Размещено на http://allbest.ru

6

Астраханский государственный университет

Обучение учащихся методам исследования физических явлений при изучении школьного курса физики

И.А. Крутова, кандидат педагогических наук,

доцент кафедры теоретической физики

и методики преподавания физики

В настоящее время общество развивается в стремительно меняющихся социально-экономических условиях, выжить в которых человеку помогает способность принимать оптимальные решения в нестандартных ситуациях. В связи с этим появляется тенденция включения исследовательской деятельности в систему общего образования. Федеральный компонент государственного стандарта физического образования предусматривает обучение учащихся методам научного познания. Среди основных исследовательских умений выделяются следующие: «проводить наблюдения явлений, описывать и обобщать результаты наблюдений, планировать и выполнять эксперименты, выдвигать гипотезы и строить модели, применять полученные знания по физике для объяснения разнообразных физических явлений и свойств веществ. Сформировать у каждого ученика выделенные действия можно только при их многократном исполнении в конкретных ситуациях» [2, с.22].

Любое физическое явление может быть как предсказано теоретически, так и исследовано экспериментально. При теоретическом изучении явления проводится мысленный эксперимент по взаимодействию моделей объектов и предсказывается изменение их микропараметров. Этому изменению соответствует макроявление, которое обнаруживается в ходе реального эксперимента, выполняющего проверочную функцию. При изучении явления на эмпирическом уровне познания проводится серия экспериментов, в которой варьируются взаимодействующие объекты (материальный объект 1 - МО-1 и материальный объект 2 - МО-2) и условия взаимодействия (УВ). В этом случае эксперимент выполняет исследовательскую функцию. Учащиеся должны овладеть различными способами познания явлений, так как выбор метода исследования зависит от конкретных целей и имеющихся средств.

Изучение физического явления - это деятельность, конечным продуктом которой является новое для учащихся знание о явлении. Цели по добыванию нового знания формулируются в виде познавательных задач (ПЗ). Для решения каждой ПЗ проводится экспериментальное исследование. Эта деятельность состоит из ряда последовательных операций. На первом этапе решения ПЗ осуществляется разработка идеи или метода проведения эксперимента. Затем проектируется и конструируется экспериментальная установка (ЭУ), позволяющая реализовать эту идею. После этого составляется план действий с ЭУ, т.е. последовательность операций, которые предполагается произвести с ЭУ для того, чтобы осуществить идею эксперимента. Далее по составленному плану проводится эксперимент, и данные, полученные в ходе его проведения, подвергаются обработке.

Важным подготовительным моментом эмпирического исследования является выбор средств описания. В качестве таковых могут быть использованы различные знаковые системы и их комбинации: обычное повествование, схемы, различного рода графики, матрицы, таблицы, протоколы наблюдения.

Деятельность, связанная с экспериментальным исследованием, является обобщенной в том смысле, что с точки зрения подготовки экспериментальной установки, технологии проведения эксперимента не важно, какую функцию выполняет эксперимент в познании: исследовательскую или проверочную. Различие будет состоять в целях, побуждающих познающий субъект обратиться к эксперименту.

Чтобы разработать этап урока «Организация познавательной деятельности учащихся по изучению явления на эмпирическом уровне познания» нужно выполнить следующие действия:

1) составить определение понятия о явлении на макроуровне;

2) выделить структурные элементы явления: МО-1, МО-2, УВ;

3) придумать исходную ситуацию, в которой возникает потребность сформулировать общую ПЗ типа «Что это за явление?»

4) сформулировать три познавательные задачи типа:

ПЗ №1 - «С какими еще объектами может происходить это явление?»;

ПЗ №2 - «При воздействии каких еще объектов может происходить это явление?»;

ПЗ №3 - «Какие условия являются обязательными для протекания явления?».

5) разработать метод решения ПЗ №1, №2 , №3.

6) разработать экспериментально установку для решения каждой ПЗ;

7) сформулировать возможные результаты каждой серии экспериментов (при недостатке экспериментальных данных использовать результаты экспериментов, проведенных учеными, изучавшими данное явление).

8) сформулировать обобщенные знания о МО-1 , МО-2 , УВ.

Проиллюстрируем результаты выполнения этих действий на следующем примере.

Предположим, что разрабатывается фрагмент урока, на котором учащиеся создают понятие о явлении электризации тел трением.

1. Составим определение данного явления: электризация тел трением - это явление приобретения телом свойства притягивать легкие предметы при контакте или трении о другое тело при низкой влажности воздуха.

2. Выделим структурные элементы явления электризации тел трением: МО-1 - электрически нейтральное тело; МО-2 - другое электрически нейтральное тело; специфические условия для протекания явления - контакт или трение тел друг о друга при низкой влажности воздуха; результат взаимодействия - оба тела приобретают способность притягивать легкие предметы.

3. Придумаем исходную ситуацию, в которой ученики обнаружат данное явление: если расчесать волосы пластмассовой расческой (потереть пластмассу о шерсть), она будет притягивать легкие предметы. Возникает вопрос: что это за явление?

4. Для ответа на этот вопрос сформулируем и последовательно решим следующие познавательные задачи:

- только ли пластмасса при трении о шерсть приобретает свойство притягивать легкие тела? (ПЗ №1);

- только ли о шерсть необходимо натирать тело, чтобы оно приобрело способность притягивать легкие предметы? (ПЗ №2);

- при каких условиях тела приобретают свойство притягивать легкие предметы? (Является ли контакт или трение тел друг о друга необходимым условием для протекания явления, при каких внешних условиях происходит это явление?) (ПЗ №3).

5. Разработаем метод решения каждой познавательной задачи. Для решения ПЗ №1 нужно заменить пластмассовое тело телами из других веществ: эбонита, стекла, дерева, стали и т.п., натереть их о шерсть и исследовать их способность притягивать легкие предметы.

Для решения ПЗ №2 в качестве МО-1 можно взять любое из исследованных тел и натирать его о тела из разных веществ: шелка, бумаги, оргстекла и т.п.

При решении ПЗ №3 будем менять условия взаимодействия двух любых тел: приведем тела в относительное движение без контакта, проведем эксперимент при высокой влажности воздуха и т.п.

6. Для проведения эксперимента необходимы тела из разных веществ и индикатор наличия заряда у тела - легкий предмет (гильза, подвешенная на шелковой нити, электрический султан, струйка воды и т.п.).

7. При проведении первой серии экспериментов учащиеся должны будут получить следующие результаты: при натирании о шерсть эбонита, стекла, дерева, стали, тела приобретают свойство притягивать легкие предметы. Экспериментальные данные, полученные учениками можно дополнить результатами, полученными В. Гильбертом и описанными в работе «О магнитном схождении и прежде всего о притяжении янтаря, или, вернее, о приставании тел к янтарю» [1, с.78-103]: «не только янтарь и гагат привлекают к себе тела, но то же делает алмаз, сапфир, карбункул, камень ирис, опал, аметист, винцентино, берилл. Подобными же притягательными силами обладают стекло, большинство флуоров из рудников, сера, мастика, сургуч, твердая смола и др. Все они притягивают не только соломинки и мякину, но и все металлы, дерево, листья, камни, земли, даже воду, растительное масло и все, что подвластно нашим чувствам. Никаких сил не приобретают таким образом серебро, золото, медь, железо, также любой магнит».

При проведении второй серии экспериментов учащиеся должны будут получить следующие результаты: при натирании любого тела о шелк, бумагу, оргстекло последнее приобретает свойство притягивать легкие предметы. Данные этой серии экспериментов необходимо дополнить следующими результатами, полученными ученым: «натирать янтарь можно также немарким сукном и сухой ладонью. Трут также янтарь об алмаз, о стекло и о многое другое. Так обрабатываются электрические тела».

При проведении третьей серии экспериментов учащиеся должны будут получить следующие результаты: при отсутствии контакта или трения тел друг о друга явление не происходит; также не удается наэлектризовать тела, если в комнате высокая влажность воздуха или одно из тел влажное. Экспериментальные данные, полученные учениками, можно дополнить результатами, полученными В. Гильбертом: «лучше всего тела наклоняются к электрическим телам тогда, когда натирание произведено легко и очень быстро, на притяжение наэлектризованными телами других тел оказывает сильное влияние влажность воздуха и наличие вблизи взаимодействующих объектов пламени. В очень разреженном воздухе, когда дуют северные ветры, а у нас (англичан) - восточные, истечения производят более определенное и прочное действие, а при южных ветрах и во влажном воздухе - очень слабое, до такой степени, что тело, с трудом притягивающее при ясной погоде, не приводит в движение ничего при пасмурной погоде.... Электрические тела не приводят в движение стрелку, если очень близко от последней, с какого-либо боку, будет находиться пламя или какая-нибудь горящая материя».

8. Сформулируем обобщенные знания по каждой серии экспериментов. Ответ на ПЗ №1: любые вещества, кроме металла, который человек держит в руке, после трения о шерсть приобретают способность притягивать другие тела.

Ответ на ПЗ №2: тело приобретает способность притягивать легкие предметы, если его натереть любым другим телом.

Ответ на ПЗ №3: явление происходит при трении тел друг о друга и при низкой влажности воздуха.

Для разработки этапа урока «Организация деятельности учащихся по теоретическому предсказанию физического явления» необходимо выполнить следующие действия:

1. Составить определение физического явления, которое может быть получено путём теоретических предсказаний.

2. Сформулировать ПЗ типа «Изменится ли состояние объекта при определенном воздействии и если да, то как?» (ответом на эту ПЗ является определение физического явления).

3. Установить, в какой исходной ситуации возникает потребность в формулировании ПЗ.

4. Составить план теоретических рассуждений для предсказания данного явления.

5. Провести рассуждение в соответствии с составленным планом.

6. Разработать экспериментальную установку, с помощью которой возможно воспроизвести физическое явление.

7. Сравнить возможные результаты эксперимента с теоретическим предсказанием.

Проиллюстрируем результаты выполнения этих действий на следующем примере.

Предположим, что разрабатывается фрагмент урока, на котором учащиеся предсказывают капиллярные явления.

1. Составим определение данного явления: капиллярные явления - это явления, состоящие в том, что если жидкость смачивает стенки узкого сосуда (капилляра), то ее уровень поднимается по сравнению с уровнем жидкости в широких сосудах; если жидкость не смачивает стенки капилляра, то ее уровень опускается по сравнению с уровнем жидкости в широких сосудах.

2. Сформулируем ПЗ, ответом на которую будет составленное определение: «К каким изменениям в поведение жидкости может привести наличие искривления в поверхности жидкости вблизи стенок сосуда?».

3. Придумаем исходную ситуацию, в которой появляется потребность в изучении данного явления: до сих пор мы считали свободную поверхность жидкости плоской. Рассуждения и опыты позволили обнаружить искривления поверхности жидкости вблизи стенок сосуда.

4. Составим план деятельности по решению ПЗ:

1) построить молекулярную картину расположения, движения и взаимодействия молекул жидкости и твердого тела вблизи стенок сосуда;

2) выяснить, влияет ли учет этого взаимодействия на поведение жидкости;

3) выяснить, какие особенности в поведении жидкости могут быть связаны с учетом этого взаимодействия;

4) выяснить, в чем состоит отличие в поведении молекул жидкости, находящихся под изогнутой поверхностью по сравнению с молекулами, расположенными под плоской поверхностью;

5) предположить, к каким особенностям в поведении жидкости под областью искривления поверхности это может привести.

5. Проведем рассуждения в соответствии с составленным планом: рассмотрим произвольную молекулу 1, находящуюся под плоской свободной поверхностью, и молекулу 2, находящуюся на той же глубине под вогнутой поверхностью. На каждую из этих молекул действуют силы притяжения со стороны соседних молекул. Сила, действующая на выбранную молекулу в данном направлении, зависит от числа молекул, расположенных вблизи нее в этом направлении. У молекулы 2 больше соседей, расположенных по направлению вверх, чем у молекулы 1, в других же направлениях среднее число соседей для молекул 1 и 2 одинаково. Если распространить это вывод на все молекулы приповерхностного слоя, то следует ожидать, что жидкость под вогнутой поверхностью будет подниматься вверх. Проведя аналогичные рассуждения для случая с выпуклой поверхностью, получим, что на молекулы приповерхностного слоя будут действовать дополнительные силы, направленные вниз, в результате чего жидкость будет опускаться ниже уровня жидкости в случае плоской поверхности. Искривление свободной поверхности жидкости должно привести к поднятию уровня жидкости в случае вогнутой поверхности, опусканию - в случае выпуклой поверхности. Явление будет наблюдаться в узких трубках.

6. Разработаем экспериментальную установку, позволяющую воспроизвести подъем или опускание жидкости в узких сосудах: капилляр необходимо помещать в другой сосуд с разными жидкостями.

7. При проведении экспериментов учащиеся должны будут получить следующие результаты: уровень жидкости в узких трубках поднимается в случае вогнутой поверхности (смачивание) и опускается в случае выпуклой поверхности (несмачивание) по сравнению с уровнем жидкости в широких сосудах. Значит, теоретическое предсказание верно.

После того, как учитель конкретизировал общую логическую схему применительно к понятию о данном физическом явлении, необходимо выполнить следующее действие: определить, какие из действий учащиеся могут выполнить самостоятельно, какие с помощью учителя, а какие может выполнить только учитель.

Создать ситуацию, в которой учащиеся смогут обнаружить новое явление, может только учитель; он же должен сформулировать общую ПЗ: «Что это за явление?». Формулирование трех ПЗ может быть выполнено учащимися самостоятельно, при условии, что они знают ориентиры для правильного выполнения этих действий. Как правило, ученики могут самостоятельно выполнить это действие после методологического урока, на котором выделяется обобщенная логическая схема изучения физического явления на эмпирическом уровне познания.

Методы решения ПЗ №1, 2, 3 могут быть разработаны учащимися самостоятельно. Что же касается проведения эксперимента, то степень самостоятельности учащихся определяется наличием оборудования в кабинете физики и требованиями техники безопасности. Если организация экспериментальной деятельности учащихся невозможна, то учитель проводит эксперимент сам, либо сообщает о результатах опытов, проведенных учеными, изучавшими данное явление. Сформулировать обобщенные знания о взаимодействующих объектах и условиях взаимодействия, а также сформулировать ответ на общую познавательную задачу должны сами ученики.

Подбор термина - действие, которое выполняет учитель. Он сообщает термин в готовом виде и объясняет его значение.

Наконец, определение понятия - действие, которое выполняют сами учащиеся.

После того, как определены субъекты каждого действия, можно приступать к заключительному этапу подготовительной работы учителя - разработке сценария этапа урока. При этом необходимо подобрать такие слова, которые бы однозначно понимались учащимися и побуждали бы к определенному ожидаемому действию.

При создании понятия о физическом явлении некоторые действия учащиеся выполняют самостоятельно или совместно с учителем, другие выполняет учитель. Поэтому слова учителя должны однозначно определять, кто будет выполнять то или иное действие.

Обращения в виде вопросов, побуждающих учащихся выполнить то или иное действие, должны перемежаться обращениями, побуждающими их доложить о полученных результатах, оценить результаты, полученные при выполнении этого же действия другим учащимися, самостоятельно записать план, по которому нужно действовать при решении поставленной задачи, ответ на задачу, определение явления.

Требование «записать» создает ситуацию, в которой соответствующее действие выполняется каждым учеником. Однако результаты этого действия следует проверить, предложив некоторым из них прочитать свои записи, а остальным - оценить и внести коррективы.

Если действие выполняет учитель, то его обращение к учащимся имеет целью привлечь их внимание к тому, что он делает. Например, если учитель начинает демонстрировать опыт, он обращается к учащимся со словами: «Внимание! Приступаю к эксперименту!», если учитель хочет, чтобы ученики завершили выполнение эксперимента - «Внимание, закончили исследование». урок физика электризация трение

Для привлечения внимания учащихся учитель часто использует слово «итак». Например, «Итак, мы обнаружили новое явление. Возникает вопрос: что это за явление?»; «Итак, какой ответ на познавательную задачу вы можете сформулировать?».

При выполнении какого-либо действия учитель должен регламентировать самостоятельную работу учащихся, объявив о времени, отводимом на выполнение задания, о форме работы (индивидуально, парами, в группах) и о форме фиксации результатов выполнения действия. Например, «Сформулируйте и запишите определение изученного явления в тетради. В вашем распоряжении 1 минута»; «Эксперимент выполняйте парами, используя имеющееся на столе оборудование. Экспериментальные данные необходимо занести в разработанную нами таблицу. На выполнение опытов и фиксирование их результатов - 5 минут».

Чтобы установить, какие из действий, составляющих содержание деятельности по теоретическому предсказанию явления, учащиеся могут выполнить самостоятельно, какие с помощью учителя, а какие может выполнить только учитель, необходимо проанализировать конкретизированную логическую схему и определить, имеют ли учащиеся данного класса знания и умения, необходимые для выполнения каждого действия.

Сформулировать ПЗ, ответом на которую является определение явления, должен учитель. План теоретических рассуждений может быть составлен учащимися, если они знают содержание этой деятельности. Если ученики затрудняются выполнить это действие самостоятельно, учитель может помочь им составить план теоретических рассуждений. Провести рассуждения в соответствии с составленным планом необходимо ученикам. Экспериментальная проверка теоретического предсказания, в зависимости от сложности и длительности эксперимента, проводится либо преподавателем, либо учащимися. Сравнить результаты эксперимента с предсказанными и сформулировать ответ на ПЗ должны сами ученики.

После того, как определены субъекты каждого действия, можно приступать к разработке сценария этапа урока. Обращения учителя к учащимся должны соответствовать требованиям, описанным выше.

Наш опыт показывает, что внедрение описанной методики обучения позволяет учащимся овладеть обобщенными методами исследования явлений, и они могут применять его при самостоятельном исследовании явлений различной физической природы.

Литература

1. Гильберт В. О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле. - М., Изд-во АН СССР, 1956.

2. Федеральный компонент государственного стандарта общего образования. // Физика в школе. - 2004. - N 4.

Размещено на Allbest.ru