Моделирование как необходимый этап исследования процессов и явлений в обучении естественным наукам
Автор: Семеннова Валерия Дмитриевна
Организация: НГТУ им. Р.Е. Алексеева
Населенный пункт: г.Нижний Новгород
Одной из обязательных сторон научного исследования является метод моделирования, без которого не обходится ни одна исследовательская работа. По этой причине, моделирование является необходимым этапом исследования изучаемого процесса (явления) в обучении естественным наукам, так как позволяет формализовать его ключевые характеристики, проверить гипотезы в контролируемых условиях и прогнозировать поведение системы при различных параметрах.
Классификация моделирования:
1. по месту использования:
- учебное
- научное
- техническое;
2. по природе модели:
- материальные модели
- идеальные модели
- звуковые, функциональные модели и др.;
3. по роду объекта моделирования:
- объекта
- явления
- действия.
Всякое вновь изучаемое явление или процесс бесконечно сложно и многообразно и потому до конца принципиально не познаваемо и не изучаемо. Поэтому, приступая к изучению явления или процесса, можно заменить его схематической моделью, которая выбирается тем более сложной, чем подробнее и точнее нужно изучить упомянутое явления. В модели сохраняется только самые существенные стороны изучаемого явления, а все мало существенные свойства и закономерности отбрасываются.
Какие стороны изучаемого явления необходимо сохранить в модели и какие отбросить, зависит от постановки задачи исследований. Цель и задачи исследований формулируются перед началом исследования явления или уточнения уже существующей теории с целью более адекватного описания изучаемого процесса или явления.
Построение теории начинается с выбора некоторого достаточного множества понятий и определения тех объектов, с которыми будет оперировать формируемая теория. Они должны быть определены так, чтобы воспринимались однозначно.
Далее необходимо ввести, при построении модели явления, самые необходимые свойства определяемых объектов и правила их взаимодействия и преобразования.
Список введенных свойств и правил должен быть полным, т. е. таким, оперируя с которым можно осуществить любое действие по решению поставленных в исследовании задач и доведения решения логического и однозначного результата. Указанный список должен быть логически непротиворечивым, иначе создаваемая теория приведет к ошибочным заключениям. Вводимые правила должны быть выполнимы, а результаты их использования однозначными и определенными.
Выделенное множество объектов теории и правил их преобразования должно допускать проверку практикой или иными надежными методами. При этом выбранная модель должна обеспечивать необходимую точность результатов.
С. А. Хорошавин писал: «Наглядность в обучении способствует тому, что у школьников благодаря восприятию предметов и процессов окружающего мира формируются представления, правильно отображающие объективную действительность, и вместе с тем воспринимаемые явления анализируются и обобщаются в связи с учебными задачами. Использование наглядных средств направлено не только на создание у учащихся образных представлений, но и для формирования понятий, развития отвлеченного мышления. В науке, чтобы понять сущность явлений, которые по разным причинам нельзя наблюдать непосредственно, ученые строят воображаемую модель этого явления…..».
Можно выделить два подхода к моделированию процессов или явлений при изучении естественных наук:
- создание иллюстративных имитационных моделей (схемы, чертежи, рисунки, плакаты, компьютерные презентации, видеофильмы и т. д.), нацеленных на формирование у обучающихся общих образных представлений и устойчивых ассоциаций, конкретизирующих абстрактные знания по базовым понятиям;
- создание материальных моделей с вариацией параметров, позволяющих наблюдать изменения поведения объекта или количественно измерять характеристики его реакции на изменение условий.
- Важную функцию в процессе моделирования выполняет эксперимент. Эксперимент в моделировании выступает как:
- инструмент проверки достоверности моделей;
- источник данных для их совершенствования;
- способ исследования поведения систем в контролируемых условиях.
Таким образом, эксперимент в процессе моделирования выполняет ряд ключевых функций, обеспечивая связь между теоретическими предположениями и реальными процессами.
Поясним схему.
Проверка закона или закономерности может происходить при проведении демонстрационных и лабораторных экспериментов. В этом случае конечная цель эксперимента состоит в подтверждении или опровержении соответствия между математической или образной моделью явления и фактическими результатами опыта.
Установление границ применимости модели может осуществляться также в ходе демонстрационного, лабораторного экспериментов и при выполнении фронтальных и домашних экспериментов. Такой эксперимент направлен на изучение фактов, не описываемых моделью, с последующим установлением связи между данными фактами и моделью. Причем эта связь в последующем служит граничным, но не объяснительным основанием модели, то есть не позволяет объяснять и предсказывать протекание явлений данного круга.
Демонстрация явлений, для которых справедлива модель, предполагает эксперимент-наблюдение, который может быть организован в ходе демонстрации и фронтального эксперимента. Цель эксперимента – знакомство с явлениями, описываемыми моделью, с последующим использованием модели для объяснения этих явлений.
«Создание» модели может происходить в ходе наблюдения за демонстрацией или во фронтальном эксперименте. Такой эксперимент предполагает получение в результате субъективно или объективно новой модели, связанной с полученными в эксперименте фактами.
Модельный эксперимент помимо названных выше функций может выступать средством формирования у обучающихся представлений об ограниченности моделей в описании определенного круга явлений, то есть показывать неизбежность замены или уточнения любых моделей в процессе развития науки. Использующиеся в этих экспериментах учебные материальные модели по своей природе не отличаются от объектов моделирования. Поэтому учебные материальные модели могут не только использоваться для иллюстрации протекания того или иного явления, но и становиться объектами исследования, для которых, как и для прочих реальных объектов, могут быть найдены границы применимости в том или ином (в частности, в модельном) опыте.
Реже всего используются эксперименты по установлению способов (правил) применения моделей для описания явлений. По цели и методике проведения они отличаются от созвучных по названию экспериментов по установлению границ применимости моделей. Они направлены на обучение обучающихся осознанному выбору и использованию моделей для объяснения явления. Эти эксперименты по своей сути являются наблюдениями, где перед учащимися в яркой и занимательной форме ставится задача выбора и применения нужной модели для объяснения увиденного. Особенностью таких экспериментов является то, что представление изучаемого в них объекта или явления наталкивает обучающихся при его объяснении к выбору неверной или неполной модели и приводит к кажущемуся противоречию. Несомненно, что организация подобных экспериментов сама по себе заключает громадный потенциал для развития обучающихся, поскольку самостоятельное решение таких задач не только формирует умения, но и выступает мощным мотивом к изучению науки.
В модельном и натурном учебном эксперименте необходимо в явном виде использовать модели и моделирование, и это позволяет дополнительно раскрыть потенциал эксперимента в решении задач обучения, воспитания и развития.
Цель учебного эксперимента не ограничивается «сбором» и систематизацией обучающимися фактического материала, а заключается в построении моделей изучаемых объектов или явлений, то есть в согласовании опытных результатов с определенной теорией.
Реализация основных функций учебного эксперимента возможна только при системном его использовании, и именно при использовании эксперимента с учетом такой системы происходит формирование знаний о моделях.
Список литературы
1.Кривенкова, И. Ф. Экспериментальная работа в школьном курсе биологии: [учеб.-метод. пособие] / Забайкал. гос. гум.-пед. ун-т; И. Ф. Кривенкова.-Чита: Изд-во ЗабГГПУ, 2009.— 76 с.
2.Смирнова, Н.Ю. Исследовательские и проектные работы по химии. 5-9 классы [учеб. пособие]/ Н.Ю. Смирнова. - М.:Просвещение, 2025.
3.Хорошавин, С.А. Демонстрационный эксперимент по физике. Оптика. Атомная физика./ С.А. Хорошавин. – М.: Просвещение, 2007. -79 с.
4.Штофф, В.А. Роль моделей в познании/ В.А. Штофф. – Л.: Издательство «Ленинград», 1963.