Естественнонаучная грамотность
 Скачать 5.76 Mb.
|
|
Развитие компетенции «Понимание особенностей естественно-научного исследования» Камзеева Елена Евгеньевна, вед. эксперт Академии Минпросвещения России, к. ф.-м. н., kamzeeva@mail.ru Школа современного учителя. Развитие естественно-научной грамотности 2 Основные направления функциональной грамотности Естественно-научная грамотность – это способность человека занимать активную гражданскую позицию по вопросам, связанным с естественными науками, и его готовность интересоваться естественно-научными идеями. Человек стремится участвовать в аргументированном обсуждении проблем, относящихся к естественным наукам и технологиям, что требует от него следующих компетентностей: • Научно объяснять явления • Понимать основные особенности естественно-научного исследования • Интерпретировать данные и использовать научные доказательства для получения выводов PISA Понимание особенностей естественно-научного исследования является одной из компетенций естественно-научной грамотности в исследовании PISA 3 Требования к освоению методов научного познания, овладению базовыми исследовательскими действиями прописаны в требованиях к предметным и метапредметным результатам • Распознавать/описывать/объяснять/использовать физические явления и процессы в учебных ситуациях и окружающем мире… • Владение основами методов научного познания (наблюдение, измерение, эксперимент, моделирование)… • Поиск, преобразование, представление информации научного содержания… Физика (предметные результаты) • Базовые логические действия (классификация, обобщение, сравнение, причинно-следственные связи, анализ…) • Базовые исследовательские действия (выдвижение гипотез, планирование опыта, формулирование выводов по результатам исследования…) • Работа с информацией (поиск и отбор, анализ и интерпретация, оценка надежности, представление…) Познавательные УУД 4 Метод научного познания Научный метод познания природы состоит из следующих этапов: • наблюдение явления и установление закономерностей явления; • выдвижение гипотезы (предположения) для объяснения закономерностей явления; • создание модели явления и экспериментальная проверка выдвинутой гипотезы; • открытие физических законов или создание физической теории; • объяснение других явлений на основе открытого закона или выдвинутой теории. Физические законы и теории справедливы только для некоторых моделей явлений и процессов. Поэтому все эти теории и законы имеют границы применимости. При расхождении новых экспериментальных данных и существующих законов и теорий ученые выдвигают новые гипотезы и физические теории. Развитие компетенции «Понимание особенностей естественно-научного исследования» на предметном содержании по физике 6 Эксперимент является приемом воздействия на эмоциональную сферу обучающегося, и для большинства знаний школьного курса физики их осознание приходит через эмпирические методы познания физических явлений (а не через заучивание определений, формул, законов). Более того, эмпирические методы познания содержат в своем составе действия, которые могут быть использованы школьниками в их дальнейшей жизни при решении как бытовых, так и профессиональных задач. Физический эксперимент должен служить не простой иллюстрацией, а инструментом познания. Рассмотрим примеры включения метода научного познания при изучении явления свободного падения тел (7 или 9 класс) и явления электризации (8 класс). При изучении курса физики в основной школе особое значение имеет применение эмпирического метода познания физических явлений 7 Пример применения метода научного познания при изучении свободного падения тела (7 и 9 классы) Учащиеся знакомятся с мысленным экспериментом и гипотезой Аристотеля и проводят фронтальный эксперимент (1 и 2) с целью опровержения гипотезы Аристотеля и выдвижения новой гипотезы о том, что в отсутствии трения Земля вблизи своей поверхности сообщает всем телам одинаковое ускорение. Наблюдение явления и установление закономерностей Выдвижение гипотезы для объяснения закономерностей Создание модели явления и экспериментальная проверка гипотезы 8 Пример применения метода научного познания при изучении свободного падения тела (7 и 9 классы) Учащиеся проводят фронтальный эксперимент 3 с целью определения факторов, влияющих на свободное падения тел, и выдвигают гипотезу о том, что на свободное падение тел влияет сопротивление земной атмосферы. Наблюдение явления и установление закономерностей Выдвижение гипотезы для объяснения закономерностей Создание модели явления и экспериментальная проверка гипотезы 9 Пример применения метода научного познания при изучении свободного падения тела (7 и 9 классы) Учитель проводит демонстрационный эксперимент с трубкой Ньютона и экспериментально подтверждает гипотезу о влиянии воздуха на свободное падение тела: в вакууме все тела падают одинаково. Наблюдение явления и установление закономерностей Выдвижение гипотезы для объяснения закономерностей Создание модели явления и экспериментальная проверка гипотезы 10 Исследование физического явления по стадиям «наблюдение – гипотеза – опыт – вывод» Пример заданий на развитие умений: • Описывать наблюдения и формулировать гипотезы • Выдвигать идеи по проверке гипотез и планировать проведение опытов/исследований • Делать выводы по итогам исследования/устанавливать закономерности Задание: по аналогии примера, приведенного в таблице, придумайте свою цепочку «наблюдение – гипотеза – опыт – вывод» 11 Пример применения метода научного познания при изучении электризации (8 класс) На первом этапе можно вспомнить жизненные наблюдения: при поглаживании шерсти кошки или снятии синтетического свитера при низкой влажности можно заметить в темноте искорки; при расчесывании волос пластмассовым гребнем можно слышать потрескивание волос. Что общего у этих наблюдений? Наличие трения. Устанавливаем закономерность и выдвигаем гипотезу: при трении тела приобретают особые свойства (или электризуются). Наблюдение явления и установление закономерностей Выдвижение гипотезы для объяснения закономерностей Создание модели явления и экспериментальная проверка гипотезы Открытие физических законов, создание физической теории Объяснение других явлений на основе открытого закона 12 Пример применения метода научного познания при изучении электризации (8 класс) Фронтальное оборудование: стеклянные и эбонитовые палочки, пластмассовые ручки, бумага, лоскуты шерсти и шелка, воздушные шарики… Наблюдение явления и установление закономерностей Выдвижение гипотезы для объяснения закономерностей Создание модели явления и экспериментальная проверка гипотезы Открытие физических законов, создание физической теории Объяснение других явлений на основе открытого закона Следующий этап: планируем фронтальный эксперимент для проверки гипотезы. При этом в ход идут различные подручные средства (пластиковые ручки, стеклянные палочки, волосы, шерстяная одежда, листочки бумаги и т.д.). Убеждаемся, что гипотеза об электризации при трении справедлива. Но дополнительно обнаруживаем следующие закономерности: наблюдаем два типа взаимодействия наэлектризованных тел (притяжение и отталкивание). Выдвигаем следующую гипотезу: существует два вида электричества. Проводим следующие опыты и т.д. … 13 Пример применения метода научного познания при изучении электризации (8 класс) Моделирование процесса электризации (теоретическая модель): движение в электрическом поле свободных заряженных частиц и перераспределение заряда. Проверка модели электризации и решение экспериментальных задач (на основе фронтальных и демонстрационных экспериментов): объяснить перераспределение зарядов при электризации через влияние. Наблюдение явления и установление закономерностей Выдвижение гипотезы для объяснения закономерностей Создание модели явления и экспериментальная проверка гипотезы Открытие физических законов, создание физической теории Объяснение других явлений на основе открытого закона 14 Пример применения метода научного познания при изучении электризации (8 класс) На основе построенной модели и выявленных закономерностей объясняем явления в природе: молния, огни святого Эльма и др. Наблюдение явления и установление закономерностей Выдвижение гипотезы для объяснения закономерностей Создание модели явления и экспериментальная проверка гипотезы Открытие физических законов, создание физической теории Объяснение других явлений на основе открытого закона 15 Прямые измерения при проведении опытов. Погрешность прямого измерения В ходе проведения экспериментальных исследований физических явлений и процессов производят измерения числовых значений физических величин. Измерения, проводимые в физике, никогда не бывают абсолютно точными! Разница между результатом измерения некоторой величины и ее истинным значением характеризуется так называемой абсолютной погрешностью. Абсолютная погрешность связана непосредственно с погрешностью средства измерения, а также с условиями снятия показаний с цифрового прибора (погрешность отсчета). Погрешность средств измерения обычно выражается через цену деления, но конкретный характер этой связи в каждом случае разный. Информация о погрешностях средств измерения содержится в паспортах приборов или может быть указана на шкалах. 16 Погрешность прямого измерения Указывая абсолютную погрешность измерения, мы указываем интервал, внутри которого может оказаться значение измеряемой величины. Результаты измерения величины x записывают в виде: x = х измер ± Δx, где х измер – результат измерений, Δx – абсолютная погрешность измерения. Эта запись означает, что для истинного значения величины х справедливо соотношение: х измер - Δx ≤ x ≤ х измер + Δx. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины и определяет границы числового интервала, в котором содержится истинное значение величины x. 17 Погрешность прямого измерения. Примеры заданий 18 Отражение требований к предметным результатам в КИМ ГИА по физике 15 Проводить прямые измерения физических величин с использованием измерительных приборов, правильно составлять схемы включения прибора в экспериментальную установку, проводить серию измерений 16 Анализировать отдельные этапы проведения исследования на основе его описания: делать выводы на основе описания исследования, интерпретировать результаты наблюдений и опытов 17 Проводить косвенные измерения физических величин, исследование зависимостей между величинами (экспериментальное задание на реальном оборудовании) ОГЭ-2022 ЕГЭ-2022 22 Определять показания измерительных приборов 23 Планировать эксперимент, отбирать оборудование Задания на сформированность методологических знаний и экспериментальных умений традиционно используются в национальных измерителях (например, в КИМ ГИА по физике). Это задания на определение цели представленного исследования, выбора приборов и материалов для проведения исследования, определение точности прямых измерений, планирование эксперимента под заданную гипотезу и формулирование выводов по результатам проведенных исследований. 19 Формирование умения проводить прямые измерения Требования к выпускнику основной школы: проводить прямые измерения расстояния, времени, массы тела, объема, силы, температуры, относительной влажности воздуха, силы тока, электрического напряжения; определять цену деления и предел измерения прибора; записывать показания приборов с учетом заданной абсолютной погрешности измерений. На слайде примеры заданий базового уровня сложности на проведение прямых измерений. 20 Формирование умения правильно составлять схемы включения прибора в экспериментальную установку Пример задания на сформированность экспериментального умения работать с электроизмерительными приборами (амперметром и вольтметром). Задание базового уровня сложности. 21 Формирование умения оценивать точность и достоверность полученных результатов Пример задания на оценку надежности предлагаемых способов измерения и достоверности полученных результатов. Такие задания используются в международных исследованиях, но редко встречаются в национальных оценочных процедурах. В данном случае учащиеся должны понимать, что при проведении представленного исторического эксперимента нельзя было получить более точные косвенные измерения скорости звука, так как в 17 веке не было точных приборов для прямого измерения времени прохождения звукового сигнала. 22 Формирование умения делать выводы на основе проведенного исследования Пример задания на умение формулировать выводы на основе проведенных опытов и учитывать точность прямого измерения. Задание повышенного уровня сложности. Результаты прямого измерения силы трения скольжения даны с указанием погрешности. При выполнении задания учащиеся должны проанализировать результаты прямых измерений, а также применить формулы, связывающие физические величины, для проведения косвенных измерений (в данном случае, косвенные измерения коэффициента трения скольжения). 23 Планировать эксперимент, отбирать оборудование Ответ: 25 Ответ: 35 Пример заданий на умение самостоятельно планировать эксперимент и отбирать оборудование под проверку той или иной гипотезы. Например, для проверки зависимости силы Архимеда от объема шарика необходимо выбрать такие установки, для которых все остальные параметры одинаковы (род жидкости, масса шарика). 24 Проводить косвенные измерения физических величин (экспериментальное задание на реальном оборудовании) Пример задания на умение проводить косвенные измерения (в данном случае, косвенные измерения силы Архимеда). Требования к предметным результатам по освоению экспериментальных умений: - проводить прямые и косвенные измерения физических величин; - проводить экспериментальные исследования зависимостей одной физической величины от другой и представлять экспериментальные результаты в виде таблиц или графиков и делать выводы на основании полученных экспериментальных данных 25 Проводить исследование зависимостей между величинами (экспериментальное задание на реальном оборудовании) Пример задания на умение исследовать зависимость одной физической величины от другой (в данном примере, исследовать зависимость силы трения скольжения от силы нормального давления). Развитие компетенции «Понимание особенностей естественно-научного исследования» с использованием открытого банка заданий PISA 27 Перечень действий, являющихся структурными элементами компетенции «Применение методов естественно-научного исследования» 28 Исследование PISA-2018. Естественно-научная грамотность Пример задания на оценку способов, которые используют ученые, чтобы изучить ту или иную проблему, а также на оценку надежности данных и достоверности объяснений. В данном задании учащиеся должны сравнить исследования двух групп ученых для решения одной и той же проблемы и привести обоснование, почему возникает сомнение в выводах группы ученых, работающих на химическую компанию. Обоснование может быть построено на обсуждении способа проведения исследования или на указание зависимости данной группы от представителей компании. 29 Пример еще одного задания на оценку способов, которые используют ученые, чтобы изучить ту или иную проблему, а также на оценку надежности полученных данных и достоверности предложенных объяснений. Учащиеся должны привести обоснование тому, что и исследование, которое провела группа независимых ученых, не является убедительным доказательством. Таким образом, это пример контекстных заданий, которые показывают, что при решении проблем в реальных ситуациях может не оказаться однозначного вывода. Исследование PISA-2018. Естественно-научная грамотность 30 Пример задания на оценку отношений 15-летних школьников к научным данным и исследованиям. Инструментарий PISA направлен не только на оценку сформированности тех или иных умений, но и на выявление позиции учащихся к научным идеям и исследованиям, понимания ими ценности научного познания. Исследование PISA-2018. Естественно-научная грамотность Развитие компетенции «Применение методов естественно-научного исследования» с использованием банка заданий ФИПИ 32 Банк заданий ФИПИ (ЕНГ, 7-9 классы) Открытый банк заданий для оценки естественно-научной грамотности (fipi.ru) 33 Банк заданий ФИПИ. Перечень процедурного знания • Помимо описания областей содержания для оценки естественно- научной грамотности, был включен единый для 7-9 классов блок «Знание процедур»: знание о различных методах научного познания (наблюдение, измерение, опыт, моделирование, гипотеза) и приемах проведения исследований и обработки данных (выбор оборудования, способы увеличения точности измерений и т.д.). 34 Банк заданий ФИПИ. Пример 1 (7 класс) К каждому контексту приводится несколько заданий на различные умения. На слайде пример задания (к контексту «Измерение жирности коровьего молока») на выбор такого прибора из предложенных, с помощью которого можно провести наиболее точные измерения плотности молока. Учащиеся должны понимать, что точность измерения связана с ценой деления прибора. 35 Банк заданий ФИПИ. Пример 1 (7 класс) Пример задания (к контексту «Измерение жирности коровьего молока») на оценку способа измерения. В данном задании, кроме диапазона с учетом погрешности, необходимо учесть и разброс значений плотности для молока от каждой породы. В условиях задания максимально возможное значение жирности молока для коров холмогорской породы составляет 3,9 ± 0,08 (%), а минимальное значение жирности молока для коров ярославской породы, соответственно, 4,0 ± 0,08 (%). Интервалы перекрываются, следовательно, различить эти образцы при помощи такого прибора невозможно. 36 Банк заданий ФИПИ. Пример 2 (8 класс) Пример задания базового уровня сложности на умение делать выводы по представленным результатам исследования. При выполнении задания от учащихся требуется внимательно прочитать текст «Цветовое зрение у животных» и сформулировать прямые выводы на основе текста. 37 Банк заданий ФИПИ. Пример 2 (8 класс) Пример задания повышенного уровня сложности на оценку способа проведения исследования, надежность данных и достоверность объяснений. Учащиеся должны самостоятельно провести сравнение условий проведения опыта с пингвинами и оценить, насколько одинаковыми были условия опыта для камешков разных цветов, а, значит, насколько обоснованным является вывод ученых по результатам исследования. 38 Банк заданий ФИПИ. Пример 2 (8 класс) Пример задания на оценку способов, которые используются для обеспечения надежности данных и достоверности объяснений. Пример задания, когда учащиеся должны проявить понимание, что на результаты эксперимента могут влиять различные факторы. Например, для наблюдения, когда во время корриды бык атакует развевающийся красный плащ матадора, формулируется вывод о том, что бык реагирует на красный цвет. Учащиеся должны понимать, что вывод научно не обоснован: следует экспериментально проверить, как бык будет реагировать на движение плаща другого цвета. А в случае, когда собака выбирает один и тот же мяч из кучи разноцветных мячей, ситуация может связана не с цветом мяча, а, например, с наличием у «любимого» мяча характерного запаха. В любом случае, для достоверности выводов необходимо проводить дополнительные исследования 39 Методы научного познания для решения задач в различных сферах Примеры заданий, построенных на контексте астрологического содержания, на понимание целей исследования и самостоятельное планирование дополнительного исследования под проверку заданной гипотезы. Задания использовались в региональной диагностике для учащихся 10-х классов и показали низкие результаты выполнения. Освоение методов научного познания должно быть массовым обязательным результатом, так как метод научного познания является основанием любой научной познавательной деятельности. 40 Использование компьютерных симуляций для развития и оценки исследовательских умений школьников в процессе обучения физике В международных исследованиях PISA-2015 и PISA-2018 инструментарий в области естественно- научной грамотности был расширен за счет включения нового типа заданий, предполагающих работу учащегося с компьютерной симуляцией. Компьютерная симуляция в исследовании PISA по сути является формой представления виртуального научного эксперимента, где некоторая физическая величина является сложной (неявной) функцией двух или трех варьируемых параметров. Для каждой симуляции предлагается несколько заданий, проверяющих сформированность различных компетенций естественно-научной грамотности. Безусловно, заменять симуляциями эксперименты, которые могут быть проведены на реальном оборудовании, является порочной практикой. Но использование компьютерных симуляций целесообразно как для оценки образовательных достижений школьников разного возраста в области освоения методов научного познания, так и в процессе обучения, когда математическая модель процесса еще не изучена или не существует, или рассматриваемые исследования невозможно провести в рамках школьных реалий. 41 Пример симуляции Пример одной из компьютерных симуляций, которые использовались в исследовании PISA: «Регулируемые очки». В этой симуляции можно изменять количество жидкости в линзе, изменяя тем самым ее оптическую силу, и расстояние до рассматриваемого предмета - дерева. Регулируя количество жидкости, учащиеся наблюдают изменения в четкости изображения и, таким образом, подбирают линзы для детей с различными дефектами зрения. 42 Пример симуляции для 8-10 классов (региональная диагностика) Пример симуляции «Влияние загрязнений почвы на урожайность культур», имеющей межпредметный контекст. Учащийся может изменять три параметра: выбирать культуру (редис или клевер), вид загрязнения (ионы свинца, меди, цинка) и дозу загрязнения (массу загрязняющих ионов на килограмм почвы). В качестве измеряемой величины выступает урожайность культуры. Примеры заданий, проверяющие умения планировать и проводить отдельные опыты и исследования, а также учитывать абсолютную погрешность измерения при интерпретации результатов эксперимента. 43 Пример симуляции для 8-10 классов (региональная диагностика) На рисунке представлен пример выполнения задания 1: «Какая доза ионов свинца приводит к снижению урожая редис примерно в 2 раза?» При выполнении задания учащийся выбирает редис и свинец, а затем, последовательно увеличивая дозу свинца, следит за изменением урожайности (показатель урожайности выпадает автоматически). Критерии оценивания выполненных заданий предполагают не только наличие правильного краткого или развернутого ответа, но и наличие необходимого набора строк в таблице, которые свидетельствуют о проведении виртуального эксперимента, на основании которого и мог быть сформулирован верный ответ. В таблице опытов (см. рисунок), проведенных учащимся, должны присутствовать как минимум строки 1 и 5 таблицы. 44 Учет возрастных особенностей обучающихся при формировании экспериментальных умений 7 класс 8 класс 9 класс Расширение спектра методов научного познания Увеличение степени самостоятельности обучающихся при использовании метода научного познания |