PT - JOURNAL ARTICLE
AU - Ляпцев, А. В.
AU - Ходанович, А. И.
AU - Ларченкова, Л. А.
TI - Физические задачи как средство развития функциональной грамотности
DP - 2023-04-11
SO - https://rep.herzen.spb.ru/publication/1024
AB - Проблема формирования функциональной грамотности является весьма актуальной на протяжении последнего десятилетия. В настоящее время выработаны критерии оценки функциональной грамотности, и, в частности, естественнонаучной грамотности школьников [Методология и критерии оценки качества…]. Выпускаются пособия, позволяющие помочь учителям в этом важном деле (см., например, [Абдулаева, 2020]). Суть проблемы можно кратко объяснить следующим образом. Наши школьники показывают отличные результаты в олимпиадах международного уровня по таким естественнонаучным предметам, как физика, химия, биология. И, в то же время, как показывают международные исследования PISA, TIMSS, PIRLS, у наших школьников весьма скромные успехи в плане естественнонаучной грамотности, так что мы уступаем многим странам со значительно меньшим населением и развитием научных исследований, например, нашим соседям в Финляндии. На наш взгляд, большое внимание к вышеприведенным международным исследованиям определяется политическими причинами, и диктуется тем, что на протяжении четверти века наше образование развивалось под диктатом стран, для которых в настоящее время нашли термин «коллективный запад». При этом должной оценки того, насколько это нужно нашей стране не проводилось, а мнение многих участников научного и образовательного процесса не учитывалось. В настоящее время, когда вышеприведенный диктат, по крайней мере на некоторый период времени, ослаб целесообразно разобраться в достоинствах и недостатках исследований по функциональной, в частности, естественнонаучной грамотности, в предлагаемых в этих исследованиях заданиях в сравнении с задачами по физике разного уровня сложности. Следует заметить, что большинство современных школьных учебников физики являются модификацией советских учебников, что на наш взгляд определяет преемственность нашего физического образования. При модификации советских учебников новые учебники стали более красочными, содержащими в некоторой степени новые данные о научных достижениях. Однако как материал учебников, так и задания, предлагаемые ученикам, по сути, не изменились и, по-прежнему, отражают задачи, стоявшие перед школьным физическим образованием в советские времена. Основной задачей тех лет являлась подготовка выпускников, способных продолжать образование в физических и в большей степени в технических вузах. Стране нужны были грамотные инженеры и основная масса вузов готовила именно таких специалистов. Остальные ученики, которым в дальнейшем физика не была нужна, часто вообще не понимали зачем учить этот «непонятный» предмет. И здесь полезно вспомнить высказывание Р. Фейнмана [Фейнман Р., 1967]: «Обучение редко приносит плоды кому-либо, кроме тех, кто предрасположен к нему, но им оно почти не нужно». Именно на продолжение обучения в вузе, где школьная физика является основой вузовской физики, нацелены физические задачи. Как правило, это «рафинированные» задачи, в которых фигурирует некоторая модель. Эта модель, возможно, отражает некоторую реальность, но для задания учебника это совершенно неважно. В задачах «тело движется из точки A в точку B под воздействием сил…», «в изображенной на рисунке схеме значение сопротивлений, емкостей и индуктивностей раны…», «заряженная частицы попадает в область магнитного поля…». Какое соответствие имеется между физическим телом в задаче и каким-либо реальным телом, между приведенной схемой и каким-либо реальным устройством не является существенным. Следует отметить, что и подавляющее число заданий ОГЭ и ЕГЭ являются подобными задачами. И это отражает тот факт, что именно навыки решения таких задач нужны для продолжения изучения физики в вузе. Любой преподаватель физики в вузе предпочтет абитуриента, умеющего решать подобные физические задачи абитуриенту, не умеющему решать эти задачи, но освоившему естественнонаучную грамотность и показавшему замечательные успехи при выполнении заданий PISA. На наш взгляд, задания по естественнонаучной грамотности нацелены как раз на другую группу учеников, которые не собираются продолжать изучать физику и другие естественные науки в своей дальнейшей жизни. И важность обретения естественнонаучной грамотности состоит в том, что именно такие ученики составляют большинство. В отличие от физических задач в заданиях по естественнонаучной грамотности всегда речь идет о реальных явлениях, реальных процессах, реальных ситуациях. И это, несомненно, сказывается на мотивации к изучению предметов естественнонаучного цикла. Ученики понимают, что, в частности, физика отражает реальный мир, а знание физики может оказаться полезным в жизни. Немаловажным достоинством подобных заданий является их интегративная составляющая, позволяющая осознать целостность естественнонаучного знания. Это существенно отличает получаемые знания от модельных представлений, фигурирующих в наших предметах естественнонаучного цикла. «Атом в школьном курсе физики» существенно отличается от «атома в школьном курсе химии», поскольку при изучении атома в этих дисциплинах фактически изучаются разные модели атома, позволяющие объяснить физические свойства атома в курсе физики и химические свойства атома в курсе химии. Однако, наряду с достоинствами заданий, предлагаемых для развития естественнонаучной грамотности, на наш взгляд имеют место и существенные недостатки, позволяющие с осторожностью относиться, например, к исследованиям PISA. Прежде всего речь идет о декларируемых умениях человека, освоившего естественнонаучную грамотность, к которым относятся (см., например, [Методология и критерии оценки качества…]): ▪ научно объяснять явления; ▪ разрабатывать и проводить научные исследования, предлагать научные пути решения задач; ▪ интерпретировать научные данные и доказательства. В контексте исследований PISA это можно понимать так, что человек, успешно справляющийся с приводимыми там заданиями вполне может проводить научные исследования в области естественных наук без надлежащего изучения естественнонаучных дисциплин (физики, химии, биологии) на серьезном уровне. Это может показаться надуманным преувеличением, но общественное развитие в странах, ученики которых успешно осваивают естественнонаучную грамотность только подтверждает такой вывод. Если в середине XX века изучением глобальных проблем занимались серьезные ученые, способные анализировать имеющиеся данные и обладающие навыками математического моделирования для прогнозирования развития общества [Медоуз и др., 1991; Медоуз и др., 2007], то в XXI веке «научными исследованиями и прогнозированием» на данную тему стали в основном заниматься журналисты и политики («зеленые различных оттенков») и даже школьники (Грета Тунберг). Отрицательные результаты постепенно сказываются - неоправданный, не просчитанный переход европейских стран на «зеленую энергетику» яркое подтверждение «научности» таких исследований. Остается только вспомнить слова М. Задорнова «демократия - власть троечников». Резюмируя вышесказанное, можно говорить об опасности возвышения естественнонаучной грамотности до научности, в результате чего понижается роль науки и престиж ученых. Естественнонаучно грамотный человек должен понимать, ограниченность своих знаний и умений и, «понимая и анализируя научные явления», одновременно понимать, что для проведения научных исследований, связанных с этими явлениями, его знаний явно недостаточно. Второй недостаток заданий на естественнонаучную грамотность тесно связан с обучением физике. Если в физических задачах, предлагаемых школьникам, как правило, требуется что-то посчитать, то, в противоположность этому в подавляющем большинстве заданий PISA вообще не требуется проводить каких-либо количественных расчетов и оценок. Все количественные величины приводятся в предлагаемых таблицах, на графиках и диаграммах. Ученику предлагается верить этим данным и уметь их интерпретировать (находить минимумы, максимумы, определять тенденции). В результате некоторые из заданий, в которых явно требуется проведение оценок, выглядят, мягко говоря, далекими от науки. В качестве примера приведем одно из заданий PISA за 2015 г. [PISA 2015], основой которого является рис. 1. Ученикам сообщается, что есть явление осмоса, и кратко излагается его суть (рис. 2). При контакте через некоторую мембрану соленой океанской воды и пресной воды, взятой из реки часть пресной воды переходит в резервуар с соленой водой. Различие в уровнях воды в сосудах и используется в турбине, вращающей электрогенератор, производящий «голубую энергию», то есть энергию, производство которой не требует сжигания топлива. Достаточно понятно, что система будет работать только тогда, когда есть различие в солености воды из реки и из океана. Значит река должна течь непрерывно. Но течение реки люди с давних пор научились использовать в качестве источника энергии в водяных мельницах, а впоследствии в ГЭС. Без какой-то оценки сравнительной мощности «осмотического генератора» и «водяного колеса» с научной точки зрения, предлагаемое задание бессмысленно. Приведенный пример может показаться некоторым частным случаем. Но отсутствие численных оценок в конечном счете может приводить к полному искажению представлений о «голубой энергетике». Так президент одной из европейских стран вполне серьезно заявляет о стремлении к переходу на водородную энергетику, как наиболее экологичную в глобальном масштабе. Сама же водородная энергетика часто называется «альтернативной энергетикой», то есть энергетикой, при которой менее загрязняется атмосфера в глобальном масштабе. Но, на самом деле в глобальном масштабе ситуация прямо противоположная. Для производства водорода требуется электроэнергия, которая в основной массе получается при сжигании некоторого топлива. И простое знание того, что любые устройства характеризуются коэффициентом полезного действия, меньшим единицы, приводит к пониманию того, что при той же затрате топлива, идущего на получение водорода, автомобиль проедет меньшее расстояние, чем при сжигании топлива в самом автомобиле. Переход на водородную энергетику способен улучшить экологическую обстановку на локальном уровне, то есть в отдельном регионе, но в глобальном масштабе, ситуация только ухудшится. Кстати, мисконцепция о полезности водородной энергетики в глобальном масштабе уже успешно проникла в головы наших учеников, которым, как следует из общения с ними, объяснили, что при сжигании водорода не образуется CO2, но не объяснили, откуда брать водород. Отсутствие навыков производить расчеты можно проиллюстрировать еще одной мисконцепцией. На рис. 3 уважаемый и эрудированный человек рекламирует обогреватель «Теплэко», утверждая, что у него очень высокий КПД, равный 98%. Если бы авторов рекламы в школе научили проводить элементарные численные расчеты, им пришлось бы при проведении этих расчетов задуматься, в какую энергию переходят 2% от потребляемой из электросети энергии. И мощность электрообогревателя повысилась бы до «сказочного» значения 100%. Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что отсутствие количественных задач в заданиях на развитие естественнонаучной грамотности не позволяет в полной мере сформировать эту грамотность и может приводить к возникновению мисконцепций, которые в настоящее время существуют в «обыденном» сознании. Физика, как никакая другая естественная наука использует математику, оперирующую количественными соотношениями. Поскольку любое природное явление является достаточно сложным, а его объяснение базируется на математических моделях, грамотное построение этих моделей с выделением наиболее важных факторов и пренебрежением менее важными для объяснения явления факторами является неотъемлемой составляющей естественнонаучного исследования. Обращаясь к тезису академика Самарского: «Образование есть учебная модель науки» [Samarskii, Mikhailov, 2001], можно утверждать, что уменье делать эти оценки и расчеты является неотъемлемой частью естественнонаучной грамотности. И именно решение физических задач способствует выработке этого навыка. Примеры того, как использовать «расчетные» задачи по физике в заданиях на развитие есте6ственнонаучной грамотности можно найти в учебных пособиях [Абдулаева, 2019]. Мы приведем здесь один из таких примеров из вышеприведенного учебного пособия. «Саша собрался в длительный туристический поход. Он знает, что все любители длительного отдыха на природе не раз сталкивались с ситуацией, когда мобильный смартфон (или телефон) разряжается в самый неподходящий момент, внешний портативный аккумулятор (powerbank) тоже имеет ограниченную емкость, а источники для новой подзарядки встречаются не всегда и не везде. Саша решил исследовать проблему зарядного устройства, которое может работать без внешних электрических источников питания и использует свободную энергию, которую вырабатывает сам человек, для подзарядки смартфона». Сама постановка задачи характерна для заданий, которые приводятся при оценке сформированности естественнонаучной грамотности. Отметим следующее обстоятельство. Идея заряжать смартфон «походя», используя «излишество» человеческой энергии достаточно распространенная. Предлагается, например, в подошву обуви вставлять пьезоэлемент, так, что человек, нажимая на него при ходьбе, вырабатывает электричество. Однако, до тех пор, пока не сделаны количественные оценки, предлагаемая идея эквивалентна идее, озвученной в репризе А. Райкина, о «прикручивании динамо к ноге балерины». В то же время, количественные оценки вполне доступны ученикам, изучившим на уроках физики понятия работы и мощности в механических и электрических явлениях. Необходимые для такой оценки количественные данные можно легко найти в Интернете, и в рассматриваемом задании они дополнительно приводятся, подобно тому, как это делается во многих заданиях PISA по оценке естественнонаучной грамотности. В заключение заметим, что формулировка заданий по развитию естественнонаучной грамотности, конечно же требует привлечения специалистов. Однако в той или иной степени развивать эту грамотность можно и на обычных уроках физики, в определенной степени переформулируя обычно решаемые задачи. 1. В задачах должны фигурировать не абстрактные модельные объекты, не «физические тела», а реальные объекты и тела. 2. Проблема должна быть актуальной для ученика, связанная с его жизнью и понятная ему. 3. Постановка задачи должна быть такой, чтобы ученик сознательно сам построил модель, то есть, например, перешел от описания движения автомобиля к движению материальной точки. 4. Необходимые дополнительные количественные данные могут быть даны в условии задачи, однако в случае, когда задача дается как домашнее задание, целесообразно лишь указать, где в Интернете можно найти эти данные. Впрочем, как показывает опыт ученики умеют это делать сами. Конечно же подобная постановка задач и их решение требует большего времени как при подготовке к уроку, так и во время урока. Но если не мы (преподаватели физики), то кто сможет научить этому важному, на наш взгляд, компоненту этой грамотности - умению делать необходимые количественные оценки при рассмотрении различных явлений природы?