Задачный метод как одно из средств дифференцированного обучения учащихся физике

Приведем примеры таких задач.

Задача 7. Трактор за первые 5 мин проехал 600 м. Какой путь он пройдет за 0,5 ч, двигаясь с той же скоростью?

Задача 8. Один велосипедист 12 с двигался со скоростью 6 м/с, а второй проехал этот же участок пути за 9 с. Какова скорость второго велосипедиста на этом участке пути?

Задача 9. Определите вес алюминиевого цилиндра объемом 200 см3, подвешенного на прочной нити.

Задача 10. С какой силой действует столб керосина высотой 10 см на дно сосуда площадью 200 см2?

Задача 11. На какой высоте деревянный брусок объемом 20000 см3 обладает энергией 120 кДж?

Задача 12. Сколько энергии выделится при остывании воды объемом 20 л от 50 °С до 15 °С?

Применив метод графов для анализа решения данных задач, мы видим, что они имеют одинаковую структуру (рис. 3).

Если применить пооперационный анализ решения задач, то сложность приведенных выше задач практически одинакова. Задачи 7, 8 отличаются от задач 9-12 тем, что в них нет включения системы знаний, однако по своей структуре они такие же и требуют выполнения, как правило, двух элементарных действий.

«При решении составных задач возникает возможность лишнего синтеза…» [117, с. 283].

Размещено на http://www.allbest.ru/

В содержание задач 3-го типа входят несколько объектов и несколько явлений. Решение данных задач предполагает использование знаний, усвоенных ранее, т.е. задачи данного типа предполагает действие с системой объектов задачи и системное применение знаний. Способы и методы решения известны. Приведем примеры таких задач.

Задача 13. Гранитную глыбу массой 1,5 т поднимают со дна озера. Какую при этом необходимо приложить силу, если объем глыбы 0,6 м3?

Задача 14. На сколько изменится температура воды массой 0,1 т, если считать, что вся теплота, выделяемая при сжигании древесного угля массой 0, 5 кг, пойдет на нагревание воды?

Задача 15. Какое количество теплоты необходимо, чтобы из льда массой 2 кг, взятого при температуре -10 °С, получить пар при 100 °С?

Задача 16. Железная заготовка, охлаждаясь от температуры 800 до 0 °С, растопила лед массой 3 кг, взятый при 0 °С. Какова масса заготовки, если вся энергия, выделенная ею, пошла на плавление льда?

Задача 17. Какое количество теплоты выделяется при конденсации водяного пара массой 10 кг при температуре 100 °С и охлаждении образовавшейся воды до 20 °С?

Задачи данного типа имеют, в основном, структуру сложнее, чем задачи 2-го типа. Например, задача 15 имеет структуру, представленную на рис. 4.

Некоторые задачи данного типа имеют такую же структуру, как и задачи 2-го типа (например, задачи 14, 16). Однако, в данных задачах необходимо произвести операцию сравнения - «…установление сходства и различия между объектами, явлениями, свойствами» [64, с. 24], что вызывает дополнительную трудность у учащихся.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если применить пооперационный анализ к структуре решения данного типа задач, то мы увидим, что количество операций, выполняемых в данного типа задачах, такое же, как и в задачах 2-го типа.

Во всех трех типах задач, как правило, методы и способы решения известны, т.е. отношения между объектами задачи заданы явно. Задачи этих типов можно решить, последовательно выполняя элементарные действия.

В теории и методике обучения физике выделяют определенные методы и способы решения задач. Методы решения задач: аналитический, синтетический и аналитико-синтетический. Способы решения задач: логический, математический, экспериментальный. Математический способ решения задач, в свою очередь делят на арифметический, алгебраический, геометрический и графический.

Исследования, проведенные нами, показывают, что большинство учеников (примерно 65%) количественные задачи начинают решать от требования задачи, т.е. применяют синтетический метод [172]. 20% учащихся начинают решать количественные задачи от условия, т.е. применяют аналитический метод, а оставшиеся 5% решают количественные задачи как синтетическим методом, так и аналитическим методом.

Существует класс задач, которые невозможно решить, применяя готовый алгоритм. Сначала необходимо найти этот алгоритм решения. Также существует класс задач, которые невозможно решить, выполняя последовательно элементарные действия. Такие задачи решаются только в общем виде.

«Многие задачи, - пишет Ю.Н. Кулюткин, - нерационально решать, а иногда и просто нельзя решить алгоритмическим путем. В одних случаях для решения задач вообще не имеется алгоритма, в других случаях он оказывается очень сложным и громоздким и предполагает перебор громадного числа возможных вариантов» [93, с. 10].

«Основу алгоритмического подхода составляют умозаключения дедуктивного характера, при которых выводы относятся к предметам, не выходящим за рамки того класса вещей, о которых шла речь в посылках. Такой подход к поиску может оказаться безуспешным при встрече с нестандартной задачей, и возникает необходимость самостоятельно отыскать, открыть приемы, методы решения для рассматриваемой конкретной задачи. Процесс поиска плана решения как открытие специальных приемов, методов получил название эвристического, а сами приемы - эвристик» [153, с. 14].

«Как правило методы организации самостоятельной творческой деятельности учащихся представляют в виде двух больших групп: алгоритмические (по признаку доминирования логических процедур) и эвристические (доминирование интуитивных процедур)» [160, с. 27].

Ю.Н. Кулюткин различает два вида эвристик. Первую из них автор описывает как методы и приемы, являющиеся лишь предварительными моментами в процессе решения задач (часто они наводят на правильное решение, но существует вероятность и ошибочных действий), а вторую автор определяет как методы и приемы, сокращающие перебор различных вариантов решения, или возможных путей в «лабиринте» поиска [93, с. 9-10]. Автор пишет, что эвристические методы направлены на раскрытие еще неизвестных конкретно-содержательных отношений, через которые определяется искомый объект [93, с. 51].

«…алгоритмы ответственны в большей степени за осмысление этапов деятельности, содержания операций и их рациональную последовательность, а эвристики - за интуицию, гипотезы, планы и стратегии» [169, с. 30].

Поэтому мы выделяем 4-ый тип задач, которые кроме использования системного применения объектов задачи и системного применения знаний предполагают освоение новых методов и способов решения. Задачи 4-го типа наиболее сложны по своей структуре. Как правило, это задачи, которые невозможно решить поэтапно, а только в общем виде или это задачи, для решения которых необходимо произвести предварительный анализ. К данному типу задач можно отнести также творческие и исследовательские. Такие задачи вызывают у учеников наибольшую трудность. Приведем примеры таких задач.

Задача 18. На первой половине пути автобус двигался со скоростью, в 8 раз большей, чем на второй. Средняя скорость автобуса на всем пути 16 км/ч. Определить скорость автобуса на обеих половинах пути.

Задача 19. Деревянная доска плавает в воде таким образом, что под водой находится 3/4 ее объема. Какой минимальной величины груз нужно закрепить сверху на доске, чтобы она полностью погрузилась в воду?

Задача 20. Пренебрегая потерями теплоты на нагревание ванны и иных тел окружающей среды, вычислите, какой стала бы температура воды в ванне, если в нее налить 6 ведер воды при температуре 10 °С и пять ведер воды при температуре 90 °С. (Вместимость ведра примите равной 10 л.)

Задача 21. В сосуд, содержащий 200 г воды при 15 °С, впускают 200 г водяного пара при 100 °С. Какая общая температура установится в сосуде? Какова масса образовавшейся воды?

Задачи 18-20 предполагают обязательное выполнение операции решения в общем виде. Они являются наиболее трудными для учащихся основной школы, т.к. предполагают высокий уровень математических способностей учащихся. Применяя теорию графов к анализу данного типа задач, можно увидеть, что в процессе решения указанных задач промежуточные операции сводятся к минимуму (рис. 5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Количество операций, выполняемых при решении данного типа задач, такое же, как и при решении задач 2-го и 3-го типов.

Задача 21 по готовому алгоритму не решается.

Ряд авторов предлагает алгоритмы решения задач на различные темы. На сегодняшний день можно считать разработанными алгоритмы практически по каждой теме.

В.А. Балаш при решении задач, в которых происходит теплообмен между телами, предлагает применять следующий алгоритм [15]:

Прочитав условие задачи, нужно установить, у каких тел внутренняя энергия уменьшается, у каких - возрастает. Особое внимание следует обращать на то, происходят ли в процессе теплообмена агрегатные превращения или нет.

Составить уравнение для тел, энергия которых уменьшается, - для тел, энергия которых возрастает, и приравнять полученные суммы.

При записи уравнения теплового баланса в виде нужно в выражении для изменения внутренней энергии всегда вычитать из большей температуры тела меньшую и суммировать все члены арифметически.

По данному алгоритму задачу 21, приведенную выше, решить невозможно. Перед решением данной задачи сначала необходимо сравнить количество теплоты, которое необходимо воде, чтобы нагреться до 100 °С и количество теплоты, которое выделяется при полной конденсации пара. В данной задаче оказывается, что пар не полностью сконденсируется, а вода нагреется до 100 °С и т.д.

Наибольшая трудность 4-го типа задач связана с тем, что при их решении учащимся неизвестен алгоритм их решения, и его необходимо отыскать, т.е. осуществляется эвристический поиск алгоритма решения задачи.

Любая система задач должна укладываться в общую систему. Данная система задач, рассмотренная нами, относится к решающей системе [164]. Включение системы задач по характеру применения усвоенных знаний в систематизацию способов классификаций, предложенной Н.Н. Тулькибаевой, представлено в табл. 5.



Таблица 5 - Систематизация способов классификаций задач по физике

№ п/п	Основания для классификации	Виды классификаций задач	Виды задач
I	Задачная система	По описанию компонентов предмета действия в условии задачи	задачи исполнения, задачи восстановления, задачи преобразования, задачи конструктивные.
		По способу выражения условия и требования задачи	текстовые, графические, задачи-рисунки.
		По характеру содержания задачи	абстрактные, конкретные (с лабораторными данными, производственно-технического содержания, исторического и занимательного характера).
II	Решающая система	По поиску средств решения	задачи на включение готового алгоритма, задачи на программирование по известному алгоритму, задачи поиска алгоритма, задачи поиска способа решения.
		По основному способу решения	логические, вычислительные, графические, геометрические, номографические, экспериментальные.
		По трудности решения	простые, трудные.
		По роли задачи в формировании понятий	задачи на усвоение содержания понятия, задачи на усвоение объема понятия, задачи на установление связей между понятиями
		По характеру используемого теоретического материала	задачи по конкретным темам и разделам, комплексные задачи, задачи межпредметного содержания
		По характеру применения усвоенных знаний	задачи на использование знаний по пройденной теме, задачи на использование системы физических знаний или системы объектов, задачи на использование системы объектов и системы физических знаний, задачи на освоение новых способов и методов решения
III	Отношение задачи к среде	По отношению задачной и решающей систем к среде	поисковые задачи, требующие извлечения дополнительной информации из среды, беспоисковые задачи, задачи, содержащие в условии избыточную информацию

Приведем пример системы количественных задач по теме «Изменение агрегатных состояний вещества», выстроенной по средству усвоения знаний.

I. Задачи на использование знаний по пройденной теме

Какое количество теплоты поглощают при плавлении тела из серебра, золота, платины? Масса каждого тела равна 10 г. Тела взяты при их температурах плавления [104, № 1078].

На сколько уменьшится внутренняя энергия при кристаллизации брусков из белого чугуна массой 2 кг, олова массой 1 кг, железа массой 5 кг, льда массой 10 кг, охлажденных до температуры их кристаллизации [104, № 1075]?

Сколько свинца было расплавлено, если на плавление свинца, находящегося при температуре плавления, пошло 12,5 кДж энергии?

На некоторое тело массой 500 г, находящееся при температуре плавления, для его полного плавления было затрачено 55 кДж количества теплоты. Какое вещество плавили?

Какое количество теплоты необходимо для обращения в пар воды массой 10 г, спирта массой 2 г, эфира массой 8 г, если каждая жидкость нагрета до температуры кипения [104, № 1116]?

Как и на сколько изменится внутренняя энергия водяного пара массой 1 г при его конденсации, если он имеет температуру 100 °С [104, № 1115]?

При конденсации водяного пара, имеющего температуру 100 °С, выделилось 5 МДж количества теплоты. Определите массу сконденсировавшегося пара.

Для полного испарения 500 г вещества, находящегося при температуре кипения, было затрачено 426,5 кДж количества теплоты. Определите это вещество.

II. Задачи на использование системы физических знаний или системы объектов

Сколько энергии потребуется для испарения воды объемом 200 см3, находящейся при температуре кипения, чтобы полностью ее испарить?

При конденсации стоградусного водяного пара выделилось 2,3 МДж энергии. Определите объем сконденсировавшегося пара.

Определите плотность кипящей жидкости, если для испарения этой жидкости объемом 200 см3, находящейся при температуре кипения, потребовалось 0,46 МДж энергии.

Какое количество энергии необходимо для плавления куска свинца объемом 100 см3, находящегося при температуре плавления?

Для плавления куска латуни, находящегося при температуре плавления, потребовалось 660 кДж энергии. Определите объем плавящейся латуни.

Для плавления некоторого вещества объемом 250 см3, находящегося при температуре плавления, потребовалось 389,375 кДж энергии. Какое вещество плавили?

III. Задачи на использование системы объектов и системы физических знаний

Масса серебра 10 г. Сколько энергии выделится при его кристаллизации и охлаждении до 60 °С, если серебро взято при температуре плавления [104, № 1084]?

Какое количество теплоты потребуется для обращения в воду льда массой 2 кг, взятого при 0 °С, и при нагревании образовавшейся воды до температуры 30 °С [104, № 1087]?

Железная заготовка, охлаждаясь от температуры 800 до 0 °С, растопила лед массой 3 кг, взятый при 0 °С. Какова масса заготовки, если вся энергия, выделенная ею, пошла на плавление льда [104, № 1095]?

Какое количество теплоты необходимо сообщить воде массой 10 г, взятой при температуре 0 °С, для того, чтобы нагреть ее до температуры кипения и испарить [104, № 1118]?

Сколько энергии израсходовано на нагревание воды массой 0,75 кг от 20 до 100 °С и последующее образование пара массой 250 г [104, № 1121]?

Какое количество теплоты выделяется при конденсации водяного пара массой 10 кг при температуре 100 °С и охлаждении образовавшейся воды до 20 °С [104, № 1122]?

Сколько льда, взятого при 0 °С, расплавится, если ему сообщить такое же количество теплоты, которое выделится при конденсации водяного пара, масса которого равна 8 кг, а температура равна 100 °С, при нормальном атмосферном давлении [104, № 1125]?

Сколько энергии выделится при кристаллизации и охлаждении от температуры плавления до 27 °С свинцовой пластинки размером 2x5x10 см [104, № 1085]?

В железной коробке массой 300 г мальчик расплавил 100 г олова. Какое количество теплоты пошло на нагревание коробки и плавление олова, если начальная температура их была равна 32 °С [104, № 1094]?

Свинцовая деталь массой 100 г охлаждается от 427 °С до температуры плавления, отвердевает и охлаждается до 27 °С. Какое количество теплоты передает деталь окружающим телам? (Удельную теплоемкость расплавленного свинца принять равной 170 Дж/(кг*°С).) [104, № 1093]

Сколько энергии приобретет при плавлении кусок свинца массой 0,5 кг, взятый при температуре 27 °С [104, № 1081]?

На сколько увеличилась внутренняя энергия расплавленного железного металлолома массой 4 т, начальная температура которого была равна 39 °С [104, № 1083]?

Для приготовления пищи полярники используют воду, полученную из расплавленного льда. Какое количество теплоты потребуется для того, чтобы расплавить лед массой 20 кг и полученную воду вскипятить, если начальная температура льда равна -- 10 °С? (Потерями подводимой теплоты на нагревание окружающих тел пренебречь.) [104, № 1088]

Объем формы для пищевого льда равен 750 см3. Сколько энергии отдают вода и лед форме и окружающему ее воздуху в холодильнике, если у воды начальная температура 12 °С, а температура образовавшегося льда равна --5 °С [104, № 1089]?

Какое количество теплоты пошло на приготовление в полярных условиях питьевой воды из льда массой 10 кг, взятого при температуре -- 20 °С, если температура воды должна быть равной 15 °С? (Потерями подводимой теплоты, затраченной на нагревание окружающих тел, пренебречь.) [104, № 1090]

Какое количество теплоты необходимо, чтобы из льда массой 2 кг, взятого при температуре --10 °С, получить пар при 100 °С [104, № 1124]?

IV. Задачи на освоение новых способов и методов решения

В медный сосуд, нагретый до температуры 350 °С, положили 600 г льда при температуре -10 °С. В результате в сосуде оказалось 550 г льда, смешанного с водой. Определить массу сосуда [180, № 10.81].

Во льду сделана лунка объемом 100 см3. В эту лунку налили 1 кг расплавленного свинца при температуре плавления 327 °С. Найти объем лунки, свободной от воды и свинца, после установления теплового равновесия. Температура льда 0 °С [180, № 10.88].

В калориметр, содержащий 100 г льда при 0 °С, впущено 100 г пара при температуре 100 °С. Какая температура установится в калориметре? Какова масса полученной воды [180, № 10.90]?

В теплоизолированном сосуде находится вода при 0 °С. Из сосуда откачивают воздух, в результате чего вода замерзает за счет охлаждения ее при испарении. Определить, какая часть воды при этом испарится, если известно, что удельная теплота парообразования при 0 °С равна 2,5•106 Дж/кг [180, № 10.93].

Чистую воду можно охладить до температуры -10 °С. Какая часть воды превратится в лед, если начнется кристаллизация? (Теплообмен происходит лишь между водой и льдом.) [180, № 10.95]

Рассматривая структуры количественных задач, мы пришли к выводу, что при решении любой количественной задачи учащимся необходимо отразить связь между несколькими понятиями, т.е. решение любой количественной задачи предполагает использование системы физических понятий.

Решая задачи первого типа, учащимся необходимо отразить связь между следующими понятиями: 1) плавление (кристаллизация), количество теплоты, удельная теплота плавления, масса; 2) кипение (конденсация), количество теплоты, удельная теплота парообразования, масса. Таким образом, при решении задач первого типа используется, в основном, связь между понятиями по пройденной теме, т.е. понятия из одного раздела физики, что предполагает использование знаний по пройденной теме.

Решая задачи второго типа, учащимся необходимо отразить связи между следующими понятиями: 1) плавление (кристаллизация), количество теплоты, удельная теплота плавления, плотность, масса, объем; 2) кипение (конденсация), количество теплоты, удельная теплота парообразования, плотность, масса, объем. В задачах данного типа при их решении используется связь между понятиями из различных разделов физики, что предполагает применение системы знаний.

Решая задачи третьего типа, учащимся необходимо отразить связь между следующими понятиями: 1) плавление (кристаллизация), количество теплоты, удельная теплота плавления, удельная теплоемкость, плотность, масса, объем; 2) кипение (конденсация), количество теплоты, удельная теплота парообразования, удельная теплоемкость, плотность, масса, объем. В задачах данного типа при их решении используются связь между понятиями из различных разделов физики, что предполагает применение системы знаний. Кроме того, в задачах данного типа присутствует несколько объектов, с которыми происходят те или иные процессы, т.е. кроме системного применения знаний решение задач данного типа предполагает системное применение объектов, присутствующих в задаче.

Необходимо отметить, что в задачах первых трех типов связи между понятиями либо заданы явно, либо эти связи легко обнаружить.

Решая задачи четвертого типа, учащиеся должны выявить связи между понятиями (такими же как и в задачах третьего типа), т.к. в задачах данного типа связи между понятиями неявные и их трудно обнаружить. Кроме того, в процессе решения задач данного типа невозможно использовать готовый алгоритм (задача № 1) и задачи данного типа решаются только в общем виде, что также является для учащихся основной школы деятельностью по освоению новых способов и методов решения. Поэтому задачи данного типа являются задачами, предполагающими освоение новых способов и методов решения.

Применяя выстроенную систему задач, можно спланировать учебно-воспитательный процесс, учитывая индивидуальные особенности учащихся, объединенных в типологические группы. В зависимости от индивидуальных особенностей учащихся характер деятельности по решению задач различного типа будет носит либо продуктивный характер, либо репродуктивный.

Например, для «слабых» учащихся деятельность даже при решении первого типа задач будет носит продуктивный характер, т.к. они еще не полностью овладели деятельностью по решению данного типа задач, а для «сильных» учащихся деятельность при решении первого типа задач будет носит репродуктивный характер.

Поэтому система количественных задач, выстроенная по характеру применения усвоенных знаний:

учитывает структурную сложность задачной системы;

учитывает усвоение учащимися способов деятельности по решению физических задач в аспекте формирования физических понятий

может быть применена при реализации дифференцированного обучения учащихся физике средствами задачного метода, т.к. процесс обучения учащихся можно осуществить в соответствие с овладением последними способами деятельности при решении задач.

2.2 Система качественных задач для реализации дифференцированного обучения учащихся физике в основной школе

Изучая физику в основной школе, учащиеся должны овладеть всеми методами познания окружающего мира. Одним из таких методов является задачный метод. Однако обучение учащихся физике посредством количественных задач будет носит односторонний характер - учащиеся, в основном, будут приобретать в процессе решения количественных задач практические навыки, в то время как с помощью качественных задач у учащихся очень эффективно можно развить и логическое мышление.

«Поиск обоснованного ответа на вопрос качественной задачи вырабатывает гибкость мышления, приучает школьников логически мыслить, анализировать явления, развивает их смекалку и творческую фантазию, умения применять теоретические знания для объяснения явлений природы и техники. Применяемые при рассмотрении вычислительных задач логические операции определяют аналитико-синтетический метод решения, который ведет к развитию логического мышления, способности анализировать физические закономерности, синтезировать (выделять причинно-следственные связи) и систематизировать знания» [190, с. 57].

Решая качественные задачи, учащиеся обучаются находить причину какого-либо явления, предусматривать возможные следствия событий, находить пути решения проблемы, пути достижения желаемого результата.

Качественные задачи способствуют углублению и закреплению теоретических знаний учащихся. Приближая изучаемую теорию к окружающей жизни, они усиливают интерес к предмету, способствуют развитию наблюдательности. Метод решения этих задач, заключающийся в построении логических умозаключений, основанных на знании физических законов, служит прекрасной школой мышления, вырабатывает отчетливое понимание сущности физических явлений и их закономерностей, учит школьников практическому применению знаний, воспитывает правильное отношение и к количественным задачам, приучает начинать решение любой задачи с анализа ее физического содержания.

Качественные задачи являются хорошим средством в борьбе с формализмом в знаниях учащихся [123].

Решение качественных задач служит также средством улучшения качества урока, устранения абстрактности в преподавании, приемом углубления, закрепления и проверки знаний и навыков учащихся, важным средством улучшения внешкольной и внеклассной работы; способствует формированию у школьников физических понятий [174]; развивает логическое мышление, смекалку, творческую фантазию, умение применять теоретические знания для объяснений явлений природы, быта и техники; расширяет технический кругозор учащихся, подготавливает их к практической деятельности.

Для наиболее успешной реализации дифференцированного обучения учащихся физике необходимо включать качественные задачи на каждом этапе урока. Для этого их необходимо выстроить в систему, которая учитывала бы не только структурную сложность качественных задач, но и процесс усвоения учащимися деятельности по решению задач в аспекте формирования у них физических понятий курса физики основной школы.

Из всего многообразия качественных задач А.В. Усовой и Н.Н. Тулькибаевой были выделены следующие их виды с точки зрения их роли в формировании понятий [172, с. 116]:

Задачи, в которых предлагается привести примеры проявления изучаемых свойств тел или явлений и их применений («Где это наблюдается? Где это применяется?»).

Задачи, в которых предлагается из перечисленных признаков предметов или явлений выделить признаки, присущие только предметам или явлениям данного вида или рода.

Задачи, в которых требуется указать общие черты и существенные различия тел, предметов или явлений («Что общего между ними? Каковы их существенные отличия?»).

Задачи, в которых требуется объяснить явление, указать причины его возникновения, а значит раскрыть его связи с другими явлениями («Что это такое? Почему это происходит? При каких условиях это наблюдается?»).

Задачи, в которых требуется предсказать явление на основе знания закономерностей его протекания и связей с другими явлениями («Что произойдет, если…?»).

Задачи, в которых требуется указать условия, необходимые для получения того или иного эффекта, явления («Что необходимо для того, чтобы…?»).

Задачи, в которых требуется объяснить, научно обосновать сущность применяемых на практике приемов и способов («Для чего это делается? На чем основан этот способ?»).

Задачи, в которых требуется систематизировать (классифицировать) предметы или явления по определенному признаку.

По содержанию условий и требований авторы выделяют три типа качественных задач [172, с. 119]:

на узнавание в конкретном явлении физического явления;

объяснение явления и свойств тел;

предсказание следствия происходящего явления.

В.И. Сосновский делит логические задачи в зависимости от характера содержащихся в них требований на следующие виды [153]:

Задачи на общее описание физической картины, в которых требуется установить, из каких объектов складывается физическая картина заданной ситуации, в каких соотношениях они находятся.

Задачи на оценку тенденции в изменении некоторой величины, в которых требуется определить будет ли значение некоторой величины возрастать, уменьшаться и т.п., в каких пределах будут происходить изменения.

Задачи на моделирование рассматриваемой ситуации.

Задачи на отыскание ситуаций в природе, быту, технике, лабораторной практике, которые соответствовали бы заданной физической картине, ее модели.

Н.К. Михеева по дидактическим целям, преследуемым в учебном процессе, качественные задачи классифицирует [123]:

на простые (тренировочные);

требующие анализа определенной физической ситуации;

требующие переноса знаний из знакомой ситуации на незнакомую;

используемые для получения учащимися новых знаний;

творческие задачи.

Мы склонны придерживаться разбиения качественных задач по содержанию условий и требований, предлагаемых А.В. Усовой и Н.Н. Тулькибаевой.

Рядом авторов [80, 113, 167] качественные задачи были выстроены по уровням сложности. Анализ трудов этих авторов показывает, что первый уровень сложности имеют задачи 1-го типа, второй уровень сложности - задачи 2-го типа, третий уровень сложности - задачи 3-го типа. Также данными авторами выделены задачи межпредметного содержания, которые они относят к наиболее сложным задачам. Однако данными авторами не предлагается принцип разбиения качественных задач по уровням сложности. Система задач, выстроенная авторами, опирается либо на экспериментальную апробацию, либо интуитивную?!

Можно предположить, что по своей структуре решения данные типы задач отличаются друг от друга. Причем, задачи на распознавание по своей структуре решения легче, чем задачи на объяснение, а задачи на предсказание явлений по своей структуре решения являются наиболее сложными.

Многие авторы, при рассмотрении структуры решения качественных задач предлагают этапы решения, т.е. алгоритмические предписания решения качественных задач. Причем, некоторые авторы для разного типа задач дают одно и тоже алгоритмическое предписание, а некоторые для разного типа задач предлагают различные подходы к решению качественных задач.

Н.К. Михеева при решении простой качественной задачи выделяет пять этапов решения [123, с. 10-11]:

Знакомство с условием задачи.

Осознание условия задачи.

Составление плана решения задачи.

Осуществление плана решения задачи.

Проверка ответа.

«Решение сложной качественной задачи также осуществляется в пять этапов, но при знакомстве с условием задачи обращается внимание на ее главный вопрос, на конечную цель решения» [123, с. 11].

В.И. Сосновский при решении любых качественных задач рекомендует пользоваться следующим предписанием [153]:

Начинайте решение логической задачи с общего анализа рассматриваемой в ней физической картины:

Уясните, что конкретно требуется в задаче.

Выясните, с какими физическими объектами приходится иметь дело.

Обдумайте, какой круг явлений предстоит рассмотреть и как они связаны друг с другом, в каких находятся отношениях.

Детально проанализируйте физические явления:

Выясните, как возникает явление, от чего зависит его ход.

Вспомните соотношения, которыми описывается каждое явление, каков характер функциональной зависимости величин.

Самый первый шаг в поиске решения - вспомните, не встречались ли раньше с аналогичными задачами, ищите эвристики.

Всесторонне изучайте полученные результаты:

Осмыслите, для каких еще задач могут оказаться полезными выводы, к которым пришли при решении рассмотренной задачи; насколько можно доверять результатам, если принять во внимание упрощенный характер решения.

Исследуйте решение, рассмотрев интересные частные случаи, наметьте подход к решению более общей задачи.

Н.Н. Тулькибаева [165] для каждого типа задач предлагает различные структуры их решения (табл. 6).

Таблица 6 - Типы логических задач и структуры их решения

Тип задачи	Содержание типа задачи	Содержание логического способа решения задач
I	Определение в конкретном явлении физического явления	Выделение сущности заданного конкретного явления. Извлечение из памяти определения физического понятия, являющегося родовым понятием к заданному как видовому понятию. Подведение конкретного явления под родовое понятие.
II	1. Объяснение явления	Выделение сущности заданного конкретного явления. Извлечение из памяти определения физического явления, являющегося родовым понятием к заданному как к видовому понятию. Подведение конкретного явления под родовое (физическое) понятие. Объяснение сущности (или причины) явления на основе физических теорий и законов.
	2. Объяснение свойств тел, их строения	Определение строения конкретных тел. Выделение в их строении общего, существенного, влияющего на свойства тел, или существенного отличия одного тела от другого. Объяснение свойств тел на основе выделенного общего или существенного различия.
III	Предсказание следствия явления	Выделение заданной ситуации и положений, подвергаемых проверке. Выделение условий протекания данного явления и получение из них соотношения между заданным условием и требованием задачи. Получение выводного значения в форме возможных следствий из сущности явления.



На основании предложенных структур решений качественных задач, невозможно выстроить систему качественных задач, которая учитывала бы структурную сложность задач и процесс усвоения учащимися физических понятий. Даже если задача требует однозначного ответа типа «да», «нет», «вверх», «вниз» и т.д., практически невозможно отследить ту цепочку умозаключений, которая привела к тому или иному окончательному выводу.

Для анализа сложности структуры решения качественной задачи можно воспользоваться методикой, предложенной Э.Т. Изергиным и Н.Ф. Косаревым [70]. Суть данного метода заключается в том, что производится анализ задачи и выстраивается схема анализа, с помощью которой можно проследить причинно-следственные связи между понятиями.

Мы провели с помощью данной методики анализ структуры качественных задач различного типа по разным темам.

Задача 1. В морозный зимний день над полыньей в реке образовался туман. Какое это состояние воды?

Анализ:

Размеры молекул малы.

Пары жидкости не видны.

Отдельные молекулы паров воды соединяются вместе, образуя капельки воды.

Капельки воды видны в воздухе.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Это жидкое состояние воды.

Задача 2. Одинаковое ли давление оказываем мы на карандаш, затачивая его острым и тупым ножом, если прилагаемое нами усилие одно и тоже.

Анализ:

Сила, действующая на стержень, одинакова.

Площадь опоры лезвия в случае тупого ножа больше.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Давление, оказываемое тупым ножом на карандаш меньше по сравнению с давление оказываемым острым ножом.

Задача 3. Два тела равной массы поставлены на стол так, как показано на рисунке. Одинаковое ли давление они производят на стол? Если эти тела поставить на чашки весов, то нарушится ли равновесие весов?

Анализ:

Силы тяжести, действующая на тела, одинакова.

Силы, с которыми тела действуют на стол, одинаковы.

Площадь опоры правого тела больше.

Давление правого тела на стол меньше.

Вес тел одинаков.

Чашки весов будут в равновесии.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Задача 4. Где лучше сохранить детский резиновый шарик, наполненный водородом: в холодном или теплом помещении?

Анализ:

Происходит диффузия молекул водорода через резину.

Скорость движения молекул выше в теплом помещении, чем в холодном.

Диффузия в теплом помещении происходит быстрее, чем в холодном.

Размещено на http://www.allbest.ru/

За одно и то же время из шарика, находящегося в теплом помещении, уходит больше молекул водорода чем из шарика, находящегося в холодном помещении.

В холодном помещении детский шарик сохранить лучше.

Задача 5. Почему уменьшается длина рельса при его охлаждении?

Анализ:

Любое вещество состоит из молекул.

Молекулы в твердом теле располагаются на определенном расстоянии, которое зависит от температуры.

Чем меньше температура вещества, тем меньше расстояние между молекулами, из которых состоит данное вещество.

Температура рельса понижается.

Расстояние между молекулами, из которых состоит рельс, уменьшается.

Длина рельса уменьшается.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задача 6. Как необходимо класть рельсы, чтобы они не изгибались при нагревании?

Анализ:

Вещество, из которого сделан рельс, состоит из молекул.

Молекулы в твердом теле расположены на определенном расстоянии.

При повышении температуры расстояние между молекулами увеличивается.

Длина рельса при нагревании увеличивается.

Необходимо небольшое пространство для увеличения длины рельса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Между кусками рельсов должны быть промежутки.

Задача 7. Один кувшин с молоком поставили в холодильник, другой оставили в комнате. Где сливки отстоятся быстрее?

Анализ:

Плотность жира меньше плотности воды.

Частички жира всплывают на поверхность воды.

В состав молока входят молекулы воды и частички жира.

Молекулы воды непрерывно и хаотично движутся.

Молекулы воды сталкиваются с частичками жира.

Частички жира постоянно меняют направление своего движения.

Всплытие частичек жира замедляется.

При более высокой температуре скорость движения молекул больше.

Молекулы воды чаще ударяются о частички жира.

Частички жира чаще изменяют направление своего движения.

Всплывание частичек жира при более высокой температуре происходит медленнее, чем при более низкой.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сливки отстоятся быстрее в холодильнике.

Рассмотренные структуры решения качественных задач показывают, что в задачах одного и того же типа может быть разное количество причинно-следственных связей (1-3). Также в задачах, относящихся к разным типам, может быть одинаковое количество причинно-следственных связей (4-6).

Проведенный нами анализ структуры качественных задач при помощи методики, предложенной Э.Т. Изергиным и Н.Ф. Косаревым, позволил сделать следующие выводы:

подобный анализ дает возможность сконструировать беседу с учащимися в процессе решения задачи в классе. Система наводящих вопросов должна соответствовать разработанной схеме анализа задачи;

данный анализ позволяет оценить сложность качественной задачи;

при помощи данной методики, определяющей структуру решения качественных задач, можно выстроить систему задач, учитывающую структурную сложность качественных задач и усвоение учащимися физических понятий;

принадлежность к типу задачи еще не означает, что она сложнее или легче.

Также, на основе данного анализа мы пришли к выводу, что качественные задачи можно разделить на четыре типа:

к первому типу можно отнести задачи, в которые входят до 3-х причинно-следственных связей между понятиями;

ко второму типу можно отнести задачи, в которые входят от 4 до 6 причинно-следственных связей между понятиями;

к третьему типу можно отнести задачи, в которые входят более 6-ти причинно-следственных связей между понятиями;

к четвертому типу можно отнести задачи с межпредметным содержанием, в которые входят причинно-следственных связи между физическими понятиями и понятиями из других предметов.

Приведем пример построения системы качественных задач по теме «Изменение агрегатных состояний вещества», разбитой на четыре типа.

Первый тип задач

Почему на Севере для измерения низких температур воздуха пользуются не ртутными термометрами, а спиртовыми [104, № 1055]?

Почему лед не сразу начинает таять, если его внести с мороза в натопленную комнату [104, № 1056]?

При спаивании стальных деталей иногда пользуются медным припоем. Почему нельзя паять медные детали стальным припоем [104, № 1061]?

В один стакан налили эфир при температуре 20 °С, в другой - воду при той же температуре. В стаканы опустили термометры. Какой из них будет показывать более низкую температуру [104, № 1097]?

При выходе из реки после купания мы ощущаем холод. Почему [104, № 1101]?

В двух одинаковых тарелках поровну налиты жирные и постные щи. Какие щи быстрее остынут? Почему [104, № 1102]?

Второй тип задач

Почему зимой при длительных остановках выливают воду из радиатора автомобиля [104, № 1059]?

Оболочки космических кораблей и ракет делают из тугоплавких металлов и специальных сплавов. Почему [104, № 1060]?

Почему невозможно пользоваться очень маленьким паяльником при пайке массивных кусков меди или железа [104, № 1062]?

Объясните на основании молекулярно-кинетической теории, почему не повышается температура в момент плавления и кристаллизации [104, № 1063].

Зачем на морозе вспотевшую после езды лошадь покрывают попоной [104, № 1104]?

Сырые дрова горят хуже, чем сухие. Почему [104, № 1105]?

Почему самовар с раскаленными углями не распаивается, когда в него налита вода, и распаивается, когда воды в нем нет [104, № 1109]?

Почему пар обжигает сильнее воды той же температуры [105, № 16.17]?

Почему вода в водоемах начинает замерзать с поверхности [3, № III.234]?

Воду можно охладить до температуры ниже 0 °С. При этом, если переохлажденную воду встряхнуть, она кристаллизуется и нагревается до 0 °С. Чем это объяснить [3, № III.242]?

Третий тип задач

Почему молоко в глиняном сосуде без глазури дольше сохраняет свежесть [104, № 1098]?

Почему в доме, автобусе или трамвае на стеклах окон при сильных морозах лед появляется с внутренней стороны [104, № 1103]?

Когда чайник с кипящей водой стоит на газовой горелке, то над ним почти не видно пара. Но стоит только выключить горелку, как на некоторое время пар становится видимым. Объясните это явление [104, № 1111].

На улице целый день моросит холодный осенний дождь. В кухне развесили для просушки выстиранное белье. Быстрее ли оно высохнет, если открыть форточку [105, № 16.8]?

Закрытый бидон из железа частично заполнен керосином. Предложите один из способов, позволяющих, не пользуясь никакими измерительными приборами (и не открывая бидон), определить примерный уровень керосина в бидоне [105, № 16.9].

В двух одинаковых чайниках, поставленных на одинаковые горелки, кипит вода. У одного из них крышка частично подпрыгивает, а у другого неподвижна. Почему [105, № 16.16]?

Можно ли заставить кипеть воду, не нагревая ее [105, № 16.17]?

Если одну сосульку опустить в замерзающую воду, а вторую - в раствор поваренной соли той же температуры, то через несколько минут диаметр первой сосульки заметно увеличится, а второй - уменьшится. Почему [3, № III.255]?

Почему пруды замерзают раньше рек [3, № III.232]?

В два одинаковых сосуда налито разное количество воды при одинаковой температуре. Воздух из сосудов удален, и сосуды между собой соединены вверху резиновой трубкой. Сосуды стоят на чашках весов; весы уравновешены. Как нарушится равновесие весов с течением времени [3, № III.281]?

Четвертый тип задач

Осенью иногда рано выпадает снег и несколько дней держится мороз один - два градуса. Когда наступает потепление, многие растения оказываются живыми, зеленеют и даже цветут. Как им удается устоять [3, № III.236]?

Весной по утрам на растениях появляется иней. Как он влияет на охлаждение растений [3, № III.246]?

Какое значение в природе имеет большая удельная теплота плавления льда? Что происходило бы весной, если бы удельная теплота плавления льда была не 333, а 11,7 кДж/кг, как у ртути [3, № III.259]?

Какое значение имеет для организма человека потовыделение [3, № III.272]?

Почему сильная жара труднее переносится во влажном климате, чем в сухом [3, № III.273]?

Почему в сухом воздухе человек выдерживает температуру, превышающую 100 °С [3, № III.274]?

Можно ли на Марсе сварить яйцо вкрутую [3, № III.293]?

Чистый кислород, широко применяемый в народном хозяйстве, получают из жидкого воздуха. Как самым простым способом можно выделить кислород из воздуха, зная, что температура кипения кислорода и азота (основных составляющих воздуха) равны соответственно -183 и -196 °С [3, № III.343]?

При решении качественных задач первого типа учащиеся должны выявить причинно-следственные связи между понятиями, изучаемыми в одной теме. Например, решая задачу № 1, учащиеся должны сравнить температуры кристаллизации ртути и спирта, т.е. в данной задаче используются два понятия: кристаллизация и температура кристаллизации. Или, решая задачу № 4, учащиеся должны вспомнить, что скорость испарения зависит от рода испаряющейся жидкости, а также, что от скорости испарения будет зависеть температура испаряющейся жидкости, т.е. в данной задаче необходимо отразить причинно-следственную связь между понятиями: скорость испарения жидкости и температура испаряющейся жидкости. Таким образом, при решении качественных задач первого типа используются понятия, пройденные по определенной теме.

Решая качественные задачи второго типа, учащиеся должны выявить причинно-следственные связи между понятиями, пройденные из различных тем, но из одного раздела. Например, решая задачу № 3, учащиеся должны установить причинно-следственные связи между температурой плавления, теплопроводностью и зависимостью между массой тела и скоростью теплопередачи. Таким образом, при решении качественных задач второго типа используются понятия из разных тем одного раздела.

Решая задачи третьего типа, учащиеся должны выявить причинно-следственные связи между понятиями, пройденными из различных разделов физики. Например, решая задачу № 1, учащиеся должны отразить связь между следующими понятиями: диффузия, скорость испарения жидкости, изменение внутренней энергии, температура испаряющейся жидкости. Или, решая задачу № 6, учащиеся должны отразить связь между следующими понятиями: температура кипения, кипение, давление газа, атмосферное давление и т.д. Таким образом, при решении качественных задач третьего типа используются понятия из разных тем и разных разделов физики.

Решая задачи четвертого типа, учащиеся должны выявлять причинно-следственные связи между физическими понятиями и понятиями других предметов. Например, решая задачу № 1, учащиеся должны знать, что внутри растений находится физраствор, температура кристаллизации которого ниже 0 °С, а также, что на растениях находятся волоски, между которыми есть воздух, который замедляет процесс теплопередачи и т.д. Таким образом, при решении такого типа задач используются физические понятия с привлечением понятий из различных предметов.

Применяя выстроенную систему качественных задач, можно спланировать учебно-воспитательный процесс, учитывая индивидуальные особенности учащихся, объединенных в типологические группы. В зависимости от индивидуальных особенностей учащихся характер умственной деятельности можно выстроить в зависимости от установившихся связей между понятиями. Тогда деятельность у учащихся при решении качественных задач можно сделать продуктивной у всех учащихся.

Например, для «слабых» учащихся продуктивная деятельность будет определяться решением задач первого типа, т.к. у таких учащихся связь между понятиями устанавливается очень слабо, т.е. даже связь между понятиями по пройденной теме у них устанавливается с большим трудом. Для «сильных» учащихся деятельность будет носить продуктивный характер, если для решения им предлагать задачи третьего и четвертого типов.

Поэтому система качественных задач, выстроенная по количеству причинно-следственных связей между понятиями:

учитывает структурную сложность задачной системы и усвоение учащимися связей между понятиями;

позволяет спланировать учебный процесс для учащихся, объединенных в типологические группы, таким образом, чтобы деятельность каждого учащегося носила продуктивный характер;

может быть применена при реализации дифференцированного обучения учащихся физике средствами задачного метода, т.к. процесс решения задач учащимися каждой типологической группы можно выстроить в соответствие с овладением учащимися связей между понятиями.

2.3 Методика реализации дифференцированного обучения учащихся физике средствами задачного метода

В процессе решения задач проявляются индивидуальные особенности учащихся. Неумение решать задачи является одной из причин снижения успеваемости, снижения успеха в обучении физике и главной причиной нерегулярного выполнения домашних заданий. Поэтому для формирования умений решать физические задачи необходимо осуществлять дифференциацию обучения.

В самом общем плане основная цель обучения - развитие учащегося. В соответствии с этой целью в детской и педагогической психологии, а также в дидактике центральное место занимали те направления, которые исследовали развивающее обучение.

Школьное обучение должно опираться не столько на существующие интеллектуальные свойства ребенка, сколько на те, которые еще отсутствуют, но для возникновения которых уже имеются предпосылки. Л.С. Выготский различает два уровня в развитии ребенка [43]:

актуальный, уже сформировавшийся уровень;

зону ближайшего развития.

Развивающим является только такое обучение, которое опирается на зону ближайшего развития ребенка.

«Под развивающим обучением понимается обучение, направленное на развитие способностей учащихся и обеспечивающее их самоактуализацию. Способности - это совокупность индивидуально-психологических особенностей личности, обеспечивающих ее полноценную самоактуализацию или, другими словами, создающих основу такого развития личности школьника, которая позволяет ему выступать субъектом деятельности» [6, с. 10]

Таким образом, реализуя дифференциацию при обучении учащихся физике средствами задачного метода, необходимо учитывать зону ближайшего развития учащихся. В силу индивидуальных особенностей, ближайшие зоны развития учащихся различны.

Поскольку дифференциация обучения требует учета индивидуальных особенностей, то ее обучающая цель - «…средствами индивидуализации усовершенствовать знания, умения и навыки учащихся, содействовать реализации учебных программ повышением уровня знаний, умений и навыков каждого учащегося в отдельности и, таким образом, уменьшить его абсолютное и относительное отставание (под отставанием понимается учение ниже своих способностей), углублять и расширять знания учащихся, исходя из их интересов и специальных способностей» [170].

Индивидуальная работа может выполняться по заданию учителя или по инициативе самого ученика, самостоятельно или с помощью учителя. Ярко выраженный индивидуальный характер носит поисковая, эвристическая деятельность, в процессе которой ученик строит гипотезы и самостоятельно определяет необходимые способы решения. Это наиболее высокий уровень познавательной деятельности ученика. Учебно-практическое задание может выполняться в классе или дома, независимо от других учеников, своим темпом, своими способами. Содержание, характер, степень трудности заданий каждый ученик воспринимает по-своему, в зависимости от познавательных возможностей, индивидуальных особенностей.

Учет индивидуальных особенностей при решении задач особенно актуален, т.к. задачи учащимися решаются практически на каждом этапе урока:

постановка проблемы;

формирование умения школьников применять полученные знания;

закрепление изученных на уроке вопросов;

повторение изученного материала;

обобщение материала.

Мы выделили основные задачи, которые необходимо решить для реализации дифференцированного обучения учащихся физике средствами задачного метода:

Выявить индивидуальные особенности учащихся, непосредственно влияющие на успешность решения физических задач.

...