С. В. Степанов
Оборудование школьного физического кабинета
1.2. Дидактические и психологические основы формирования современной образовательной среды по физике
Кабинет физики – это сложнейший комплекс средств педагогической деятельности. Теоретические основы педагогической деятельности заложены в ее фундаментальных дидактических принципах, которые в свою очередь служат основой для оценки места и роли школьного кабинета физики в учебном процессе, для определения закономерностей формирования содержания обучения и разработки методики преподавания.
К дидактическим принципам, обеспечивающим высокую эффективность обучения, в кабинете физики относятся: принцип связи обучения с жизнью, принцип научности, принцип доступности, принцип систематичности, принцип преемственности, принцип наглядности, принцип мотивационной стимуляции, принцип педагогической технологичности.
Принцип связи обучения с жизнью относится непосредственно к отбору содержания обучения. Значение школьного кабинета физики в реализации этого принципа состоит прежде всего в расширении с помощью учебно-материальных средств (учебного оборудования, учебно-наглядных пособий и т. п.) жизненного опыта обучаемых.
Принцип научности – это требование строгого соответствия содержания образования уровню современной науки. Принцип предполагает соответствие учебно-материальной базы кабинета современному уровню развития науки, области знаний и культуры, вооружение обучаемых достоверной научной информацией и современными способами учебно-познавательной деятельности.
Принцип доступности предполагает при обучении в кабинете физики обеспечение логической последовательности в изложении учебного материала, опору на предшествующий познавательный опыт обучаемого. Для формирования учебно-материальной базы кабинета принцип доступности позволяет определить отбор учебного оборудования и методы его применения с точки зрения возрастных возможностей обучаемых, а для педагогов он служит опорой при определении методики работы с учебным оборудованием.
Этот принцип определяет поиск специальных приемов использования учебного оборудования с учетом возрастных особенностей обучаемых, их интересов и уровня знаний. Обеспечение доступности учебных приборов не должно сводиться к стремлению сделать их очень простыми. Чрезмерное упрощение учебных приборов ведет к потере интереса обучаемого не только к данной практической работе, но и к самой учебной теме. Не допустима и чрезмерная сложность в конструкциях учебного оборудования. Она притупляет интерес обучаемых к проблеме, вызывает желание уйти от трудностей.
Принцип систематичности заключается в обеспечении последовательного усвоения обучаемым определенной системы знаний. В этом педагогу помощь оказывают комплексы учебно-технических средств кабинета физики. Особая роль в них отводится современным автоматизированным комплексам, способствующим лучшему усвоению обучаемым учебного материала.
Обеспечению систематичности и последовательности в обучении способствует также контроль знаний обучаемых. Для этих целей в настоящее время широко используют в кабинетах физики компьютерные контролирующие средства.
Принцип преемственности проявляется в реализации взаимосвязей между событиями и явлениями в процессе их развития. Демонстрации этого в значительной степени способствует использование учебно-наглядных пособий кабинета физики. В учебной информации, предъявляемой обучаемому техническими средствами кабинета физики, должна прослеживаться зависимость между объектами, событиями и явлениями науки.
Принцип наглядности. Наглядность в дидактике понимается более широко, чем непосредственное зрительной восприятие. Она включает в себя и восприятие через моторные, тактильные (от лат. tactus – чувство, осязание) ощущения. Чем более разнообразны чувственные восприятия учебного материала, тем лучше он усваивается. Учебно-наглядные средства кабинета способны внести элементы эмоциональности в процесс представления учебной информации и в действия по ее переработке. Но быстро возникший интерес к учебному материалу, не будучи подкреплен соответствующей работой, углубляющей его, может скоро исчезнуть. Поэтому важно использовать учебно-наглядные пособия не случайно, а в обоснованной системе, последовательности, преследующей, кроме основных задач, и задачу укрепления интереса к обучению.
Принцип наглядности является основополагающим при применении учебно-технических средств. Реализация принципа наглядности на практике тесно связана с определением содержания и технологии применения учебно-материальной базы кабинета физики для различных форм и видов деятельности педагога и обучаемых.
Принцип мотивационной стимуляции предполагает при применении учебно-наглядных пособий и учебного оборудования по физике использование приемов, основанных на мотивах, побуждающих обучаемого к активному поиску решения учебной физической задачи, способствующих устойчивому интересу при выполнении практических заданий или достижении поставленной цели.
Активизация обучения тесно связана с формированием устойчивого познавательного интереса, чему во многом способствует новизна в содержании учебного материала, вызывающая необходимую реакцию обучаемого. Значительную роль в обеспечении этого условия (новизна содержания) играют современные учебные физические приборы.
Значительное влияние на формирование интереса учащихся к физическим знаниям оказывает историзм в обучении, принятый как важный принцип сообщения учебного материала.
Интерес подкрепляется также в тех случаях, когда обучаемые четко понимают практическую необходимость получаемых знаний для дальнейшей жизни.
Значительно повышается интерес обучаемых за счет организации познавательной деятельности, рассчитанной на увеличение самостоятельной работы, включение разнообразных заданий поискового характера, создание проблемных ситуаций. В этом отношении современные учебные физические приборы обладают огромными возможностями.
Принцип педагогической технологичности предусматривает адекватность применяемых учебно-материальных средств кабинета конкретным технологическим приемам и методам работы педагога-физика. Большое значение для реализации этого принципа имеют уровень знаний педагога, его мастерство, опыт в области эксплуатации учебного оборудования.
Учебно-материальная база образовательной среды по физике должна обеспечить применение деятельностного подхода в кабинете физики.
При деятельностном подходе в условиях кабинета физики используются те же учебно-материальные средства, что и при любых других подходах: экспериментальные установки, физические приборы, компьютерные пособия и т. п. Однако имеется определенная специфика в подборе учебно-материальных средств при организации обучения на деятельностной основе. Так, при традиционном объяснении учителем какого-либо физического явления достаточно проиллюстрировать это явление на одной экспериментальной установке, с одним физическим объектом. Если же учитель физики организует деятельность учащихся по созданию понятия о физическом явлении, необходима серия экспериментов с разными физическими объектами, при разных физических воздействиях и разных условиях. И значит, учителю требуется использовать несколько экспериментальных установок, работающих в комплексе. Например, традиционно явления отражения и преломления света демонстрируются на границе раздела воздух – стекло или воздух – вода. Для организации самостоятельного «открытия» посредством собственной деятельности учащимся необходимо создать условия, в ходе которых будет продемонстрирована серия экспериментов с другими средами.
Другой пример: традиционно явление круговорота воды в природе иллюстрируют показом слайдов. Для организации самостоятельного «открытия» посредством собственной деятельности учащимся необходимо создать условия, в ходе которых будет продемонстрирована серия компьютерных слайдов и одновременно динамических фрагментов видеофильма, которая приведет учащихся к выводу о том, что происходит постоянная циркуляция воды в природе вследствие периодической смены процессов испарения и конденсации. Для закрепления учащимися полученных знаний об этом природном явлении и контроля усвоения нового материала необходима работа с техническими средствами, обеспечивающими контроль и обобщение знаний.
Кроме традиционных средств обучения при деятельностном подходе, применяются специальные учебно-технические средства, обеспечивающие управление процессом усвоения знаний и действий. Это специальные компьютерные обучающие и контролирующие аппаратно-программные средства. Необходимость использования таких средств сводится к следующему. Если при традиционном обучении учитель физики предпочитает объяснять новый материал, считая его недоступным для самостоятельного изучения, то при деятельностном подходе учитель ищет такие учебно-технические средства поддержки, которые позволяют учащимся выполнять запланированные действия самостоятельно. Например, при обучении учащихся решению физических задач существенную помощь оказывают обучающие компьютерные программы и тренажеры. Эти средства проектируются так, что в результате методы решения физических задач того или иного типа выбираются самим учащимся. На начальных этапах обучения для организации деятельности учащихся по составлению метода решения физических задач компьютер использует набор фрагментов, в которых описываются отдельные действия, составляющие метод. Учащимся предлагается установить последовательность действий, расставить компьютерные фрагменты по порядку.
Таким образом, суть использования учебно-технических средств кабинета физики при реализации деятельностного подхода состоит в том, что с их помощью организуется деятельность самих учащихся по созданию и применению отдельных элементов или системы физических знаний. Самостоятельное выполнение учащимися запланированных действий обеспечивается предварительно разработанной и заложенной в техническое средство (обучающую машину) программой деятельности учащегося и специально подобранными информационными дидактических средствами. Программа деятельности учащегося может быть разработана и заложена в обучающее техническое средство непосредственно учителем, для этого используются специальные инструментальные компьютерные программы, или заимствована из серийно выпускаемых информационно-дидактических средств.
На базе описанных выше дидактических принципов были сформулированы ведущие дидактические требования к оборудованию учебных кабинетов физики. Каждый учебный кабинет физики должен:
а) обеспечить учителю и учащимся оптимальные условия для повышения качества учебно-воспитательного процесса;
б) позволить учителю применять наиболее эффективные методы и приемы работы на уроке и во время внеурочных занятий;
в) способствовать эффективному использованию учебного оборудования и технических средств обучения.
При оборудовании кабинетов необходимо учитывать не только педагогические требования, но и эргономический подход к созданию разнообразных предметов учебного оборудования с учетом особенностей деятельности учителя и учащихся при изучении физики. В соответствии с этими требованиями необходимо: оптимально организовать рабочие места учителя и учащихся; обеспечить возможность всех функциональных действий во время урока; создать благоприятные условия для учебного процесса по предмету с помощью применения разнообразных методов и приемов; предусмотреть оптимальные условия для рационального использования средств обучения; обеспечить надежность и долговечность используемого оборудования; добиться рационального использования учебной площади кабинета.
Обязательно должны учитываться и соблюдаться эстетические требования (интерьер кабинета, дизайн приборов).
На основе дидактических и эргономических требований сформулированы перечисленные ниже принципы организации современного кабинета физики общеобразовательной школы, которые следует рассматривать в тесной связи с содержанием, организационными формами и методами обучения физике.
Общий принцип – оборудование кабинета физики должно полностью соответствовать содержанию образования, методам обучения и учебному эксперименту по курсу элементарной физики.
Принцип согласования – все приборы, предназначенные для общих установок, должны соответствовать друг другу и специальному оборудованию помещения; необходимо рациональное сочетание всех элементов оборудования с учетом возможных связей и зависимостей между ними.
Принцип минимума – в кабинете физики должны быть лишь необходимые приборы, однако полностью обеспечивающие учебный эксперимент по всему школьному курсу физики. Кабинет оснащается минимальным количеством оборудования, позволяющим получить максимальный педагогический эффект.
Принцип соответствия реальным условиям – оборудование кабинета физики должно отвечать конкретным условиям работы в школе и ее территориальному местоположению. То есть необходимо учитывать число параллельных классов, контингент учащихся, базовые предприятия, удаление от районных центров снабжения, сложившиеся традиции в работе учителей физики по использованию приборов и учебно-наглядных пособий и т. п.
Анализ вышеперечисленных педагогических принципов позволяет наметить требования к оборудованию кабинета физики:
• по содержанию – оборудование кабинета должно полностью соответствовать программе курса физики средней школы и задачам физического образования;
• по характеру – предоставлять возможность применять все виды школьного учебного эксперимента (демонстрационные опыты, фронтальные лабораторные работы, работы физического практикума, кратковременные практические задания, экспериментальные задачи);
• по использованию – давать возможность максимально экономить время учителя и учащихся при эксплуатации с учетом требований научной организации труда и техники безопасности;
• по подбору – оборудование должно быть согласовано внутри разделов и между разделами, а также со специальным оборудованием кабинета;
• по развитию – иметь «запас роста» на случай пополнения кабинета новейшими приборами;
• по стоимости – быть доступным бюджету школы.
Кроме того, учебные приборы должны отвечать общим требованиям: соответствовать современному научному уровню; быть простыми, удобными и надежными; удовлетворять требованиям охраны труда.
Обобщая дидактические и психологические аспекты, оказывающие влияние на формирования кабинета физики, следует сказать, что на каждом этапе своего развития педагогическая наука выдвигала новые задачи укрепления учебно-материальной базы общеобразовательной школы. Для начального всеобуча в двадцатые годы двадцатого столетия нужна была классная доска и набор печатных пособий, для реализации современных принципов развивающего и личностно ориентированного обучения нужны современные учебно-технические средства, без которых немыслима подготовка человека к жизни в условиях постоянно меняющегося информационного общества. Следовательно, учебно-материальная база кабинета физики должна быть сформирована с учетом современных требований и принципов педагогической науки.
Вопросы и задания к главе 1
1. Охарактеризуйте отличия между кабинетной и классно-кабинетной системами обучения.
2. Назовите методистов, занимавшихся вопросами разработки и внедрения кабинетной системы обучения.
3. В какие годы появилась кабинетная система обучения?
4. Назовите основные элементы педагогической концепции построения образовательной среды по физике в общеобразовательной школе.
5. Перечислите основные модули построения учебно-технического комплекса по физике.
6. Назовите основные дидактические принципа построения образовательной среды по физике.
7. Какие требования к оборудованию школьных физических кабинетов вытекают из дидактических принципов?
Глава 2
История создания и развития физических кабинетов
Говоря об истории развития учебного кабинета физики, невозможно не связывать эту историю с историей развития научно-технического прогресса. Развитие цивилизации требует технически подготовленных, грамотных специалистов, получающих азы своей подготовки прежде всего в школе. Физический кабинет, как неотъемлемая часть школы, должен быть смоделирован в соответствии с достижениями науки. Физика – одна из основных естественных наук – является наиважнейшим предметом для изучения в школе. Поэтому перед педагогами всегда стояла и стоит задача создания оптимальных условий для изучения учащимися физики.
Физические кабинеты возникли в школах давно. Они имели различную структуру в зависимости от условий, в которых создавалась школа, и прошли длительную экспериментальную проверку. При этом многие отдельные элементы оборудования оказались вполне оправданными практикой и могут успешно применяться в современных условиях.
Известно, что в начале прошлого века физические кабинеты были в университетах, однако одним из первых кабинетов физики в заведениях школьного типа был кабинет в Царскосельском лицее, где учился А. С. Пушкин. Уже в то время учитывалось, что физика – наука не только «умозрительная», но и «опытная», а потому в лицее «историческое изложение действий природы сопровождаемо было изъяснением оных посредством опытов и наблюдений». Историк лицея И. Я. Селезнев писал: «Из кабинетов первый образовался физический: в 1812 году; в нем были уже машины и простые аппараты, необходимые для чтения курса». До нас дошли лишь отрывочные сведения о приборах этого кабинета, более всего мы знаем о тех из них, которые произвели, видимо, неизгладимое впечатление на воспитанников, в первую очередь это были «превосходной работы электрическая машина», а также «машина, представляющая обращение планет около Солнца». В настоящее время этот кабинет физики представлен в экспозиции мемориального музея Царскосельского лицея.
Известный физик-методист конца XIX века И. В. Глинка отмечал: «Я исключаю тот случай, когда в школе нет отдельного помещения для физического кабинета, так как при таких условиях вообще о сколько-нибудь правильной постановке курса физики не может быть и речи».
2.1. Кабинет физики XIX века
Вторая половина XIX столетия отмечена бурным развитием науки и техники. В связи с этим происходят большие перемены в научном мировоззрении общества. Появляется возможность пользоваться новейшими достижениями науки в учебных целях. Серьезное внимание уделяется физическому кабинету гимназий, реальных училищ. Появляется специальная литература, в которой дается ряд рекомендаций по его устройству и оборудованию, вырабатывается единый вариант кабинета физики. В этом направлении вели поиск многие педагоги. Активное участие в этой работе принимали известные физики-методисты В. В. Лермантов, К. В. Дубровский, В. Ю. Кольбе, Н. С. Дрентельн и др.
В ряде частных учебных заведений появились образцовые физические кабинеты. Эти кабинеты становились очагами методической мысли. Примером в этом отношении служило Тенишевское училище в Санкт-Петербурге, в котором работали П. А. Знаменский, Г. М. Григорьев, В. Н. Верховский. В этом училище впервые в России с учащимися стали проводить фронтальные лабораторные занятия по физике.
В декабре 1899 года по инициативе Педагогического общества при Московском университете был созван 1-й съезд преподавателей физико-химических наук средних учебных заведений. Одним из центральных в работе съезда был вопрос об оборудовании кабинетов физики. В принятой съездом резолюции было «Признано необходимым устроить в каждом учебном округе образцовый физический кабинет с химической лабораторией и мастерской».
Перейдем к описанию кабинета физики второй половины XIX века.
Относительно планировки кабинета предполагалось, что физический кабинет состоит из трех комнат: одного класса или аудитории, где проводятся все уроки; второй комнаты для хранения приборов и подготовки опытов к урокам (рабочая комната учителя); третьей комнаты для практических занятий (лаборатории). Класс представлял собой большую и высокую комнату не менее семи метров ширины. Длина зависела от среднего числа учеников, но не менее десяти метров. Скамьи для учеников рекомендовалось распределять амфитеатром с подъемом 0,2 метра на каждый ряд. Высота класса при этом, как минимум, 3,2 метра. Ввиду возможности классного экспериментирования, рекомендовалось рассчитывать класс так, чтобы ученики сидели не тесно. Окна в классе были только с одной стороны. Желательно, чтобы класс располагался на нижнем этаже (больше давление воды), чтобы окна были обращены на юг (лучше освещение) и чтобы у класса был балкон. Классная доска располагалась на стене за столом экспериментатора. Если под физический кабинет отводилось несколько комнат, то организовывались проходы из одной комнаты в другую. В лаборатории и в рабочей комнате учителя располагались шкафы для хранения приборов и учебной литературы. На рис. 2.1 приведена планировка кабинета физики, характерная для второй половины XIX века.
Рис. 2.1. Планировка кабинета физики второй половины XIX века:
1 – лабораторный стол учителя; 2 – стол помощника учителя (лаборанта); 3 – место подвода проводов; 4 – лабораторные столы учащихся; 5 – классная доска; 6 – стол для демонстрации опытов; 7 – ученические столы; * – место размещения приборов
В XIX веке физический кабинет представлял собой хранилище экспонатов, относящихся к физической науке. В учебном кабинете имелось собрание отдельных, совершенно независимых друг от друга приборов, из которых каждый предназначался для показа одного физического явления. Физический прибор казался главным объектом изучения, покрывая явление. Физический кабинет представлял музей, нечто типа кунсткамеры, и в этом музее заключалась сущность физики.
Лишь в самом конце XIX века зародился так называемый «новый» метод, повлиявший на формирование оборудования и использование физического кабинета. Преподавателям рекомендовалось следующее:
1. При опытах обращать внимание на качественную сторону явлений.
2. Отдавать предпочтение приборам, воспроизводящим само явление.
3. По возможности избегать моделей.
При постановке учебного физического эксперимента рекомендовалось использовать приборы, по возможности простые как по идее, так и по устройству. В список рекомендуемых для постановки физического эксперимента приборов входило более 700 их наименований.
В конце XIX века существовало множество товариществ, акционерных обществ, специализировавшихся на выпуске оборудования для физических кабинетов. Существовали также и частные фабрики. Одной из таких фабрик являлась «Фабрика Е. С. Трындина и сыновей», размещавшаяся в здании теперешнего Политехнического музея (г. Москва). В то время, в связи со сложной системой образования (гимназии мужские и женские, лицеи, реальные училища и прочее), для каждого типа учебного заведения и даже для некоторых учебников физики существовал свой перечень приборов и оборудования кабинета физики. Так, фабрика Трындина комплектовала приборы по четырем спискам: первый список – для кабинетов средних учебных заведений (составлен по утвержденному списку Министерства народного просвещения); второй список – для женских гимназий (составлен к учебнику Краевича и Цингера); третий список – для городских училищ (по положению 1872 года Министерства народного просвещения); четвертый список – для низших учебных заведений.
Для каждого типа учебных заведений количество приборов, их сложность были различны. Хочется отметить, что некоторое оборудование сохранилось до нашего времени, конечно видоизменившись. Например, на рис. 2.2 показано, как выглядели демонстрационные вольтметры и амперметры.
Рис. 2.2. Демонстрационные приборы, применяемые в обучении в XIX веке
Многого из того, что было раньше, в современной школе нет, и, следует сказать, неоправданно. Например: термометр с тремя шкалами Цельсия, Фаренгейта и Реомюра являлся отличным наглядным пособием для перехода от одной температурной шкалы к другой.
Для нас, привыкших к электронному оборудованию, некоторые опыты старой школы просто поразительны в плане простоты. Так, графическое изображение колебаний получали с помощью несложных приспособлений и пишущего прибора от телеграфа Морзе, имевшемся в то время во всяком сколь-нибудь сносном физическом кабинете.
В кабинетах имелся ряд интересных приборов по акустике, например звучащая труба – прибор для демонстрации воздушной тяги, нитяной телефон – для демонстрации звукопроводимости твердых тел (таким телефоном сейчас увлекаются дети, и его несложно сделать самому).
Существовал специальный раздел «Музыкальная акустика». Он представлялся приборами, которых в кабинетах физики нет уже давно. Судя по этому разделу, в школах существовала тесная связь физики с музыкальным воспитанием. Такой очень сложный прибор, как двойная сирена Гельмгольца, служил для получения октавы, унисона, квинты, кварты, терции, сексты, септимы, секунды (музыкальных созвучий). Для проверки этих созвучий могли служить фортепиано, пианино или фисгармония (последняя была в каждом учебном заведении). Учащимся рассказывали об устройстве фортепиано (прилагались чертежи) и о фортепианной клавиатуре. Этому разделу уделялось очень большое внимание вплоть до построения всех гамм, аккордов.
В физических кабинетах этого периода в качестве демонстрационных приборов находились прообразы сегодняшнего магнитофона и проигрывателя – фонограф и граммофон. Учителям рекомендовалось изучать с учащимися устройство и принцип работы этих приборов. Смотри рис. 2.3.
К общему оборудованию кабинета относились воздушный насос (рис. 2.4) и проекционный аппарат (рис. 2.5), которые выпускала упомянутая выше фабрика Трындина. Следует заметить, что линзы конденсора в проекционном фонаре были наливные, о чем свидетельствуют наливные и сливные краны на корпусе конденсора. Наблюдается определенное сходство с современным универсальным проекционным аппаратом ФОС-115 (фонарно-оптическая скамья).
Рис. 2.3. Фонограф и граммофон
Рис. 2.4. Воздушный насос
Рис. 2.5. Проекционный аппарат
Развитие школьного физического кабинета можно проследить не только по его оборудованию физическими приборами, но и по его мебели. О мебели физического кабинета педагоги заботились очень много, так как именно она создает удобства или неудобства при проведении занятий. Мебель физического кабинета меняет свой вид в соответствии с изменением взглядов на удобства в формах проведения занятий.
В указаниях по устройству физического кабинета XIX века относительно мебели говорится, что столы ученических парт могут быть узкими (35 см), но должны быть прямыми (в остальных кабинетах гимназий были наклонные парты). Для сиденья применялись скамьи. Стол для экспериментирования был достаточно тяжелый и крепкий, длиной более 3 метров, высотой 0,8–1,0 м, шириной 0,7–1,0 м. В середине стола был вырез для водяной ванны. На рис. 2.6 представлено расположение стола экспериментатора в классе-аудитории. Для размещения приборов применялись шкафы (2,5×1,5×0,5 м). Они располагались в аудитории. В препараторской был шкаф (2,0×0,7×0,35 м) для хранения химических материалов. В некоторых кабинетах в препараторской располагался шкаф для размещения физической библиотеки.
Рис. 2.6. Общий вид стола экспериментатора в кабинете физики XIX века