Согласно теории поэтапного формирования умственных действий построение и работа с моделями составляют обязательный и очень важный этап овладения умственными действиями [31].
Развитие у учащихся правильных представлений о характере отражения математикой явлений и процессов реального мира, роли математического моделирования в научном познании и в практике имеет большое значение для формирования диалектико-материалистического мировоззрения учащихся, их математического, психологического и общего развития.
Можно сделать вывод, что одной из важных задач курса обучения детей математике является овладение детьми моделированием. Овладение школьниками общеучебным (универсальным) умением моделировать предполагает поэтапное овладение ими конкретными предметными умениями: представлять задачу в виде таблицы, схемы, числового выражения, формулы (уравнения), чертежа и уметь осуществлять переход от одной модели к другой. Учебный предмет, развертывающийся как система понятий, требует логики движения в его познании от всеобщих свойств к конкретным, выделение и исследование оснований, определяющих данную систему, что невозможно без языка моделирования. Моделирование в обучении должно быть усвоено учащимися и как способ познания, которым они должны овладеть, и как важнейшее учебное действие, являющееся составным элементом учебной деятельности. С этой целью обучение элементам математического моделирования начинается еще в средней школе. Изучение моделирования в этот период, большей своей частью, связано с решением сюжетных задач. Моделирование - это метод и средство познания, а сюжетные задачи – это один из «полигонов», где отрабатывается моделирование. Умение решать задачи выступает как один из критериев сформированности умения моделировать, а также служит мотивационной составляющей процесса обучения [8]. Сюжетные задачи есть первый класс задач, на которых раскрывается идея моделирования реальных процессов.
Но следует отметить, что представление школьников о моделировании и моделях весьма неясное и ограниченное. Учащиеся не знают, что имеют дело с моделями, изучают модели, так как и в программах, и в учебниках понятия модели и моделирования почти отсутствуют. Потом учащиеся с удивлением узнают, что они все время изучают модели, что привычные им понятия уравнения, числа, фигуры, равномерного движения, массы и другие являются научными моделями, что, решая задачи, они моделируют [31]. Поэтому необходимо явно включить моделирование в содержание учебных предметов, знакомить учащихся с современной трактовкой понятий моделирования и модели, использовать моделирование как метод научного познания и решения задач. Наиболее благоприятным для начала изучения математического моделирования является 5 – 6 класс, так как именно в этот период у школьников происходят определенные психические изменения. В зависимости от того, как школьники будут относиться к учебной деятельности, как они научатся самостоятельно овладевать знаниями, такими и будут их дальнейшие успехи в обучении. Вопросы, изучаемые в курсе математики 5 – 6 классов, составляют фундамент, на котором строится дальнейшее обучение как математике, так и другим предметам. От уровня знаний и умений, сформированных в 5 – 6 классах, зависит успешное овладение всем курсом математики. В процессе изучения математического моделирования в это время учащиеся знакомятся с теоретическими фактами, идет формирование основных математических понятий, показ применения математических фактов на практике. Поэтому на этом этапе у школьников складывается определенное отношение к решению задач, а значит и к математике в целом.
Обучение с применением моделирования повышает активность мыслительной деятельности учащихся, помогает понять задачу, самостоятельно найти рациональный путь решения, установить нужный способ проверки, определить условия, при которых задача имеет или не имеет решение [32].
Моделирование можно рассматривать как особую деятельность по построению (выбору или конструированию) моделей, и как всякая деятельность она имеет внешнее практическое содержание и внутреннюю психическую сущность. Следовательно, моделирование как психическая деятельность может включаться в качестве компонента в такие психические процессы, как восприятие, представление, память, воображение и, конечно, мышление. В свою очередь, все эти психические процессы включаются в деятельность моделирования как сложную деятельность [31].
Модели и связанные с ними представления являются продуктами сложной познавательной деятельности, включающей прежде всего мыслительную переработку исходного чувственного материала, его «очищение» от случайных моментов. Модели выступают как продукты и как средство осуществления этой деятельности.
Таким образом, включение моделирования в учебный процесс рационализирует его и одновременно активизирует познавательную деятельность учащихся. Следовательно, решается не только конкретная учебная задача, но и осуществляется развитие учащихся. Широкое использование моделирования – одно из методических средств развивающего обучения математике. Моделирование отражает преимущественно теоретический стиль мышления, который в большей мере содействует развитию учащихся, приобщает их к научному стилю мышления.
И. Г. Обойщикова предлагает осуществлять обучение учащихся приему моделирования поэтапно: в начальных классах – неявно, лишь упоминая, что, заменяя данные задачи значками (или графической схемой), мы используем модели, на этом этапе следует обучать учащихся действиям, входящим в «ядро» моделирования (умение сопоставлять объекты, умение противопоставлять объекты, умение сравнивать объекты путем сопоставления или противопоставления, умение абстрагироваться, умение обобщать объекты); в 5 классе – явно и осознанно, раскрывая его сущность, изучая операции, входящие в «оболочку» моделирования (умение строить модель, умение проводить преобразования модели и умение ее конкретизировать); в 6 классе - самостоятельно используя прием в несложных случаях.
Проблема моделирования в начальной школе рассматривается А. К. Артемовым, Л. П. Стойловой, М А. Бородулько, Е. В. Конновой, М. Н. Сизовой, Т. Н. Харлановой и другими, но в 5 – 6 классах лишь некоторые авторы используют моделирование при решении сюжетных задач. Специальная методика формирования приема моделирования для названной ступени обучения пока еше слабо разработана. Однако вопросы моделирования приобретают все большее значение в обучении [26].
В учебниках новых поколений понятие математической модели и математического моделирования появляется уже на самых ранних этапах обучения. Так, например, в учебнике для 5 класса Г. В. Дорофеева, Л. Г. Петерсон уже во 2 параграфе первой части предлагается для изучения тема «Математические модели» [11].
В силу различных причин реально в школе эти учебники используются редко, поэтому идеи математического моделирования большинству учащихся незнакомы. Роль изучения элементов математического моделирования в 5 – 6 классах – пропедевтическая.
В этот период происходит первичное знакомство учащихся с понятиями «модель» и «моделирование», а также с отдельными действиями, характерными для метода математического моделирования. Вопросы, изучаемые в курсе математики 5 – 6 классов, составляют фундамент, на котором строится дальнейшее обучение как математике, так и другим предметам.
В связи с выше изложенным рассмотрим особенности изучения темы «Математические модели» по учебникам «Математика» для 5 – 6 классов авторов Г. В. Дорофеева, Л. Г. Петерсон и дадим краткий обзор учебников [6], [7], [11 – 17], [21], [22] с точки зрения наличия элементов математического моделирования.
1. В ходе изучения психолого-педагогической, философской, методической литературы были рассмотрены различные определения понятия «модель» и «моделирование» и их классификации. Из всех определений этих понятий можно выделить основные черты модели:
· модель замещает объект-оригинал;
· сохраняет некоторые важные свойства объекта-оригинала;
· результаты исследования модели переносятся на оригинал.
В свою очередь под моделированием понимается процесс построения, изучения и применения моделей.
Из всего многообразия моделей большинство специалистов выделяют два класса моделей:
1) материальные (реально существующие, построенные из каких-либо вещественных предметов: из металла, дерева, стекла и других материалов);
2) идеальные (воображаемые, основанные на мысленном представлении).
2. Математическое моделирование, как частный случай моделирования, предполагает использование в качестве средства исследования оригинала его математическую модель, с помощью которой появляется возможность сформулировать задачу его изучения как математическую и воспользоваться для анализа универсальным математическим аппаратом.
3. Использование моделирования в обучении имеет два аспекта. Во-первых, моделирование служит тем содержанием, которое должно быть усвоено учащимися в результате обучения, теми методами познания, которыми они должны овладеть, и, во-вторых, моделирование является учебным действием и средством, без которого невозможно полноценное обучение. Метод моделирования используется в любой науке, обладает огромной эвристической силой: позволяет свести изучение сложного к простому, невидимого — к видимому, то есть сделать любой сложный объект доступным для тщательного всестороннего изучения.