Использование экспериментальных задач на уроках физики

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В современном естествознании физика является одной из лидирующих наук, она оказывает огромное влияние на различные отрасли науки, техники и производства. Физика является базовым предметом для технического образования после школы. Социальный спрос на технические специальности неуклонно возрастает, это требует качественной подготовки учащихся по предмету. Хорошие результаты в обучении физике можно получить, применяя различные методы обучения.

Решение задач занимает в физическом образовании огромное место. При изучении физики приходится все время решать задачи. В практике обучения физике особое место занимают экспериментальные задачи. Они выполняют несколько дидактических функций: повышают интерес к предмету, активизируют внимание учащихся, способствуют политехническому образованию. Исследовательская форма решения экспериментальных задач является мощным средством развития интереса к предмету, подготовки учащихся к самостоятельной работе. Использование экспериментальных задач должно быть кратким по времени, лёгким в постановке и нацеленным на усвоение и отработку конкретного учебного материала. В ходе решения экспериментальных задач ученики принимают в работе активное участие. Это способствует развитию у учащихся умений наблюдать, сравнивать, обобщать, анализировать и делать выводы. Экспериментальные задачи позволяют организовать самостоятельную деятельность учащихся, а так же развить практические умения и навыки. Опыт показывает, что решение экспериментальных задач эффективнее, чем ответы на вопросы или работа над упражнениями в учебнике [1].

В настоящее время в современной школе сложилась ситуация, в которой естественнонаучным дисциплинам уделяется все меньше учебных часов при сохранении информационной составляющей программы. В связи с этим, экспериментальные задачи в учебной практике в достаточной степени не востребованы, используются лишь эпизодически.

Проблема состоит в том, чтобы определить пути и способы использования экспериментальных задач, требующих временных затрат, и тенденцией к сокращению количества учебных часов, выделяемых на естественнонаучные дисциплины; возможностями оборудования современного кабинета физики и недостаточной разработанностью методики его использования. Попытка ее решения и определила актуальность темы дипломной работы «Использование экспериментальных задач на уроке физики».

Объектом исследования является процесс обучения физике в средней школе.

Предметом исследования является методика использования экспериментальных задач на уроках физики.

Цель исследования: выявить и изучить возможности использования экспериментальных задач на уроках физики, на основе анализа психолого-педагогических исследований по проблеме предложить методические рекомендации использования экспериментальных физических задач, способствующих повышению качества знаний учащихся по физике, повышению интереса учащихся к физике как к предмету.

Гипотеза исследования: если на уроках физики использовать экспериментальные задачи, то у учащихся появится возможность приобретать, наряду со знанием основных физических понятий и законов, информационные, экспериментальные, проблемные, деятельностные умения, что приведет к повышению качества знаний учащихся по физике, повышению интереса к физике как к предмету.

Исходя из цели и выдвинутой гипотезы исследования, были определены следующие задачи:

- дать анализ научно-педагогической литературы по данной теме;

- раскрыть сущность использования экспериментальных задач в школьном курсе физики;

- разработать некоторые методические рекомендации использования экспериментальных физических задач на уроках физики.

В ходе данного исследования применялись следующие методы: теоретический анализ проблемы на основе изучения психологической, педагогической и методической литературы, тестирование, наблюдение, анализ результатов исследования, педагогический эксперимент по реализации разработанных уроков с использованием экспериментальных задач на уроках физики в учебном процессе со статистической обработкой его результатов.

Научная новизна и теоретическая значимость дипломной работы заключается в попытке разработки методики использования экспериментальных задач на уроках физики, способствующей повышению качества знаний учащихся по физике, повышению интереса учащихся к физике как к предмету.

Практическое значение работы состоит в возможности разработки путей и способов использования экспериментальных задач на уроках физики.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы, приложений.

Во введении работы обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе рассмотрена сущность использования экспериментальных задач в школьном курсе физики.

Во второй главе предложены методические рекомендации использования экспериментальных физических задач.

В заключении сформулированы обобщающие выводы и предложения по исследуемой теме.

Апробация методических рекомендаций проводилась в практической работе на базе Адаевской средней школы Камыстинского района Костанайской области.

1. Теоретические основы использования экспериментальных задач на уроках физики

1.1 Роль и место задач в обучении физике

Невозможно усвоить курс физики без решения физических задач. Решение учебных задач по физике прямо выступает как метод обучения. С помощью решения задач можно обеспечить достижение практически любой цели обучения. Поэтому решение задач - один из основных видов работы на уроке. Во время решения задач учащиеся учатся применять законы и формулы физики, познают особенности и границы их применения, лучше понимают рассматриваемое физическое явление. При решении задач у ученика развиваются способности к анализу, ученик учится рассуждать, делать выводы и находить ответы на поставленные вопросы. Учитель, анализируя умение решать задачи, может сделать выводы о том, насколько хорошо ученик усвоил материал.

Одна из основных целей учителя физики - научить решать физические задачи; одновременно это является одной из сложнейших педагогических проблем. Для достижения данной цели учитель должен заинтересовать учащихся, что бы у них появилась реальная мотивация решить ту или иную задачу.

Чтобы использование задач было осмысленным и эффективным, необходимо ясно представлять: что такое физическая задача, какие цели обучения она решает, каковы конкретные способы использования задач в учебном процессе и, наконец, что представляет собой процесс решения задачи.

Что же такое физическая задача?

С точки зрения психологии, задача - это проблема, которая заключается в несоответствии между требованиями задачи и знаниями субъекта, и для её решения субъект должен включить творческую мыслительную деятельность.

Такое определение влечёт весьма широкое понимание слова «задача». Американский математик Д. Пойа писал: «Основная часть нашего сознательного мышления связана с решением задач. Когда мы не развлекаемся и не мечтаем, наши мысли направлены к какой-то конечной цели, мы ищем пути и средства к достижению этой цели, мы пытаемся выработать какой-то курс, следуя которому можно достичь нашей конечной цели» [2].

Если при постановке проблемы сразу ясен путь её решения, то задачи не возникает; если такого пути не видно, то это - задача. Таким образом, задача предполагает необходимость сознательного поиска соответствующего средства для достижения ясно видимой, но непосредственно недоступной цели.

Каждая задача содержит информационную часть, условие и требование-вопрос. Информационная часть может быть достаточно богатой, поэтому само содержание задачи позволяет знакомить с историей, с достижениями техники, сообщать сведения из других наук.

Физической задачей в учебной практике обычно называют небольшую проблему, которая в общем случае решается с помощью логических умозаключений, математических действий и эксперимента на основе законов и методов физики.

По существу, на уроках физики каждый вопрос, возникающий в связи с изучением учебного материала, является для учащихся задачей. Активное целенаправленное мышление «всегда есть решение задач» в широком понимании этого слова. В методической же и учебной литературе под задачами обычно понимают целесообразно подобранные упражнения, главное назначение которых заключается в изучении физических явлений, формировании понятий, развития физического мышления учащихся и привития им умений применять свои знания на практике [3].

Решение задач относится к практическим методам обучения и как составная часть обучения физике выполняет те же функции, что и обучение физике: образовательную, воспитательную, развивающую, но, опираясь на активную мыслительную деятельность ученика.

Образовательная функция задачи заключается в сообщении учащимся определённых знаний, выработке у учащихся практических умений и навыков, ознакомление их со специфическими физическими и общенаучными методами и принципами научного познания.

Известные отечественные психологи П. И. Зинченко и А. А. Смирнов установили следующую закономерность (закономерность Смирнова-Зинченко): «Учащийся может запомнить материал непроизвольно, если выполняет над ним активную мыслительную деятельность, и она направлена на понимание этого материала» [4].

Решение задач, безусловно, требует активной мыслительной деятельности. Поэтому на материале задач учитель может сообщить учащимся новые знания, и даже материал, изучаемый теоретически, можно объяснить «на задаче».

Согласно одной из аксиом методики, знания считаются усвоенными только тогда, когда ученик может применить их на практике. Решение задач - практическая деятельность. Значит, задача играет и роль критерия усвоения знаний. По умению решить задачу мы можем судить: понимает ли ученик данный закон, умеет ли он увидеть в рассматриваемом явлении проявление какого-либо физического закона. А научить этому можно - опять же - через решение задач. Практика показывает, что физический смысл различных определений, правил, законов становится действительно понятным учащимся лишь после неоднократного применения их к конкретным частным примерам-задачам.

Решение задач выполняет ещё одну важную образовательную функцию - формирование и обогащение понятия физической величины - одного из основных понятий физики [5].

Физические задачи играют также большую роль в реализации принципа политехнизма в процессе обучения. Многие из них показывают связь физики с жизнью, техникой, производством.

Воспитательная функция задач заключается в формировании научного мировоззрения учащихся. Они позволяют проиллюстрировать многообразие явлений и объектов природы и способность человека познавать их.

Решение задач воспитывает и общечеловеческие качества. Д. Пойа пишет: «Обучение искусству решать задачи есть воспитание воли. Решая не слишком лёгкую для себя задачу, ученик учится быть настойчивым, когда нет успеха, учится ценить скромные достижения, терпеливо искать идею решения и сосредоточиваться на ней всем своим «я», когда эта идея возникает. Если учащемуся не представилось возможности ещё на школьной скамье испытать перемежающиеся эмоции, возникающие в борьбе за решение, в его математическом образовании оказывается роковой пробел» [2]. Эти слова в полной мере можно отнести и к физическим задачам. При решении задач у школьников воспитывается трудолюбие, пытливость ума, смекалка, самостоятельность в суждениях, интерес к учению, воля и характер, упорство в достижении поставленной цели.

Развивающая функция задачи проявляется в том, что, решая задачу, ученик включает все мыслительные процессы: внимание, восприятие, память, воображение, мышление. При решении задач развивается логическое и творческое мышление. Однако необходимо помнить, что, если при изучении новой темы:

- учащемуся предлагают задачи только одного типа;

- решение каждой из них сводится к одной и той же операции (операциям);

- эту операцию учащемуся не приходится выбирать среди других, которые возможны в сходных ситуациях;

- данные задачи не являются для учащегося непривычными;

- он уверен в безошибочности своих действий,

то учащийся при решении второй или третьей задачи перестаёт обосновывать решение задачи, начинает решать задачи механически, только по аналогии с предшествующими задачами, стремится обойтись без рассуждений. Это приводит к ослаблению развивающей стороны решения задач. Поэтому необходимо учить школьников решению задач разными методами, как стандартными, так и не часто использующимися в школьной практике. Полезно одну и ту же задачу решать разными способами, это приучает школьников видеть в любом физическом явлении разные его стороны, развивает творческое мышление [6].

Разнообразие и важность функций, выполняемых задачей, приводит к тому, что задача занимает в учебном процессе важное место.

1.2 Классификация физических задач

К настоящему времени накоплено огромное количество задач. Все они различны по сложности, содержанию, способам решения. Возникает проблема их классификации. Такая классификация важна для учителя, т.к. она позволила бы ему избежать односторонности в выборе задач и осуществлять этот выбор на основе дидактических целей, которые необходимо достичь в соответствии с определённой учебной ситуации.

Единой классификации физических задач не существует. Задачи классифицируются по многим признакам:

- по способу выражения условия;

- по степени сложности;

- по характеру и методу исследования вопросов;

- по содержанию;

- по основному методу решения;

- по целевому назначению;

- по роли в формировании физических понятий;

- по разделам.

Одна и та же задача попадает, таким образом, в несколько различных классов [7-10].

Признаки классификации. Виды задач:

1) по способам выражения условия:

- текстовые (задачи, в которых условие выражено словесно, текстуально, причем в условии есть все необходимые данные, кроме физических постоянных. По способам решения их разделяют на задачи-вопросы (в которых требуется (без выполнения расчетов) объяснить, что то или иное физическое явление или предсказать, как оно будет протекать в определенных условиях. Как правило, в содержании таких задач отсутствуют числовые данные), и расчетные (количественные), (задачи, в которых ответ на поставленный вопрос не может быть получен без вычислений. При решении таких задач качественный анализ так же необходим, но его дополняют еще и количественным анализом с подсчетом тех или иных числовых характеристик процесса));

- графические (задачи, решаемые с помощью графика. По роли графиков в решении задач различают такие, ответ на который может быть получен на основе анализа уже имеющего графика, и в которых требуется графически выразить функциональную зависимость между величинами. Решение графических задач способствует уяснению функциональной зависимости между величинами, привитию навыков работы с графиком. В этом их познавательное и политехническое знание);

- задачи-рисунки (в них требуется устно дать ответы на вопрос или изобразить новый рисунок, являющийся ответом на рисунок задачи. Решение таких задач способствует воспитанию у учащихся внимания, наблюдательности и развитию графической грамотности);

- экспериментальные задачи (это задачи, решаемые с помощью эксперимента).

2) по степени сложности:

- простые (задачи, с использованием одной формулы. Они носят тренировочный характер и решаются обычно сразу же на закрепление нового материала;

- сложные (задачи, с использованием нескольких формул. Эти формулы могут быть из разных тем);

- повышенной сложности (задачи, связывающие в одну проблему несколько разделов. (Часто бывает, что для учеников сложность вызывает не физическая, а математическая составляющая решения задачи));

- творческие (задачи, алгоритм решения которых ученику не известен. Это могут быть задачи, по классификации Разумовского, исследовательские или конструкторские. Исследовательская задача отвечает на вопрос «почему?», а конструкторская - на вопрос «как сделать?»).

3) по характеру и методу исследования вопросов:

- качественные (отличительная особенность качественных задач в том, что их условия акцентируют внимание учащихся на физической сущности рассматриваемых явлений. Решаются они, как правило, устно, путём логических умозаключений) или задачи-вопросы (отсутствие вычислений при решении задач-вопросов позволяет сосредоточить внимание учащихся на физической сущности. Необходимость обоснования ответов на поставленные вопросы приучает школьников рассуждать, помогает глубже осознать сущность физических законов. Решение задач-вопросов выполняют, как правило, устно, за исключением тех случаев, когда задача содержит графический материал);

- количественные.

4) по содержанию

- задачи с конкретным физическим содержанием (конкретные задачи легче для учащихся, потому что конкретные числа приближают задачу к уровню развития ребёнка, который не научился ещё абстрагировать);

- задачи с абстрактным содержанием (задачи, в которых нет конкретных числовых значений, и которые решаются в общем виде. Абстрактная задача выявляет более глубоко физическую сущность явлений, не отвлекая учащихся на конкретные несущественные детали);

- задачи с техническим содержанием;

- задачи с историческим содержанием;

- занимательные задачи.

5) по основному методу решения:

- вычислительные;

- экспериментальные;

- логические.

6) по целевому назначению

- тренировочные,

- контрольные.

7) по роли в формировании физических понятий:

- задачи, в процессе решения которых осуществляется уточнение признаков понятий. К ним относятся задачи простые и абстрактные;

- задачи, в процессе решения которых осуществляется уточнение объема и конкретизация понятий;

- задачи, основной целью которых является дифференцировка понятий. Сюда относятся логические задачи;

- задачи, основной целью которых является установление и закрепление нового понятия. К ним относятся все вычислительные и графические задачи, задачи-рисунки, доказательства;

- задачи, основной целью которых является систематизация понятий и формирование у учащихся умения классифицировать их, правильно соотносить друг с другом;

- задачи, основной целью которых является формирование у учащихся умения применять понятия в различных ситуациях, для объяснения и предсказания явлений, решения проблем научного и практического характера. К данному типу задач необходимо отнести задачи с конкретным содержанием, т.е. задачи с производственно-техническим и научно-техническим содержанием.

8) по разделам:

- задачи на один раздел, теорию (механика и др.); комбинированные и сюжетные (политехнические, технические, с краеведческим содержанием, исторические, занимательные, с военным содержанием, на материале природы...).

Приведем особенности некоторых задач:

Задачи-вопросы - это такие задачи, при решении которых требуется объяснить то или иное физическое явление или предсказать, как оно будет протекать при данных условиях; в содержании этих задач отсутствуют числовые данные.

Например: Почему волосок электрической лампочки накаливается добела, в то время как провода остаются холодными, хотя по ним проходит такой же ток (8 класс). И такие задачи решаются устно; необходимость обоснования ответов на поставленные вопросы приучает учащихся рассуждать, помогает глубже осознать сущность физических законов.

Количественные задачи - это такие задачи, в которых ответ на поставленный вопрос не может быть получен без вычислений. При решении количественных задач качественный анализ также необходим, но он дополняется еще и количественным анализом с подсчетом тех или иных количественных характеристик процесса.

Под тренировочными задачами подразумеваются задачи, требующие простого анализа и простого вычисления. Решение таких задач (в небольшом количестве) необходимо для конкретизации только что сообщенной закономерности. Наиболее легкие из них решаются устно.

Например: Определить сопротивление нихромовой проволоки, длина которой 150 м, а площадь поперечного сечения 0,2 мм².

Графические задачи - это такие задачи, в процессе решения которых используют графики.

Решение графических задач способствует уяснению функциональной зависимостью между физическими величинами, привитию навыков работы с графиками, развитию умения работать с масштабами.

Например:

1. Построить график пути равномерного движения, если х = 2 м/с.

2. Какие явления характеризует каждая часть графика…

Задачи с техническим содержанием - задачи, в которых отражена связь физики с техникой или производством.

Подобные задачи учитель может составлять сам, используя сообщения из газет, журналов, радио и телевидения. При решении таких задач все внимание учеников сосредоточено на раскрытии новых терминов.

Например: Почему для постройки сверхскоростных реактивных самолетов используют специальные жароустойчивые сплавы?

Задачи с историческим содержанием - это такие задачи, в условиях которых использованы исторические факты об открытии законов физики или каких-либо изобретений. Они имеют большое познавательное и образовательное значение.

Например, в 7 классе, при изучении закона Архимеда для газов, можно решить задачу: Ученый Аристотель, живший в IV веке до н.э. обнаружил, что кожаный мешок, надутый воздухом, и тот же мешок без воздуха, сплющенный, имеют одинаковый вес. На основании этого опыта он сделал неверный вывод, что воздух не имеет веса. В чем заключалась ошибка Аристотеля?

Занимательные задачи - это такие задачи, содержание которых дается в занимательной форме. Они могут быть качественными, экспериментальными или количественными.

Необычная постановка вопроса в таких задачах и последующее обсуждение результатов обычно глубоко заинтересовывают учащихся. К сожалению, в сборниках задач по физике мало задач занимательного характера. Поэтому их приходится подбирать учителю из других источников. Например: Я.И. Перельман «Занимательная физика», «Физика на каждом шагу»; В.И. Зибера «Задачи-опыты по физике».

Пример: почему не удается встать со стула, не нагибая корпуса вперед? Проверить на опыте и т.д.

В особый тип выделяют задачи межпредметного содержания, отражающие связь физики с другими учебными дисциплинами. В задачах с историческим содержанием обычно используют факты из истории открытия законов физики или каких-либо изобретений. Они имеют большое познавательное воспитательное значение.

Экспериментальные задачи - это задачи, при решении которых с той или иной целью используется эксперимент. Эксперимент в задачах используют по-разному. В одних случаях из опыта, проводимого на демонстрационном столе, или из опытов, выполняемых учащимися самостоятельно, находят данные необходимые для решения задачи. В других случаях задача может быть решена на основе данных, указанных в условиях задачи [11].

Опыт в таких случаях используют для иллюстрации явлений и процессов, описанных в задаче, или для проверки правильности решения. Но если эксперимент применяется только для проверки решения, задачу неправомерно называть экспериментальной. Существенным признаком экспериментальных задач является то, что при их решении и данные берутся из опыта.

Решение экспериментальных задач способствует развитию наблюдательности, а также совершенствуют навыки обращения с приборами.

Например: С помощью мензурки с водой определить вес деревянного бруска…

В процессе решения экспериментальных задач у учащихся развивается наблюдательность, совершенствуются навыки обращения с приборами. При этом школьники глубже познают сущность физических явлений и законов.

Физические задачи, в условии которых не хватает данных для их решения, называют задачами с неполными данными. Недостающие данные для таких задач находят в справочниках, таблицах и в других источниках. С такими задачами учащиеся будут часто встречаться в жизни, поэтому решение в школе подобных задач очень ценно. Для того, чтобы проявить учащимся интерес к решению задач необходимо их умело подбирать. Содержание задач должно быть понятным и интересным, кратко и четко сформулированным. Математические операции в задаче не должны затушевывать ее физический смысл, необходимо избегать искусственности и устаревших числовых данных в условиях задач. Начинать решение задач по темам нужно с простейших, в которых внимание учащихся сосредотачивается на закономерности, изучаемой в данной теме, или на уточнении признаков нового понятия, установлении его связи с другими понятиями. Затем постепенно следует переходить к более трудным задачам.

1.3 Как решать задачи

Для того, чтобы научить учеников решать задачи, необходимо представлять себе, какова структура мыслительной деятельности ученика по решению задачи.

Самый важный - первый момент - анализ условия. Ученик должен не только запомнить условие, но и осознать его. Иначе решение задачи превратится в «пойди туда, не знаю куда, и принеси то, не знаю что». Проверить понимание задачи учитель может, попросив ученика повторить формулировку задачи, выделить главные элементы задачи: неизвестные и данные. При решении задачи учеником у доски должно стать правилом самостоятельное произнесение учеником формулировки задачи без использования учебника или подсказок.

На этапе поиска решения ученик вспоминает физические законы, определения, описывающие ту область явлений, о которой говорится в задаче и составляет план решения. Этот этап самый сложный, на него приходится большая доля мысленных усилий.

Существуют различные методы поиска решения задачи. Учащихся желательно ознакомить с ними, показывая, в каких случаях удобнее использовать тот или иной из них.

Основные методы поиска решения задачи: анализ и синтез. Но обычно в чистом виде они не используются, и самым распространённым является аналитико-синтетический способ [12].

При решении задач анализ может выступать в двух формах: а) когда в рассуждениях двигаются от искомых к данным задачи; б) когда целое расчленяют на части. Соответственно, синтез - это рассуждение: а) когда двигаются от данных задачи к искомым; б) когда элементы объединяют в целое.

Найденное известное решение задачи обычно излагают синтетическим методом, а чтобы найти способ решения, обычно пользуются анализом. Синтез позволяет изложить известное решение задачи быстро и чётко. Однако ученику при этом трудно понять, как было найдено решение, как бы он сам мог догадаться решить задачу. (Особенно это хорошо видно на примере доказательства некоторых особо сложных теорем математики. Проводятся некоторые преобразования, искусственные приёмы с введением замен, подстановками и, в конце концов, теорема оказывается доказанной. А сам процесс нахождения доказательства остался «за кадром»). Анализ требует большей, чем синтез, затраты учебного времени, но зато позволяет показать ученику, как найти решение, как можно самому догадаться её решить. Если анализ используется систематически, то у учащихся формируются навыки поиска решения задач.

Анализ в чистом виде вообще не применяется. Если ученик пользуется им при поиске решения задачи, то только до тех пор, пока в его сознании не возникнет идея решения. При решении задачи синтезом в сознании человека проводится и анализ, но часто настолько быстро, подсознательно, что ему кажется, будто он сразу увидел решение, не прибегая к анализу.

На этапе решения идут преобразования записанных формул, осуществляется намеченный план решения.

Проверка результата - проверка, прикидка достоверности, полученного результата.

Исследование решения предполагает, что задача будет немного изменена, и ученик поисследует физическое явление. Этот очень важный этап часто опускается учителем, в то время, как его дидактические возможности огромны. Необходимо помнить, что никакую задачу нельзя исчерпать до конца, всегда остаётся что-то, над чем можно поразмышлять; изменив условие и решив полученную задачу, можно глубже проанализировать физическое явление; в ряде случаев можно найти другое решение этой же задачи.

Основные средства учителя, позволяющие научить решать задачи:

1) Образец решения задачи. Такой образец полезен на первом этапе, но его дидактическая ценность невелика.

2) Алгоритмическое предписание. По такому предписанию легко решаются задачи, например, в кинематике.

Но сложные творческие задачи не решаются по образцу или алгоритмическому предписанию. Для их решения учащиеся сами должны «изобрести» (составить) способ решения. А для этого:

- они должны знать и владеть общими эвристическими методами их решения. Эти общие методы следует сообщать учащимся постепенно и регулярно, иллюстрируя достаточным числом примеров;

- больше решать задач самостоятельно, т. к. любые умения и навыки приобретаются только в практике. При этом решение задач учениками должно быть мотивированным, т. к. эффективность поиска решения прямо зависит от стремления его найти.

Поэтому добавим ещё два средства:

3) Обучение эвристическим методам решения задач на большом числе примеров.

4) Самостоятельное и заинтересованное решение учащимися задач, способ решения которых им не известен, но материал которых не выходит за рамки их знаний.

Общий алгоритм решения задач [13].

- Внимательно прочитайте условие задачи и уясните основной вопрос; представьте процессы и явления, описанные в задаче.

- Повторно прочитайте содержание задачи для того, чтобы четко представить основной вопрос задачи, цель решения ее, заданные величины, опираясь на которые можно вести поиски решения.

- Произведите краткую запись условия задачи с помощью общепринятых буквенных обозначений.

- Выполните рисунок или чертеж к задаче.

- Определите, каким методом будет решаться задача; составьте план ее решения.

- Запишите основные уравнения, описывающие процессы, предложенные задачной системой.

- Найдите решение в общем виде, выразив искомые величины через заданные.

- Проверьте правильность решения задачи в общем виде, произведя действия с наименованиями величин.

- Произведите вычисления с заданной точностью.

- Произведите оценку реальности полученного решения.

- Запишите ответ.

При решении всех задач должна выполняться следующая последовательность деятельности школьников: анализ задачи (текста) и физического явления; определение идеи и плана решения; решение; анализ решения, выводы.

1.4 Понятие об экспериментальной задаче в методике обучения

В педагогике по Сластенину В.А. - экспериментальные задания - это кратковременные наблюдения, измерения и опыты, тесно связанные с темой урока [14].

Ни одна тема не должна быть пройдена чисто теоретически, как ни одна работа не должна быть проделана без освещения ее научной теории. Умелое сочетание теории с практикой и практики с теорией даст нужный воспитательный и образовательный эффект и обеспечит выполнение требований, которые предъявляет нам педагогика. Основное орудие обучения физике (ее практической части) в школе - демонстрационный и лабораторный эксперимент, с которым учащийся должен иметь дело в классе при объяснениях учителя, на лабораторных работах, в физическом практикуме, в физическом кружке и в домашних условиях.

Без эксперимента нет и не может быть рационального обучения физике; одно словесное обучение физике неизбежно приводит к формализму и механическому заучиванию [15].

Проблема повышения качества знаний обучающихся по физике разрешается в средней школе различными путями, в частности, усилением экспериментальной стороны преподавания, организацией самостоятельной работы учащихся. Этим целям прекрасно служат экспериментальные задачи, решение которых находится опытным путем.

В методической литературе нет четкого определения экспериментальной задачи.

У П. А. Знаменского дается следующее указание: «К экспериментальным задачам относятся вычислительные задачи и задачи-вопросы, при решении которых применяется эксперимент». В пособии приводятся примеры задач того и другого вида, но методика решения задач не рассматривается [16].

В пособии С. С. Мошкова приводится классификация экспериментальных задач, рассматривается методика их решения, приводятся примеры экспериментальных задач [17].

В пособии С. Е. Каменецкого и В. П. Орехова дается следующее определение экспериментальных задач: «Экспериментальными называют задачи, в которых с той или иной целью используют эксперимент» [3].

Экспериментальные задачи - это физические задачи, постановка и решение которых связаны с экспериментом: с различными измерениями, воспроизведением физических явлений, наблюдениями за физическими процессами, сборкой электрических цепей.

Но экспериментальные задачи в отличие от текстовых требуют больше времени на подготовку и решение, а также наличия у учителя и учащихся навыков в постановке эксперимента. Однако решение таких задач положительно влияет на качество преподавания физики. Экспериментальные задачи способствуют повышению активности учащихся на уроках, развитию логического мышления, учат анализировать явления, заставляют ученика напряжённо думать, привлекая все свои теоретические знания и практические навыки.

Разбирая экспериментальные задачи, ученики убеждаются на конкретных примерах, что их школьные знания вполне применимы к решению практических вопросов, что с помощью этих знаний можно предвидеть физическое явление, его закономерности. То есть, книжные утверждения приобретают реальный смысл. Решение таких задач способствует получению учениками прочных, осмысленных знаний, умению пользоваться этими знаниями в жизни.

Самостоятельное решение учениками экспериментальных задач способствует активному приобретению умений и навыков исследовательского характера, развитию творческих способностей. Здесь им приходится не только составлять план решения задачи, но и определять способы получения некоторых данных, самостоятельно собирать установки.

Разбор таких задач воспитывает у учеников критический подход к результатам измерений. На практике они убеждаются, что результаты измерений всегда приближённы, что на их точность влияют различные причины, и потому, производя эксперимент, необходимо устранять все побочные влияния.

Экспериментальные задачи помогают ученикам лучше решать расчётные, решение которых часто сводится к подстановке чисел, данных в условии, в формулы без уяснения физического смысла задачи. Обычно экспериментальные задачи не имеют всех данных, необходимых для решения, поэтому ученику приходится сначала осмыслить физическое явление или закономерность, о которой говорится в задаче, выявить, какие данные ему нужны, продумать способы и возможности их определения, найти и только на заключительном этапе подставить в формулу, что ученик делает вполне осмысленно.

Эти задачи дают возможность учащемуся проявить творческую самостоятельность, и приучают его при решении конкретных вопросов исходить из неразрывной связи теории с опытом. Вследствие этой связи весь ход решения задачи и его физический смысл приобретают особую ясность для учащихся. Показ даже большого количества опытов на уроках физики, сам по себе, еще не обеспечивает в нужной степени осуществления основных этапов процесса познания и тем самым недостаточно способствует приобретению осознанных и активных знаний, т.е. таких знаний, которые могли бы быть самостоятельно использованы учениками для решения практических вопросов. Постановка экспериментальных задач показывает учащимся физические законы в действии, выявляет объективность законов природы, их обязательное выполнение показывает использование людьми знаний законов природы для предвидения явлений и управления ими, важность их изучения для достижения конкретных, практических целей.

Особенно ценным надо признать такие экспериментальные задачи, данные для решений которых, берутся из опыта, протекающего на глазах учащихся, а правильность решения проверяется опытом или контрольным прибором. В этом случае теоретические положения, изучаемые в курсе физики, приобретают особенную жизненность и значимость в глазах учащихся. Решение экспериментальных задач помогает учащимся глубже и полнее осмыслить и понять изученную закономерность, так как показывает ее в действии в совершенно конкретной обстановке, где каждые из величин, входящих в закономерность, выступает перед учениками вполне реально и в реально действующих взаимосвязях.

Постановка экспериментальных задач помогает вскрывать недопонятое, ошибочно представляемое учащимися, причем задача может быть очень простой, но заставляющей учащихся выявить их внутреннее понимание вопроса, а не формальное знание его. В случае текстовой постановки задачи или при помощи рисунка, заменяющего вещественную установку, такого интереса и беспокойства за правильность решения не возникает. Повышенный интерес при решении экспериментальных задач можно наблюдать в любом классе, при постановке любой экспериментальной задачи. Это отмечают все учителя, обращающиеся в своей практике к экспериментальным задачам. И этот интерес отнюдь не развлекательного характера, не отвлекающий учеников от содержания урока, а наоборот, направляющий их внимание в нужную сторону и обеспечивающий лучшее усвоение разбираемого на уроке материала. Конкретные вещественные установки сосредотачивают внимание учащихся на поставленном вопросе вне зависимости от внешней эффектности самой установки или ожидаемого явления, а в силу своей непосредственной связи с жизнью, с природой. Установка может быть самой обычной, интерес рождается не ею, а возможностью использовать свои знания для предвидения реального события. Решение экспериментальных задач и особенно количественных, конечно, дело несколько более сложное, чем решение текстовых задач, так как проверка решения практикой заставляет и многое учитывать, и быть очень внимательным к экспериментальной части задач и к вычислениям [18].

Хорошо известно, что эффективность усвоения значительно увеличивается при использовании демонстраций. Исследования показали, что продемонстрировать ту или иную операцию с прибором эффективнее, чем рассказать о ней.

Развитие определенных качеств личности зависит от того, насколько они проявляются в деятельности. Домашние задания экспериментального характера воспитывают самостоятельность и ответственность. На уроке развитие этих качеств может быть лишь намечено, но не реализовано полностью, так как для этого необходимы постоянные осознанные действия ученика, у него нередко нет выбора, когда, в какой последовательности, за какое время и какими средствами выполнять задание на уроке. Домашний же опыт требует от школьника умения правильно распределять свое время и планировать, научиться делать это самостоятельно. Могут возникать ситуации нравственного испытания, когда ученику приходится преодолевать внутренние конфликты, например, ситуация выбора между проведением интересного занимательного опыта и, к примеру, просмотра телевизионной передачи. Такая ситуация может возникнуть, если задание дано коллективное и ученик не может подвести своих товарищей. Например, при подготовке к обобщающим заключительным урокам по темам курса физики, где ученики будут представлять и защищать свои домашние экспериментальные работы группами или, если ученику дано ответственное задание - изготовить прибор, который будет необходим на следующем уроке, он не может подвести учителя и т.п. Таким образом, пока он не сделает такое домашнее задание, он не может заняться другими делами, процесс преодоления закаляет волю. Закаляют волю и трудности в ситуации, когда не удается что-то выполнить, несмотря на все усилия. Никак не удается сделать прибор так, чтобы он хорошо работал и красиво выглядел, лучше всех в классе, или заданный учителем опыт не с первой попытки проходит так, как нужно и т.п. Эти трудности естественны и необходимы для укрепления характера, точно так же, как и чувство удовлетворения и гордость, когда «невыполнимое» задание все-таки преодолено.

Основным достоинством экспериментальных задач является их вещественная постановка, их непосредственная связь с реальными явлениями, протекающими на глазах учащихся.

Недостатком экспериментальных задач является тематическая ограниченность их содержания, вызываемая специфичностью школьной обстановки и экспериментальной базы кабинета физики. Постановка экспериментальных задач возможна и желательна во всех классах, в которых преподается физика, начиная с 7 по 11 включительно.

Постановка экспериментальных задач в младших классах способствует сознательному усвоению учащимися, таких основных для дальнейшего изучения физики понятий, как давление, сила давления, механическая работа. В старших классах объем изучаемого материала по физике, математическая подготовка и возрастные особенности учащихся создают для постановки экспериментальных задач еще более благоприятные условия, чем в 7-9 классах.

В целом, в процессе самостоятельной экспериментальной деятельности учащиеся приобретают следующие конкретные умения:

- наблюдать и изучать явления и свойства веществ и тел;

- описывать результаты наблюдений;

- выдвигать гипотезы;

- отбирать, необходимые для проведения экспериментов, приборы;

- выполнять измерения;

- вычислять погрешности прямых и косвенных измерений;

- представлять результаты измерений в виде таблиц и графиков;

- интерпретировать результаты экспериментов;

- делать выводы;

- обсуждать результаты эксперимента, участвовать в дискуссии.

Учебный физический эксперимент является неотъемлемой, органической частью курса физики средней школы. Удачное сочетание теоретического материала и эксперимента дает, как показывает практика, наилучший педагогический результат [19].

Основное значение решения экспериментальных задач заключается в формировании и развитии с их помощью измерительных умений, умений обращаться с приборами. Кроме того, такие задачи развивают наблюдательность и способствуют более глубокому пониманию сущности явлений, выработке навыков строить гипотезу проверять ее на практике. По роли эксперимента А. В. Усова и Н. Н. Тулькибаева выделяют экспериментальные задачи, в которых:

- без эксперимента нельзя получить ответ;

- эксперимент используется для создания определенной ситуации;

- эксперимент используется для иллюстрации описанного явления;

- эксперимент используется для проверки полученного результата.

Если в задаче описана знакомая ситуация, то эксперимент позволяет определить некоторые физические величины и включить их в условие задачи. При этом эксперимент содержание задачи, заданное неопределенно, превращает в конкретное.

Если условие задачи описывает новую для учащихся ситуацию, то целесообразно эту ситуацию задать экспериментально. Если же в задаче описывается изменение состояния тела, то параметры одного из состояний или условия воздействия тоже могут быть заданы экспериментально [20].

Часто целью экспериментальных задач является поиск закономерностей, т.е. связей между разными характеристиками физических систем или процессов. При этом, как правило, закономерности накладываются друг на друга так, что бывает трудно разобраться в их хитросплетении. Тактика при выполнении таких исследований состоит в том, что поэтапно изучается связь только между двумя величинами, в то время как другие остаются неизменными.

Такие задачи ставятся в самом общем виде. Ученику предоставляется возможность выбирать:

- цели исследования;

- находить пути их достижения;

- проводить необходимые измерения;

- анализировать полученные результаты;

- делать окончательные выводы.

Математический вид исследуемых зависимостей зачастую достаточно сложен. Здесь совершается большое число ошибок, - учащиеся ограничиваются только прямой или обратно пропорциональной зависимостью, а порой вообще не делают никакого математического анализа полученных результатов. Кроме того, важно учитывать погрешности измерений, вуалирующие истинные соотношения, или, хуже того, «открывающие» несвойственные закономерности. И причина этого, скорее всего, в отсутствие опыта исследовательской работы - школьные лабораторные работы строятся по такой схеме, что нарабатываются только репродуктивные качества и навыки.

Таким образом, мы видим, что основное назначение экспериментальных задач заключается в том, чтобы способствовать формированию у учащихся основных понятий, законов, теорий, развитию мышления, самостоятельности, практических умений и навыков, в том числе умений наблюдать физические явления, выполнять простые опыты, измерения, обращаться с приборами и материалами, анализировать результаты эксперимента, делать обобщения и выводы.

Систематическое использование в учебном процессе по физике экспериментальных задач и заданий способствует более глубокому проникновению в сущность изучаемых явлений и законов, пониманию связей между явлениями.

Экспериментальные задачи и задания с успехом могут быть использованы и в нетрадиционных уроках и внеурочных мероприятиях по физике. Это могут быть уроки систематизации знаний, уроки-викторины и КВН, уроки творческого отчёта, урок конкурс и урок игра.

1.5 Классификация экспериментальных задач

Экспериментальные задачи делятся на качественные и количественные. В решении качественных задач отсутствуют числовые данные и математические расчёты. В этих задачах от ученика требуется или предвидеть явление, которое должно совершиться в результате опыта, или самому воспроизвести физическое явление с помощью данных приборов.

Например: «Взять сырую картофелину и разрезать её пополам. В центре среза поместить кусочек марганцовки и соединить половинки. Через некоторое время их разъединить. Назвать наблюдаемое явление и объяснить его».

«В пробирке находится расплавленный парафин. Какую форму примет его поверхность при затвердевании? Проверить опытом, объяснить».

При решении количественных задач сначала производят необходимые измерения, а затем, используя полученные данные, вычисляют с помощью математических формул ответ задачи.

Например: «Определить удельное сопротивление данной проволоки, имея аккумулятор, амперметр, вольтметр, микрометр и масштабную линейку. По таблице удельных сопротивлений установить, из какого материала сделана данная проволока».

«Имея мензурку с водой, определить архимедову силу, которая будет действовать на данный кусок металла при погружении его в воду. Ответ проверить опытом с помощью динамометра».

Проверка правильности решения таких задач может быть осуществлена разными способами в зависимости от содержания задач. Решение большинства количественных задач проверяется путём непосредственного измерения искомой величины с помощью соответствующих приборов; с помощью другого контрольного опыта, т.е. другим способом и другими приборами; по паспортным данным или таблицам. Решение качественных задач проверяется, как правило, с помощью постановки контрольного опыта. Например, в задаче дано описание опыта, требуется предсказать его результаты. Контрольный эксперимент, выполненный учеником, либо подтвердит его ответ, либо опровергнет. Частичного совпадения логического решения и опыта здесь не должно быть, поэтому необходимо свести к минимуму все побочные факторы, отрицательно влияющие на результат эксперимента. Приборы для контрольного опыта заранее выдавать не следует. Иначе, как правило, ученик сначала проделывает контрольный опыт, а потом подгоняет решение к результату эксперимента [21].

Качественные экспериментальные задачи

К качественным экспериментальным задачам следует отнести задачи, поставленные на конкретной физической установке, на конкретном вещественном материале и не требующие для решения количественных данных и математического расчёта. Это могут быть задачи-вопросы, которые есть в учебниках или задачниках. Вопросы к задаче могут быть поставлены иначе. Приготовив установку можно спросить у учащихся, что произойдёт в результате наших действий. В другом случае им предлагается не предвидеть событие, а показать его. В этом случае мы не спрашиваем что будет, а спрашиваем как это сделать?

Примеры качественных экспериментальных задач

При прохождении темы «Давление газов» или при её повторении можно собрать на демонстрационном столе установку, состоящую из колокола воздушного насоса, под которым находится стакан, частично наполненный мыльной пеной. Тарелка, на которой собрана установка, соединена с насосом Комовского. Опыт можно упростить, используя толстостенный сосуд, частично наполненный мыльной пеной и насос Комовского. Показав установку учащимся, предлагаем им решить, что будет наблюдаться внутри стакана, если воздух из-под колокола начать откачивать? Учащиеся должны подробно разобрать задачу и обосновать, почему пена будет подниматься, заполняя сосуд. После того как решение будет найдено и подтверждено опытом, следует учащихся спросить: что произойдёт, если воздух вновь пустить?

Широко распространённые задачи - вопросы, связанные с атмосферным давлением с законом Архимеда, поставленные экспериментально, также могут служить хорошим примером качественных экспериментальных задач.

Количественные экспериментальные задач

Количественными экспериментальными задачами следует назвать такие задачи, решение которых осуществляется путём математической обработки данных, полученных экспериментально, в процессе их решения, то есть уже после того как задача была поставлена. Решение таких задач начинается с планирования эксперимента, который должен быть поставлен для получения количественных данных, нужных для рения задачи.

Примеры количественных экспериментальных задач

Поставив на стол мензурку с водой, и положив рядом с ней пробирку, предлагаем учащимся, пользуясь мензуркой, определить вес или массу данной пробирки. Такая задача решается просто. Измерив, уровень воды в мензурке, опускают в неё пробирку. Пробирка будет плавать, вытесняя некоторое количество воды. Плотность воды составляет 1 г/см³ , следовательно, объём вытесненной воды численно равен весу плавающей пробирки. Зная вес пробирки, вычисляют её массу. Можно предложить и более сложный вариант задачи: определить плотность стекла пробирки, используя мензурку с водой. После определения массы стекла, целиком утопив пробирку, определяют объём стекла, вычисляют плотность. Подобные задачи, кроме формирования умений, развивают интерес и фантазию.

Можно предложить учащимся вычислить силу, с которой воздух давит на площадь тетради, раскрытой перед ними. (Отличием температуры воздуха от 0 ^єС и высотой над уровнем моря пренебречь). Участие в таких экспериментах ограничено и сводится только к получению нужных для решения задачи величин путём непосредственных измерений. Правильность решения этой задач и не проверяется. Такие задачи относятся ко второй группе количественных экспериментальных задач. Отличительным признаком задач второй группы и вместе с тем их недостатком является неосуществление в ходе решения задачи того физического процесса, о котором идёт речь в задаче. Тем не менее, постановка и решение экспериментальных задач второй группы имеет большое практическое значение.

...