Исследовательские задачи по физике в школьном курсе физики

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Оренбургский государственный университет»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ЗАДАЧИ ПО ФИЗИКЕ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ

Якупов Г.С.

Современное школьное обучение предполагает формирование исследовательской компетенции наиболее значимой проблемой, поскольку выбор дальнейшей профессии в старших классах становится уже задачей обозримого будущего и этот выбор оказывает сильное влияние на всю предстоящую профессиональную деятельность выпускника любой школы. При таком подходе важным моментом в обучении становится навыков решения различных задач, предполагающих развития у будущих специалистов навыков реализации своих профессиональных функций. Такие навыки формируются при помощи активных методов обучения, которые должны имитировать ситуации, требующие нетривиального решения поставленной задачи. Поскольку физика изучается на большинстве специальностей высших учебных заведений, то такой подход целесообразно было бы начать реализовывать в рамках изучения курса физики, тем более что к настоящему времени накоплен огромный запас заданий, которые можно было бы предлагать для решения будущим инженерам как в рамках семинарских и практических занятий, так и в качестве домашних заданий.

Эффективное формирование предпосылок для будущих профессиональных навыков в процессе обучения в старших классах средней школы происходит при использовании методик, предназначенных для получения опыта самостоятельного решения различных задач. К таким методикам относятся:

1) технологии проблемно-модульного обучения, предназначенные для самостоятельного изучения школьником учебного материала;

2) технологии исследовательского обучения.

Учебное исследование позволяет сформировать у старшеклассников интеллектуальные способности и исследовательские умения, необходимые инженеру в его профессиональной деятельности. Использование преподавателем вышеназванных методик в процессе изучения физики делает учебный процесс ориентированным на научно-исследовательский характер [1].

Следовательно, основой формирования профессиональной компетентности будущего компетентного специалиста является формирование у него в учебном процессе исследовательской компетенции, то есть элементов творческого потенциала личности [1].

Рассмотрим, в чем заключается суть учебной деятельности направленной на формирование исследовательской компетенции у школьников. Данный вид деятельности отличается от традиционного преподавания тем, что учащемуся в нем отводится большая роль, предоставляется большая самостоятельность. Преподавателю отводится роль координатора деятельности обучающегося, то есть под руководством преподавателя ученик решает как учебно-исследовательские задачи, решение которых заранее неизвестно, более того, путей решения отличных друг от друга может быть несколько, в зависимости от уровня знаний учащегося, его эрудиции и многого другого. Такие задачи в отличие от стандартных задач по физике, где необходимо подставить числовые данные в известные математические выражения, предполагают от учащегося построить процесс решения задачи в соответствии с методологией научного исследования.

Учебно-исследовательским задачам в учебном процессе должно отводиться особое место, поскольку именно они необходимы для профессиональной подготовки будущего специалиста. Можно привести следующую классификацию задач по физике:

1. Учебная задача: способы решения такой задачи, как правило, известны тому, кто ее решает.

2. Научно-исследовательская задача: решение данного вида задач неизвестно никому и решение такой задачи позволяет получить новые знания.

Промежуточным типом задач является учебно-исследовательская задача, являющаяся своего рода аналогом исследовательской задачи для ученого. Поскольку в педагогической литературе разные авторы предполагают несколько отличное понимание исследовательских (учебно-исследовательских) задач [2], постараемся выявить некоторые главные черты: таковыми являются поисковой ситуации и гипотезы, которые требуют от учащегося самостоятельно решения, обоснования и доказательства. Например, будущий инженер при изучении курса физики должен овладеть навыками решения исследовательских задач. Использование учебно-исследовательских задач в учебном процессе обеспечивает формирование исследовательских умений и систематизацию полученных знаний.

Для решения исследовательской задачи можно предложить следующий алгоритм:

1) Проанализировать условие задачи, чтобы понять идею задачи целиком:

а. Какое физическое явление имеет место в условии задачи?

б. Какой физический процесс происходит?

в. Что необходимо найти?

г. Какой раздел физики затрагивает предложенная задача?

2) Качественный анализ возможного решения задачи:

а. Схематическое описание явления.

б. Примерное поведение описываемой системы

в. Графическое описание системы.

г. Возможный диапазон значений искомых величин.

3) Составляется план решения задачи:

а. Какую физическую величину требуется найти?

б. В какое уравнение она должна входить?

в. Имеет ли решение (решения) данное уравнение?

г. Какие величины также являются неизвестными?

д. Какие ещё уравнения необходимы?

е. Как их составить?

ж. Какими параметрами можно пренебречь?

4) Анализ полученных результатов [3]:

а. Имеет ли найденная величина соответствующую размерность?

б. Является ли полученный ответ правдоподобным?

в. Каков физический смысл полученного ответа?

г. Анализ приближения.

д. Какие актуальные вопросы можно еще предложить тем, кто решает данную задачу?

Этот алгоритм построен в соответствии с методологией научного исследования, отражая её основные элементы. Исследовательская деятельность может быть разбита на этапы, по аналогии с тем, как поступают в программировании при проектировании программ, когда первоначально программа воспринимается как совокупность действий, каждое из которых детализируется и представляется как последовательность более простых и конкретных действий, называя это нисходящим программированием [4]. Тем не менее, следует отметить, что принятых однозначно исследователями данной проблемы этапов научного исследования в работах по методологии науки не встречается.

В данной статье делается попытка представить схему этапов научных исследований учащихся старших классов таком образом, чтобы исследовательская компетенция на основе этой схемы была сформирована для конкретного исследования, не зависимо от того, является ли оно экспериментальным либо теоретическим [5]. Методологией, согласно, принято считать учение об организации деятельности, поэтому будем полагать, что под методологией научного исследования, соответственно, понимается учение об организации исследовательской деятельности. Следовательно, этапами научного исследования для будущего инженера будут выступать структурные элементы той исследовательской компетенции, которая связана с его будущей профессией.

Исследовательская компетенция может формироваться только при рассмотрении реальных задач, решение которых отличается от традиционных задач по физике тем, что эти задачи строятся на основе физической ситуации, которая в свою очередь может видоизменяться и дополняться новыми условиями. Такие задачи зачастую не имеют одного варианта решения и получаемые в ходе их решения ответы также могут отличаться, тем не менее, являясь верными, в зависимости от предпосылок из которых исходит решающий данную задачу учащийся. Кроме того, при решении достаточно большого количества таких задач формируются навыки самостоятельной постановки проблемы исследования, что немаловажно для будущих специалистов. Рассмотрим элементы исследовательской компетенции, необходимые будущему инженеру, которые формируются при помощи решения исследовательских задач по физике. В зависимости от поставленных целей, каждый конкретный элемент из этого перечня можно видоизменить.

1. Учащийся должен уметь определять цель исследования для понимания проблемной ситуации (исследовательской задачи) используя для этого известные ему законы физики, необходимые для решения данной исследовательской задачи.

2. Важным аспектом при решении исследовательских задач является умение строить гипотезы. Гипотезы выдвигаются на основе физических законов и не должны им противоречить.

3. Необходимость понимания того, что многие исследовательские задачи затрагивают сразу несколько разделов физики, вследствие чего бывает целесообразно разбить задачу на несколько более простых, промежуточных задач и решать их по отдельности.

4. Умение анализировать решение задачи на частные (предельные) ситуации, а также прогнозировать возможные альтернативные решения для данной задачи.

5. При решении исследовательских задач оценочного характера уметь находить необходимые данные для решения, если они изначально не заданы явно.

6. Поскольку профессия инженера предполагает работу в группах иметь навыки групповой работы, выступления с докладами для обсуждения результатов работы исследовательской микрогруппы.

7. Быть готовым применять полученные результаты на практике, не ограничиваясь только рамками теоретического исследования.

8. Осуществлять критический анализ результатов, полученных в исследовании. Сопоставлять поставленные цели и полученные результаты деятельности.

Предложенное содержание элементов исследовательской компетенции у будущих специалистов при решении ими задач по физике исследовательского характера может варьироваться в зависимости от индивидуальных особенностей школьников. Также может видоизменяться и содержание предлагаемых исследовательских задач, в зависимости от направления подготовки. Так или иначе, решение таких задач предполагает большой объем самостоятельной работы обучающихся в сотрудничестве с преподавателем [6]. Можно выделить ряд ключевых моментов такой деятельности:

1) работа учащихся в микрогруппах и преподавателями, а также консультирование у специалистов, для формирования коммуникационной компетенции;

2) применение в учебном процессе средств информационно-коммуникационных технологий для формирования информационной компетенции.

В исследовательской задаче, которая представляет собой прообраз реальной ситуации, содержится противоречие, которое является своеобразным мостом от незнания к знанию, побуждает к поиску путей решения поставленной задачи. Причём имеющийся у учащегося жизненный опыт не содержит ответа на данный вопрос, он следует из знания, которое содержится в условии проблемной ситуации.

Важным качеством, которое необходимо будущим специалистам, является умение строить гипотезы. Обычно это утверждение, относительно которого нельзя точно утверждать, является ли оно истинным или ложным. Такое предположение выдвигается в случае, когда, мы пытаемся объяснить то, что пока не поддается объяснению. Выдвижение гипотезы является первым шагом к построению исследовательской задачи. Гипотеза - это знание, в котором содержится элемент неопределенности, истинность этого знания пока не доказана. Любые научные знания проходят сложный путь от предположения до факта, концепции или теории. Поэтому огромное значение имеет навык правильного построения гипотезы. Для проверки истинности (так и ложности) гипотезы учебная деятельность школьников организуется таком образом, чтобы на основе конкретной физической ситуации, или физических задач, а также их решения, они убеждались в истинности или ложности их предположений.

В качестве примера можно рассмотреть несколько задач исследовательского характера и возможные их решения, представленные учащимися.

Задача 1. Астрономические наблюдения показывают, что на планете Венера полная облачность, так что «жители» Венеры лишены возможности наблюдать небесные светила. Опишите, каким методом они могли бы точно измерить длину суток [7].

Данная задача имеет несколько возможных решений, причем различных, в зависимости от того, каким образом мыслит решающий ее ученик. Возможно такое решение: «жители» Венеры, лишены возможности жить, так как на этой планете постоянно выпадают осадки в виде серной кислоты. Предложив такой ответ, учащийся демонстрирует свои знания из области астрономии. Другим возможным решением может быть такой ответ: а что если для наблюдения небесных светил использовать радиолокацию? Или еще какой-нибудь диапазон электромагнитных волн, например, рентгеновский. Таким образом, решения получаются совершенно разными и, тем не менее, каждое по-своему правильное.

Задача 2. По какой траектории должен лететь самолет ТУ-104 для того, чтобы можно было воспроизвести невесомость [7]?

Эту задачу можно решить традиционным способом, если записать уравнение, описывающее движение самолета в поле земного тяготения, приравняв нулю равнодействующую всех сил, действующих на тело, находящееся в самолете. Существует и другой способ решения этой задачи, в котором достаточно просто предположить, что самолет представляет собой свободно падающее тело. В поле силы тяжести Земли такое тело будет двигаться по параболе. В этом случае, все тела, находящиеся на борту самолета, будет пребывать в состоянии невесомости.

Особенностью таких задач является то, что они не имеют какого-то единого решения и ответа, так как сам решающий может в силу своих знаний, способностей и эрудиции выбрать тот аспект в задаче, который его интересует и углубиться в его проработку. Причем глубина такого «погружения» ничем не ограничена, то есть каждую такую задачу можно довести до уровня небольшого научного исследования. Ты решения и ответы которые предлагают учащиеся дают возможность судить об их стиле мышления, что очень важно для подготовки будущего инженера, кроме того в большинстве таких заданий численные значения физических величин и параметров, решающий их волен выбирать самостоятельно.

Задача 3. Оцените диаметр купола парашюта, который обеспечивает приземление человека со скоростью, каких числовых отвечающей прыжку человека с высоты 2 м. В данной задаче, как и во многих задачах исследовательского характера, нет никаких числовых данных, тем не менее, предполагается получить некое численное значение. Для решения данной задачи можно предположить, что сила сопротивления воздуха определяется формулой Ньютона:

где S - площадь купола парашюта,

с - плотность воздуха.

В установившемся режиме F = mg. При высоте h с которой осуществляется прыжок можно получить выражение для скорости

Таким образом,

Считая, что m = 70 кг, h ? 2 м, с ? 1,3 кг/м³, получим оценочное значение S ? 30 м², что соответствует диаметру купола 6 м.

Для преподавателя решение таких задач с учащимися старших классов является очень эффективной проверкой того, что их знания не просто представляются как выученный наизусть без глубокого понимания материал. При использовании таких задач в процессе изучения физики учащимися старших классов можно воспитывать творческое научное мышление, формировать научный стиль мышления, поскольку для эффективной работы инженера необходимо самостоятельное аналитическое мышление.

Решение и исследование каждой из десяти задач мы не приводим, хотя подчеркнем, что именно эта деятельность учащихся позволяет построить один из самых важных этапов теоретического исследования физической ситуации. Обобщенную программу теоретического исследования с помощью системы задач можно представить, таким образом, состоящей из следующих этапов:

1. Выделение конкретной физической ситуации в учебном материале.

2. Выявление в ней объекта, явления, модели, физических величин.

3. Составление на основе физической ситуации задачи 1.

4. Решение задачи 1 в общем виде на основе анализа и моделирования физической задачной ситуации.

5. Анализ полученного результата задачи 1 (исследование полученной математической формулы на предельные и частные случаи).

6. Составление на основе измененной физической ситуации задачи 2.

7. Повторение для задачи 2 пунктов 4 и 5. 8. Составление, решение и исследование последующих задач 3-10.

9. Обнаружение связей между физическими ситуациями с помощью решенных физических задач с целью обобщения физической ситуации.

10. Контроль правильности решения задач и элементы рефлексии.

11. Апробация результатов исследования в процессе учебных занятий в школе и вузе, составление сборников задач, подготовка методических рекомендаций.

12. Осуществление научной рефлексии как способа построения новых систем знаний (принятие к исследованию новых физических ситуаций).

Образцы систем (циклов) учебных задач по всем разделам школьного курса физики, которые можно использовать на начальном этапе обучения учащихся, представлены в сборнике задач.

На основе всего вышесказанного можно сделать следующие выводы. Под исследовательской компетенцией, которая должна быть сформирована у будущего специалиста в процессе учебно-исследовательской деятельности, можно понимать отчужденные, заранее заданные социальные требования к профессиональной его эффективной продуктивной исследовательской деятельности, заключающиеся в способности обнаружить физическую проблему, осознать необходимость ее решения и выполнить операции по её разрешению в соответствии с фазами, стадиями и этапами методологии научного исследования.

Предметной исследовательской компетентностью будущего специалиста будет совокупность личностных качеств обучаемого (ценностно-смысловых ориентаций, знаний, умений, навыков, способностей), обусловленных усвоением ориентировочной основы и опыта исследовательской деятельности по методологии научного исследования в процессе изучения физики.

решение школьник задача физика

Список литературы

1. Савенков А.И. Педагогическая психология. В 2 т. Т. 2. М.: Издательский центр «Академия», 2009. 240 с.

2. Шашенкова Е.А. Исследовательская деятельность в условиях многоуровневого обучения: Монография. М.: АПК и ППРО, 2005. 132 с.

3. Майданов А.С. Методология научного творчества. М.: Издательство ЛКИ, 2008. 512 с.

4. Микешина Л.А. Философия науки: Современная эпистемология. Научное знание в динамике культуры. Методология научного исследования. М.: Прогресс-Традиция: МПСИ: Флинта, 2005. 464 с.

5. Разумовский В.Г., Майер В.В. Физика в школе. Научный метод познания и обучение. М.: Гуманитар. изд. центр «ВЛАДОС», 2004. 463 с.

6. Белянин В.А. Сборник задач по физике:Учебное пособие. Йошкар-Ола, 2010. 94 с.

7. Кузнецов А.П., Кузнецов С.П., Мельников Л.А. Физические задачи для научных работников vладшего возраста: Учеб. пособие.- Саратов: Изд-во Сарат.ун-та, 1998.- 32 с.:ил. ISBN 5-292-02168-7

Размещено на Allbest.ru