Нормирование учебной нагрузки учащихся при изучении молекулярной физики

Н.О. Мааткеримов

В результате анкетирования выявлена перегрузка учащихся при подготовке по физике. Раскрыты уровни обобщения физической теории на основе цикла научного познания. Разработаны рекомендации по нормированию учебной нагрузки десятиклассников.

Нормирование учебной нагрузки учащихся - одна из важнейших задач, стоящих в настоящее время перед общеобразовательной школой. Уроки обобщающего повторения играют важную роль в осуществлении методологической и теоретической подготовки учащихся. Основной функцией уроков этого типа являются систематизация и обобщение знаний и умений. Так, по теме «Основы молекулярно-кинетической теории» (МКТ) рекомендуется провести два повторительно-обобщающих занятия [1].

При подготовке к урокам обобщающего повторения учащиеся должны воспроизвести приобретенные ранее знания по теме, изучаемой на протяжении 15-20 и более уроков.

Как показывает практика школы, при этом часто возникает перегрузка учащихся учебной работой. Так, по результатом анкетирования, проведенного в школах Иссык-Кульской области в течении ряда лет, 62% учащихся десятых классов систематически готовятся к урокам обобщающего повторения. На вопрос анкеты: Как ты готовишься к урокам обобщенного повторения? -27% учащихся ответили, что просматривают каждый параграф повторяемой темы, а 14% указали, кроме того, что просматривают в тетрадях записи решенных в классе и дома задач, 6% учащихся отвечают на вопросы, стоящие после текста параграфов и привлекают дополнительную литературу. На подготовку к урокам обобщающего повторения все эти школьники затрачивают больше времени (в среднем на 0,5-1 час), чем на обычные уроки физики, 19% десятиклассников не ответили на этот вопрос.

В результате анализа наблюдений на уроках физики, изучения тетради учащихся и классных журналов, а также бесед с учителями с самими школьниками было установлено, что для данной категории учащихся характерна добросовестность в выполнении учебной работы, занимаются они в основном на «хорошо» и «отлично». Именно это группа школьников испытывает перегрузку учебной работой, хотя повторяется уже знакомый учащимися материал.

Учащиеся со значительными пробелами в знаниях и умениях при подготовке к урокам обобщающего повторения предпочитают просматривать физические формулы, повторять формулировки законов, понятий, величин (14%), либо вовсе не готовиться к таким урокам (37%).

Незначительная часть учащихся имеет представления об этапах процесса научного познания. Абсолютное большинство учащихся затруднялись в раскрытии содержания теории, ее ядра, роли эксперимента в развитии теории.

Между тем изучение основ МКТ должно проводиться на уровне обобщения фундаментальных физических теорий в следующей последовательности. В процессе наблюдения и эксперимента проводятся накопление и анализ фактов. Затем идет абстрагирование - отвлечение от конкретных явлений и формулировка обобщения с пользованием идеализированного объекта. Далее следует получение и обсуждение всевозможных конкретных выводов и следствий. И, наконец, применение полученных знаний и конкретным физическим объектам и явлениям [2,3].

Таким образом, одним из условий нормализации учебной нагрузки школьников служит реализация в обучении цикла научного познания по схеме

нормирование учебный нагрузка учащийся

Конечная цель указанной цепочки научного познания с позиции нормализации - достижение наивысших возможных данных для данного школьника результатов без дополнительных затрат времени сверх нормативных.

Подготовка к уроку обобщающего повторения с учетом сохранения нормализованной учебной нагрузки школьников предполагает четкое разделение материалов по структуре фундаментальной физической теории, в данном случае молекуляно-кинетической теории. В данной статье рассмотрим оптимальный объем знаний по МКТ для реализации цикла научного познания с точки зрения нормализации нагрузки учащихся.

I. Большинство научных фактов и явлений, лежащих в основе МКТ, известны учащимися из курса физики первой ступени и их необходимо напомнить. Это явление диффузии в газах жидкостях и твердых телах, расширение и сжатие тел под влиянием механических и тепловых воздействий. Для большей наглядности эти опыты можно воспроизвести. В курсе молекулярной физики X класса добавляются факты броуновского движения и возможность определения размеров и массы молекул. Затем вместе с учащимися учитель формулирует основные положения МКТ. Необходимо подчеркнуть, что главные тезисы МКТ введены на основе некоторого числа научных фактов, которые необходимо закрепить с помощью упражнений следующих типов.

Перечислите основные (общие) свойства газов

Укажите: а) свойства (общие и различия) теплового движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах; б) основные свойства взаимодействия молекул в газах, жидкостях и твердых телах.

Укажите факты, которые подтверждают, что: а) силы притяжения молекул в газах малы по сравнению с силами притяжения молекул жидкостях и твердых телах при условиях близким к нормальным; б) силы отталкивания молекул и атомов малы на расстояниях больших, чем эффективные диаметры молекул.

Укажите основные закономерности броуновского движения в газах. Сравните эти закономерности для газов и жидкостей.

II. После этого необходимо обобщить знания учащихся о понятии «идеальный газ». Указать, что МКТ, наряду со статистическими закономерностями, широко использует метод физического моделирования. Этот метод заключается в том, что вместо реально существующего физического объекта (например, вещество в твердом, жидком и газообразном состояниях) рассматривается его упрощенная модель, отражающая наиболее существенные особенности изучаемого объекта [4]. Необходимо, чтобы учащиеся уяснили, что использование физических моделей в МКТ позволяет объяснить различные свойства вещества.

В модели идеального газа учитывается следующие особенности: состоит из одинаковых по массе молекул (упругих шариков) - материальных точек; молекулы движутся хаотически, но не взаимодействуют между собой, их удары о стенку и друг о друга абсолютно упругие; движение каждой молекулы может быть описано законами механики Ньютона; идеальный газ подчинятся статистическим закономерностям, а не динамическим.

Следует обратить внимание учащихся на границы применимости МКТ, т.е. на то, что идеальных газов в природе нет, что это только воображаемые газы с молекулярными массами реально существующих газов. Все существующие в природе газы можно с тем большим основанием считать идеальными, чем сильнее они разрежены, а также если они пребывают при не очень низких и не очень высоких температурах. Так, например, если какой-либо газ находится в сосуде объемом в 10 л, при температуре 00С и давлении 100 кПа, то сумма объемов занятых самими молекулами (как показывают расчеты и рассчитать это дома можно предложить учащимся), составляет около 0,0004 объема сосуда, т.е. 4 см3 и на межмолекулярное пространство приходится 10000-4=9996 см3.

В таких больших объемах молекулы газа находится на больших расстояниях друг от друга и силы молекулярного притяжения весьма малы. Если же этот газ сжать, заставляя занять объем в 50 см3, то объем самих молекул составит заметную часть всего объема и пренебречь им уже нельзя; что же касается сил взаимодействия, то на таких близких расстояниях они становятся весьма заметными. При обобщении знаний о модели идеального газа учащимся можно предложить следующие вопросы и задания.

I. При изучении такого сложного объекта как газ в молекулярной физике применяется метод физического моделирования. а) в чем этот метод состоит? б) каково назначение физических моделей реальных объектов? в) приведите примеры физических моделей, применяемый в механике.

2. Объясните с помощью модели «идеальный газ» основные свойства газов: а) газы сравнительно легко сжимаются; б) они оказывают давление на стенки сосуда любой формы и размера: в) занимают любой предоставленный объема; г) диффузия и броуновское движение в газах носят более интенсивный характер, чем в жидкостях и твердых телах.

III. Для нормализации нагрузки учащихся особо важную роль играет третье звено цикла - получение следствий из МКТ. В методической литературе в настоящее время отдается предпочтение такой структуре и методике изучения темы МКТ, в основе которой содержится основное уравнение МКТ для идеального газа и понятие температуры [5]. Большинство методистов придерживается дедуктивного метода изложения газовых законов т.е. нет необходимости изучать каждый из газовых законов в отдельности, решать на их основе задачи. Школьники смогут решать такие задачи много проще на основе одного уравнения состояния газов, обобщающего все частные случаи. Учитель может предложить задания следующих типов.

I. Из уравнения для давления газа Р=nkТ получите уравнения:

а) Бойля-Мариотта; б) Гей-Люссака; в) Шарля.

2. Вычислите универсальную газовую постоянную, используя параметры нор-мального состояния одного моля идеального газа.

Разъяснение физического смысла понятия температуры можно представить в виде логической цепи, состоящий из ряда следующих звеньев:

закон теплового равновесия /нулевое начало термодинамики/ позволяет дать макроскопическое определение температуры, как величины, одинаковой у любых тел, находящихся в состоянии теплового равновесия;

ставится задача нахождения в процессе опыта физической величины, обладающей свойством температуры - быть одинаковой для тел в тепловом равновесии;

Размещено на http://www.allbest.ru/

выдвигается гипотеза о том, что такой величиной может быть средняРазмещено на http://www.allbest.ru/

я кинетическая энергия поступательного движения молекул;

на основе опыта формулируется вывод о том, что физическая величина, обладающая свойством температуры, - эта средняя кинетическая энергия поступателРазмещено на http://www.allbest.ru/

ьного движения молекулы, математически выводится зависимость.

IV. Полученные следствия из МКТ подтверждаются экспериментально. Замыкают цепочку научного познания опыты по определению средней скорости молекул, по проверке законов Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, уравнения состояния газа.

Опыт Штерна по определению скорости движения молекул газа является фундаментальным опытом, подтверждающим правильность МКТ. При его изложении необходимо особо обратить внимание учащихся на следующие основные моменты опыта. Полоска напыленных атомов серебра при вращении цилиндров имела размытые края и неодинаковую плотность по ширине. Это означало, что более быстрые атомы отклонялись на меньший угол, более медленные на больший угол. Различная плотность осадки по ширине полоски указывала на существование распределения атомов серебра по скоростям. Форма распределения, обнаруженная экспериментально, совпадает с теоретическими предположениями Максвелла о распределении молекул газа по скоростям. Большинство атомов серебра имели некоторую среднюю скорость, наиболее вероятную для всей совокупности движущихся атомов серебра. Полученные в результате измерения значения среднего квадрата скорости движения атомов серебра оказались (в пределах возможных ошибок измерения) совпадающими со значениями скорости, вычисленной по формуле, полученной МКТ.

По теоретическим расчетам средняя квадратичная скорость молекул паров серебра при температуре 12000С равна 580 м/с, вычислить это самостоятельно можно предложить учащимся. В опыте Штерна она оказалась равной 576 м/с. Такое совпадение теоретического значения скорости со значением полученными из опыта, подтверждает правильность МКТ газов.

Следует обратить внимание учащихся на то, что средняя квадратичная скорость является не только математическим преобразованием, но и имеет реальный физический смысл. Физический смысл средней квадратичной скорости заключается в том, что такой скоростью должны были бы обладать все молекулы газа, чтобы температура и давление газа были такими, какими они есть в действительности. На самом же деле молекулы газа имеют в любой момент различные скорости, отличающиеся от средней квадратичной, хотя у большинства молекул это отличие незначительное. Средняя квадратичная скорость применима ко всей системе молекул газа и неприменима к отдельным молекулам.

Для закрепления знаний учащихся можно рекомендовать задания следующего типа.

I. Баллон вместимостью 40 л содержит 1,98 кг углекислого газа. При какой температуре возникает опасность взрыва, если баллон выдерживает давление не выше 3000 кПа ?

2. Какая масса воздуха потребуется для наполнения камеры шины автомобиля «Москвич», если объем камеры 12 л ? Наполнение камеры производится при 270С до давления 220 кПа.

3. Опишите опыт Штерна, обратив внимание на: а) цель опыта; б) схему установки Штерна; в) наблюдаемый результат.

4. В опыте Штерна полоска серебра, появляющаяся на внутренней поверхности наружного цилиндра, получается размытой. Какой вывод можно на основании этого сделать?

Приведенная методика изучения основ МКТ позволяет при обобщении сконцентрировать материал изучений темы в крупные блоки согласно цикла научного познания. Их четко выраженная классификация и взаимосвязь способствует осмыслению и более глубокому усвоению темы, формированию научного мировоззрения, в частности, представлений о процессе познания и взаимосвязи явлений. Таким образом, в процессе подготовки к урокам обобщающего повторения нормированию учебной нагрузки школьников способствует систематизация учебного материала согласно циклу научного познания и реализация системы специально подобранных к ним упражнений и заданий.

Литература

1. Чирков Т.Г. Из опыта планирования занятий по основам молекулярно - кинетической теории //Физика в школе, 1991, №5, с.45-48.

2. Основы методики преподавания физики в средней школе / Под ред. А.В. Перышкина, В.Г. Разумовского, В.А. Фабриканта, М.: Просвещение, 1984.

3. Дьюри Дж. Психология и педагогика мышления. -М.:Лабиринт, 1999.

4. Мааткеримов Н.О., Андосова М.К., Байсеркеев А.Э. О проектировании учебного процесса в средней школе на основе его нормирования // Вестник ИГУ им. К. Тыныстанова, 2002, №7, с.142-147.

5. Мултановский В.В., Василевский А.С. Об изучении понятия температуры и основных положений молекулярно-кинетической теории // Физика в школе, 1988, №5, с 35-39.

Размещено на Allbest.ru