Процедура и результаты исследования строения структур, репрезентирующих содержание темы «Электростатика» школьного курса физики

Для сравнения когнитивных структур учеников с предложенной моделью была разработана следующая процедура. Ученикам предлагалось оценить истинность либо ложность утверждений, определяющих связи и зависимости между объектами структуры, а также свойства объектов. При этом утверждения отражали как реально существующие свойства и связи, так и связи в действительности не имеющие места (ложные). Утверждения предлагалось оценить по рубрикам «Верно», «Неверно», «Не уверен в ответе». Последняя рубрика вводилась для повышения вариативности оценок, снижения вероятности случайного угадывания и оценки способности ученика к рефлексии собственных знаний. Для повышения заинтересованности учеников в верных оценках процедура исследования проводилась под видом зачетной проверки знаний, а подсчет набранных баллов имел прогрессивный характер: за верную оценку ученик получал 10 баллов, за неверную оценку снималось 20 баллов и 5 баллов снималось при отказе от ответа. Перед прохождением исследования ученики подробно знакомились с процедурой присвоения итогового балла.

Поскольку предлагаемая методика требовала сбора большого количества информации, то является оправданным применение высоко-формализованной методики в виде компьютерного теста. Для этого была написана специальная программа, реализующая описанную процедуру исследования и создающая протокол исследования в виде файла на диске.

Для апробации методики было проведено пилотажное исследование, в котором принял участие 21 ученик. Ученикам было предложено оценить истинность 99 утверждений. Оказалось, что для прохождения задания ученикам понадобилось от 9,5 до 46 минут, причем большинству испытуемых понадобилось меньше 30 минут. С учетом результатов проведенного пилотажного исследования было решено расширить список до 150 утверждений, приняв в качестве ориентировочного норматива времени 45 минут на выполнение задания. Расширение списка произошло за счет дублирования тех утверждений, при оценке которых в ходе пилотажного исследования было допущено наибольшее количество ошибок. По результатам пилотажного исследования были внесены необходимые изменения в компьютерную программу и в процедуру проведения исследования.

При разработке содержания использованных в исследовании неверных утверждений они строились таким образом, чтобы выглядеть весьма правдоподобно (ответы-дистракторы). Это достигалось в большинстве случаев либо изменением характера реально существующей связи, либо заменой элемента, к которому эта связь относится. Всего в списке, предложенном для оценки испытуемым, было 78 правильных утверждений и 72 ошибочных.

Первую группу испытуемых составил 71 ученик из 10-х и 11-х классов школы-гимназии № 5 г. Юбилейного и 11-х классов школы-лицея № 4 г. Калининграда Московской области. Вторая группа состояла из 46 студентов, поступивших на I курс физического факультета Волынского государственного университета (г. Луцк, Украина). Общее количество испытуемых составило 117 человек.

Часть испытуемых-учеников (35 чел.) тестировалась непосредственно после изучения курса «Электростатика», другая же часть (36 чел.) — спустя значительное время после непосредственного изучения темы (от 9 до 12 месяцев). Ученики учились у различных учителей, а учащиеся лицея и гимназии к тому же имели различные программы по физике. При формировании исследуемых классов учащиеся проходили конкурсный отбор и общий уровень подготовки учеников можно считать выше среднего. Студенты физического факультета исследовались после их зачисления на I курс, но до начала изучения университетского курса физики, в том числе указанной темы. У большинства студентов к моменту тестирования прошло 16 месяцев после непосредственного изучения курса «Электростатика» и около 2 месяцев после сдачи вступительных экзаменов в университет.

Из 117 испытуемых 53 (ученики гимназии) были предупреждены о времени и содержании тестирования, 64 испытуемых (ученики лицея и студенты) не предупреждались о содержании тестирования.

Количество верных ответов, которые были даны на 150 утверждений, у разных учеников и студентов в выборке колебалось от 48 до 128, количество неверных от 10 до 65, количество случаев неуверенности в ответе составляло от 1 до 51. Наилучший показатель составил 128 верных ответов, 10 ошибочных ответов при 12 случаях отказа от ответа вследствие неуверенности в знаниях. Худший показатель составил соответственно 48 верных, 56 ошибочных ответов и 46 случаев отказа от ответа. Средний показатель в выборке составил 92 верных, 38 ошибочных ответов и 20 отказов от ответа.

Для определения истинности 150 утверждений нашим испытуемым понадобилось от 17,6 до 65 минут. Время тестирования жестко не лимитировалось, хотя при инструктаже учеников ориентировали на время тестирования порядка 45 мин., а при проведении исследования экспериментатор периодически задавал темп продвижения, указывая время, оставшееся до конца отпущенного срока. Однако всем испытуемым была дана возможность закончить тестирование.

При обработке протоколов исследования было установлено распределение ответов по каждому из 150 заданий, а сами задания были проранжированы по количеству допущенных ошибок.

Для целей нашего исследования было важно показать независимость распределения верных и ошибочных ответов от качественного состава групп испытуемых. Иными словами, нам было важно показать что распределение верных и ошибочных ответов в группах не зависит от таких переменных, как особенности процесса обучения, время, прошедшее после изучения темы, информированность о содержании предстоящего тестирования, а носит закономерный характер и отражает степень представленности соответствующих семантических связей в когнитивных структурах испытуемых. Для этого было проведено интеркорреляционное исследование распределения верных и ошибочных ответов в различных группах испытуемых. С этой целью ответы испытуемых в каждой из шести групп были проанализированы по количеству допущенных ошибок и отказов отвечать на вопрос при неуверенности в знаниях. Каждое из 150 предлагавшихся утверждений получило свой индекс сложности в условных баллах в зависимости от количества ошибок, допущенных при оценке этого утверждения испытуемыми. При этом за каждую ошибку к этому индексу прибавлялось 2 балла, а за отказ отвечать 1 балл. Вследствие этой процедуры каждое из 150 утверждений списка получило определенный индекс сложности, различный в каждой из шести обследованных групп. При корреляционном сравнении индексов сложности

150 утверждений в разных группах испытуемых были получены значения коэффициента корреляции Пирсона в пределах от 0,5854 до 0,7710. Матрица интеркорреляций результатов в различных группах испытуемых приведена в табл. 1.

Таблица 1. Значения коэффициента корреляции Пирсона для распределения индексов сложности заданий в различных группах испытуемых

Группы испытуемых

Гимназия

Лицей

Студенты

10-Б

10-Г

П-В

10 кл.

11 гр.

12 гр.

10-Б

1,0000

0,7166

0,6773

0,6755

0,6700

0,6716

10-Г

1,0000

0,7467

0,6025

0,5854

0,5999

П-В

1,0000

0,6655

0,6463

0,6960

Лицей

10 кл.

1,0000

0,7409

0,6871

11 гр.

1,0000

0,7710

12 гр.

1,0000

Цель качественного анализа результатов исследования состояла в определении тех фрагментов когнитивной структуры, которые оказались недостаточно отчетливо сформированными у большинства обследованных учащихся.

Для целей качественного анализа из предлагавшихся ученикам заданий были отобраны 54 утверждения, при оценке которых общее количество ошибочных оценок составило более половины количества верных ответов. В результате содержательного анализа среди них удалось выделить 35 суждений, сгруппированных вокруг отдельных узлов семантической сети. Ошибки, допущенные при оценке этих суждений, могут быть интерпретированы как результат недостаточной понятийной и причинно-следственной дифференцированности отдельных элементов и связей когнитивно-репрезентационной структуры.

В качестве примера проведенного содержательного анализа рассмотрим ситуацию, которая проявилась при использовании в заданиях теста такого важного понятия исследуемой структуры как «свободные заряды». В заданиях теста дважды приводились утверждения, определяющие понятие «свободные заряды». Одно из утверждений (№ 144) дает определение понятия согласно учебнику: «Заряды частиц, способные перемещаться внутри проводника под влиянием электрического поля называются свободными зарядами». Оценивая это определение 82 ученика (70 %) указали на его верность, 22 ученика (19 %) сочли это определение ошибочным, а еще 13 учеников (И %) предпочли уклониться от ответа.

Второе определение (№ 73) было ошибочным и утверждало: «Частицы, способные переносить заряд с одного тела на другое называются свободными зарядами». Ошибочность этого утверждения состоит в том, что передача заряда возможна не только между проводящими телами, где в таком переносе действительно участвуют свободные заряды, но и между диэлектриками, заряды которых находятся в связанном состоянии. При оценке этого утверждения только 20 учащихся (17 %) определили его как ложное, 73 учащихся (62 %) сочли это утверждение верным, а 24 учащихся (21 %) так и не смогли определиться с ответом. Анализ причин отождествления этого ложного выражения с верным приводит к выводу, что наиболее вероятной причиной ошибки является отождествление понятия «свободные заряды» с более широким понятием «заряженные частицы». При этом частицы названы зарядами, что хотя в принципе и неверно (поскольку в данном случае происходит смешивание объекта — частицы — с его свойством — зарядом), но допускается специальной оговоркой в учебнике, поскольку для краткости в физике часто пользуются понятием «заряд» вместо понятия «заряженная частица», основываясь на том факте, что заряда без частицы в природе не существует.

Если же рассмотреть эти два вопроса вместе, то верно на них ответили только 12 человек (10 %), а еще 22 учащихся (19 %) не сделали ошибок отказавшись от ответа. Следовательно 71% испытуемых допустил по крайней мере одну ошибку при оценке двух утверждений.

Понятие «свободные заряды» использовалось также в задании № 147, где для оценки предлагалось следующее истинное утверждение: «Диэлектрики — это вещества, внутри которых свободные заряды отсутствуют». При этом 78 учеников (67 %) правильно оценили предложенное утверждение, 24 ученика (20 %) допустили ошибку, а 15 (13 %) — не определились с ответом. Раньше в задании № 79 ученикам было предложено оценить похожее, но неверное утверждение: «Диэлектрики — это вещества, внутри которых заряженные частицы отсутствуют». Ошибочность этого утверждения состоит в том, что как и любое вещество диэлектрики состоят из атомов, в которые входят заряженные частицы. Но в отличие от проводников эти заряженные частицы находятся в связанном состоянии и не могут свободно перемещаться внутри даже заряженного тела. При выполнении этого задания 44 ученика (44 %) ответили правильно, 56 (41 %) — допустили ошибки и 17 (15 %) — уклонились от ответа. Если же рассматривать эти два задания вместе, то оказывается, что успешно с двумя заданиями справились 28 учеников (24 %), а 61 ученик (52 %) допустил по крайней мере одну ошибку.

Если же посмотреть общую картину по всем четырем вопросам, в которые входит понятие «свободные заряды», то оказывается, что только 7 учеников (6 %) полностью справились со всеми четырьмя заданиями и еще 5 (4 %) избежали ошибочных ответов, отказавшись от ответов в случае сомнения в своих знаниях. На наш взгляд, у учеников, которые не справились с этими заданиями, рассматриваемый фрагмент структуры недостаточно отчетлив либо в той или иной мере искажен. Достаточно хорошо этот фрагмент может считаться сформированным лишь у 6 % испытуемых, однако этот результат находится на уровне вероятности случайного угадывания ответов. Приведенные выше данные отражены в табл. 2.

Таблица 2. Распределение ответов учащихся на утверждения, связанные с понятием «свободные заряды»

№ задания

Количество учащихся (в %), давших

Верный ответ

Неверный ответ

Отказ от ответа

Верно на оба задания

Верно на четыре задания

73

20(17%)

73 (62 %)

24 (21 %)

12(10%)

7 (6 %)

144

82 (70 %)

22 (19 %)

13 (11 %)

79

44 (38 %)

56 (48 %)

17 (14 %)

28 (24 %)

147

78 (67 %)

24 (20 %)

15 (13 %)

Аналогичные результаты имели место в ситуации, где рассматривались отношения статического заряда, свободных зарядов и заряженных частиц в случае заряженного проводника. В каждом из 5 заданий было получено от 52 % до 70 % верных ответов. В то же время на все 5 вопросов правильно ответили только 7 человек (10 %). При этом минимальное количество ошибок относится к стандартному изложению этого факта: «Статический заряд может находиться только на поверхности проводника». В то же время при оценке идентичного по физическому смыслу, но измененного по синтаксису утверждения: «Заряд внутри проводника равен нулю», число ошибок возрастает почти в три раза, хотя количество верных ответов изменяется незначительно.

Недостаточная расчлененность проявляется и в неразличении понятий электрического поля и электромагнитного взаимодействия.

Учащиеся неплохо справлялись со стандартным определением электромагнитного взаимодействия («Взаимодействие между заряженными телами называется электромагнитным взаимодействием»). Однако при оценке ложного определения («Взаимодействие между электрическим и магнитным полем называется электромагнитным взаимодействием») и в случае подмены понятия электрического поля понятием электромагнитного взаимодействия («Вокруг электрического заряда существует электромагнитное взаимодействие»), что привело к потере физического смысла утверждения, было допущено много ошибок. Правильную оценку всех шести утверждений, использующих понятие «электромагнитное взаимодействие», дали только 2 человека, и еще 8 смогли избежать ошибок, уклонившись от ответа.

Значительное количество ошибок зафиксировано и при ответах на задания, направленные на выявление отношений в системе понятий «материя»—«поле»—«вещество», связанных родо-видовыми отношениями.

При рассмотрении понятия однородного электрического поля только 16 % учеников смогли полностью отделить ошибочное определение от истинного. Лишь 26 % учеников смогли разделить две специальные разновидности электрического поля — однородное электрическое поле и электрическое поле точечного заряда, которые подробно рассматриваются в школьном курсе физики.

При исследовании связей, зафиксированных в законе сохранения заряда, утверждение, верное только для алгебраической суммы зарядов, подавляющее большинство учеников (94 %) распространяет и на количество заряженных частиц. Этот дефект исследуемой структуры можно объяснить лишь целостным восприятием большинством учеников формулировки закона сохранения заряда, отсутствием расчлененности и соотнесенности тех положений, которые постулирует этот закон.

Специфический вид несформированности фрагмента структуры, связанный с нерасчлененностью двух различных видов связей, существующих между элементами репрезентативной структуры, выявлен при исследовании связей в системе понятий «электроемкость»— «заряд»—«разность потенциалов». В указанной области кроме достаточно простых и известных ученикам функциональных зависимостей между элементами, обычно выражаемых в виде формулы С = q/U, существует и система причинно-следственных связей, определяющая возможности изменения указанных физических величин. Так, например, электроемкость системы проводников (конденсатора) изменяется лишь при изменении конструкционных характеристик системы и не зависит от изменения величин заряда и разности потенциалов. Результаты тестирования показали, что только 9 учащихся (8 %) достаточно четко оперируют этими зависимостями.

Вместе с тем в исследовании выделены области структуры, в которых связи между элементами структуры отработаны существенно лучше. Здесь прежде всего выделим подструктуру, связанную с формулировкой основного закона электромагнитного взаимодействия — закона Кулона. Ученикам было предложено оценить 7 утверждений, рассматривающих различные виды связи в этом законе. При этом 38 учащихся (33 %) полностью справились со всеми заданиями, а еще 8 человек (11%) смогли избежать ошибочных ответов. Такой показатель является довольно высоким и свидетельствует, что примерно у трети испытуемых этот фрагмент структуры сформирован достаточно отчетливо.

Таким образом, предложенная технология диагностики сформированное™ когнитивных структур позволяет более детально исследовать состояние конкретных структур предметных знаний у учащихся.

Обсуждение результатов и выводы

Проведенное исследование выявило, что в своих оценочных суждениях учащиеся допускают существенные ошибки, которые могут квалифицироваться как результаты недиференцированности понятийных структур, репрезентирующих содержание одного из разделов физики. Выявлена также весьма высокая корреляция в структуре распределения ошибочных ответов по критериально-ориентированным заданиям в шести выборках старшеклассников и студентов-первокурсников.

Несмотря на ограниченность эмпирического материала для полноценных выводов, представленная технология позволяет, на наш взгляд, осуществлять направленную коррекцию структур знаний. Безусловно, процесс коррекции существенно зависит от мотивационных факторов. Вместе с тем следует отметить, что сложности с пониманием учебного материала являются весьма мощным демотивирующим средством в процессе обучения и научного познания. При этом некачественные, неполные и плохо дифференцированные репрезентативнокогнитивные структуры и являются ключевым элементом феномена непонимания. Следует отметить, что на наш взгляд, данная технология доступна для автоматизации и компьютеризации и может служить как средством более масштабного накопления научных эмпирических данных, так и инструментом оперативной коррекции знаний и мощным акселератором умственного развития. Полученные эмпирические данные позволят уточнить и конкретизировать положения принципа дифференциации в умственном развитии.

Не меньший интерес представляет исследование процесса инволюции репрезентативно-когнитивных структур к состоянию наивных представлений, выявленных в исследованиях Б. Троссея и П. Розенц-вейга и американского исследователя М. МакКлоски. Такие данные возможно было бы получить, используя предложенный подход в ходе лонгитюдного исследования.

Литература

Андерсон 2002 —Андерсон Дж. Когнитивная психология. 5-е изд. СПб.: Питер, 2002.

Блауберг, Юдин 1973 —Блауберг И. В., Юдин Э. Г. Становление и сущность системного подхода. М.: Наука, 1973.

Веккер 1976 — Веккер Л. М. Психические процессы. Т. 2. Л.: Ленингр. ун-т, 1976.

Величковский 2006 — Величковский Б. М. Когнитивная наука: Основы психологии познания / Б. М. Величковский. В 2 т. М.: Смысл: Академия, 2006.

Верньо 1982 — Вернъо Ж. Изучение элементарной арифметики и психогенез // Психологические основы программированого обучения. М.: МГУ,

1982.

Вигнер 1971 —Вигнер Е. Этюды о симметрии М.: Мир, 1971.

Волкова 2008 — Волкова Е. В. Общий универсальный закон развития, развитие когнитивных структур химического знания и химические способности. Екатеринбург: Урал, ун-т, 2008.

Выготский 1956 — Выготский Л. С. Мышление и речь И Избранные психологические исследования. М.: АПН РСФСР, 1956. С. 39—386.

Клацки 1978 —Клацки Р. Память человека. Структуры и процессы. М.: Мир,

1978.

МакКлоски 1983 —МакКлоски М. Интуитивная физика // В мире науки. № 6.

1983. С. 90—98.

Минский 1978 — Минский М. Структура для представления знаний // Психология машинного зрения. М.: Мир, 1978. С. 248—338.

Норман 1979 — Норман Д. Знания и роль памяти // Вопросы психологии. №4. 1979. С. 155—161.

Терехина 1988 — Терехина А. Ю. Структуры знаний о языке прграммирова-ния // Вопросы психологии. № 3. 1988. С. 68—74

Троссей, Розенцвейг 1997 — Троссей Б., Розенцвейг П. Знание и решение задачи: репрезентация научных понятий // Когнитивное обучение: современное состояние и перспективы. М.: ИП РАН, 1997. С. 165—190.

Усова 1986 — Усова А. В. Формирование у школьников научных понятий в процессе обучения. М.: Педагогика, 1986.

Хоффман 1986 —Хоффман И. Активная память. М.: Прогресс, 1986.

Чуприкова 1997 — Чуприкова Н. И. Психология умственного развития: принцип дифференциации. М.: Столетие, 1997.

Чуприкова 2007 — Чуприкова Н. И. Умственное развитие: Принцип дифференциации СПб.: Питер, 2007.

Шенк 1979 — Шенк Р. Обработка концептуальной информации. М.: Мир,

1979.

Ach 1921 —Ach N. Uber die Begriffsbildung : Eine experimentelle Untersuchung. Bamberg: C.C. Buchners Verlag, 1921.

Franks at al. 1971 — Franks J. J., Bransford J. D. Abstraction of visual patterns // J. Ex. Psycol. 90. 1971. P. 65—74.

Hull 1920 — Hull C. L. Quantitative aspects of the evolution of concepts: An experimental study // Psychological Monographs. 8(1). 1920.

Rosch,Mervis 1975 — Rosch E., Mervis S. B. Family resemblanches: Studies in internal structure of categories // Cogn. Psychol. 7. 1975. P. 573—605.

Stasz et al. 1976 — Stasz C., Chavelson R. J., Cox D. I., Moore C. A. Field dependence and structuring of knowlege in social studies mini-course // Joum. of Educat. Psychol. Vol. 68. № 5. 1976. P. 550—558.

Werner 1957 — Werner H. Comparative psychology of mental development. New York: International Universities Press, 1957.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >