты лабораторных экспериментов.

Научная гипотеза всегда выдвигается для решения конкретной проблемы, чтобы объяснить полученные экспериментальные данные или устранить разногласия между теоретическими и экспериментальными результатами, полученными в ходе проверки ранее выдвинутых гипотез. Например, немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой теории, М. Планк, разрабатывая квантовую гипотезу, опирался как на выводы, полученные в рамках классической теории излучения, так и на отрицательные результаты проверки предыдущих гипотез.

Слова русского учёного Д. И. Менделеева подтверждают важность научных гипотез в процессе научного познания: «Они (гипотезы. — Авт.) науке и особенно её изучению необходимы. Они дают стройность и простоту, каких без их допущения достичь трудно. Вся история наук это показывает. А потому можно смело сказать: лучше держаться такой гипотезы, которая может оказаться со временем неверною, чем никакой. Гипотезы облегчают и делают правильною научную работу — отыскание истины, как плуг земледельца облегчает выращивание полезных растений».

Физические величины и их измерение. Для того чтобы понять и описать эксперименты, учёные вводят целый ряд физических величин, таких, как скорость, сила, давление, температура, электрический заряд и многие другие. Каждой величине надо дать точное определение, ввести её наименование в определённой системе единиц, указать, как эту величину можно измерить, как провести необходимый для такого измерения опыт.

Чаще всего в определениях физических величин просто уточняют и придают количественную форму тому, что непосредственно воспринимается нашими органами чувств. Так вводят понятия силы, температуры и т. д. Есть, конечно, величины, которые не воспринимаются непосредственно нашими органами чувств (например, электрический заряд). Но они выражаются через другие величины, на которые органы чувств человека реагируют. Так, электрический заряд определяется по силам взаимодействия между заряженными телами.

Для измерения физической величины необходим эталон, стандарт, т. е. некоторое средство измерения, позволяющее хранить единицу, передавать и повторять её размер. Эталоны, такие, например, как эталоны метра, килограмма и многих других величин, хранятся в Международном бюро мер и весов в Севре (Франция). Точные копии эталона разосланы в разные лаборатории мира.

А существует ли вообще точное значение физической величины? Мы знаем, что любое тело состоит из атомов. При увеличении точности измерения мы приходим к необходимости измерения объектов очень малых размеров, таких, как атомы и молекулы. Одним из существенных выводов квантовой механики был вывод о том, что бессмысленно даже ставить вопрос о точном значении физической величины, причём неопределённость лежит в основе самих законов природы, а не в несовершенстве приборов.

Теория. Изучая количественные связи между отдельными величинами, можно выявить частные закономерности. На основе таких закономерностей развивают теорию явлений. Теория должна объяснять частные закономерности с общей точки зрения. Теория позволяет не только объяснять уже наблюдавшиеся явления, но и предсказывать новые. Так, например Д. И. Менделеев на основе открытого им периодического закона предсказал существование нескольких химических элементов, которые в то время не были известны, а английский физик Дж. Максвелл предсказал существование электромагнитных волн.

Если между теорией и экспериментом появляется несоответствие, то теорию надо изменить, чтобы можно было объяснить все новые полученные данные, т. е. теорию надо усовершенствовать. Практически всякая известная теория является результатом последовательных уточнений.

Запомни
Научными фактами называют утверждения, которые можно всегда проверить и подтвердить при выполнении заданных условий.

Важно
Физический закон — основанная на научных фактах устойчивая связь между повторяющимися явлениями, процессами и состояниями тел и других материальных объектов в окружающем мире.

Физические законы обычно выражаются в виде короткого словесного утверждения или компактной математической формулы, связывающей между собой определённые физические величины. Английский физик-теоретик П. Дирак сказал: «Физический закон должен обладать математической красотой».

Так, мы уже знаем закон Ома: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна приложенному к нему напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка: Однако этот закон справедлив не для всех проводников. Например, он неприменим для ионизованного газа. Кроме того, им можно пользоваться только в определённом интервале значений силы тока, в котором можно считать сопротивление постоянным. На самом деле при прохождении тока проводник нагревается, сопротивление проводника увеличивается, и сила тока будет отличаться от расчётной.

Принципы соответствия и причинности. История физики показывает, что процесс познания материального мира не заканчивается опытной проверкой теории. Вскоре после создания той или иной теории обнаруживаются новые области явлений и накапливаются факты, объяснение которых не укладывается в ее рамки и требует выдвижения новых гипотез, нуждающихся, конечно, в опытной проверке. Новые открытия вызывают потребность в исправлении, дополнении существующих теорий или создании новых, более глубоко и точно отражающих объективные закономерности природы.

Новая теория чаще всего включает в себя старую как составную часть, то есть является более широкой, всеохватывающей. Хорошо проверенные законы и соотношения остаются неизменными и в новой теории. Так, например, специальная теория относительности Эйнштейна изменила привычные представления о пространстве и времени, при этом она практически не повлияла на законы классической механики. Предсказания специальной теории относительности совпадают с предсказаниями классической механики, если скорости движения тел намного меньше скорости света. Квантовая механика «превращается» в классическую, если массы тел достаточно велики, а законы волновой оптики – в законы геометрической оптики, если длины световых волн малы по сравнению с размерами препятствий.

Если спутать причину со следствием или принять за причину случайно сопутствующее обстоятельство, может возникнуть серьезная ошибка, заблуждение или суеверие. Известно, что перед дождем раки зарываются в песок. Если поменять местами причину и следствие, то получится абсурдная ситуация: чтобы пошел дождь, надо рака закопать в песок.

Беспричинных событий не может быть, иначе их существование вступило бы в противоречие с законом сохранения энергии, ибо это означает возникновение чего-либо из ничего. Всякое изменение состояния тела может быть вызвано только материальным воздействием или процессом.

Принцип причинности в физике, в частности, требует исключить из рассмотрения: 1) влияние какого-либо события на все предшествующие события («будущее не влияет на прошлое»), 2)влияние друг на друга одновременных событий на таком расстоянии, что они не могут быть связаны каким-либо сигналом, даже световым.

Открытия в физике. Физика продолжает бурно развиваться. Каждый новый эксперимент позволяет усовершенствовать теорию. Между теорией и экспериментом существует неразрывная связь, непрерывное взаимодействие.

Необходимо помнить, что любая физическая теория основывается на определённой модели объектов и явлений. В процессе добывания новых научных фактов любая физическая модель совершенствуется и усложняется. Однако очевидно, что окружающий нас мир гораздо сложнее, многообразней и совершенней любой самой сложной, созданной человеческим умом модели. Поэтому завершённость какой-либо физической теории отнюдь не означает полного познания законов природы.

В настоящее время учёные получают в лабораториях новые материалы и исследуют их свойства. Так, в 2010 году была присуждена Нобелевская премия по физике А. Гейму и К. Новосёлову за открытие графена, который обладает сверхпрочными свойствами и наибольшей электропроводностью из существующих материалов. Учёные решают глобальные вопросы: открытие новых элементарных частиц, новых физических законов, новых видов энергии. Разрабатывают теории, подтверждение которых требует создания очень сложных установок, таких, как, например, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе. Длина его основного кольца около 27 км. Создание таких установок требует огромных затрат и сложной подготовки.

Однако часто случается так, что теории долго не находят экспериментального подтверждения. Так, например, ещё не обнаружены кварки, хотя считается, что все элементарные частицы состоят из них, и создана стройная теория кварков. Так что сегодня нет никаких оснований считать, что раскрыты почти все законы природы и мы находимся у границ познания. Поле для деятельности будущих учёных практически не имеет границ.

Эта теория способна была бы объяснить все физические явления и процессы во Вселенной на основе нескольких законов, из которых можно чисто логически вывести многообразие физического мира.

Единая всеобъемлющая теория нужна для создания четкой и полностью объяснимой физической картины мира.

Физическая картина мира – это физическая модель природы, построенная на основе наиболее общих принципов, законов и теорий, соответствующих конкретному историческому этапу развития науки.

В ходе развития науки физические представления о природе изменялись, поэтому картина мира эволюционировала. Первой физической картиной мира была механическая, созданная в 18 веке.

В 19 веке механическую картину мира сменила электродинамическая, а в 20 веке была создана квантово-полевая картина мира.

Современная физика содержит небольшое число фундаментальных физических теорий, охватывающих все ее разделы. Эти теории представляют собой квинтэссенцию знаний о физических процессах и явлениях, наиболее адекватно описывающих различные формы движения материи. Создание единой физической теории – дело будущего.

Знания физики необходимы любому культурному человеку для понимания окружающего мира.

Медицина – это клиническая лабораторная диагностика сформировавшаяся на ниве бурно развивающихся естественно научных дисциплин физики, химии, электроники и т.д.

Источник

Диагностика учебных достижений по физике. Особенности подготовки учащихся к ЕГЭ и ГИА

Лекция 7. Конструирование комптентностно-ориентированных заданий

1. Компетентностный подход в преподавании

Стремление внедрить компетентностный подход не оставило в стороне и систему общего образования. Постоянное ускорение темпов развития общества приводит к тому, что школа, призванная давать востребованное в реальной жизни образование, сама мало что знает о будущей жизни, в которой придётся жить её нынешним первоклассникам. Школьные педагоги интуитивно понимают, что на сегодняшний день результатом образовательного процесса должны быть не только привычные академические знания–умения–навыки, но и какие-то интегральные способы деятельности, позволяющие оценить возможности учащихся использовать эти самые знания–умения–навыки в кругу не чётко ограниченных «типовых» учебных задач, а более широких «жизненных ситуаций».

Опираясь на публикации об особенностях компетентностного подхода в общем образовании, можно говорить о том, что эффективность обучения в этом случае определяется не столько полнотой и систематичностью знаний, сколько способностью оперировать имеющимся запасом предметных знаний в новых ситуациях, в том числе и при решении постоянно возникающих проблем. Компетентность не противопоставляется знаниям или умениям, она включает их в себя, но путём не простого суммирования, а свободного использования наиболее эффективного для каждой конкретной ситуации набора из имеющихся в арсенале учащегося.

Для того, чтобы попытаться определить задачи того или иного предмета (а следовательно, и планируемые результаты обучения) в рамках компетентностного подхода, необходимо опираться на фундаментальные цели образования, которые в этом случае соответствуют пониманию ключевых компетенций. Так, в документах ЮНЕСКО эти цели сформулированы следующим образом:

– научить получать знания (учить учится);

– научить работать и зарабатывать (учение для труда);

– научить жить (учение для бытия);

– научить жить вместе (учение для совместной жизни)» [1], что во многом соответствует и целям нашего школьного образования, сформулированным, например, в ГОС.

В рамках общего образования говорят обычно о коммуникативной, социально-правовой, межличностной и других ключевых компетенциях. Например, Дж.Равен в своей работе «Компетентности в современном обществе» [2] приводит следующий список ключевых компетентностей:

– способность работать самостоятельно без постоянного руководства;

– способность брать на себя ответственность по собственной инициативе;

– способность проявлять инициативу, не спрашивая других, следует ли это делать;

– готовность замечать проблемы и искать пути их решения;

– умение анализировать новые ситуации и применять уже имеющиеся знания для такого анализа;

– способность уживаться с другими;

– способность осваивать какие-либо знания по собственной инициативе (т.е. учитывая свой опыт и обратную связь с окружающими);

– умение принимать решения на основе здравых суждений, т.е. не располагая всем необходимым материалом и не имея возможности обработать информацию математически.

Однако, к сожалению, ключевые компетентности, которые являлись бы приоритетными для российского школьного образования и которые могли бы стать ориентиром в изменении содержания и методики преподавания отдельных предметов, пока не сформулированы. Различные подходы существуют и к выделению оснований для классификации компетенций учащихся. Так, А.В.Хуторской предлагает трёхуровневую

иерархию компетенций школьников:

– ключевые компетенции, которые относятся к общему (метапредметному) содержанию образования;

– общепредметные компетенции, которые относятся к определённому кругу учебных предметов и образовательных областей;

– предметные компетенции – частные по отношению к двум предыдущим компетенциям, имеющие конкретное описание и возможность формирования в рамках учебных предметов.

При этом общепредметные компетенции должны обладать свойством переноса в другие предметы или образовательные области, а предметные компетенции – связаны со способностью учащихся привлекать для решения проблем знания, умения, навыки, формулируемые в рамках конкретного предмета.

В рамках PISA проводилась проверка грамотности чтения, математической и естественно-научной грамотности. Для учителей естественно-научного цикла было удивительным узнать, что задания, которые мы бы отнесли (по содержанию предлагавшихся в них текстов) к естествознанию, были направлены на проверку грамотности чтения. Задания на общую ориентацию в содержании текста и понимание его целостного смысла, выявление информации, интерпретации текста, рефлексии на содержание текста и на его форму составлялись из научно-популярных текстов (например, о клонировании, иммунизации против гриппа, анализе ДНК на службе полиции и т.п.). С точки зрения нашей методики эти умения относятся к общеучебным, мы считаем, что естественно-научные предметы лишь используют и развивают те умения, которые должны формироваться на уроках русского языка и литературы. Однако, понимая реалии нашей школы и традиции методики предметов гуманитарного цикла, вряд ли можно надеяться, что учить ориентироваться в научно-популярных текстах и понимать содержащуюся в них информацию будут на уроках русского языка. Эта задача дополнительным бременем ложится на всё уменьшающееся учебное время естественно-научных предметов, но при любых условиях должна найти своё отражение как в методике преподавания, так и в КИМах.

Естественно-научная грамотность в рамках международного исследования PISA характеризуется четырьмя составляющими:

– контекст (личностный, социальный, глобальный), т.е. те жизненные ситуации, которые можно рассматривать с точки зрения науки;

– знаниевый компонент, в который входят знания об окружающем мире и знания о естественных науках;

– компетентностный компонент, под которым понимают умения применять имеющиеся научные знания к жизненным ситуациям;

– аффективный компонент, который оценивает интерес и любознательность к естественным наукам.

В заданиях, проверяющих последний компонент, обычно спрашивают: «Интересно ли вам следующее высказывание?», «Согласны ли вы со следующим мнением?» и т.п. Задания такого типа нетрадиционны, их можно использовать лишь в специально организованном исследовании. В рамках же каких-либо аттестационных процедур или единого государственного экзамена их применение вряд ли целесообразно.

Настоящей «изюминкой» заданий PISA является первая составляющая – контекст, т.е. жизненная ситуация, в которой учащемуся и предлагается применить свои предметные знания и умения. Именно ситуация, описание которой не выхолощено и не освобождено от информационного шума, как это принято в наших учебниках, и обеспечивает «применение знаний и умений в новой ситуации».

Вторая и третья из перечисленных выше составляющих – это те самые привычные нам знания и умения, которым мы обучаем и которые формируем. Хотя и здесь есть существенное отличие. Ниже перечислены умения, которые проверяются в заданиях международного исследования:

– распознавать вопросы, идеи или проблемы, которые могут быть исследованы научными методами;

– выделять информацию (объекты, факты, экспериментальные данные и др.), необходимую для нахождения доказательств или подтверждения выводов при проведении научного исследования;

– делать вывод (заключение) или оценивать уже сделанный вывод с учётом предложенной ситуации;

– демонстрировать коммуникативные умения: аргументированно, чётко и ясно формулировать выводы, доказательства и др.;

– демонстрировать знание и понимание естест­венно-научных понятий.

Видно, что лишь одно из умений – последнее – проверяет «знаниевую компоненту», да и то в непривычном виде – необходимо «дать объяснение, прогноз или дополнительную информацию, основанные на понимании естественно-научных понятий или дополнительной информации, не имеющейся в задании». Остальные же относятся к тем умениям, которые у нас называют обычно исследовательскими или методологическими. Таким образом, проверка естественнонаучной грамотности направлена в первую очередь на оценку двух основных составляющих:

– исследовательских умений, т.е. тех умений, которые отражают понимание учащимися способов функционирования науки и её роли в современном мире;

– естественно-научных знаний, но здесь в силу обязательного использования «жизненного» контекста упор делается не на традиционные учебные алгоритмы действий, а на свободное использование минимальных знаний в максимально различных ситуациях, т.е. на свободное оперирование полученными знаниями в новых ситуациях.

Для методики преподавания физики, например, наиболее полезными для адаптации в наших условиях являются перечисленные ниже типы заданий:

– Задания с недостающими данными, вернее, задания, в которых вместо расчётов или оценок необходимо просто использовать здравый смысл. Например:

• Пётр налил себе в чашку кофе, температура которого была около 90 °С, и чашку холодной минеральной воды с температурой около 5 °С. Обе чашки одинаковые, объём напитков тоже одинаковый. Температура в комнате, где находился Пётр, была около 20 °С. Какой, вероятнее всего, будет температура кофе и минеральной воды через 10 минут?

A) 70 °С и 10 °С; В) 90 °С и 5 °С; С) 70 °С и 25 °С; D) 20 °С и 20 °С.

Хорошо «обученные» дети, не привыкшие видеть в учебных задачах элементы реальной жизни, тут же вспоминают о том, что все тела должны прийти в тепловое равновесие и выбирают ответ D. Однако обычный здравый смысл подсказывает, что за 10 минут чашка почти кипящего кофе обычно не остывает до комнатной температуры. Поэтому ответ А наиболее подходит в данном случае.

– Задания на понимание отдельных элементов научного исследования: на какой из предложенных вопросов можно ответить при помощи научного исследования? • что является объектом исследования, а что вспомогательными средствами для его проведения? • как правильно выбрать условия проведения опыта для проверки данной гипотезы? • какую гипотезу проверяет описанный в задании опыт? • какие выводы можно сделать на основании описанных в задании результатов исследования? и т.п. Такого типа задания используются у нас и в ЕГЭ, и в ГИА.

– Задания на оптимальный поиск информации. Например:

• В следующем высказывании выделено несколько слов: «По прогнозам астрономов, в текущем столетии с планеты Нептун можно наблюдать прохождение Сатурна по диску Солнца». Какие три из выделенных слов были бы наиболее полезны при поисках в интернете или библиотеках, если вам нужно узнать, когда именно может произойти это прохождение?

Ответ: Сатурн, Нептун, прохождение.

На основании приведённых выше описаний компетентностей и естественно-научной грамотности в понимании международного исследования PISA для разработки компетентностно-ориентированных заданий в понятие предметной компетентности по физике включают составляющие естественно-научной грамотности и общеучебные умения по работе с естественнонаучной информацией.

Чёткая формулировка основных характеристик предметной компетенции может быть осуществлена только после анализа возможностей предмета в формировании ключевых компетенций. Но, к сожалению, ключевые компетенции общего образования пока в явном виде не сформулированы. На основании имеющихся исследований в настоящее время считается, что компетентностный подход в обучении физике должен быть направлен на то, чтобы научить школьников:

1) анализировать ситуации практического характера, распознавать в них знакомые физические явления и применять имеющиеся знания для их объяснения;

2) решать задачи (проблемы), распознавать проблемы, которые можно решить при помощи физических методов, находить адекватную задаче физическую модель, уметь разрешать задачу (проблему) как на основе имеющихся знаний с использованием математического аппарата, так и в ситуациях недостатка необходимого материала при помощи методов оценки, на качественном уровне или на основе здравого смысла;

3) эффективно искать информацию, понимать информацию физического содержания научно-популярного характера в СМИ, переводить информацию из одной знаковой системы в другую, критически её оценивать, владеть приёмами определения достоверности информации, применения полученной информации для принятия решений практического характера.

Первый из перечисленных выше пунктов определяет необходимость усиления практической направленности школьного физического образования. Традиционно материал для школьного курса физики отбирался таким образом, чтобы изучаемые физические явления могли описываться математически (т.е. введены соответствующие величины, законы и формулы), и следовательно, наиболее подходящими оказывались те элементы физики, которые использовали бы уже знакомый учащимся математический аппарат. Такой подход сильно ограничивает число изучаемых в школе физических явлений за счёт необходимости выделения большого объёма времени на усвоение соответствующих формул. Компетентностный подход в преподавании физики может рассматриваться как некоторый шаг назад в освоении «объёма формул», но должен стать шагом вперёд в ознакомлении с более широким спектром физических явлений. В рамках создания компетентностно-ориентированных заданий здесь можно говорить о дальнейшем развитии спектра так называемых качественных задач по физике.

Вторая цель достаточно традиционна для российской методики преподавания физики, т.к. касается формирования умений решать задачи. Но следует отметить, что «жизненная ориентированность» проблем и задач в компетентностном обучении предполагает введение более широкого класса задач, чем это было принято ранее. В частности, можно говорить:

– о задачах с недостающими данными, которые должны быть в процессе решения подобраны самими учащимися, исходя из их жизненного опыта;

– о классе заданий, которые выполняются методами оценки.

Хочется отметить, что в исследовании PISA под решением проблем понимается класс задач, в которых необходимо выбрать на каждом этапе наиболее эффективный путь – алгоритм. К сожалению, физика практически не предлагает материала для конструирования такого рода заданий, кроме разве тех, которые будут иметь интегрированный характер и напрямую связаны с проблемами экологии.

Последняя из перечисленных целей относится к формированию общеучебных умений. Хотя в современных требованиях её можно рассматривать несколько шире – как существенный аспект медиаобразовательной подготовки школьников. Здесь есть основания говорить о необходимости введения заданий по проверке различных умений работы с информацией физического содержания.

2. Требования к компетентностно-ориентированным заданиям

Каждый отдельный вопрос, как и при традиционном подходе, проверяет достаточно чёткий и ограниченный круг знаний и умений. Попытаться же оценить степень предметной компетентности учащихся можно лишь на основании каких-то интегральных характеристик по результатам выполнения достаточно большого числа заданий такого рода.

Компетентностно-ориентированные задания характеризуют по следующим составляющим:

• Контекст. «Жизненность» тематики является основной отличительной чертой компетентностно-ориентированных заданий. Это главный «камень преткновения» на пути их разработки и главное основание оценки на предметную компетентность. Содержание предмета «Физика» определяет возможный круг жизненных ситуаций и характер проблем, в рамках которых возможно формулирование компетентностно-ориентированных заданий. К ним можно отнести:

– познание и объяснение явлений и процессов окружающей действительности, поддающихся объяснению при помощи физических моделей;

– знакомство с современными научными исследованиями, расширяющими представления об окружающем мире и ведущие к изменению качества жизни;

– освоение и использование современной техники и технологий; выполнение роли грамотного потребителя, обеспечение безопасного образа жизни (в рамках использования этой техники и различных технологий);

• Содержательная принадлежность. Имеется в виду тематическая принадлежность к тому или иному разделу школьного курса физики (механика, молекулярная физика и термодинамика, электродинамика, квантовая физика, элементы астрофизики), понятийного аппарата, который используется при формулировке заданий, и необходимого для их выполнения;

• Деятельностная компонента. Рассматриваются виды деятельности, на проверку которых направлено задание. Следует отметить, что комплексный характер компетентностно-ориентированного задания, как правило, требует использования с процессе его выполнения сразу нескольких видов деятельности, относящихся к различным из перечисленных ниже групп:

– Предметные умения. Использовать понятийный аппарат школьного курса физики для объяснения явлений и процессов окружающей действительности, подбирать адекватную физическую модель для описанного явления, выстраивать собственный алгоритм решения задачи (проблемы), применять при необходимости количественные расчёты с использованием соответствующих формул и законов, применять простейшие оценочные процедуры; решать проблемы (создание собственного алгоритма действий в ситуации множественного выбора с учётом различных ограничивающих условий);

– Умения работать с информацией физического содержания. Выделять главную мысль текста или его частей, понимать смысл использованных в тексте физических терминов (понятий, явлений, законов и т.п.); выделять явно заданную в тексте информацию (отвечать на прямые вопросы к содержанию текста); отвечать на вопросы, требующие использования информации из текста в другой ситуации); переводить информацию из одной знаковой системы в другую (текст, таблица, график, диаграмма, рисунок); сравнивать, классифицировать описанные в тексте объекты; критически оценивать содержание информации, предлагать способы оценки её достоверности;

– Исследовательские (или методологические) умения. Различать вопросы, проблемы, которые могут быть решены научными методами, формулировать (различать) цели проведения (гипотезу) описанного опыта или наблюдения; предлагать (выбирать) порядок проведения опыта или наблюдения в зависимости от поставленной цели; выбирать измерительные приборы и оборудование (по рисункам и фотографиям) для проведения исследования; понимать приблизительный характер измерений, оценивать абсолютные погрешности прямых измерений; понимать результаты исследований, представленные в виде таблицы, графика; делать выводы (анализировать, объяснять результаты на основе известных физических явлений, законов, теорий) из описанных опытов или наблюдений.

3. Модели компетентностно-ориентированных заданий

В рамках разработки измерителей для ЕГЭ и ГИА было разработано несколько моделей компетентностно-ориентированных заданий. Ниже для трёх моделей заданий приведены рекомендации по конструированию текста (что дано в задании?), вопросов (что нужно определить?), а также критериев оценивания и, при необходимости, инструкции к выполнению заданий.

Что нужно определить

Описание явления или процесса, наблюдаемого в окружающей жизни

– Узнать или объяснить явление (в зависимости от уровня сложности задания);

– предложить способ использовать это явление в другой ситуации или предотвратить данный процесс и т.п.

Описание технического устройства, способа применения в технике тех или иных изученных физических явлений

– Узнать явление, лежащее в основе принципа действия данного устройства;

– оценить достоинства или недостатки использования данного устройства или механизма;

– предложить (выбрать из предложенного) способы безопасного использования описанного устройства

Описание цели исследования, гипотезы опыта или наблюдения

– Предложить план проведения исследования зависимости одной физической величины от другой;

– выбрать оборудование (предложить экспериментальную установку) для проверки выдвинутой гипотезы

Описание результатов наблюдения или опыта в виде таблицы, графика, текста

– Сделать вывод (выбрать одни из выводов) на основании полученных результатов;

– оценить значение параметра, характеризующего полученную в опыте зависимость физических величин;

– оценить достоверность полученных результатов исходя из заданных погрешностей измерений

Качественные задачи

Содержание качественных задач строится на изученном программном материале. Основная цель – приложение имеющихся знаний к реальным жизненным ситуациям.

Пример 1

• Контекст – явление окружающей действительности.

• Содержательная принадлежность – МКТ и термодинамика.

– предметные умения – использовать понятийный аппарат школьного курса физики для объяснения явлений и процессов окружающей действительности, подбирать адекватную физическую модель для описанного явления,

– умения работать с информацией – понимать смысл использованных в тексте физических терминов.

• Форма задания – с развёрнутым ответом.

• Уровень сложности – повышенный.

Инструкция. В задаче С1 следует записать развёрнутые ответы на оба задания.

С1. В холодную влажную погоду стёкла автомобиля часто запотевают и видимость дороги уменьшается из-за рассеяния света мелкими капельками воды на стекле.

Образец возможного решения

1. Указано, что щётки стеклоочистителя использовать бесполезно, т.к. стекло запотевает с внутренней стороны. Это происходит за счёт того, что температура стекла ниже температуры воздуха в салоне с водителем и пассажирами, но выше температуры наружного воздуха. Следовательно, конденсация происходит на внутренней поверхности стекла, а на внешней поверхности влага может только испаряться.

2. Предложен один из способов с объяснением:

а) можно открыть окна, тогда температура воздуха в салоне и за окном станет одинаковой; б) можно включить обдув стекла холодным воздухом, что позволить охладить стекло с внутренней стороны и предотвратить конденсацию на нём воды.

Критерии оценки выполнения задания

Приведены оба элемента правильного ответа

Приведены оба элемента правильного ответа, но допущено не более одной ошибки.

Приведены оба элемента ответа, но для одного из них не приведено обоснование.

Приведён только один элемент правильного ответа

Приведён только один элемент правильного ответа, но в нём допущена ошибка

Расчётная задача

Что дано в задании. Описание физического явления или процесса жизненного характера; описание строится на естественном языке, по возможности, без использования физической терминологии, таким образом, чтобы учащемуся необходимо было «трансформировать» ситуацию на язык физики. Следует предусмотреть не менее двух свойств объекта или процесса, которыми необходимо пренебречь, чтобы задачу можно было решить при помощи известных учащимся законов физики. При этом в тексте задачи должны быть сделаны в естественной форме указания на эти условия (которые в стандартных задачах обычно считаются лишними).

Что нужно определить. Необходимо оценить указанную величину, т.е. найти её примерное значение.

Критерии оценивания. Полное правильное решение предполагает:

– выбор модели (указание на явление и условия, которые позволяют пренебречь другими свойствами объекта);

– выбор системы уравнений (законов), необходимых для решения задачи;

– выбор значений физических величин из имеющихся справочных данных или исходя из здравого смысла по описанию объекта (например, плотности, размеров тел и т.д.);

– проведение математических преобразований и вычислений.

В инструкции к заданию необходимо предусмотреть указание на все элементы правильного ответа.

Пример 2

• Контекст – объяснение явлений и процессов окружающей действительности, поддающихся объяснению при помощи физических моделей.

• Содержательная принадлежность – электродинамика.

– предметные умения – применять при необходимости количественные расчёты с использованием соответствующих формул и законов, выстраивать собственный алгоритм решения задачи (проблемы), комбинируя стандартные алгоритмы;

– умения работы с информацией – переводить информацию из одной знаковой системы в другую.

• Форма задания – с развёрнутым ответом.

• Уровень сложности – высокий.

• Максимально – 4 балла.

Инструкция. Задание С5 представляет собой расчётную задачу, полное правильное решение которой должно включать указания на описанное в тексте задачи явление, условия, при которых можно использовать выбранные законы и формулы, запись всех необходимых законов и формул, а также математические преобразования, значения использованных физических величин, расчёты с численным ответом и, при необходимости, рисунок, поясняющий обозначение физических величин и решение.

С5. На поверхности воды глубокого пруда в безветренный день плавает надувной круглый плот. Пасмурное небо затянуто сплошным облачным покровом. Оцените максимальную глубину под плотом (в зависимости от его размеров), на которой может плавать маленькая рыбка, чтобы её не могли обнаружить придонные хищники. Глубиной погружения плота пренебречь.

Образец возможного решения (рисунок обязателен). Под плотом образуется область тени за счёт преломления света. День безветренный, значит, поверхность воды можно считать горизонтальной, сплошной облачный покров позволяет считать падающий на поверхность свет рассеянным. Водоём глубокий, следовательно, можно пренебречь отражением света от дна. Пренебрежём также и рассеянием света в воде. При этих допущениях область тени – это конус, образующую которого очерчивают лучи света, которые до преломления у краёв плота распространялись вдоль поверхности воды.

Согласно рисунку, глубину h тени можно определить по формуле где а – радиус плота.

Значение tgγ найдём из закона преломления света где n – показатель преломления воды, а γ = 90°.

Показатель преломления воды относительно воздуха в соответствии со справочными данными примем равным 4/3, тогда sinγ = 1/n = 3/4;

Пусть радиус плота равен 2 м, тогда глубина тени

Задания на основе текстов физического содержания

Содержание текстов конструируется на материале, выходящем за рамки программы средней школы по физике. Основная цель – понимание информации физического содержания и применение вновь полученной информации с учётом имеющегося запаса знаний. Используются тексты объёмом не менее 200 слов. В тексте должны содержаться один-два неизвестных учащимся термина, значение которых имеется в тексте в неявном виде. По возможности рекомендуется использовать различные способы представления информации – графики, таблицы, диаграммы. По каждому тексту предлагается не менее трёх заданий разного уровня сложности (базового и повышенного).

• Пример 3

Прочитайте текст и выполните задания 1–5.

Микроволновая печь. В микроволновых (СВЧ) печах продукты нагреваются как бы изнутри, поглощая энергию электромагнитных волн сверхвысокой частоты. В бытовых микроволновых печах частота достигает 2450 МГц, а излучение создаётся особым электронным устройством – магнетроном – и отражается металлическими стенками печи.

СВЧ-излучение мгновенно проникает в глубь продукта, возбуждает молекулы воды, и за счёт этого продукт нагревается вплоть до температуры кипения воды.

При готовке с использованием СВЧ-излучения посуда должна быть из диэлектрических материалов: жаропрочного стекла, обычного фарфора и керамики, но без рисунков и ободков, наносимых металлсодержащими красками. Металл в краске может вызывать электрические разряды. Вся посуда должна предусматривать выход для пара.

От вредного воздействия СВЧ-излучения хозяек защищает металлический кожух и конструктивные ловушки по периметру дверцы. При включении магнетрона дверца блокируется, чтобы её нельзя было открыть. При открывании дверцы, повышении температуры стенки камеры или кожуха печи специальные датчики мгновенно отключают магнетрон.

Задание 1. Какое из приведённых ниже значений наиболее вероятно соответствует длине волны излучения, используемого в бытовых микроволновых печах?

1) 1,22 м; 2) 12,2 см; 3) 8,2 м; 4) 8,2 см.

Задание 2. Миша решил впервые воспользоваться микроволновой печью и разогреть себе борщ на обед. Какую посуду он может для этого использовать?

Стеклянная банка с герметичной крышкой

Да /Нет

Открытый пластмассовый контейнер

Да /Нет

Да /Нет

Да /Нет

Задание 3. Миша нечаянно уронил на дверцу СВЧ-печи тяжёлую кастрюлю, и дверца немного погнулась. Миша решил проверить безопасность микроволновки при помощи специального детектора СВЧ-излучений. В детекторе антенна, регистрирующая излучение, находится в корпусе. Из каких материалов может быть сделан корпус детектора?

1) Медный или стальной лист;

2) пластмасса или фарфор;

3) резина с медной сеткой;

4) алюминиевая фольга.

Задание 4. Мишина мама решила купить новую микроволновку, причём такую, чтобы можно было печь румяные пирожки и быстро размораживать продукты. Ниже приведены характеристики четырёх микроволновых печей одного ценового диапазона. Какую из них вы посоветуете выбрать мишиной маме?

Микроволновая печь «Ням-ням»

Система трёхмерного распределения микроволн

СВЧ-мощность 800 Вт

Режим приготовления «Русский повар»

Блокировка от детей

Микроволновая печь «Быстро-ням»

СВЧ-мощность 850 Вт

Таймер на 99 минут

6 уровней мощности

4 режима автоматического приготовления на пару

Микроволновая печь «Вкусно-ням»

СВЧ-мощность 800 Вт

Мощность гриля 1000 Вт

Таймер на 30 минут

Микроволновая печь «Ням-на-пару»

Сенсорная панель управления

СВЧ-мощность 800 Вт

Таймер на 99 минут

6 уровней мощности

Задание 5. Миша обнаружил, что рассада помидоров развивается лучше (высота растений увеличивается) по мере удаления от неисправной СВЧ-печки.

Он запланировал поместить вокруг рассады металлическую сетку и повторить эксперимент. Какую из перечисленных ниже гипотез подтвердит запланированный эксперимент, если выяснится, что в новых условиях развитие рассады не зависит от расстояния до СВЧ-печки?

1) СВЧ-изучение, проникающее наружу, пагубно сказывается на развитии живых организмов;

2) в неисправной СВЧ-печке при работе образуются ядовитые вещества, которые отравляют живые организмы;

3) влияние СВЧ-излучения не зависит от расстояния до печки;

4) развитие растений зависит от расстояния до СВЧ-печки.

Вопросы для самокотроля

* Доклад «Образование: сокрытое сокровище» международной комиссии по образованию, представленный ЮНЕСКО. – М.: ЮНЕСКО, 1997.

** PISA (Programme for International Student Assessment) осуществляется Организацией экономического сотрудничества и развития (ОЭСР – OECD, Organization for Economic Cooperation and Development). Исследования проводятся трёхлетними циклами. В 2006 г. завершился третий цикл программы.

Источник